布局三維仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)
摘 要：布局是一個NP問題，采用純數(shù)學難以求解。本文在一般優(yōu)化方法的基礎上，采用機圖形學技術和C++Builer6.0開發(fā)工具，開發(fā)了一個布局三維仿真系統(tǒng)，為人機交互的布局設計提供了有效途徑。關鍵詞：布局 三維仿真 虛擬現(xiàn)實 OpenGL
一、引言
布局就是如何在一個有限的空間內按一定要求擺放多個具有一定幾何形狀的物體。布局問題在很多方面都存在，如生活小區(qū)內建筑物的布局、城市里供排水管管道的布局、港口設備建筑的布局、航天器倉的布局、工廠廠房和車間內機器設備的布局等。
在生產(chǎn)領域，布局問題顯得尤為突出。在制造中，多臺生產(chǎn)單元就構成了一個生產(chǎn)制造系統(tǒng)，如何確定制造單元的相互關系和擺放位置，即車間布局問題是一個首先要解決的問題。一個好的車間布局不僅可以提高物流效率、降低物料搬運成本，而且可以通過改善人機環(huán)境而大幅提高生產(chǎn)效率。試驗表明，在一個多生產(chǎn)單元的生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，過優(yōu)化的車間布局與物料搬運設計則可降低企業(yè)總生產(chǎn)成本的10%～30%。
本文基于敏捷制造和虛擬制造的理念，用于柔性生產(chǎn)的布局三維仿真系統(tǒng)，通過一定的算法和虛擬仿真，使布局者能參與布局過程并將布局結果逼真地呈現(xiàn)在管理和技術人員面前，為車間布局提供。
二、布局三維仿真的研究
系統(tǒng)仿真是近30年在系統(tǒng)、控制、計算技術等多種技術基礎上起來的一門綜合性很強的新興技術。計算機系統(tǒng)仿真就是以計算機為工具，以相似原理、仿真技術、系統(tǒng)技術及其應用領域有關的專業(yè)技術為基礎，利用系統(tǒng)模型對實際或設想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術[1]。
由于車間布局問題屬于NP問題，且布局過程中的許多要求是一種主觀的判斷和模糊的要求，如布局美觀、安全等，直接采用計算機算法求解布局方案具有很大難度，因此采用虛擬現(xiàn)實的仿真系統(tǒng)來實現(xiàn)布局者的親身參與布局過程，以達到人機接合的目的。
1.OpenGL技術
對計算機可視化及仿真技術的研究已經(jīng)歷了一個很長的`歷程，而且形成了許多可視化工具；其中SGI公司推出的OpenGL三維圖形庫表現(xiàn)突出，易于使用而且功能強大。利用OpenGL開發(fā)出來的三維應用軟件頗受許多專業(yè)技術人員的喜愛，這些三維應用軟件已涉及建筑、醫(yī)學、產(chǎn)品設計、地球科學等領域。OpenGL被認為是高性能圖形和交互式視景處理的標準，包括ATT公司UNIX軟件實驗室、IBM等大公司都采用了OpenGL圖形標準。
OpenGL提供直觀的三維圖形開發(fā)環(huán)境，實際上是一種圖形與硬件的接口，包括120個圖形函數(shù)。開發(fā)者可以用這些函數(shù)來建立三維模型和進行三維實時交互。OpenGL強有力的圖形函數(shù)不要求開發(fā)者把三維物體模型數(shù)據(jù)寫成固定數(shù)據(jù)格式，這樣開發(fā)者可以利用其他不同格式的數(shù)據(jù)源并獲得許多軟件的支持。這樣就極大地提高了三維圖形軟件開發(fā)的效率。
2．三維建模技術
OpenGL提供了120個圖形函數(shù)用于繪制各種點、直線和多邊形等基本圖元。如果直接利用OpenGL的繪圖指令建立三維實體模型是非常繁雜的一個過程，在本文中采用3DS Max軟件來建立機床的模型；通過3DS Max軟件強大的畫基本幾何體，三維方向的分段調整，三維實體的布爾運算，NURBS曲線調整及殼變換等功能，可以方便的建立出較為逼真的三維機床模型；導出為.3ds格式的文件。然后使用Deep Exploration這個軟件，可以直接將.3ds格式的文件轉換為OpenGL顯示列表格式的文件；這種建模轉換方式的效率很高。
3．各種優(yōu)化技術
OpenGL中的優(yōu)化技術包括雙緩沖技術、反走樣技術、背面消隱、多重紋理影射等。雙緩沖技術是指OpenGL支持顯示緩沖和非顯示緩沖，缺省的情況是所有的OpenGL繪制命令在非顯示緩沖中繪制，繪制完成后再將其拷貝到顯示緩沖區(qū)中；雙緩沖使圖象轉換更平滑，屏幕無閃爍。反走樣技術就是OpenGL中利用混合技術，消除由于以離散點生成圖形和曲線所帶來的鋸齒現(xiàn)象，提高了畫面質量。
三、系統(tǒng)開發(fā)
本研究開發(fā)的系統(tǒng)是一個布局三維仿真系統(tǒng)，開發(fā)過程中要考慮到車間布局的各種相關因素，對布局流程進行、構思、規(guī)劃和設計，通過對車間設備的布局來滿足優(yōu)化目標，使得車間物流效率得到優(yōu)化。
C++ Builder程序設計語言是一種可視化編程語言，它是集開發(fā)、編譯、發(fā)布為一體的集成開發(fā)環(huán)境，基礎語言為面向對象的C++語言，并提供了強大的RAD(Rapid Application Development，快速程序開發(fā))功能，使得開發(fā)者可以節(jié)約大量設計界面和實現(xiàn)程序底層支持功能的時間，將精力主要用于程序核心邏輯的設計上。
本軟件充分利用C++ Builder程序面向對象易于開發(fā)的優(yōu)點，實現(xiàn)了車間設備布局的機輔助設計，對于提高車間設備布局設計的效率、縮短設計周期和提高布局設計質量均具有價值和價值。
1．C＋＋Builer 下的OpenGL編程框架
由于C++ Builder對Windows的消息機制進行了一定程度上的封裝，在C++ Builder下進行OpenGL編程與其他C++環(huán)境下有較大區(qū)別；在C++ Builder中采用OpenGL編程的基本框架如下所述，用于本研究中車間布局仿真程序的開發(fā)[3]。
（1）在頭文件中增加變量、函數(shù)聲明和包含OpenGL頭文件的語句；
（2）在窗體OnCreate()事件過程中初始化OpenGL；
（3）在窗體OnPaint()事件過程中繪制圖形，調用自己編寫的繪圖函數(shù)；
（4）在窗體OnSize()事件過程中控制圖形的顯示視口；
（5）在窗體OnClose()事件中釋放OpenGL設備句柄。
2．布局過程的可視化
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