一种智能工厂物流动态仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及物流仿真，具体涉及一种智能工厂物流动态仿真系统及方法。

背景技术

在生产仓储型企业，原材料、半成品、成品从产线到仓库、仓库到产线的流动非常频繁。为此要实现数字化工厂，必须利用WCS(仓库控制系统)、WMS(仓库管理系统)、MES(制造执行系统)、ITS(智能运输系统)等各种系统协同来管理自动化仓库、产线、机械手、轨道车(RGV)等各种硬件，完成产线到仓库(入库)、仓库到仓库(移库)、仓库到产线(出库)以及仓库出货等流程。

但是，各种系统在开发阶段的调试和测试、试运行阶段的联调联试、运行期间的问题追溯等都是艰巨、繁琐、冗长的任务，加上多家系统供应商之间沟通不畅，导致全系统频繁出现运行不畅、对接错误等问题，作为最终用户的企业方只能为了协调各种问题而疲于奔命，严重降低了数字化工厂的运行效率。

因此，为了加快系统在开发阶段的调试和测试、试运行阶段的联调联试，需要一种智能工厂物流动态仿真系统，具备以下特点：

1)基于工业以太网，能与多个上位系统建立通信链路，接收来自上位系统(即上述WCS、WMS、MES等)的连接和交互请求，能识别预定的协议，并作出正确的响应；

2)任何一个上位系统可调控仿真系统中任意一个或几个模型的动态仿真，多个上位系统能调控仿真系统中的所有模型，则完全能够在开发阶段尽可能地发现所有问题，避免所有实物部署到位后出现不必要的混乱；

3)使用统一的工作模式，对所有上位系统研发方，在技术层面作出可界定的项目规范约束，从源头上彻底杜绝多种上位系统因为功能划分不明确而出现联调责任不清的问题；

4)随时能改动、监视被仿真对象的某些属性和行为，检验相关上位系统调度与控制的正确性；另外，在前者得到保证后，能够检验出上位系统的性能，总体上实现对所有上位系统的自身运行效率和系统间协同效率的考查。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种智能工厂物流动态仿真系统及方法，能够有效克服现有技术所存在的不能对物流过程涉及到的各种智能对象进行有效建模，无法对上位系统的调度与控制进行正确性验证的缺陷。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种智能工厂物流动态仿真系统，包括主控模块、智能对象实例化模块、动态仿真模块、实时管控模块和上位系统；

智能对象实例化模块，基于主控模块的初始化对智能对象构建模型，并启动动态仿真模块，同时与其他关联智能对象示例进行信息交互；

动态仿真模块，启动后在上位系统的控制下进行物流仿真，推动智能对象实例执行物流任务，并在实时管控模块的控制下进行故障态仿真；

实时管控模块，按照预定方案控制故障态仿真，通过判断上位系统工作状态对上位系统的调度与控制进行正确性验证；

上位系统，向动态仿真模块下发控制指令进行物流仿真，并接收物流任务执行结果报文。

优选地，所述主控模块接收智能对象属性表和场地信息表，并对智能对象属性表进行初始化，生成智能对象初始化属性值表，所述智能对象实例化模块基于智能对象初始化属性值表对智能对象构建模型；

其中，场地信息表包含工业现场环境中智能对象物理布局的拓扑形式信息。

优选地，所述动态仿真模块启动后在上位系统的控制下进行物流仿真，推动智能对象实例执行物流任务的过程中，通过交互规则表对上位系统的调度与控制进行正确性验证。

优选地，所述实时管控模块通过向任意类智能对象的任意动态仿真模块强制输出/取消故障信号进行进行故障态仿真，所述智能对象出现正常态到故障态和/或故障态持续和/或故障态到正常态的状态变化；

若上位系统既不能启动异常处理，也不能禁止相应步骤继续，则判定上位系统的调度与控制出错。

优选地，还包括上位系统通信模块，所述上位系统接收动态仿真模块反馈的物流任务执行结果报文，并通过上位系统通信模块向主控模块进行回传；

所述上位系统通信模块通过内置标准协议与上位系统进行通信，获取并解析上位系统下发的控制指令与报文信息。

优选地，所述上位系统包括叫料终端MCT、仓库控制系统WCS、仓库管理系统WMS、制造执行系统MES和企业资源计划系统ERP。

一种智能工厂物流动态仿真方法，包括以下步骤：

S1、主控模块接收智能对象属性表和场地信息表，并对智能对象属性表进行初始化，生成智能对象初始化属性值表；

S2、智能对象实例化模块基于智能对象初始化属性值表对智能对象构建模型，并启动动态仿真模块；

S3、上位系统向动态仿真模块下发控制指令进行物流仿真，动态仿真模块推动智能对象实例执行物流任务；

S4、上位系统接收动态仿真模块反馈的物流任务执行结果报文，并通过上位系统通信模块向主控模块进行回传。

优选地，还包括实时管控模块通过向任意类智能对象的任意动态仿真模块强制输出/取消故障信号进行进行故障态仿真，并通过判断上位系统工作状态对上位系统的调度与控制进行正确性验证。

优选地，所述通过判断上位系统工作状态对上位系统的调度与控制进行正确性验证，包括：

若上位系统既不能启动异常处理，也不能禁止相应步骤继续，则判定上位系统的调度与控制出错。

优选地，所述上位系统向动态仿真模块下发控制指令进行物流仿真，动态仿真模块推动智能对象实例执行物流任务的过程中，通过交互规则表对上位系统的调度与控制进行正确性验证。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的一种智能工厂物流动态仿真系统及方法，具有以下有益效果：

1)提出一种可行的物流动态仿真系统框架

采用模块化思想，设计出集主控模块、智能对象实例化模块、动态仿真模块、实时管控模块和上位系统为一体的系统框架，在运行时，智能对象实例化模块依据智能对象的基准属性和被仿真对象的扩展属性进行实例化，其间由动态仿真模块在上位系统的控制下进行物流仿真，由实时管控模块按照预定方案控制动态仿真模块进行故障态仿真，向上通过上位系统通信模块对接各上位系统，再根据基准交互规则和扩展交互规则，考查各上位系统调度与控制的正确性，构建一套能够内外有机联动的流动态仿真系统框架；

2)采用“基准—扩展”思路实现一系列智能对象地有效建模

从现实的多种智能对象抽象出基准属性，然后具体到各种常用的实际智能对象，完全能够满足工业现场大部分实际智能对象的实例化需求，同时也具备构建更多智能对象模型的扩展性；

3)给出物流动态仿真实现步骤及细节处理方法

归纳了智能对象的基准属性、基准交互规则等方面的内容，并辅以简化但仍全面的智能工厂物流动态仿真实例，总体上，给出了物流动态仿真实现步骤及细节处理方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明中对于单体智能对象构建模型的示意图；

图3为本发明中动态仿真模块在上位系统的控制下进行物流仿真的交互过程示意图；

图4为本发明中动态仿真模块在实时管控模块的控制下进行故障态仿真的交互过程示意图；

图5为本发明的应用实例图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种智能工厂物流动态仿真系统，如图1所示，包括主控模块、智能对象实例化模块、动态仿真模块、实时管控模块和上位系统；

智能对象实例化模块，基于主控模块的初始化对智能对象构建模型，并启动动态仿真模块，同时与其他关联智能对象示例进行信息交互；

动态仿真模块，启动后在上位系统的控制下进行物流仿真，推动智能对象实例执行物流任务，并在实时管控模块的控制下进行故障态仿真；

实时管控模块，按照预定方案控制故障态仿真，通过判断上位系统工作状态对上位系统的调度与控制进行正确性验证；

上位系统，向动态仿真模块下发控制指令进行物流仿真，并接收物流任务执行结果报文。

本申请技术方案中，还包括上位系统通信模块，上位系统接收动态仿真模块反馈的物流任务执行结果报文，并通过上位系统通信模块向主控模块进行回传。上位系统通信模块通过内置标准协议与上位系统进行通信，获取并解析上位系统下发的控制指令与报文信息。

上位系统包括叫料终端MCT、仓库控制系统WCS、仓库管理系统WMS、制造执行系统MES和企业资源计划系统ERP。

①主控模块接收智能对象属性表(基准属性表+扩展属性表)和场地信息表，并对智能对象属性表进行初始化，生成智能对象初始化属性值表，智能对象实例化模块基于智能对象初始化属性值表对智能对象构建模型；

其中，场地信息表包含工业现场环境中智能对象物理布局的拓扑形式信息。

对于智能工厂的物流任务来说，所有智能对象的基本功能是将物料从一个位置搬运至另一个位置。为此，智能工厂除了构建数字点位系统标注区域内所有智能对象的点位信息，还应有设备管理系统对所有智能对象进行注册备案，而管控这些智能对象的主控模块则必须获取这些智能对象的某些属性信息。

但是，由于智能对象种类较多，功能各异，既有基准属性(共同属性)，也有扩展属性(不同属性)，因此先给出所有智能对象的基准属性(即对各类智能对象的抽象定义)，如下表所示：

表1所有智能对象的基准属性表

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一般地，产线到仓库、仓库到仓库、仓库到产线等工业现场，都部署大量智能对象用于原材料的出库、生产制造、产品/半成品入库等。这些智能对象通常包括：PCV(程控输送机)、RGV(轨道车)、FLV(固定式提升机)、RTV(转盘机)、FLV(轨道提升机)。除了轨道车RGV由智能运输系统ITS管控之外，其余均由仓库控制系统WCS管控。

1)程控输送机(PCV，分类：0x01)

输送机分为三类：辊筒式、链条式、条带式，基本功能是将货物从一地(Begin_Node)传送至另一地(End_Node)，可以加装探测感应器(通常为光电探测器)，检测空载状态下是否有货物进入，负载状态下货物是否离开。程控输送机的扩展属性如下表所示：

表2程控输送机的扩展属性表

2)轨道车(RGV，分类号：0x02)

轨道车在静态时相当于程控输送机，但其本身可在预制的直轨或环轨上穿梭(也称为轨道穿梭车)，用于远距离的物料搬运。轨道车的扩展属性如下表所示：

表3轨道车的扩展属性表

3)固定式提升机(FLV，分类号：0x04)

固定式提升机也相当于程控输送机，但具有升降功能，一般部署于仓库出库/入库口，可对接高位PCV、RGV等，待取得物料后再转运至低位PCV、RGV等，或者相反。固定式提升机的扩展属性如下表所示：

表4固定式提升机的扩展属性表

4)转盘机(RTV，分类号：0x05)

某些仓库和PCV对纵向界面为长宽比较大的物料箱或物料托盘的方向有严格要求，因此需要在物料流水线的某个环节进行方向矫正，此步骤由转盘机完成。出于现场实际情况和容错性考虑，转盘机可以接收物料箱或物料托盘后，旋转指定角度(通常是90°)再推出。如果指定角度为0°，则RTV等同于PCV。转盘机的扩展属性如下表所示：

表5转盘机的扩展属性表

5)轨道提升机(RLV，分类号：0x06)

轨道提升机也称堆垛机，运行于立体库巷道中的专用轨道上，装有货叉，可升降、伸缩货叉；机体横向移动，可定位目标货位的横向位置；货叉升降，可定位目标货位的纵向位置。轨道提升机通过货叉的升降、伸缩可从立体库货位取、放货，根据方向设定，还可以从立体库两面取、放货。轨道提升机的扩展属性如下表所示：

表6轨道提升机的扩展属性表

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针对表1给出的所有智能对象的基准属性，主控模块对该表进行初始化，生成智能对象初始化属性值表，如下表所示：

表7单体智能对象初始化属性值表

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如图2(图中的动力机构与模型无关，故不绘制)所示，智能对象实例化模块基于智能对象初始化属性值表(表7)对智能对象构建模型。其中，整个平面ABCD可平动，中心箭头即其平动方向，带动物料箱从点位2010移动至点位2011；物料箱本身的宽度、高度应该在限值Ava_Width、Ava_Height之内。

②动态仿真模块启动后在上位系统的控制下进行物流仿真，推动智能对象实例执行物流任务的过程中，通过交互规则表(基准交互规则表+扩展交互规则表)对上位系统的调度与控制进行正确性验证。

如图3所示，动态仿真模块启动后在上位系统的控制下进行物流仿真，推动智能对象实例执行物流任务的过程中，动态仿真模块与上位系统进入交互模式。

其中，1)在执行上位系统(WCS)下发的控制指令后，动态仿真模块能体现状态切换：空闲＝>运行，运行＝>空闲，运行＝>故障；

2)上位系统(WCS)最初的“指令：移动”来源于其他系统(如WMS)或自身的另外一个实例；

3)在成功执行物流任务后，上位系统(WCS)应向其他系统(如WMS)输出点位状态(2010：无物料；2011：有物料，物料箱编码：202203152201)，可能还需要向另一个实例给出信号，由其将该物料箱转运至点位2012。

动态仿真模块被设计为按既定规则接收、检验并执行上位系统下发的控制指令，最后反馈物流任务执行结果报文，完全是对被仿真智能对象的属性和行为映射。因此，其在执行指令前(静态)和执行指令过程中(动态)能够通过交互规则表确定上位系统调度与控制的正确性。针对表1给出的所有智能对象的基准属性，所有智能对象的基准交互规则，如下表所示：

表8所有智能对象的基准交互规则表

对于故障，实际中某些故障发生后仍可继续执行，如出于冗余考虑配备多个检测设备，其中一个出现故障，但其余设备信号仍能保证

正常执行指令，这种情况需要具体分析。

针对不同智能对象的扩展属性，能够得到相关智能对象的扩展交互规则表：

1)针对表1和表3，轨道车的扩展交互规则如下表所示：

表9基于轨道车的扩展属性得到轨道车的扩展交互规则表

2)针对表1和表4，轨道车的扩展交互规则如下表所示：

表10基于固定式提升机的扩展属性得到轨道车的扩展交互规则表

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3)针对表1和表5，转盘机的扩展交互规则如下表所示：

表11基于转盘机的扩展属性得到转盘机的扩展交互规则表

4)针对表1和表6，轨道提升机的扩展交互规则如下表所示：

表12基于轨道提升机的扩展属性得到轨道提升机的扩展交互规则表

③实时管控模块通过向任意类智能对象的任意动态仿真模块强制输出/取消故障信号进行进行故障态仿真，智能对象出现正常态到故障态和/或故障态持续和/或故障态到正常态的状态变化；

若上位系统既不能启动异常处理，也不能禁止相应步骤继续，则判定上位系统的调度与控制出错。

如图4所示，任何智能对象在执行指令前(静态)和执行指令过程中(动态)都有可能产生故障，因此对上位系统的考查必须包含容错性设计。但是一个物流动态仿真系统，无法像实际设备那样产生偶发性的故障信号，因此必须依赖实时管控模块来手动或自动产生故障信号。

其中，上位系统既可以管控多类设备的多个动态仿真实例(如图4中的“第一上位系统”)，也可以管控某类设备的多个动态仿真实例(如图4中的“第二上位系统”)。

如图5所示，对应的实际应用场景为：智能工厂将2种原料存入各自的临时库中，然后取出并搬运到产线，生产出规格不同的2种产品，最后各自进入成品库，并可从各自出货口出库，2种产品的产出速度较快，导致入库前可能需要暂存于“废品区”和“外暂存区”，待时机适宜再分别入库。图5中各智能对象及上位系统清单，如下表所示：

表13智能对象及上位系统清单

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一种智能工厂物流动态仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、主控模块接收智能对象属性表和场地信息表，并对智能对象属性表进行初始化，生成智能对象初始化属性值表；

S2、智能对象实例化模块基于智能对象初始化属性值表对智能对象构建模型，并启动动态仿真模块；

S3、上位系统向动态仿真模块下发控制指令进行物流仿真，动态仿真模块推动智能对象实例执行物流任务；

S4、上位系统接收动态仿真模块反馈的物流任务执行结果报文，并通过上位系统通信模块向主控模块进行回传。

①还包括实时管控模块通过向任意类智能对象的任意动态仿真模块强制输出/取消故障信号进行进行故障态仿真，并通过判断上位系统工作状态对上位系统的调度与控制进行正确性验证。

其中，通过判断上位系统工作状态对上位系统的调度与控制进行正确性验证，包括：

若上位系统既不能启动异常处理，也不能禁止相应步骤继续，则判定上位系统的调度与控制出错。

②上位系统向动态仿真模块下发控制指令进行物流仿真，动态仿真模块推动智能对象实例执行物流任务的过程中，通过交互规则表对上位系统的调度与控制进行正确性验证。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。