一种自动化系统仿真方法与流程

1.本发明属于计算机软件技术领域，具体涉及一种自动化系统仿真方法。


背景技术：

2.随着规模化生产的需求增加和现代化生产水平的提高，工厂和企业的对自动化的需要也越来越大。在自动化规模的不断扩大和水平不断提高的同时，传统的基于人力对自动化系统进行调试变得越来越难。
3.目前的自动化系统主要是通过人工向逻辑控制器编程，结合现场设备和传感器的方式实现系统调度。随着企业自动化水平的不断提高，为了提高生产效率企业通常需要不断优化内部系统。当需要对现有自动化系统进行调整时，则需要修改逻辑控制器等硬件的内部程序，这样非常不方便。而且，调度程序要与设备进行高度吻合，当有设备增减或者调度规则发生变化时，调度算法也需要进行调整和优化。为保证生产安全性，在对调度算法进行调试时就需要暂停整个系统。这样必然会对生产造成损失，而且随着系统的复杂度增加，调试时间也会加长，造成的损失也必然会加大。另外对调度算法进行验证时，通常需要实物进行反复运行实验，也会一定程度上造成能源和设备的浪费，调试不当还会造成意外的损失。
4.目前自动化领域的仿真调试工具还主要是提供简单的监视功能，不能真正帮助企业或工厂实现自动化仿真调试。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种自动化系统仿真方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自动化系统仿真方法，具有同步仿真功能；系统中包括n个仿真域，n》＝1，每个仿真域中包括演示器、设备模型、货物模型、静态模型；
7.演示器：演示器包含过滤器参数，通过设置过滤器参数可以决定演示器中被显示的对象；相机参数，包括位置、方向和视角；和光线参数，与模型的可视化参数相作用，决定被显示对象的显示效果，对仿真域中的内容进行渲染和呈现，主要包括货物模型、设备模型、静态模型的位置，以及货物模型和设备模型的运动情况；
8.货物模型：是对货物或其它被动移动物品进行仿真的模型；仿真参数有可视化参数，包括纹理、形状、颜色、反光系数、漫反射系数等；用以进行碰撞检测的物理检测参数；用以进行动力仿真和加速度仿真的惯性参数；
9.设备模型：用以对具有运动功能的设备进行仿真，设备模型包含可视化参数，物理检测参数，惯性参数；可视化参数与演示器中的光线参数相结合，共同决定在演示器中的显示效果，包括纹理、形状、颜色、反光系数、漫反射系数；物理检测参数用来进行碰撞检测；惯性参数用来进行动力仿真和加速度仿真；
10.静态模型：包括可视化参数，包括纹理、形状、颜色、反光系数、漫反射系数；物理检测参数，用以进行碰撞检测；静态模型不能运动，也不能被设备模型绑定；
11.在进行同步仿真时，首先在系统启动时根据系统配置加载静态模型、设备模型和初始的货物模型，然后在运行过程中实时获取各种设备的数据，根据设备数据创建或者销毁设备模型及货物模型，设置设备模型的参数，参数包括：运动参数，位置信息，锚定关系，主要包括货物与设备模型的锚定关系，即货物随着哪个设备模型运动；设备模型与设备模型的锚定关系，如穿梭子车与穿梭母车锚定后，穿梭子车会随穿梭母车一起运动；锚定速度，锚定后的货物模型或设备模型获得的xyz轴上的线速度和xyz轴上的角速度。
12.优选的，具有偏差分析功能：同步仿真时，系统采集设备的运行控制参数，并根据运行参数计算出模拟结果；然后将模拟结果与采集到的设备实时运行数据进行比较，当发现模拟结果与实时运行数据偏差超出阈值时，根据分析结果对系统中的设备参数进行校准。
13.优选的，具有模拟仿真功能：仿真域中还包含一个仿真逻辑控制器和一个任务调度中心；仿真逻辑控制器模拟实际设备发出虚拟的设备运行状态数据消息；调度中心加载运动控制算法，并发送运动控制参数；仿真域根据运动控制参数、虚拟的设备运行状态，检测是否发生了碰撞或者阻塞来验证运动控制算法是否合理。
14.优选的，具有加速仿真功能；通过设置加速系数，按照加速系数对仿真结果进行加速，从而更快的得到仿真结果。
15.优选的，具有自动求解功能；仿真域中的任务调度中心还能够加载调度任务，通过加载调度任务和调度算法，并遍历计算每个算法在不同参数情况下完成不同任务时的运行结果，选出能够完成不同任务的最优算法和参数。
16.优选的，具有自动控制功能；仿真域根据自动求解得到的完成不同调度任务的最优算法和参数，向运动控制系统实时发送运动控制指令，从而实现自动控制。
17.优选的，仿真域中所有通信均为消息的方式，仿真域中包含数据通信中心，仿真域中的每个模块以消息的方式向数据通信中心进行发布和订阅；消息中包括主题和数据两部分，主题为字符串形式，消息按照主题进行发布和订阅；数据通信中心接收到某一主题的消息，然后将该消息转发给所有订阅该主题的模块；每个相同主题的消息，其数据具有统一的格式，发布者按照该格式发布数据，订阅者按照该格式解析数据。
18.优选的，具有分散仿真功能；系统中设有跨域数据交换中心，仿真域中设有跨域数据交换器；跨域数据交换器负责将需要在多个仿真域之间进行交换的数据转发到跨域数据交换中心，同时接收来自跨域数据交换中心的其它仿真域发送的数据；跨域数据交换中心负责接收来自跨域数据交换器的消息订阅和发布，跨域数据交换中心将接收到消息转发给订阅该消息的其它跨域数据交换器。
19.优选的，系统采集设备工作时的能耗数据，并根据此数据修正设备模型和货物模型的惯性参数；然后根据修正后的参数得到系统通过不同调度算法和参数完成不同任务所需的能耗。
20.优选的，对于部分不能提供全部实时数据的设备，如传送带上的货物的实时位置信息，通对将其线速度和角速度进行时间积分得到一个模拟值，并通过传感器数据进行修正。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过对自动系统中的硬件进行数字仿真，验证调度算法是否合理，待调度算法在仿真环境下运行正常之后再进行实物调试；从而大幅减少直接通过硬件设备进行实物调试的过程。
22.根据从真实环境中采集到的数据，对实物运动情况进行同步演示，使用户能够实时通过监控设备了解立体库的工作情况。
23.通过对设备的运行参数进行自动校准。
24.通过调整调度算法的参数迅速对立体库调度系统进行调整；仿真系统通过后台加速算法，预先计算出不同参数和条件下运行结果，从而寻找不同条件下的最佳调度算法和参数；省去了通过人工设置和调试程序的繁琐过程。
25.为解决仿真复杂度高和计算量大的问题，本系统将仿真工作分散到不同演示器、仿真域中，它们可以被部署到不同的计算机中，降低系统复杂度，方便部署。
附图说明
26.图1为本发明的正视结构示意图；
具体实施方式
27.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，所描述的实施例仅仅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做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。
28.实施例
29.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种自动化系统仿真方法，具有同步仿真功能；系统中包括n个仿真域，n》＝1，每个仿真域中包括演示器、设备模型、货物模型、静态模型；
30.演示器：演示器包含过滤器参数，通过设置过滤器参数可以决定演示器中被显示的对象；相机参数，包括位置、方向和视角；和光线参数，与模型的可视化参数相作用，决定被显示对象的显示效果，对仿真域中的内容进行渲染和呈现，主要包括货物模型、设备模型、静态模型的位置，以及货物模型和设备模型的运动情况；
31.货物模型：是对货物或其它被动移动物品进行仿真的模型；仿真参数有可视化参数，包括纹理、形状、颜色、反光系数、漫反射系数等；用以进行碰撞检测的物理检测参数；用以进行动力仿真和加速度仿真的惯性参数；
32.设备模型：用以对具有运动功能的设备进行仿真，设备模型包含可视化参数，物理检测参数，惯性参数；可视化参数与演示器中的光线参数相结合，共同决定在演示器中的显示效果，包括纹理、形状、颜色、反光系数、漫反射系数等；物理检测参数用来进行碰撞检测；惯性参数用来进行动力仿真和加速度仿真；
33.静态模型：包括可视化参数，包括纹理、形状、颜色、反光系数、漫反射系数等；物理检测参数，用以进行碰撞检测；静态模型不能运动，也不能被设备模型绑定；
34.在进行同步仿真时，首先在系统启动时根据系统配置加载静态模型、设备模型和初始的货物模型，然后在运行过程中实时获取各种设备的数据，根据设备数据创建或者销
毁设备模型及货物模型，设置设备模型的参数，参数包括：运动参数，位置信息，锚定关系，主要包括货物与设备模型的锚定关系，即货物随着哪个设备模型运动；设备模型与设备模型的锚定关系，如穿梭子车与穿梭母车锚定后，穿梭子车会随穿梭母车一起运动；锚定速度，锚定后的货物模型或设备模型获得的xyx轴上的线速度和xyz轴上的角速度。
35.本实施例中，优选的，具有偏差分析功能：同步仿真时，系统采集设备的运行控制参数，并根据运行参数计算出模拟结果；然后将模拟结果与采集到的设备实时运行数据进行比较，当发现模拟结果与实时运行数据偏差超出阈值时，根据分析结果对系统中的设备参数进行校准。
36.本实施例中，优选的，具有模拟仿真功能：仿真域中还包含一个仿真逻辑控制器和一个任务调度中心，仿真逻辑控制器模拟实际设备发出虚拟的设备运行状态数据消息；调度中心加载运动控制算法，并发送运动控制参数；仿真域根据运动控制参数、虚拟的设备运行状态，检测是否发生了碰撞或者阻塞来验证运动控制算法是否合理。
37.本实施例中，优选的，具有加速仿真功能；通过设置加速系数，按照加速系数对仿真结果进行加速，从而更快的得到仿真结果，仿真时，将仿真域中所有设备的速度乘以相同加速系数，使得完成相同任务所需的时间成比例缩短，但得到的结果相同。
38.本实施例中，优选的，具有自动求解功能；仿真域中的任务调度中心还能够加载调度任务，通过加载调度任务和调度算法，并遍历计算每个算法在不同参数情况下完成不同任务时的运行结果，选出能够完成不同任务的最优算法和参数。
39.本实施例中，优选的，具有自动控制功能；仿真域根据自动求解得到的完成不同调度任务的最优算法和参数，向运动控制系统实时发送运动控制指令，从而实现自动控制。
40.本实施例中，优选的，仿真域中所有通信均为消息的方式，仿真域中包含数据通信中心，仿真域中的每个模块以消息的方式向数据通信中心进行发布和订阅；消息中包括主题和数据两部分，主题为字符串形式，消息按照主题进行发布和订阅；数据通信中心接收到某一主题的消息，然后将该消息转发给所有订阅该主题的模块；每个相同主题的消息，其数据具有统一的格式，发布者按照该格式发布数据，订阅者按照该格式解析数据。
41.本实施例中，优选的，具有分散仿真功能；系统中设有跨域数据交换中心，仿真域中设有跨域数据交换器；跨域数据交换器负责将需要在多个仿真域之间进行交换的数据转发到跨域数据交换中心，同时接收来自跨域数据交换中心的其它仿真域发送的数据；跨域数据交换中心负责接收来自跨域数据交换器的消息订阅和发布，跨域数据交换中心将接收到消息转发给订阅该消息的其它跨域数据交换器。
42.本实施例中，优选的，系统采集设备工作时的能耗数据，并根据此数据修正设备模型和货物模型的惯性参数；然后根据修正后的参数得到系统通过不同调度算法和参数完成不同任务所需的能耗。
43.本实施例中，优选的，对于部分不能提供全部实时数据的设备，如传送带上的货物的实时位置信息，通对将其线速度和角速度进行时间积分得到一个模拟值，并通过传感器数据进行修正。
44.系统准备过程：
45.1)建模；首先根据立体库中的实物情况建立静态模型，货物模型，设备模型；模型内容包括用于进行显示的3d可视化部分，用于物理检测的几何部分，以及惯性质量部分；
46.2)设置设备模型的结构和运动参数，订阅相关主题的消息(包括接收运动控制指令的主题)；根据实物对参数进行校准，如运动极限、最大速度，最大加速度等参数。检测执行的运动指令是否与物体实际运行结果一致；
47.3)编写逻辑触发器；并为不同的设备模型配置不同逻辑触发器；
48.4)编写调度策略算法。
49.系统启动过程：
50.1)启动数据通信中心；
51.2)启动演示器。加载光源，仿真摄像机等；
52.3)启动静态模型加载器，加载静态模型，包括环境，货架，廊桥等；
53.4)启动设备模型加载器，加载设备模型到仿真域中；
54.5)启动货物模型加载器，加载货物仿真模型到仿真域中。此时加载的货物模型为初始数量货物；
55.6)启动逻辑触发器；
56.7)启动任务调度中心；
57.8)启动指令输入接口程序。
58.立体库仿真举例：
59.在立体库系统中通常包含多种设备，如：输送机、升降机、转向机、码垛机、穿梭车等多种设备，且每种设备的型号和功能也不尽相同；现对部分设备的仿真方法进行说明。
60.移栽机仿真：
61.移载机是自动化立体仓库中使货物交叉输送的设备，有链条式、滚筒式、皮带式等；移载机由顶升机构与输送机构组成；移载机将输送到其上的货物单元顶起离开原输送线体，然后交叉输送；仿真过程如下：
62.首先，将移栽机设计为底部和顶升部两部分；并设置各部分的可视化参数、物理检测参数和惯性参数；其次、设置底部和顶升部之间的连接方式为滑动连接,即顶升部可以沿底座z轴方向上下移动，并且上下移动范围位为顶升部可以上升的最大高度。
63.在进行系统仿真时，当有货物进入到顶升机构，顶升部与货物模型进行锚定；顶升部按照调度中心指定的加速度和速度上升(此加速度和速度应不超过升降台的最大加速度和最大速度)；由于货物与顶升部进行了锚定，所以会随顶升部一起上升；当顶升部上升正确位置后，货物进入其它输送线体并与顶升部解除锚定。
64.转向输送机仿真：
65.转向输送机在立体库中用来改变输送线上货物的输送方向，一般用在货物转弯处，多为旋转式；接下来我们以升降式为例来描述转向输送机的仿真过程，假设需要仿真的转向输送机包含两部分，分别是底座和载货部；底座固定不动，货物进入载货部后沿竖轴上升到规定位置，然后旋转90度将货物放入传送机；最后载货部逆向旋转90度，升降台下降到初始状态；如此循环往复；仿真过程如下：
66.首先、根据实物模型将转向输送机模型的结构设计为底座、升降台和载货部三部分,并设置转向输送机各部分的可视化参数、物理检测参数和惯性参数；其次，设置各部分之间的连接关系，底座和升降台之间为滑动连接，即升降台可以沿底座z轴方向上下移动，并且上下移动范围位为升降台可以上升的最大高度；载货部与升降台之间通过轴连接，即
载货部可以沿升降台z轴旋转，旋转范围与实物对应；接下来，设置转向输送机的运动参数，包括升降台的最大线速度和最大线加速度，载物部的最大角速度和最大角加速度。
67.系统启动后，当有货物进入转向输送机的载物部时，首先货物与转向输送机载货部锚定，然后，升降台按照任务调度中心指定的加速度和速度上升(此加速度和速度应不超过升降台的最大加速度和最大速度)；当升降台上升到达目标位置后，载货部按照调度中心指定的角速度和角加速度旋转90度(此角加速度和角速度应不超过升降台的最大角加速度和最大角速度)；接下来，货物与转向输送机载货部之间的锚定关系解除；最后，载货部逆向旋转90度，升降台下降，转向输送机恢复到初始状态。
68.平带输送机仿真：
69.平带输送机是是输送机的一种，通常用于长距离输送货物；其仿真过程如下：
70.首先、平带输送机模型可以设计为由一个整体构成，并设置可视化参数、物理检测参数和惯性参数。
71.在仿真时，当有货物进入平带输送机时，货物获得输送机发布的锚定速度，并按照这个速度前行；同时系统会根据这个锚定速度进行积分计算，得到货物模型位置信息，
72.穿梭车仿真：
73.穿梭车通常应用在立体库巷道中负责存取和搬运货物，一般由穿梭子车和穿梭母车配合使用；穿梭子车可以进入或者将货物放入穿梭母车承载部，使子车或者货物随穿梭母车一起运动；仿真过程如下：
74.首先，设置穿梭子车和穿梭母车的可视化参数、物理检测参数和惯性参数；其次，设置子车和母车的运动参数，包括分别的最大线速度和最大线加速度(通常不需要设置角速度相关参数)。
75.当需要仿真子车将货物放入母车时，子车首先移动到货物附近进行取货(通常子车带有机械臂或其它搬运货物装置，为简化说明暂时不做这部分说明)；将货物模型与子车模型进行锚定，之后货物随子车一起运动；当子车运动到母车载货部时，子车与货物模型锚定关系解除，母车模型与货物模型进行锚定；子车离开后，货物随母车一起移动。
76.有时穿梭子车也会同穿梭母车一起运动，此时的仿真方法是：首先穿梭子车移动到穿梭母车载货部并停止运动，然后子车与母车进行锚定；此时母车移动时就会带动子车一起移动；当子车与母车解除锚定关系后，子车可以离开母车。
77.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。