布局三维仿真系统的研究与开发.pdf

第卷 年 第 期 月 中 国 水运 ∀∃ 3 文献标识码 4 本文在一般优化方法的基础上 , 采用计算机图形学技 为人机交互的布局设计提供了有效途径 。 文章编号 4 一≅ ≅Α Β 一 ≅一 一 、 引言 布局就是如何在一个有限的空间内按一定要求摆放多个 具有一定几何形状的物体 。 布局问题侧民多方面者涛在应用 , 如生活小区内建筑物的布局 、 城市里供排水管管道的布局 、 港口设备建筑的布局 、 航天器仓的布局 、 工厂厂房和车间内 机器设备的布局等 。 在工业生产 钊须域 , 布局问题显得尤为突出 。 在制浩企ΧΔ 中 , 多台生产单元就构成了一个生产制造系统 , 如何确定制 造单元的相互关系和摆放位置 , 即车间布局问题是一个首先 要解决的问题 。 一个好的车间布局不仅可以提高物流效率 、 降可 田物料搬运成本 , 而且可论与函过改善人湘Ε不境而大幅提高 生产效率 。 试验表明 , 在一个多生产单元的生产制造系统中 , 过优化的车间布局与物料搬运设计则可降低企业总生产成本 的 Φ 一 Φ 。 本文基于敏捷制造和虚拟希9 Γ 的理念 , 研究用于柔性生 产的布局三维仿真系统 , 通过一定的算法和虚拟仿真 , 使布 局者能参与布局过程并将布局结果逼真地呈现在管理和技术 人员面前 , 为车间布局提供参考 。 二 、 布局三维仿真的研究 系统仿真是近 年在系统科学 、 控制理论 、 计算技术等 多种技术基础上发展起来的一门综合性很强的新兴技术 。 计 算机系统仿真就是以计算机为工具 , 以相似原理 、 仿真技术 、 系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础 , 利用系统模 型对实际或设想的系全范进行试验研究的一门综合性技术 ,,,。 由于车间布局问题属于 2, 问题 , 且布局过程中的许多 要求是一种主观的判断和模糊的要求 , 如布局美观 、 安全等 , 直接采用计算机算法求解布局方案具有很大难度 , 因此采用 虚拟现实的仿真系统来实现布局者的亲身参与布局过程 , 以 达到人湘侧妾合的目的 。 Η 3 − ∃ ;技术 对计算机可视化及仿真技术的研究已经历了一个很长的 历程 , 而且形成了许多可视化工具 Ι 其中 ; Δ 公司推出的 ϑ, ∃; 三维图形库表现突出 , 易于使用而且功能强大 。 利 用 − ∃; 开发出来的三维应用软件颇受许多专业技术人员 的喜爱 , 这些三维应用软件已涉及建筑 、 医学 、 产品设计 、 地球科学等领域 。 ϑ, ∃ ; 被认为是高性能图形和交互式视 景处理的标准 , 目前包括 ∗ ∗ 公司7ΚΛ软件实验室 、 Δ6Κ 等大公司都采用了 − ∃;图形标准 。 − ∃ ; 提供直观的三维图形开发环境 , 实际上是一种 图形与硬件的接口 , 包括 个图形函数 。 开发者可以用这 些函数来建立三维模型和进行三维实时交互 。 ϑ, ∃; 强有 力的图形函数不要求开发者把三维物体模型数据写成固定数 据格式 , 这样开发者可以利用其他不同格式的数据源并获得 许多软件的支持 。 这样就极大地提高了三维图形软件开发的 效率 。 3 三维建模技术 ϑ, ∃ ; 提供了 个图形函数用于绘制各种点 、 直线 和多边形等基本图元 。 如果直接利用 ϑ ∃; 的绘图指令建 立三维实体模型剐卜常繁杂的一个过程 , 在本文研究中采用 . Κ Λ 软件来建立机床的模型 Ι 通过 . Κ Λ软件强大的 画基本几何体 , 三维方向的分段调整 , 三维实体的布尔运算 , 2 ΕΜ 卫Ν 曲线调整及壳变换等功能 , 可以方便的建立出较为 逼真的三维扫Ε未模型 Ι导出为 3 Ο 4 格式的文件 。然后使用 . ΠΛ ,9 − Ο − ∃ 这个软件 , 可以直接将3 Ο 格式的文件转换为 ϑ, ∃ ; 显示列表格式的文件 Ι 这种建模转换方式的效率很 局 。 3 各种优化技术 −, ∃; 中的优化技术包括双缓冲技术 、 反走样技术 、 背面消隐 、 多重纹理影射等 。 双缓川 咬 支术是指 − ∃ ; 支持 显为 健爱 冲和非显月镊冲 , 缺省的情况是所有的 ϑ, ∃; Θ一Β 武汉理工大学机电工程学院硕士研究生ΑΡ ≅ Β 岁 竹 Θ 中国水运 第 卷 集开发 、 编译 、 发布为一体的集成开发环境 , 基础语言为面 向对象的 5 5 语言 , 并提供了强大的Μ 人∃ 卫 8Ο , 98 硕− ∃ . Σ 9叩0 ∃ ∋ , 快速应用程序开发Β咖旨 , 使得开发者可以节约 大量设计界面和实现程序底层支持功能的时间 , 将精力主要 用于程序核心逻辑的设计上 。 本软件充分利用 / 十5 67 99Ο 4 程序面向对象易于开发的 优点 , 实现了车间设备布局的计算机辅助设计 , 对于提高车 间设备布局设计的效率 、 缩短设计周期和提高布局设计质量 均具有社会价值和经洲介值 。 Η 3 556774 ∗的− ∃; 编程框架 由于 5 567ΟΟ对 Τ8们Ο −Τ 的消息机制进行了一定程度 上的封装 , 在/ 55 67 9 9 Ο 下进行ϑ , ∃; 编程与其他∀ 5 5 环 境下有较大区别Ι在 /5 十6 7 89 Ο 中采用− , ∃ ;编程的基本 框架如下所述 , 用于本研究中车间布局仿真程序的开发 9 ’ − Α9 Β在头文件中增加变量 、 函数声明和包含− ∃;头 文件的语句 Ι Α Β在窗体− ∃ −事件过程中初始化− ∃;Ι ΑΒ在窗体 − ∃, 8∃ ∋ −事件过程中绘制图形 , 调用自己编 写的绘图函数Ι ΑΡΒ在窗体−∃ 8二ϑ事件过程中控制图形的显示视口 Ι ΑΥΒ在窗体− ∃ 9 − −事件中释放 。讲∃; 设备句柄 。 3 布局过程的可视化 图形方式是实现监控过程可视化的有效方法 , 也是可视 化哪私岸计算可视们发展的重要分支 。 布局过程的可视化 , 可以使系统用户随时了解到布局的变化状况和布局过程 。 这 样可以使用户根据具体情况 , 对布局过程中不理想的布局方 案进行人工调整 。 数值解为初女合 直的三维布局仿真 , 该仿真直接显示了三维的 车间 , 以及在车间中的各种设备和他们之间的相对位置 。 这样 , 可以将遗传算法每一次迭代产生的最优布局方案 的数值解 , 作为参数传递给三维仿真部分 , 以显荆与方着遗传 算法计算的进行 , 车间布局方案的不断变化狗这样一个布局 收敛过程Ι从而实现了收敛过程的可视化 。 3 系统流程框架 根据系统功能要求 , 布局仿真软件系统包括遗传算法的 计算 、 布局仿真 、 人机交互三个主要功能 。 系统运行的流程 图如图 所示 。 在车间布局仿真系统的开发过程中 , 采用的是改进的遗 传算法来进行布局求解 Ι 通过编程 , 实现了遗传算法的迭代 过程 , 并且能够保存每一步迭代过程的最佳布局方案以及适 应度值 Ι 通过这些适应度值 一迭代次数的数据, 可以用一个 直角坐标系内收敛曲线来显示这个计算过程 , 如下图 Η 所示 。 在本文编程实现的 “车间设备布局仿真系统” 中 , 通过 ϑ, ∃; 的三维仿真编程 , 实现了以遗传算法所求解得到的 图 系统流程框架 Ρ 3 系统主要功能说明 根据上述流程图 , 对布局计算过程及布局收敛过程仿真 、 布局结果仿真进行了软件实现 , 形成一个车间布局的三维仿 真系统 Ι 主要功能包括遗传算法计算 、 收敛过程可视化 、 布 局结果仿真 、 人机交互四个主要功能模块 。 系统界面显示三个主要的功能区 4 月处敛曲线区域 、 信息 提示区域和三维仿真区域 。 其中收敛曲线区域显示计算过程 的收敛曲线 “适应度值 一 迭代次数 ” 曲线 Ι 信息提示区域显 示人机交互过程中的各种提示信息及布局的结果信息Ι三维 仿真区域用于布局仿真及人机交互 , 在这个区域中布局者可 以在虚拟场景中漫游 , 拖动各个布局物体 。 四 、 结论 布局过程是一个复杂的人机交互过程 , 通过本系统 , 可 有效实现布局三维仿真 , 使得布局工程师有 随过算法求解得 到基本布局方案 , 然后人工直观调整来满足各种要求 , 解决 了柔性生产系统的车间设备布局问题 。 参考文献 ς Ω 孟飞 3 御 ∃ ;技术的应用与探讨 3 科技广场 3 3 Ρ 3 ΞΡ 3 ς Ω 3 ς Ω瞿轰 , 冉欣 3 ∀5 十67 8 9 Ο Ρ 3 。多媒体开发技术 3 北京 4 人民 邮电出版社 3 3 1∋ ∋4 ∗ 9[− 7 ∋ − 1 9 0Υ 2 , Ο , −1 9048∋ ’ Ο∋ − 1 − 9Σ Ο 1[ 7 9[ 0 ∋0 ∋8 0∋− Ο 3 Δ∃ ∋8 ∋ 89 , 9[ − 7 ∋ . [∋0 1 Ο ∃ − 0 9 − ∋ 808Η ∋8− ∃ Τ Ο Σ 9−,Ο Τ 8∋∋ ∋ ∃ − 9−Ψ[ − ∴ −0,7∋ Ψ 8 ∃Ο ∀551 789Ο 3 , ∋∋, −Σ 8Ο ∃∴∴ 88∃∋Τ[ ∋−∋ 7 0 ∃ 一0 8∃ 8∃∋ ∋ 8Σ 9[− 7∋ Ο 8Ψ ∃ 3 ][