CN104091027A - 一种可视化车间布局优化方法及系统 - Google Patents

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陶晶
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Abstract

本发明公开了一种可视化车间布局优化方法及系统,包括:搭建人机交互界面框架,进行车间设备信息的管理,设计数据输入输出接口;后台数据库进行数据存储和管理,将人机交互界面输入的数据存入数据库;算法优化模块进行优化计算,通过选取优化算法,设置算法相关参数并进行布局优化计算,得到二维布局方案;对布局环境和布局设备进行建模,将二维布局优化结果转换为三维可视化布局模型,在虚拟仿真环境中对三维可视模型进行验证与调整,以对布局方案进行优化。本发明的方法灵活性强,设计周期短,方便进行多次重复试验;可以在虚拟环境中实时对布局结果进行在线调整与评价,避免每次都进行实际操作造成资源浪费;能够将结果三维可视化显示,直观易懂,有利于提高工作效率。

Description

一种可视化车间布局优化方法及系统
技术领域
本发明属于工业自动化技术领域,具体涉及一种可视化车间布局优化方法及系统。
背景技术
布局优化问题是指给定一个布局空间和若干待布局物体,在满足必要的约束条件下,将待布局物体合理地摆放在空间中,以达到某种最优指标。布局优化设计是制造系统规划中的重要一环,其结果对生产系统运行过程中的物料搬运费用、搬运效率以及系统的实际产能、生产效率等均有重大影响。
当前常用的设备布局优化设计方法主要有:系统布置设计法以及基于商业软件的三维可视化设计方法。系统布置设计法是通过专家经验来获得较优的布局方案,局限于二维布局方案的获得与优化,缺乏布局设计从二维到三维空间的集成,存在布局设计时间周期长、难以实时调整等缺点。随着生产系统规模的不断增大,对设备进行布局优化设计时需要考虑的因素也日趋复杂,出现了基于商业软件的三维可视化设计方法,该方法的基本思路是:首先在虚拟可视化环境中对待布局设备和车间环境进行仿真建模与再现,为用户提供一个身临其境的感觉;然后,利用仿真软件对车间的物流信息、设备利用率以及面积利用率等进行分析,找到对物流影响最大的因素并进行改变,从而对布局方案进行优化,得到最终的布局结果。目前,用于设备布局的商业仿真软件主要有:VisFactory、Flexsim以及Em-Plant。基于商业软件的三维可视化设计方法建模功能非常强大,能够为复杂的三维模型建立非常精细的仿真模型,可视化效果突出,利用三维虚拟环境能够显示布局优化结果,并且能够在虚拟环境中对布局结果进行验证、调整与评价,进行交互式操作。但该方法对设备布局的优化能力不足,难以实现自动化布局。
发明内容
鉴于基于商业软件的三维可视化设计方法普遍优化能力不足,本发明提供了一种可实现自动化布局功能的基于三维可视化设计的布局优化方法。该方法灵活性更强,设计周期短,方便进行多次重复试验;可以在虚拟环境中实时对布局结果进行在线调整与评价,避免每次都进行实际操作所造成的资源浪费;能够进行布局结果的三维可视化显示,结果直观,容易理解,有利于提高工作效率。
为达到上述目的,本发明提供了一种可视化车间布局优化方法,包括如下步骤:
步骤1:人机交互界面模块搭建人机交互界面,输入车间环境基本信息、设备基本信息数据;
步骤2:后台数据库模块将人机交互界面输入的数据存入后台数据库;
步骤3:算法优化模块进行布局优化计算,得到二维布局方案,并将二维布局方案传输到虚拟可视化模块;
步骤4:虚拟可视化模块对布局环境和布局设备进行建模,将二维布局优化结果转换为三维可视化布局模型,在虚拟仿真环境中对三维可视模型进行验证与调整,以对布局方案进行优化,实现布局结果的优化。
其中,步骤3中还包括将得到的二维布局方案存入到所述后台数据库的步骤。
其中,步骤3中所述的算法优化模块进行布局优化计算的步骤中选取遗传算法、差分进化算法、模拟退火算法或粒子群优化算法进行优化计算。
其中,步骤4中所述虚拟可视化的步骤包括:通过键盘按钮,能够对三维显示界面进行XYZ方向的平移以及绕Y轴旋转,使得能够从不同角度和方向对布局结果进行观察。
其中,步骤4中所述虚拟可视化模块对布局环境和布局设备进行建模的步骤是通过OpenGL构造车间布局场景,导入OBJ格式三维模型来实现的。
其中,所述系统采用Microsoft Visual Studio和SQL混合编程。
本发明还提供了一种可视化车间布局优化系统,包括:
人机交互界面模块:用来搭建人机交互界面框架,进行车间设备信息的管理,为设计人员提供数据的输入接口,在优化过程结束之后将优化数据在界面上显示,并提供数据输出接口,将优化数据传输到虚拟可视化模块;
后台数据库模块:用来搭建后台数据库进行数据存储和管理,将人机交互界面输入的数据存入后台数据库;
算法优化模块:用来优化计算,选取一种优化算法,设置算法相关参数并进行布局优化计算,得到二维布局方案,并将二维布局方案通过数据接口导出存入后台数据库中;
三维可视化模块:用来搭建虚拟可视化仿真环境,对布局环境和布局设备进行建模,将二维布局优化结果转换为三维可视化布局模型,在虚拟仿真环境中对三维可视模型进行验证与调整,以对布局方案进行优化,实现布局结果的优化。
其中,所述算法优化模块选取遗传算法、差分进化算法、模拟退火算法或粒子群优化算法进行优化计算。
其中,所述系统采用Microsoft Visual Studio和SQL混合编程。
本发明具有以下优点:灵活性更强,设计周期短,方便进行多次重复试验;可以在虚拟环境中实时对布局结果进行在线调整与评价,避免每次都进行实际操作时造成资源浪费;能够进行布局结果的三维可视化显示,结果直观,容易理解,有利于提高工作效率。
附图说明
图1为本发明的可视化车间布局优化方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,结合详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本发明的优化系统主要通过四个模块来实现,分别为人机交互界面模块、后台数据库模块、算法优化模块以及三维可视化模块。
人机交互界面模块:用来搭建人机交互界面框架,进行车间设备信息的管理,为设计人员提供数据的输入接口(车间环境基本信息、设备基本信息等),在优化过程结束之后将优化数据在界面上显示,并提供数据输出接口(二维布局结果),将优化数据传输到虚拟可视化模块上进行可视化显示。
后台数据库模块:用来搭建后台数据库进行数据存储和管理,将人机交互界面输入的数据存入数据库;
算法优化模块:用来建立算法优化模块进行优化计算,选取一种优化算法(遗传算法、差分进化算法、模拟退火算法、粒子群优化算法),设置算法相关参数并进行布局优化计算,得到二维布局方案,并将二维布局方案通过数据接口导出存入数据库中;
三维可视化模块:用来搭建虚拟可视化仿真环境,对布局环境和布局设备进行建模,将二维布局优化结果转换为三维可视化布局模型,在虚拟仿真环境中对三维可视模型进行验证与调整,以对布局方案进行优化,得到最优的布局结果。
上述的人机交互界面框架,具体实现如下:
以Microsoft Visual Studio2008作为开发环境,利用VS2008提供的基础类库MFC实现人机交互界面,采用MFC单文档应用程序框架作为系统设计的基础,新建一个名为FacilityLayout的单文档工程,利用应用向导自动生成MFC应用的各个类,分别为应用类、框架类、视图类、文档类以及对话框,在此基础上根据需要实现的功能,添加“车间信息设备管理”、“布局优化算法”以及“三维可视化”菜单栏项目,并添加相应的对话框,完成基本的界面设计框图。
人机交互界面的具体操作实现如下:
在车间设备信息管理模块输入车间设备的基本信息,包括车间参数,机器人工作空间大小,添加设备信息(设备尺寸、设备编号、设备名称、设备姿态角度范围等信息)。已经添加的设备信息在对话框右侧以列表的形式显示,并通过打开文件,导入设备装配序列。在点击对话框下侧的“确定”按钮后,车间信息、设备信息、机器人工作空间信息都将存入后台数据库中,以方便在其它模块中对这些数据的使用。
上述的搭建后台数据库,具体实现步骤包括:
步骤1:打开Microsoft SQL Server Management Studio,运行连接到服务器,然后新建数据库,并在新建的数据库中建立设备信息表,用于存储设备基本信息数据,包括设备编号、设备名称、设备长度、设备宽度、设备高度等信息。
步骤2:对数据源进行配置,进入控制面板->工具管理->数据源(ODBC)->系统DSN,点击“添加”按钮后选择SQL Server,对其进行配置后,点击“下一步”,选中“更改默认的数据库为”复选框,在下拉中选择已建立的要连接的数据库。选择完数据库后就完成了数据源的配置。
步骤3:利用数据源进行数据库的访问,需要执行的操作是:在程序中添加MFC ODBC数据库的定义文件语句#include<afxdb.h>;定义CDataBase数据库对象;利用CDataBase类的OpenEx()函数与数据库建立连接;使用SQL语句对数据库进行查询、添加、修改、删除等操作。
上述的算法优化模块,具体实现如下:
算法优化模块利用Maltab分别实现遗传算法、差分进化算法、模拟退火算法、粒子群优化算法,然后采用动态链接库的方式通过VS2008调用Maltab实现算法优化设计。利用动态链接库进行VS2008与Matlab的混合编程的基本步骤是:
步骤1:对Matlab编译环境进行设置,在Matlab的Command Window下,输入命令语句mbuild-setup,并根据Matlab的提示选择合适的编译器,进行对C++连接环境的设置,在Matlab中编写*.m文件实现智能优化算法,并用Matlab的mcc命令将*.m文件编译为动态链接库,生成*.dll、*.ctf、*.lib、*.h文件。
步骤2:对VS2008进行环境配置,主要是配置Matlab的include files和libraries路径,打开菜单Tools/Options,选择Projects and Solutions/VC++directories标签页面,选择Win32,在show directories for中选择include files,添加Matlab的头文件目录;在show directories for中选择Library files,添加lib文件的目录。
步骤3:在VS2008下建立工程调用生成的动态库,对工程的依赖项进行配置,将生成的*.h和*.lib文件拷贝至当前代码目录中,完成以上所有操作后,就能通过C++代码文件实现对Matlab中编写的函数的调用。
算法优化模块具体的操作步骤如下:
点击菜单栏下的“布局优化计算”,选择一种智能优化算法,如“差分进化算法”,输入差分进化算法的基本参数,包括初始种群大小、最大迭代次数、交叉概率以及变异算子,然后点击“布局优化计算”按钮,在对话框右侧得到二维的布局优化结果,即设备坐标值、最优的目标值和函数适应度值,以利用对布局优化结果进行分析。点击“保存布局优化结果”按钮后,所得到的二维布局优化结果将保存在数据库中,方便三维可视化模块中对这些数据的调用。
上述的三维显示可视化模块,只体实现步骤包括:
步骤1:利用三维设计软件SolidWorks对布局设备进行三维建模;
步骤2:将SolidWorks中建立的三维模型以.wrl文件格式导出,并通过3DMAX软件转换为OBJ数据格式文件;
步骤3:利用OpenGL构造车间布局场景,导入OBJ格式三维模型,
并利用算法优化模块得到的二维布局结果将三维模型进行布局显示。
三维显示可视化模块的具体操作过程如下:
点击菜单选项“三维可视化”下的“导入模型”选项,导入OBJ格式的三维模型,在三维可视化界面的左边上面的视图窗中以树形结构显示添加的设备,点击该设备能显示设备坐标,并且在坐标下面的视图窗中能显示设备的详细信息。点击菜单栏选项“三维可视化显示”下的“三维显示”后,在右边视图窗中显示三维布局结果。当利用算法得到的布局结果不是很满意时,可以对布局位置进行人工调整。在左上视图窗选择设备,左下视图窗显示设备详细信息,并能够对设备位置进行调整,点击调整设备位置按钮,在右边视图窗能实时显示调整的结果,点击保存调整按钮,能够将人工调整的结果保存。
对布局结果进行三维可视化显示后,通过键盘能够对三维显示界面进行漫游操作:通过键盘按钮,能够对三维显示界面进行XYZ方向的平移以及绕Y轴旋转,使得能够从不同角度和方向对布局结果进行观察。
上文对本发明的可视化车间布局优化系统进行了详细描述,本领域技术人员应该明了的是,上述的VS2008、SQL等编程语言只是为了描述的方便,也可以替换成例如VB、JAVA、C#等其他编程语言,只要能实现本发明所述可视化车间布局优化方法所能实现的功能。
图1示出了本发明所述方法的流程图,参照图1,本发明还提供一种可视化车间布局优化方法,包括如下步骤:
步骤1:人机交互界面模块搭建人机交互界面,输入车间环境基本信息、设备基本信息数据;
步骤2:后台数据库模块将人机交互界面输入的数据存入后台数据库;
步骤3:算法优化模块根据选取的优化算法和设置的算法相关参数进行布局优化计算,得到二维布局方案,并将二维布局方案通过数据接口导出存入后台数据库中,并将二维布局方案传输到虚拟可视化模块;
步骤4:虚拟可视化模块对布局环境和布局设备进行建模,将二维布局优化结果转换为三维可视化布局模型,在虚拟仿真环境中对三维可视模型进行验证与调整,以对布局方案进行优化,实现布局结果的优化。
优选地,其中所述的优化算法为遗传算法、差分进化算法、模拟退火算法或粒子群优化算法。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可视化车间布局优化方法,包括如下步骤:
步骤1:人机交互界面模块搭建人机交互界面,输入车间环境基本信息、设备基本信息数据;
步骤2:后台数据库模块将人机交互界面输入的数据存入后台数据库;
步骤3:算法优化模块进行布局优化计算,得到二维布局方案,并将二维布局方案传输到虚拟可视化模块;
步骤4:虚拟可视化模块对布局环境和布局设备进行建模,将二维布局优化结果转换为三维可视化布局模型,在虚拟仿真环境中对三维可视模型进行验证与调整,以对布局方案进行优化,实现布局结果的优化。
2.如权利要求1所述的一种可视化车间布局优化方法,其中步骤3中还包括将得到的二维布局方案存入到所述后台数据库的步骤。
3.如权利要求1所述的一种可视化车间布局优化方法,其中步骤3中所述的算法优化模块进行布局优化计算的步骤中选取遗传算法、差分进化算法、模拟退火算法或粒子群优化算法进行优化计算。
4.如权利要求1所述的一种可视化车间布局优化方法,其中步骤4中所述虚拟可视化的步骤包括:通过键盘按钮,能够对三维显示界面进行XYZ方向的平移以及绕Y轴旋转,使得能够从不同角度和方向对布局结果进行观察。
5.如权利要求1所述的一种可视化车间布局优化方法,其中步骤4中所述虚拟可视化模块对布局环境和布局设备进行建模的步骤是通过OpenGL构造车间布局场景,导入OBJ格式三维模型来实现的。
6.如权利要求1所述的一种可视化车间布局优化方法,其中所述系统采用Microsoft Visual Studio和SQL混合编程。
7.一种可视化车间布局优化系统,包括:
人机交互界面模块:用来搭建人机交互界面框架,进行车间设备信息的管理,为设计人员提供数据的输入接口,在优化过程结束之后将优化数据在界面上显示,并提供数据输出接口,将优化数据传输到虚拟可视化模块;
后台数据库模块:用来搭建后台数据库进行数据存储和管理,将人机交互界面输入的数据存入后台数据库;
算法优化模块:用来优化计算,选取一种优化算法,设置算法相关参数并进行布局优化计算,得到二维布局方案,并将二维布局方案通过数据接口导出存入后台数据库中;
三维可视化模块:用来搭建虚拟可视化仿真环境,对布局环境和布局设备进行建模,将二维布局优化结果转换为三维可视化布局模型,在虚拟仿真环境中对三维可视模型进行验证与调整,以对布局方案进行优化,实现布局结果的优化。
8.如权利要求7所述的一种可视化车间布局优化系统,其中所述算法优化模块选取遗传算法、差分进化算法、模拟退火算法或粒子群优化算法进行优化计算。
9.如权利要求7所述的一种可视化车间布局优化系统,其中所述系统采用Microsoft Visual Studio和SQL混合编程。
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