一種可視化車間布局優化方法及系統的製作方法
2023-06-26 11:50:51 2
一種可視化車間布局優化方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可視化車間布局優化方法及系統，包括：搭建人機互動界面框架，進行車間設備信息的管理，設計數據輸入輸出接口；後臺資料庫進行數據存儲和管理，將人機互動界面輸入的數據存入資料庫；算法優化模塊進行優化計算，通過選取優化算法，設置算法相關參數並進行布局優化計算，得到二維布局方案；對布局環境和布局設備進行建模，將二維布局優化結果轉換為三維可視化布局模型，在虛擬仿真環境中對三維可視模型進行驗證與調整，以對布局方案進行優化。本發明的方法靈活性強，設計周期短，方便進行多次重複試驗；可以在虛擬環境中實時對布局結果進行在線調整與評價，避免每次都進行實際操作造成資源浪費；能夠將結果三維可視化顯示，直觀易懂，有利於提高工作效率。
【專利說明】一種可視化車間布局優化方法及系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬於工業自動化【技術領域】，具體涉及一種可視化車間布局優化方法及系 統。
【背景技術】
[0002] 布局優化問題是指給定一個布局空間和若干待布局物體，在滿足必要的約束條件 下，將待布局物體合理地擺放在空間中，以達到某種最優指標。布局優化設計是製造系統規 劃中的重要一環，其結果對生產系統運行過程中的物料搬運費用、搬運效率以及系統的實 際產能、生產效率等均有重大影響。
[0003] 當前常用的設備布局優化設計方法主要有：系統布置設計法以及基於商業軟體的 三維可視化設計方法。系統布置設計法是通過專家經驗來獲得較優的布局方案，局限於二 維布局方案的獲得與優化，缺乏布局設計從二維到三維空間的集成，存在布局設計時間周 期長、難以實時調整等缺點。隨著生產系統規模的不斷增大，對設備進行布局優化設計時 需要考慮的因素也日趨複雜，出現了基於商業軟體的三維可視化設計方法，該方法的基本 思路是：首先在虛擬可視化環境中對待布局設備和車間環境進行仿真建模與再現，為用戶 提供一個身臨其境的感覺；然後，利用仿真軟體對車間的物流信息、設備利用率以及面積利 用率等進行分析，找到對物流影響最大的因素並進行改變，從而對布局方案進行優化，得到 最終的布局結果。目前，用於設備布局的商業仿真軟體主要有：VisFactory、Flexsim以及 Em-Plant。基於商業軟體的三維可視化設計方法建模功能非常強大，能夠為複雜的三維模 型建立非常精細的仿真模型，可視化效果突出，利用三維虛擬環境能夠顯示布局優化結果， 並且能夠在虛擬環境中對布局結果進行驗證、調整與評價，進行交互式操作。但該方法對設 備布局的優化能力不足，難以實現自動化布局。
【發明內容】
[0004] 鑑於基於商業軟體的三維可視化設計方法普遍優化能力不足，本發明提供了一種 可實現自動化布局功能的基於三維可視化設計的布局優化方法。該方法靈活性更強，設計 周期短，方便進行多次重複試驗；可以在虛擬環境中實時對布局結果進行在線調整與評價， 避免每次都進行實際操作所造成的資源浪費；能夠進行布局結果的三維可視化顯示，結果 直觀，容易理解，有利於提高工作效率。
[0005] 為達到上述目的，本發明提供了一種可視化車間布局優化方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1 :人機互動界面模塊搭建人機互動界面，輸入車間環境基本信息、設備基本 信息數據；
[0007] 步驟2 :後臺資料庫模塊將人機互動界面輸入的數據存入後臺資料庫；
[0008] 步驟3 :算法優化模塊進行布局優化計算，得到二維布局方案，並將二維布局方案 傳輸到虛擬可視化模塊；
[0009] 步驟4 :虛擬可視化模塊對布局環境和布局設備進行建模，將二維布局優化結果 轉換為三維可視化布局模型，在虛擬仿真環境中對三維可視模型進行驗證與調整，以對布 局方案進行優化，實現布局結果的優化。
[0010] 其中，步驟3中還包括將得到的二維布局方案存入到所述後臺資料庫的步驟。 [0011] 其中，步驟3中所述的算法優化模塊進行布局優化計算的步驟中選取遺傳算法、 差分進化算法、模擬退火算法或粒子群優化算法進行優化計算。
[0012] 其中，步驟4中所述虛擬可視化的步驟包括：通過鍵盤按鈕，能夠對三維顯示界面 進行XYZ方向的平移以及繞Y軸旋轉，使得能夠從不同角度和方向對布局結果進行觀察。
[0013] 其中，步驟4中所述虛擬可視化模塊對布局環境和布局設備進行建模的步驟是通 過OpenGL構造車間布局場景，導入OBJ格式三維模型來實現的。
[0014] 其中，所述系統採用Microsoft Visual Studio和SQL混合編程。
[0015] 本發明還提供了一種可視化車間布局優化系統，包括：
[0016] 人機互動界面模塊：用來搭建人機互動界面框架，進行車間設備信息的管理，為設 計人員提供數據的輸入接口，在優化過程結束之後將優化數據在界面上顯示，並提供數據 輸出接口，將優化數據傳輸到虛擬可視化模塊；
[0017] 後臺資料庫模塊：用來搭建後臺資料庫進行數據存儲和管理，將人機互動界面輸 入的數據存入後臺資料庫；
[0018] 算法優化模塊：用來優化計算，選取一種優化算法，設置算法相關參數並進行布局 優化計算，得到二維布局方案，並將二維布局方案通過數據接口導出存入後臺資料庫中；
[0019] 三維可視化模塊：用來搭建虛擬可視化仿真環境，對布局環境和布局設備進行建 模，將二維布局優化結果轉換為三維可視化布局模型，在虛擬仿真環境中對三維可視模型 進行驗證與調整，以對布局方案進行優化，實現布局結果的優化。
[0020] 其中，所述算法優化模塊選取遺傳算法、差分進化算法、模擬退火算法或粒子群優 化算法進行優化計算。
[0021] 其中，所述系統採用Microsoft Visual Studio和SQL混合編程。
[0022] 本發明具有以下優點：靈活性更強，設計周期短，方便進行多次重複試驗；可以在 虛擬環境中實時對布局結果進行在線調整與評價，避免每次都進行實際操作時造成資源浪 費；能夠進行布局結果的三維可視化顯示，結果直觀，容易理解，有利於提高工作效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明的可視化車間布局優化方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖對本發明的實施例作詳細的說明：本實施例在以本發明技術方案為 前提下進行實施，結合詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下 述實施例。
[0025] 本發明的優化系統主要通過四個模塊來實現，分別為人機互動界面模塊、後臺數 據庫模塊、算法優化模塊以及三維可視化模塊。
[0026] 人機互動界面模塊：用來搭建人機互動界面框架，進行車間設備信息的管理，為設 計人員提供數據的輸入接口（車間環境基本信息、設備基本信息等），在優化過程結束之後 將優化數據在界面上顯示，並提供數據輸出接口（二維布局結果），將優化數據傳輸到虛擬 可視化模塊上進行可視化顯示。
[0027] 後臺資料庫模塊：用來搭建後臺資料庫進行數據存儲和管理，將人機互動界面輸 入的數據存入資料庫；
[0028] 算法優化模塊：用來建立算法優化模塊進行優化計算，選取一種優化算法（遺傳 算法、差分進化算法、模擬退火算法、粒子群優化算法），設置算法相關參數並進行布局優化 計算，得到二維布局方案，並將二維布局方案通過數據接口導出存入資料庫中；
[0029] 三維可視化模塊：用來搭建虛擬可視化仿真環境，對布局環境和布局設備進行建 模，將二維布局優化結果轉換為三維可視化布局模型，在虛擬仿真環境中對三維可視模型 進行驗證與調整，以對布局方案進行優化，得到最優的布局結果。
[0030] 上述的人機互動界面框架，具體實現如下：
[0031] 以Microsoft Visual Studio2008作為開發環境，利用VS2008提供的基礎類庫 MFC實現人機互動界面，採用MFC單文檔應用程式框架作為系統設計的基礎，新建一個名為 Faci 1 ityLayout的單文檔工程，利用應用嚮導自動生成MFC應用的各個類，分別為應用類、 框架類、視圖類、文檔類以及對話框，在此基礎上根據需要實現的功能，添加"車間信息設備 管理"、"布局優化算法"以及"三維可視化"菜單欄項目，並添加相應的對話框，完成基本的 界面設計框圖。
[0032] 人機互動界面的具體操作實現如下：
[0033] 在車間設備信息管理模塊輸入車間設備的基本信息，包括車間參數，機器人工作 空間大小，添加設備信息（設備尺寸、設備編號、設備名稱、設備姿態角度範圍等信息）。已 經添加的設備信息在對話框右側以列表的形式顯示，並通過打開文件，導入設備裝配序列。 在點擊對話框下側的"確定"按鈕後，車間信息、設備信息、機器人工作空間信息都將存入後 臺資料庫中，以方便在其它模塊中對這些數據的使用。
[0034] 上述的搭建後臺資料庫，具體實現步驟包括：
[0035] 步驟 1 :打開 Microsoft SQL Server Management Studio,運行連接到伺服器，然 後新建資料庫，並在新建的資料庫中建立設備信息表，用於存儲設備基本信息數據，包括設 備編號、設備名稱、設備長度、設備寬度、設備高度等信息。
[0036] 步驟2 :對數據源進行配置，進入控制面板->工具管理->數據源（ODBC)->系 統DSN，點擊"添加"按鈕後選擇SQL Server，對其進行配置後，點擊"下一步"，選中"更改默 認的資料庫為"複選框，在下拉中選擇已建立的要連接的資料庫。選擇完資料庫後就完成了 數據源的配置。
[0037] 步驟3:利用數據源進行資料庫的訪問，需要執行的操作是：在程序中添加 MFC ODBC資料庫的定義文件語句#include〈afxdb. h> ;定義CDataBase資料庫對象；利用 ⑶ataBase類的OpenExO函數與資料庫建立連接；使用SQL語句對資料庫進行查詢、添加、 修改、刪除等操作。
[0038] 上述的算法優化模塊，具體實現如下：
[0039] 算法優化模塊利用Maltab分別實現遺傳算法、差分進化算法、模擬退火算法、粒 子群優化算法，然後採用動態連結庫的方式通過VS2008調用Maltab實現算法優化設計。利 用動態連結庫進行VS2008與Matlab的混合編程的基本步驟是：
[0040] 步驟1 :對Matlab編譯環境進行設置，在Matlab的Command Window下，輸入命令 語句mbuild-setup，並根據Matlab的提示選擇合適的編譯器，進行對C++連接環境的設置， 在Matlab中編寫*. m文件實現智能優化算法，並用Matlab的mcc命令將*. m文件編譯為 動態連結庫，生成dll、*. ctf、*. lib、*. h文件。
[0041] 步驟2 :對VS2008進行環境配置，主要是配置Matlab的include files 和 libraries 路徑，打開菜單 Tools/Options，選擇 Projects and Solutions/ VC++directories 標籤頁面，選擇 Win32,在 show directories for 中選擇 include files， 添加 Matlab的頭文件目錄；在show directories for中選擇Library files，添加 lib文 件的目錄。
[0042] 步驟3 :在VS2008下建立工程調用生成的動態庫，對工程的依賴項進行配置，將生 成的h和lib文件拷貝至當前代碼目錄中，完成以上所有操作後，就能通過C++代碼文 件實現對Matlab中編寫的函數的調用。
[0043] 算法優化模塊具體的操作步驟如下：
[0044]點擊菜單欄下的"布局優化計算"，選擇一種智能優化算法，如"差分進化算法"，輸 入差分進化算法的基本參數，包括初始種群大小、最大迭代次數、交叉概率以及變異算子， 然後點擊"布局優化計算"按鈕，在對話框右側得到二維的布局優化結果，即設備坐標值、最 優的目標值和函數適應度值，以利用對布局優化結果進行分析。點擊"保存布局優化結果" 按鈕後，所得到的二維布局優化結果將保存在資料庫中，方便三維可視化模塊中對這些數 據的調用。
[0045] 上述的三維顯示可視化模塊，只體實現步驟包括：
[0046] 步驟1 :利用三維設計軟體SolidWorks對布局設備進行三維建模；
[0047] 步驟2 :將SolidWorks中建立的三維模型以.wrl文件格式導出，並通過3DMAX軟 件轉換為0BJ數據格式文件；
[0048] 步驟3 :利用OpenGL構造車間布局場景，導入0BJ格式三維模型，
[0049] 並利用算法優化模塊得到的二維布局結果將三維模型進行布局顯示。
[0050] 三維顯示可視化模塊的具體操作過程如下：
[0051] 點擊菜單選項"三維可視化"下的"導入模型"選項，導入0BJ格式的三維模型，在 三維可視化界面的左邊上面的視圖窗中以樹形結構顯示添加的設備，點擊該設備能顯示設 備坐標，並且在坐標下面的視圖窗中能顯示設備的詳細信息。點擊菜單欄選項"三維可視化 顯示"下的"三維顯示"後，在右邊視圖窗中顯示三維布局結果。當利用算法得到的布局結 果不是很滿意時，可以對布局位置進行人工調整。在左上視圖窗選擇設備，左下視圖窗顯示 設備詳細信息，並能夠對設備位置進行調整，點擊調整設備位置按鈕，在右邊視圖窗能實時 顯示調整的結果，點擊保存調整按鈕，能夠將人工調整的結果保存。
[0052] 對布局結果進行三維可視化顯示後，通過鍵盤能夠對三維顯示界面進行漫遊操 作：通過鍵盤按鈕，能夠對三維顯示界面進行XYZ方向的平移以及繞Y軸旋轉，使得能夠從 不同角度和方向對布局結果進行觀察。
[0053] 上文對本發明的可視化車間布局優化系統進行了詳細描述，本領域技術人員應 該明了的是，上述的VS2008、SQL等程式語言只是為了描述的方便，也可以替換成例如VB、 JAVA、C#等其他程式語言，只要能實現本發明所述可視化車間布局優化方法所能實現的功 能。
[0054] 圖1示出了本發明所述方法的流程圖，參照圖1，本發明還提供一種可視化車間布 局優化方法，包括如下步驟：
[0055] 步驟1 :人機互動界面模塊搭建人機互動界面，輸入車間環境基本信息、設備基本 信息數據；
[0056] 步驟2 :後臺資料庫模塊將人機互動界面輸入的數據存入後臺資料庫；
[0057] 步驟3 :算法優化模塊根據選取的優化算法和設置的算法相關參數進行布局優化 計算，得到二維布局方案，並將二維布局方案通過數據接口導出存入後臺資料庫中，並將二 維布局方案傳輸到虛擬可視化模塊；
[0058] 步驟4 :虛擬可視化模塊對布局環境和布局設備進行建模，將二維布局優化結果 轉換為三維可視化布局模型，在虛擬仿真環境中對三維可視模型進行驗證與調整，以對布 局方案進行優化，實現布局結果的優化。
[0059] 優選地，其中所述的優化算法為遺傳算法、差分進化算法、模擬退火算法或粒子群 優化算法。
[0060] 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在 本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護 範圍之內。
【權利要求】
1. 一種可視化車間布局優化方法，包括如下步驟： 步驟1 :人機互動界面模塊搭建人機互動界面，輸入車間環境基本信息、設備基本信息 數據； 步驟2 :後臺資料庫模塊將人機互動界面輸入的數據存入後臺資料庫； 步驟3 :算法優化模塊進行布局優化計算，得到二維布局方案，並將二維布局方案傳輸 到虛擬可視化模塊； 步驟4 :虛擬可視化模塊對布局環境和布局設備進行建模，將二維布局優化結果轉換 為三維可視化布局模型，在虛擬仿真環境中對三維可視模型進行驗證與調整，以對布局方 案進行優化，實現布局結果的優化。
2. 如權利要求1所述的一種可視化車間布局優化方法，其中步驟3中還包括將得到的 二維布局方案存入到所述後臺資料庫的步驟。
3. 如權利要求1所述的一種可視化車間布局優化方法，其中步驟3中所述的算法優化 模塊進行布局優化計算的步驟中選取遺傳算法、差分進化算法、模擬退火算法或粒子群優 化算法進行優化計算。
4. 如權利要求1所述的一種可視化車間布局優化方法，其中步驟4中所述虛擬可視化 的步驟包括：通過鍵盤按鈕，能夠對三維顯示界面進行XYZ方向的平移以及繞Y軸旋轉，使 得能夠從不同角度和方向對布局結果進行觀察。
5. 如權利要求1所述的一種可視化車間布局優化方法，其中步驟4中所述虛擬可視化 模塊對布局環境和布局設備進行建模的步驟是通過OpenGL構造車間布局場景，導入OBJ格 式三維模型來實現的。
6. 如權利要求1所述的一種可視化車間布局優化方法，其中所述系統採用Microsoft Visual Studio 和 SQL 混合編程。
7. -種可視化車間布局優化系統，包括： 人機互動界面模塊：用來搭建人機互動界面框架，進行車間設備信息的管理，為設計人 員提供數據的輸入接口，在優化過程結束之後將優化數據在界面上顯示，並提供數據輸出 接口，將優化數據傳輸到虛擬可視化模塊； 後臺資料庫模塊：用來搭建後臺資料庫進行數據存儲和管理，將人機互動界面輸入的 數據存入後臺資料庫； 算法優化模塊：用來優化計算，選取一種優化算法，設置算法相關參數並進行布局優化 計算，得到二維布局方案，並將二維布局方案通過數據接口導出存入後臺資料庫中； 三維可視化模塊：用來搭建虛擬可視化仿真環境，對布局環境和布局設備進行建模，將 二維布局優化結果轉換為三維可視化布局模型，在虛擬仿真環境中對三維可視模型進行驗 證與調整，以對布局方案進行優化，實現布局結果的優化。
8. 如權利要求7所述的一種可視化車間布局優化系統，其中所述算法優化模塊選取遺 傳算法、差分進化算法、模擬退火算法或粒子群優化算法進行優化計算。
9. 如權利要求7所述的一種可視化車間布局優化系統，其中所述系統採用Microsoft Visual Studio 和 SQL 混合編程。
【文檔編號】G06F17/50GK104091027SQ201410342229
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】王鵬, 陶晶, 湯志鵬, 楊猛 申請人:中國科學院自動化研究所