物流车辆监控系统建模与仿真

第22卷 第12期

文章编号:1006-9348(2005) 12-0208-03

计 算 机 仿 真

2005年12月

物流车辆监控系统建模与仿真

郑妮, 齐欢, 代建民

(华中科技大学系统工程研究所, 湖北武汉430074)

摘要:物流的运输系统常常需要考虑交通堵塞、路径选择、能源危机、成本控制等各种复杂因素, 对物流车辆调度人员提出了很高的要求, 因此该文提出建立物流车辆监控仿真系统来模拟物流运输过程中对车辆实时动态的调度。该文结合G IS /GPS/GSM车辆监控系统的工作原理, 设计了物流车辆监控系统模型, 并构建了基于HLA(High Level A rch itect u re) 的物流车辆监控仿真系统框架。从应用的角度分析了HLA 仿真开发过程, 初步实现物流车辆监控模拟系统联邦, 为车辆调度员进行教学和培训提供了一个模拟现实的环境, 对物流车辆监控系统的实现起到了一定的辅助作用。关键词:物流; 车辆监控; 高层体系结构; 建模; 仿真中图分类号:TP391. 9 文献标识码:A

M odeling and Si m ulation of Logistics V ehiclesM onitoring Syste m

Z HENG N , i Q IH uan , DA I Jian -m in

(System s Eng ineer i ng Institute , H uazhong U nive rsity o f Sc. i and T ech . , W uhan Hube i 430074, C hina) AB STRACT :P rob le m s such as tra ffic cong esti on , routing, ene rgy c ris i s and cost contro l are usua ll y to be cons i dered by L og istics transportation system, wh ich asks high fo r log istics veh icles contro lling pe rsonne. l T he re fore the paper bring s forw ard an i dea to se t up a log isti c s veh i c les m on itor i ng s i m ula ti on system fo r si m u l a ti ng the rea l ti m e and dynam ic contro l i n the course o f v eh ic les transpo rta ti on . T he pape r designs the m ode l o f log isti c s vehic les mon ito r i ng syste m ba sed on the m echan i s m o fG IS /GPS /GS M veh icles m on itor i ng sy ste m and construc ts the fra m e o f a log istics veh icle s m on ito ring si m u l a ti ng system based on H LA (H igh L ev e l A rch itecture). T he deve lop m ent process of H LA s i m ula ti on is ana l y zed from t he aspec t o f app lica ti on as w el. l W e bas ically rea lized the fede ra ti on of l og istics veh i c les mon ito r i ng s i m ula ti ng system, wh ich supp lies a v irtua l situat i on fo r tea ch i ng and tra ining vehic les contro lling personne. l T he system is subserv ient to the rea l log istics v eh ic les m on ito r i ng sy ste m. K EY W ORDS :L og istics ; V eh ic les m on ito r i ng ; HLA; M ode li ng ; S i m u l a tion

决的问题。而物流的运输系统常常需要考虑交通堵塞、路径

1 引言

物流是将物质资料由供给地向需要地转移的经济活动和事务运动过程, 包括运输、存储、配送、装卸、保管、物流信

息管理等各种活动。第三方物流概念从二十世纪90年代进入我国, 短短几年的时间里在国内掀起了一股 第三方物流热 , 实际上我国第三方物流业的发展举步维艰, 难以令人满意。其中一个重要原因是信息流通不畅以及物流人员管理水平与实践经验的不足。而在物流管理中, 车辆调度和运输是其中不可或缺的环节。因此, 如何提高车辆的运输效率, 减少空载消耗以及提高车辆调度员的调度水平是物流业有待解

选择、能源危机、成本控制等各种复杂因素, 涉及到众多非常规数学模型, 在实际应用中难于有效运作, 于是有必要建立一个有效的车辆监控系统并对车辆调度员进行教学和培训。考虑到在现场教学和培训成本较高, 并且存在影响正常生产运行秩序和安全隐患等诸多不利因素, 本文选择对物流车辆监控系统进行仿真来解决上述问题。

目前, 在国外的物流和制造企业中已广泛应用仿真技术, 如U PS 、加拿大邮政、日本村田公司、LG Ph ili ps 、西门子德马泰克等, 国内也有部分企业采用了仿真技术。随着中国物流现代化的推进, 系统仿真在物流中的应用具有很好的前景。

对物流车辆监控系统可视化仿真具有低成本, 高效率, 操作方便, 易观测等优势; 并且利用系统模型在仿真的环境

收稿日期:2004-09-16

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和条件下, 可以对物流车辆监控系统进行研究、分析和试验, 设计合理的物流车辆调度方案, 与此同时还使得物流车辆调度人员通过仿真演习获得了处理各种复杂情况的经验并提高应变能力。

路[1]。

在这个车辆监控系统模型中, 车辆监控中心是核心部分, 由车辆调度员操纵控制, 以针对配送中心的运货信息、车辆当前情况作出合理决策。2. 2 仿真开发工具介绍

由于物流车辆监控系统是个复杂系统, 各个车辆与物流车辆监控中心是独立并分散的, 而且存在大量货物运输车与监控中心之间的信息传递与交互, 如监控中心需要车辆改变目的地、合理利用返回空载车辆以及车辆遇险报警等等。所以本文选择H LA 作为仿真体系结构, 以国防科大的OM DT 和KDRT I 为建模和仿真工具, 来开发一套基于HLA 的物流车辆监控仿真系统。

HLA (H i gh L eve l A rch itec t u re) 是分布交互仿真的高层体系结构, 它最显著的特点是通过提供通用的、相对独立的支撑服务程序, 将应用层同底层支撑环境分离; 同时, HLA 能根据不同的用户需求和不同应用目的, 实现联邦的快速组合和重新配置, 保证联邦范围内的互操作和重用[2]。因此, 把物流车辆监控系统作为基于H LA 的建模与仿真, 不仅充分利用了HLA 的分布仿真优势, 而且节省了人力物力, 并且对物流监控系统的实现起到了很大的辅助作用。

将地理信息系统(G IS) 的地形表达技术与HLA 分布式仿真技术结合起来, 使地理信息系统作为分布式仿真中的一员, 能够将离散的信息集中于统一的空间技术平台, 准确地观察和验证仿真推演的正确性和一致性。地理信息系统作为分布式仿真环境中唯一的仿真观察窗口, 对于保证仿真和验证仿真结果有重要意义[3]。

2 车辆监控系统模型及开发工具介绍

2. 1

车辆监控系统模型设计

以全球定位系统(G loba l Pos ition ing System , GP S) 作为信息采集手段, 以全球数字移动系统(G lobal Syste m fo r M ob il e C o mm un ications , G S M ) 作为通信手段, 地理信息系统(G eograph ic Info r m a ti on Sy ste m, G IS) 作为信息表达手段的物流车辆监控系统能实时追踪运输车辆动态状况, 确保货物高效按时到达目的地, 是现代车辆监控系统的常用技术方案。

如图1所示, 当货物运输车在路途中行驶时, 车载单元通过G PS 模块接收G PS 卫星发来的定位数据。该数据经过处理后, 通过G S M 短信息收发站将车辆位置等等信息传送至车辆监控中心。监控中心通过G IS , 将车辆的位置显示在电子地图上。客户可以通过G IS 显示屏查询已知编号车辆的位置及其他信息。本系统中的信息传输不仅有S M S(shor tm essage serv ice) 短信方式, 还有G S M 语音方式。如果车辆在行驶过程中遇到紧急情况, 比如抢劫、交通事故、交通堵塞等等, 能够通过GS M 语音向监控中心传输报警信息; 另外, 考虑到G PS 车载单元如果出现故障, 车辆位置信息将无从获知, 所以必要的时候司机还可以通过G S M 语音与车辆监控中心进行信息交互, 以保证系统的正常运作。

本系统还能够实现对运货车辆的二次调度:在车辆运输过程中, 由于监控中心可以随时跟踪各个车辆当前的位置, 因而车辆调度员可根据配送中心发送的运货信息的变化, 将行进中的车辆动态地调配到比原计划更加需要该货物的地方去。车辆监控系统的总体模型如图1

。

3 基于HLA 的车辆监控仿真系统的开发

3. 1

联邦开发

首先有必要介绍一下H LA 中仿真系统的开发工具FOM

和SOM 。FOM 是联邦中代表真实世界的对象类的集合, 是真实世界对象中相互影响的交互类的集合, 是以上这些类的属性和参数, 是这些类代表真实世界的详细程度。SOM 是单一联邦成员的对象模型, 它描述了联邦成员可以对外公布或需要定购的对象类、对象类属性、交互类、交互参数的特性, 这些特性反映了成员在参与联邦运行时所具有的能力[4]。3. 1. 1 FOM 中对象类与交互类的设计

对象类及其属性:

1) 车辆类(编号, 位置, 速度, 出发地, 目的地, 车辆状况, 到达目的地所剩时间);

2) 配送中心类(货物类别, 重量, 体积, 源地, 目的地, 计

图1 车辆监控系统模型

划到达时间);

3) 监控中心类(车辆编号, 货物特征, 源地, 目的地, 计划到达时间, 备注);

交互类及其参数:

4) 车辆的报警类(报警类别, 损失程度) ; 5) 紧急通知(车辆编号, 通知内容)

车辆监控系统由监控中心、通信系统、车载终端组成。监控中心是系统的核心, 它由监控中心服务器和G IS 监控终端组成; 车载单元通过G S M 网络和监控中心进行双向的信息传递; G S M 网络是车载单元和监控中心进行交互的数据链

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配送中心类及其属性是根据订单最新变化信息而设计的, 监控中心类则为实现车辆的二次调度而设计。如果车辆在行进的过程中遇到险情, 可及时向监控中心报警, 中心从G IS 显示屏上移动车辆的位置作出判断决策; 紧急通知为车辆监控中心根据实际情况, 及时通知运输车辆改变行车路线或者紧急撤回。3. 1. 2 SOM 的设计

本文所要仿真的系统为上述车辆监控系统模型。在仿真系统中, 共有五个联邦成员, 分别是车辆、配送中心、车辆监控中心、G IS 显示屏和客户。其中略去了G PS 信号接收仪等装置, 是因为G PS 接收仪装载于车辆内部, 可以看作车辆能够获取自己的位置信息并公布。在实际系统中, 可以同时监控许多车辆, 作为车辆联邦成员的若干对象实例。各个SOM 的公布/订购关系如表1所示[5]。

表1 SO M 公布/订购关系表

S 编号位置速度

车辆类

出发地目的地车辆状况 所剩时间

配送中心所有属性监控中心所有属性车辆报警所有参数 紧急通知所有参数

车辆

配送中心

中心

G IS 显示屏

客户

图2 车辆监控仿真系统体系结构图

理策略为时间受限。由于车辆位置需要在GIS 显示屏上实时

动态显示, 因此消息传递顺序应该选择时延最小的方式 接收顺序(R ece ive O rder) 。为了确保事件的处理顺序不偏离物理系统中事件发生的顺序, 本文选择保守的时间推进机制和步进的时间推进方式。

本系统采用国防科大的OM DT 和KDRT I 来开发的, 每个SOM 的程序框架都可以由国防科技大学开发的F edA pp W iza rd 来生成, 下面是以车辆联邦成员为例生成的仿真程序框架:

U I NT si m u lation(LPVO ID pP ara m ) {

//创建并加入联邦

F ed . createF ede ration();

F ed . jo inF ede ra tion(); F ed . enab le A ttr i buteR e lavanceA dv i soryS w itch() ; //把成员所包含的对象和属性数据设置为RT I 指定的值

F ed . In it RT I(); //公布对象和交互

F ed . Pub lishA ndSubscr i be() ; //设置时间管理策略

F ed . i n itia lizeT i m e M anag e m ent(); if (! CF ederate ::R egu la ti on_enabl ed )

A fx M e ssag eBox("T h is federate have no t been set into regu lat i on" );

if (! CF ederate ::Constra i ned_enabl ed ) A fx M e ssag eBox("T h is federate have no t been set into constrained" ); F ed . enab le A synchronous D elivery() ;

//注册对象实例F ed . R eg ister();

//------------------------------//TODO:A dd your comm and hand ler code he re //------------------------------//事件循环开始

(下转第248页)

订购

3. 2

车辆监控仿真系统体系结构

在车辆监控仿真系统运行中, RT I 相当于是一个实现特

定目的的分布式操作系统, 联邦成员之间不进行直接交互通信, 而是通过时间运行支撑环境RT I 来实现, 各联邦成员只与客户机上的RT I 进行交互。当仿真实体的状态发生变化时, 才发送信息给需要这些变化信息的仿真成员, 联邦成员与RT I 之间通过请求和提供一系列服务的方式来实现交互。车辆监控仿真系统体系结构如图2所示[6]。

整个车辆监控系统是一个联邦, 包含四个联邦成员。每台计算机可以运行一个联邦成员, RT I 运行于联邦成员和通信网络之间, 为联邦成员的信息交互提供接口。3. 3 仿真应用的开发

在系统仿真中, H LA 的时间管理十分重要。联邦成员车辆和监控中心的时间管理策略为既时间控制, 又时间受限; 配送中心的时间管理策略为时间控制; G IS 显示屏的时间管

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o fE l ectrica l an d E lectron ics E ng i neers , In c . , 2003-4. [2] Roy Scrudd er, RobertLu tz , Dr . Jud ith D ahm ann. Au to m ati on of

the HLA Federation Devel opm en t and Execu tion Process[R].Sp ri n g S i m u lation In teroperab ilityW ork s hop , 00S-S I W -145, 2000.

[3] 尹娟. HLA 联邦成员软件框架自动生成技术研究与实现[D].

国防科技大学研究生院, 2002-1.

[4] 冯润明. HLA 盟员软件开发环境研究[J].系统仿真学报, 2001

-5

.

[作者简介]

樊 巍(1979-), 男(汉族), 湖南常德人, 国防

科技大学计算机学院硕士研究生, 主要从事分布式仿真系统研究。

王怀民(1962-), 男(汉族), 江苏南京人, 博士,

教授, 主要研究领域为分布计算技术, 面向Agen t 技术, 智能软件环境。

姚益平(1963-), 男(汉族), 湖南邵东人, 博士, 教授, 主要研究方向

为软件工程、分布式仿真和虚拟现实等。

(上接第210页)

//1) 计算对象实体的当前状态, 更新对象实例属性, 发送交互

//2) 时间推进//F ed . advanceT i m eR equest(/**/);//3) 重复上述过程, 仿真结束F ed . m _next T i m e =ti m eStep +G ran t T i m e ; //设置时戳F ed . Se t T i m eStam p(F ed . m _next T i m e) ; //删除对象实例F ed . D e l e teO b jInst();

//退出联邦执行

F ed . resignF ede rationExecution(); //撤销联邦执行

F ed . destro yF ederationExecution(); A fxEndT hread(0); return 0; }

HLA 仿真程序是在联邦设计的基础上通过合理的调用RT I 服务函数来达到仿真联邦的目的。仿真开始, 首先初始化车辆的属性数据, 同时生成RT I 代理; 然后车辆联邦成员调用RT I 服务函数c re ateFedera ti onEx ecu ti on 创建联邦执行; 再调用j o inF ede rationExecution 函数加入联邦; 通过Publish 和Subscr i be 函数声明公布订购关系; 确定时间管理策略; 通过R eg i ster 函数注册对象实例; 然后进入事件循环, 首先通过ti m eA dvanceR equest 函数请求时间推进, 在时间推进得到满足后进行车辆数据更新及交互的判断, 然后判断本次运算时间是否到1帧所需的时间, 如果没有则等到这一时间再进行下一次的循环; 当循环结束即仿真时间达到后, 车辆联邦成员调用res i gnF ederationExe cu ti on 函数退出联邦执行。如果联邦中最后一个成员退出联邦执行, 则该联邦成员调用destroyF ede ra tionExecution 函数撤销联邦执行。至此, 联邦运行结束[7]。

统仿真是一种可行的方法。利用系统模型在仿真的环境和条件下, 可以对物流车辆监控系统进行研究、分析和试验, 设计

合理的物流车辆调度方案, 与此同时还使得物流车辆调度人员通过仿真演习获得了处理各种复杂情况的经验并提高应变能力。另外需要指出的是, 只需给车辆配上G PS 车载单元和G S M 通讯设备, 就可以实现真正实用的车辆监控系统。

当然, 本文只是提出了物流车辆监控系统仿真的初步构想并在研究验证其可行性的基础上建立了模型, 通过国防科大OM DT 建模之后生产了程序框架代码, 许多工作有待进一步完成与深入。参考文献:

[1] 苏子林, 韩晓玲. 基于GIS /GPS/GSM 的车辆监控系统的设计

与实现[J].计算机工程与应用, 2003, 19:206-208. [2] 周彦, 戴剑伟. H LA 仿真程序设计[M].北京:电子工业出版

社, 2002, (12-13).

[3] 张轶. 基于分布式仿真环境的地理信息系统设计与实现. 中

国人民解放军信息工程大学测绘学院硕士学位论文, 2001-4.

[4] 吴义明, 齐欢. 基于H LA 的导弹对抗计算机仿真[J].计算机

仿真, 2003, 20(10):21-23.

[5] 齐欢, 代建民, 吴义明. H LA 仿真与UM L 建模[M].北京:科学

出版社, 2004. 178-188.

[6] 陈凌云, 姜振东, 范浩存. 基于HLA 卫星信息支援下的导弹攻

防对抗研究[J].装备指挥技术学院学报, 2003, 14(3). [7] 吴明巧, 钟海荣. 基于H LA /RTI 的卫星组网联邦原型开发

[J].系统仿真学报, 2004, 16(6):1292-

1295.

[作者简介]

郑 妮(1980-), 女(汉族), 湖北人, 硕士

研究生, 主要研究方向为基于H LA 的仿真、复杂系统的建模。

齐 欢(1948-), 男(汉族), 湖北人, 教授,

博士生导师, 主要研究方向为系统集成与分析、基于HLA 的仿真、复杂系统的集成与优

化。

4 结束语

本文设计了物流车辆监控系统模型, 并构建了基于H LA 的物流车辆监控仿真系统框架。将HLA 用于物流车辆监控系

代建民(1974-), 男(汉族), 湖北人, 博士研究生, 主要研究方向为

基于HLA 的仿真、复杂系统的建模。

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