2024年5月31日发(作者：慕俊杰)
智能起重机的体系结构
陈志梅
孟文俊
太原科技大学
太原０３００２４
摘要：体系结构是智能起重机中最基本且非常关键的环节，它决定着系统的整体行为和整体性能。文中
详细介绍了智能起重机的硬件结构和软件结构，阐述了其各个组成部分的性能特点和功能作用。体系结构的成
功运用，为起重机智能化提高起到了决定性的作用。
关键词：智能起重机；体系结构；功能；智能化
中图分类号：ＴＨ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１１）（）ｌ一０００１—０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｖｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｂａｓｉｃ ａｎｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｋｅｙ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｒａｎｅ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｂｅ—
ｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌ—
ｌｉｇｅｎｔ ｃｒａｎｅ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｓｔａｔｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｆｕｎｅｔｉｏｎａｌ ｒｏｌｅｓ ｏｆ ｉｔｓ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｓｎｃｃｅｓｓｆｕｌ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｐｌａｙｅｄ ａ ｄｅｃｉｓｉｖｅ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚａｔｉ０ｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｒａｎｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｒａｎｅ；ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｉｎｔｅ１ｌｉｇｅｎｔｉｚａｔｉ０ｎ
Ｏ 引言
的操作和移动功能、可编程功能、人机交互功能
和自诊断功能，具有高度灵活性的自动化机器系
目前，周外工程机械已发展到机电液讯一体
统。它具有与人或生物相似的智能能力，如感知
化．开始进入机群智能化技术的研究与开发阶段。 能力、规划能力、动作能力、协同能力以及决策
我国工程机械已部分完成或正在完成机械与液压
控制能力。因此，智能起重机的体系结构和智能
的一体化，智能化方面的研究尚处于起步阶段， 机器人的体系结构具有相似之处。以智能机器人
机群智能化技术的研究空白。智能化工程机械不 系统的智能、行为、信息、控制的时空分布模式
需要操作人员的直接参与，通过安装各种复杂的
作为新的分类标准，沿时间线索归纳出７种典型
传感器来获取环境的信息，具有自我感知、自主
结构：分层递阶结构、包容结构、３层结构、自组
决策及自动控制的功能。智能起重机是广义上的 织结构、分布式结构、进化控制结构和社会机器
智能化工程机械的一种，研究智能起重机的体系
人结构
结构，是智能起重机研究中最基本且非常关键的
环节，它决定着系统的整体行为和整体性能，体
２智能起重机的硬件结构
系结构设计的合理与否是整个智能起重机系统高 智能起重机的硬件结构由起重机本体、环境、
效运行的关键。
传感器层、信号采集执行层、控制层和人机交互
１智能起重机的体系结构
层组成。通过标准总线接口互联的网络化平台内
嵌控制策略及相关智能算法，实现智能起重机的
智能起重机的体系结构是指智能起重机系统
自动控制功能、移动功能、可编程功能、人机交
各组成部分之间相互关系和功能分配信息采集、 互功能和自诊断功能，并且具备感知、规划、动
分析和处理控制的总体结构，由硬件结构和软件
作、协同、学习以及决策控制等智能能力，如图ｌ
结构组成。智能起重机系统是一个智能机器人系
所示。“起重机本体”和“环境”比较简单，不一
统，是能完成起重机各种任务的、具有自动控制
一
详述
山西省自然科学基金项目（２００８０１１０２７—３），山西省２００９年度回国留学人员科研资助项目（２００９０７６），山西省２０１０年国际科技合
作计划项目（２０１００８１０３９），山西省研究生优秀创新项目（２００９０１７），太原市２０１０年科技明星项目（２０１０００５），太原市大学生创新专题项
目资助（１００１１５１５５）
《起重运输机械》 ２０１ｌ（１） 一１一
图１控制层的构成框图
２．１传感器层
传感器层应用各种传感器满足底层信号采集
的需要。传感器作为智能检测系统的主要信息来
源，其性能决定了整个检测系统的性能。传感器
是能把特定的被测量信息（包括物理量、化学量、
生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出
的器件或装置。智能起重机的传感器主要有内部
检测传感器和外部检测传感器。
内部检测传感器用来感知起重机自身的状态，
以调整和控制起重机的运动。通常包括位移（位
置）传感器、速度和加速度传感器、力传感器等。
外部检测传感器是起重机用以感受周围环境、目
标物状态特征信息的传感器，使起重机对环境具
有自校正和自适应能力（学习能力）。通常包括视
觉传感器（例如照相机、摄像机等）、触觉传感器
和应力传感器、超声波传感器、红外传感器、激
光传感器等。随着检测技术的发展，各种新型传
感器不断涌现，将在智能起重机系统中得到
应用。
２．２信号采集执行层
信号采集执行层是控制系统与被控对象的接
口层，负责将现场设备、周围环境各个传感器检
测到的状态信号，通过控制总线上传给控制层进
行数据处理，或通过人机交互层显示数据。另一
方面，由控制总线接收控制层下传的指令信息，
对现场设备执行器执行相应的控制和操作，调节
起重机各个机构的运动。
２．３控制层
控制层在很大程度上决定了智能起重机性能
的优劣。作为智能起重机的大脑和神经系统，控
制层根据指令和传感信息控制起重机完成一定动
一
，一
作和作业任务。控制层包括中央控制器层和专用
控制器层，如图１所示。
１）中央控制器层
中央控制器层是智能起重机控制系统的核心
部分，包括规划决策系统和监控系统。作为系统
总的控制平台一方面进行任务规划和路径规划，
另一方面对控制总线上传的数据进行处理，并将
需要显示的数据和图像传送到人机交互层显示。
规划决策系统中设有知识库和数据库，建有
通用规划器和规划软件。根据任务命令建立任务
模型，完成任务规划；根据视觉处理系统提供的
环境模型及目标命令，利用智能计算方法进行路
径规划；规划结果送给监控系统，由运动系统执
行；监控系统协调智能起重机各个系统之间的关
系；接受规划决策命令进行轨迹规划；接受视觉
处理系统的视觉信号和环境模型进行局部路径规
划和导航；接受超声测距等子系统的障碍信息，
进行局部环境建模作超声避障和导航；实现对系
统参数的设置、状态变换、数据检测和控制以及
人机交互，能动态监测设备状态并进行故障诊断
报警等。
２）专用控制器层
专用控制器层是针对各个子系统的测控要求
而开发的分布式测控单元。专用控制器直接面对
底层传感器，具有独立的输入输出能力，具有丰
富的Ｉ／Ｏ接口，实现底层信号的采集和控制命令
的执行。包括视觉处理、环境建模系统，运动控
制系统等。
视觉处理、环境建模系统根据外部检测传感
器检测到的信息进行视觉和图像处理，建立外部
环境模型，并通过［／Ｏ接口分别跟控制层的规划
决策和监控系统传输信息。
运动控制系统是一个分布式控制系统，包括
通信管理子系统、车体控制子系统、超声测距
（或红外测距、激光扫描测距等）子系统和位置测
量子系统。系统接受监控系统命令，执行规划决
策和视觉导航命令；向位置测量子系统索取车体
位置和速度等参数，控制车体动作；控制超声测
量子系统，进行目标或障碍物距离的测量，执行
避障和导航功能。
通信管理子系统一方面接受监控系统的命令，
把命令及时准确地传送给其他相应的子系统，完
《起重运输机械》 ２０１１（１）
成监控系统所指定的动作。另一方面又接受各个
子系统的反馈信息，准确及时地回送给监控系统，
作为监控系统协调、诊断、管理和控制的依据。
车体控制子系统根据监控系统的命令，控制
车体动作，包括起升、回转、变幅和运行等，实
现负载的精确定位和防摆；也根据超声或视觉信
息实现快速避障或临时紧急停车。
超声测距子系统利用超声信息进行了局部环
境建模和局部动态路径规划的研究，实现了超声
避障、超声导航以及无碰撞目标搜索的功能。
位置测量子系统测量、计算和确定起重机所
在位置、负载位置，记录车体位置和速度等参数。
２．４人机交互层
人机交互层是智能起重机系统的重要组成部
分，包括键盘输入、液晶显示和打印机终端等。
它作为智能化控制系统与终端用户及驾驶员间的
人机交互桥梁。一方面，用户通过监控系统实时
监测起重机的控制流程和设备运行状态；另一方
面，用户可经由人机交互层对控制系统发出指令，
直接对控制流程中的系统参数和控制策略加以调
整和适当的参与。
３ 智能起重机的软件结构
图２是智能起重机的软件结构。为了保证系
统的通用性、灵活性、易扩展性以及开放性，采
用组合化、层次化、模块化结构。允许不同开发
者独立设计而不必借助于重新设计整个系统。首
先，这种开放式体系结构向应用程序提供一组基
本功能模块库。其次，提供具有信息传递机制的
知识库和数据库。最后，在这种开放式体系结构
中，提供一种用于增加、修改和集成功能模块的
开发应用环境，能把智能监测、智能控制、智能
规划以及智能结构等设计成具有各自功能特征的
可重组模块，根据用户的要求和不同的作业需要，
选择不同的功能模块装配成各种不同形式的起重
机并真正应用到实际中去。软件结构基本功能模
块库包含规划决策监控模块，信息管理和协调模
块，视觉处理模块、环境建模模块，位置测量模
块，避障导航模块，运动控制模块及人机交互模
块等。各个模块之间通过通讯接口相互传递和交
换信息。还可以根据需要扩展设计其他模块。
规划决策监控模块是智能级，分析控制命令
《起重运输机械》 ２０１１（１）
Ｉ
蓄
／。
ｌ
／Ｏ
睦豳
ｌＩ幻接口
接
口
匾 咽
：ｔ，ｏ接口
蘸 慝 嘲嘲网
● ● ●
’ ＇ ＇ ｌ
图２智能起重机的软件结构框图
以及外部环境、起重机各个部分的状态信息，将
目标任务分解成行为运动序列，用于抽象推理、
任务规划和决策，并对整个系统进行监控。信息
管理和协调模块是协调级，用来管理和协调各个
模块之间的信息流和数据流。视觉处理模块、环
境建模模块、位置测量模块、避障导航模块及运
动控制模块是感知执行级，完成检测、控制、避
障导航及移动等功能。人机交互模块完成人机交
互功能，具有命令输入直观、操作方便、动感好
和交互性强等优点，并有较好的适应性。
４ 结论
智能起重机的这种结构是综合集成了智能机
器人分层递阶结构和包容结构的一种混合结构，
它既吸取了递阶结构中高层规划的智能性，又保
持了包容结构中低层反应的灵活性。不但在已知
环境下能够执行预先规定的运动动作，而且在新
环境下或遇到意外情况时也能很好地完成任务。
这种体系结构具有较高的鲁棒性和容错性，对任
务和环境具有较好的自适应性。该体系结构具有
主动学习和自适应的能力，能够根据先验知识、
历史经验，对当前环境情况的判断和自身的状况，
调整起重机的目标、行为以及相应的协调机制，
以达到适应环境、完成任务的目的。
参考文献
［１］王田苗，魏洪兴，王越超．智能化Ｔ程机械发展战略
研究［Ｊ］．＿丁程机械，２００２（１２）：１，２．
［２］魏洪兴，王田苗，陈殿生．智能化工程机械及其关键
技术研究［Ｊ］．工程机械，２００４（５）：１—４．
自动化物流系统仿真研究及应用
魏兰孟令广
北京起重运输机械设计研究院 北京 １００００７
摘要：研究使用３Ｄ图形仿真自动化物流系统总体规划和实际运行，通过各种仿真作业数据进行智能分
析，优化系统的目标解决方案。将仿真方法应用于某集团物流中心的设施规划问题，分析物流中心仿真模型的
组成，建立了物流中心作业流程的仿真模型，为系统方案改进提供理论和数据依据。
关键词：自动化物流系统；Ｆｌｅｘｓｉｍ：仿真
中图分类号：ＴＰ２７８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１１）０１—０００４—０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｌａｎ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ３ Ｄ ｇｒａｐｈ．
ｉｃｓ．ｃａｒｒｉｅｓ ｏｕｔ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｄａｔａ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｔａｒｇｅｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｙｓ—
ｔｅｍ．Ｉｎ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｐｐｌｉｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ａ Ｇｒｏｕｐ’Ｓ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｃｅｎｔｅｒ，
ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｃｅｎｔｅｒ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｏｒｋｆｌｏｗ ｆｏｒ
ｔｈｅ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｃｅｎｔｅｒ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｄａｔａ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｃｈｅｍｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｓｙｓｔｅｍ；Ｆｌｅｘｓｉｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０ 引言
及过程瞬间仿效记录，进而验证物流工程项目建
设的有效性、合理性和优化效果。仿真技术不仅
自动化物流系统是现代物流技术的核心，是
可以降低设计成本和投资风险，为投资策略提供
典型的现代机械与电子技术相结合的系统，由具 最有力的支持，而且可以进行精确计算和验证分
有一定智能的物流设备和计算机管理与控制系统 析，从而提高系统方案的可行性和设计的合理性。
组成。其空间利用率高，仓储能力强，能够通过
因此仿真是检验自动化物流系统方案是否高效运
计算机进行控制管理，实现货物搬运、存取的机
行的最有效手段，具有重要的现实意义－－ 。
械化和自动化。随着国内企业规模越来越大，拟 本文研究如何针对具体的自动化物流系统流
建设的自动化物流系统变得越来越复杂，其内部
程，完善自动化物流系统。研究的内容以建立各
关联性越来越强。企业在面临物流工程项目投资
类物流设备模型及各类物流设备和库存信息的高
新建或原有系统技术改造时，由于缺乏准确丰富
效显示和管理为主，着重研究使用３Ｄ图形仿真自
的信息数据和必要的物流仿真系统决策支持，造 动化物流系统总体规划和实际运行，通过各种仿
成项目建设投入的盲目性和资金流失。因此，为 真作业数据进行智能分析，优化系统的目标解决
避免在自动化物流系统的优化构建上浪费大量的 方案，提高方案的可行性和设计合理性。自主开
人力、物力和时间，物流仿真是必然的选择。
发的基于Ｆｌｅｘｓｉｍ平台的物流仿真系统已应用于孚
物流仿真借助计算机技术对自动化物流系统
日集团自动化立体仓库、扬子江药业集团自动化
进行真实模仿，通过仿真实验得到各种动态活动
立体仓库、云南白药集团物流配送中心、国药集团
［３］刘海波，顾国昌，张国印．智能机器人体系结构分类
研究［Ｊ］．哈尔滨Ｔ、程大学学报，２００３（６）：６６４—
６６８．
作 者：陈志梅
［４］何克忠．智能移动机器人的一种体系结构［Ｊ］．机器
地 址：山西省太原市窳流路１３８号太原科技大学２２５＃
人，１９９２（３）：５５—５８．
邮 编：０３００２４
［５］王明辉，马书根，李斌，等．可重构机器人体系结构
收稿日期：２０１０—０９—０３
及模块化控制系统的实现［Ｊ］．仪器仪表学报，２００６
ｄ——
《起重运输机械》 ２０１１（１）
2024年5月31日发(作者：慕俊杰)
智能起重机的体系结构
陈志梅
孟文俊
太原科技大学
太原０３００２４
摘要：体系结构是智能起重机中最基本且非常关键的环节，它决定着系统的整体行为和整体性能。文中
详细介绍了智能起重机的硬件结构和软件结构，阐述了其各个组成部分的性能特点和功能作用。体系结构的成
功运用，为起重机智能化提高起到了决定性的作用。
关键词：智能起重机；体系结构；功能；智能化
中图分类号：ＴＨ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１１）（）ｌ一０００１—０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｖｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｂａｓｉｃ ａｎｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｋｅｙ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｒａｎｅ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｂｅ—
ｈａｖｉｏｒ ａｎｄ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌ—
ｌｉｇｅｎｔ ｃｒａｎｅ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｓｔａｔｅｓ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｆｕｎｅｔｉｏｎａｌ ｒｏｌｅｓ ｏｆ ｉｔｓ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｓｎｃｃｅｓｓｆｕｌ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｐｌａｙｅｄ ａ ｄｅｃｉｓｉｖｅ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚａｔｉ０ｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｒａｎｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｒａｎｅ；ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ；ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｉｎｔｅ１ｌｉｇｅｎｔｉｚａｔｉ０ｎ
Ｏ 引言
的操作和移动功能、可编程功能、人机交互功能
和自诊断功能，具有高度灵活性的自动化机器系
目前，周外工程机械已发展到机电液讯一体
统。它具有与人或生物相似的智能能力，如感知
化．开始进入机群智能化技术的研究与开发阶段。 能力、规划能力、动作能力、协同能力以及决策
我国工程机械已部分完成或正在完成机械与液压
控制能力。因此，智能起重机的体系结构和智能
的一体化，智能化方面的研究尚处于起步阶段， 机器人的体系结构具有相似之处。以智能机器人
机群智能化技术的研究空白。智能化工程机械不 系统的智能、行为、信息、控制的时空分布模式
需要操作人员的直接参与，通过安装各种复杂的
作为新的分类标准，沿时间线索归纳出７种典型
传感器来获取环境的信息，具有自我感知、自主
结构：分层递阶结构、包容结构、３层结构、自组
决策及自动控制的功能。智能起重机是广义上的 织结构、分布式结构、进化控制结构和社会机器
智能化工程机械的一种，研究智能起重机的体系
人结构
结构，是智能起重机研究中最基本且非常关键的
环节，它决定着系统的整体行为和整体性能，体
２智能起重机的硬件结构
系结构设计的合理与否是整个智能起重机系统高 智能起重机的硬件结构由起重机本体、环境、
效运行的关键。
传感器层、信号采集执行层、控制层和人机交互
１智能起重机的体系结构
层组成。通过标准总线接口互联的网络化平台内
嵌控制策略及相关智能算法，实现智能起重机的
智能起重机的体系结构是指智能起重机系统
自动控制功能、移动功能、可编程功能、人机交
各组成部分之间相互关系和功能分配信息采集、 互功能和自诊断功能，并且具备感知、规划、动
分析和处理控制的总体结构，由硬件结构和软件
作、协同、学习以及决策控制等智能能力，如图ｌ
结构组成。智能起重机系统是一个智能机器人系
所示。“起重机本体”和“环境”比较简单，不一
统，是能完成起重机各种任务的、具有自动控制
一
详述
山西省自然科学基金项目（２００８０１１０２７—３），山西省２００９年度回国留学人员科研资助项目（２００９０７６），山西省２０１０年国际科技合
作计划项目（２０１００８１０３９），山西省研究生优秀创新项目（２００９０１７），太原市２０１０年科技明星项目（２０１０００５），太原市大学生创新专题项
目资助（１００１１５１５５）
《起重运输机械》 ２０１ｌ（１） 一１一
图１控制层的构成框图
２．１传感器层
传感器层应用各种传感器满足底层信号采集
的需要。传感器作为智能检测系统的主要信息来
源，其性能决定了整个检测系统的性能。传感器
是能把特定的被测量信息（包括物理量、化学量、
生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出
的器件或装置。智能起重机的传感器主要有内部
检测传感器和外部检测传感器。
内部检测传感器用来感知起重机自身的状态，
以调整和控制起重机的运动。通常包括位移（位
置）传感器、速度和加速度传感器、力传感器等。
外部检测传感器是起重机用以感受周围环境、目
标物状态特征信息的传感器，使起重机对环境具
有自校正和自适应能力（学习能力）。通常包括视
觉传感器（例如照相机、摄像机等）、触觉传感器
和应力传感器、超声波传感器、红外传感器、激
光传感器等。随着检测技术的发展，各种新型传
感器不断涌现，将在智能起重机系统中得到
应用。
２．２信号采集执行层
信号采集执行层是控制系统与被控对象的接
口层，负责将现场设备、周围环境各个传感器检
测到的状态信号，通过控制总线上传给控制层进
行数据处理，或通过人机交互层显示数据。另一
方面，由控制总线接收控制层下传的指令信息，
对现场设备执行器执行相应的控制和操作，调节
起重机各个机构的运动。
２．３控制层
控制层在很大程度上决定了智能起重机性能
的优劣。作为智能起重机的大脑和神经系统，控
制层根据指令和传感信息控制起重机完成一定动
一
，一
作和作业任务。控制层包括中央控制器层和专用
控制器层，如图１所示。
１）中央控制器层
中央控制器层是智能起重机控制系统的核心
部分，包括规划决策系统和监控系统。作为系统
总的控制平台一方面进行任务规划和路径规划，
另一方面对控制总线上传的数据进行处理，并将
需要显示的数据和图像传送到人机交互层显示。
规划决策系统中设有知识库和数据库，建有
通用规划器和规划软件。根据任务命令建立任务
模型，完成任务规划；根据视觉处理系统提供的
环境模型及目标命令，利用智能计算方法进行路
径规划；规划结果送给监控系统，由运动系统执
行；监控系统协调智能起重机各个系统之间的关
系；接受规划决策命令进行轨迹规划；接受视觉
处理系统的视觉信号和环境模型进行局部路径规
划和导航；接受超声测距等子系统的障碍信息，
进行局部环境建模作超声避障和导航；实现对系
统参数的设置、状态变换、数据检测和控制以及
人机交互，能动态监测设备状态并进行故障诊断
报警等。
２）专用控制器层
专用控制器层是针对各个子系统的测控要求
而开发的分布式测控单元。专用控制器直接面对
底层传感器，具有独立的输入输出能力，具有丰
富的Ｉ／Ｏ接口，实现底层信号的采集和控制命令
的执行。包括视觉处理、环境建模系统，运动控
制系统等。
视觉处理、环境建模系统根据外部检测传感
器检测到的信息进行视觉和图像处理，建立外部
环境模型，并通过［／Ｏ接口分别跟控制层的规划
决策和监控系统传输信息。
运动控制系统是一个分布式控制系统，包括
通信管理子系统、车体控制子系统、超声测距
（或红外测距、激光扫描测距等）子系统和位置测
量子系统。系统接受监控系统命令，执行规划决
策和视觉导航命令；向位置测量子系统索取车体
位置和速度等参数，控制车体动作；控制超声测
量子系统，进行目标或障碍物距离的测量，执行
避障和导航功能。
通信管理子系统一方面接受监控系统的命令，
把命令及时准确地传送给其他相应的子系统，完
《起重运输机械》 ２０１１（１）
成监控系统所指定的动作。另一方面又接受各个
子系统的反馈信息，准确及时地回送给监控系统，
作为监控系统协调、诊断、管理和控制的依据。
车体控制子系统根据监控系统的命令，控制
车体动作，包括起升、回转、变幅和运行等，实
现负载的精确定位和防摆；也根据超声或视觉信
息实现快速避障或临时紧急停车。
超声测距子系统利用超声信息进行了局部环
境建模和局部动态路径规划的研究，实现了超声
避障、超声导航以及无碰撞目标搜索的功能。
位置测量子系统测量、计算和确定起重机所
在位置、负载位置，记录车体位置和速度等参数。
２．４人机交互层
人机交互层是智能起重机系统的重要组成部
分，包括键盘输入、液晶显示和打印机终端等。
它作为智能化控制系统与终端用户及驾驶员间的
人机交互桥梁。一方面，用户通过监控系统实时
监测起重机的控制流程和设备运行状态；另一方
面，用户可经由人机交互层对控制系统发出指令，
直接对控制流程中的系统参数和控制策略加以调
整和适当的参与。
３ 智能起重机的软件结构
图２是智能起重机的软件结构。为了保证系
统的通用性、灵活性、易扩展性以及开放性，采
用组合化、层次化、模块化结构。允许不同开发
者独立设计而不必借助于重新设计整个系统。首
先，这种开放式体系结构向应用程序提供一组基
本功能模块库。其次，提供具有信息传递机制的
知识库和数据库。最后，在这种开放式体系结构
中，提供一种用于增加、修改和集成功能模块的
开发应用环境，能把智能监测、智能控制、智能
规划以及智能结构等设计成具有各自功能特征的
可重组模块，根据用户的要求和不同的作业需要，
选择不同的功能模块装配成各种不同形式的起重
机并真正应用到实际中去。软件结构基本功能模
块库包含规划决策监控模块，信息管理和协调模
块，视觉处理模块、环境建模模块，位置测量模
块，避障导航模块，运动控制模块及人机交互模
块等。各个模块之间通过通讯接口相互传递和交
换信息。还可以根据需要扩展设计其他模块。
规划决策监控模块是智能级，分析控制命令
《起重运输机械》 ２０１１（１）
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图２智能起重机的软件结构框图
以及外部环境、起重机各个部分的状态信息，将
目标任务分解成行为运动序列，用于抽象推理、
任务规划和决策，并对整个系统进行监控。信息
管理和协调模块是协调级，用来管理和协调各个
模块之间的信息流和数据流。视觉处理模块、环
境建模模块、位置测量模块、避障导航模块及运
动控制模块是感知执行级，完成检测、控制、避
障导航及移动等功能。人机交互模块完成人机交
互功能，具有命令输入直观、操作方便、动感好
和交互性强等优点，并有较好的适应性。
４ 结论
智能起重机的这种结构是综合集成了智能机
器人分层递阶结构和包容结构的一种混合结构，
它既吸取了递阶结构中高层规划的智能性，又保
持了包容结构中低层反应的灵活性。不但在已知
环境下能够执行预先规定的运动动作，而且在新
环境下或遇到意外情况时也能很好地完成任务。
这种体系结构具有较高的鲁棒性和容错性，对任
务和环境具有较好的自适应性。该体系结构具有
主动学习和自适应的能力，能够根据先验知识、
历史经验，对当前环境情况的判断和自身的状况，
调整起重机的目标、行为以及相应的协调机制，
以达到适应环境、完成任务的目的。
参考文献
［１］王田苗，魏洪兴，王越超．智能化Ｔ程机械发展战略
研究［Ｊ］．＿丁程机械，２００２（１２）：１，２．
［２］魏洪兴，王田苗，陈殿生．智能化工程机械及其关键
技术研究［Ｊ］．工程机械，２００４（５）：１—４．
自动化物流系统仿真研究及应用
魏兰孟令广
北京起重运输机械设计研究院 北京 １００００７
摘要：研究使用３Ｄ图形仿真自动化物流系统总体规划和实际运行，通过各种仿真作业数据进行智能分
析，优化系统的目标解决方案。将仿真方法应用于某集团物流中心的设施规划问题，分析物流中心仿真模型的
组成，建立了物流中心作业流程的仿真模型，为系统方案改进提供理论和数据依据。
关键词：自动化物流系统；Ｆｌｅｘｓｉｍ：仿真
中图分类号：ＴＰ２７８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—０７８５（２０１１）０１—０００４—０４
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｌａｎ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ３ Ｄ ｇｒａｐｈ．
ｉｃｓ．ｃａｒｒｉｅｓ ｏｕｔ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｄａｔａ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ ｔａｒｇｅｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｙｓ—
ｔｅｍ．Ｉｎ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｐｐｌｉｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ａ Ｇｒｏｕｐ’Ｓ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｃｅｎｔｅｒ，
ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｃｅｎｔｅｒ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｏｒｋｆｌｏｗ ｆｏｒ
ｔｈｅ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｃｅｎｔｅｒ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｄａｔａ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｃｈｅｍｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｅｄ ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ ｓｙｓｔｅｍ；Ｆｌｅｘｓｉｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０ 引言
及过程瞬间仿效记录，进而验证物流工程项目建
设的有效性、合理性和优化效果。仿真技术不仅
自动化物流系统是现代物流技术的核心，是
可以降低设计成本和投资风险，为投资策略提供
典型的现代机械与电子技术相结合的系统，由具 最有力的支持，而且可以进行精确计算和验证分
有一定智能的物流设备和计算机管理与控制系统 析，从而提高系统方案的可行性和设计的合理性。
组成。其空间利用率高，仓储能力强，能够通过
因此仿真是检验自动化物流系统方案是否高效运
计算机进行控制管理，实现货物搬运、存取的机
行的最有效手段，具有重要的现实意义－－ 。
械化和自动化。随着国内企业规模越来越大，拟 本文研究如何针对具体的自动化物流系统流
建设的自动化物流系统变得越来越复杂，其内部
程，完善自动化物流系统。研究的内容以建立各
关联性越来越强。企业在面临物流工程项目投资
类物流设备模型及各类物流设备和库存信息的高
新建或原有系统技术改造时，由于缺乏准确丰富
效显示和管理为主，着重研究使用３Ｄ图形仿真自
的信息数据和必要的物流仿真系统决策支持，造 动化物流系统总体规划和实际运行，通过各种仿
成项目建设投入的盲目性和资金流失。因此，为 真作业数据进行智能分析，优化系统的目标解决
避免在自动化物流系统的优化构建上浪费大量的 方案，提高方案的可行性和设计合理性。自主开
人力、物力和时间，物流仿真是必然的选择。
发的基于Ｆｌｅｘｓｉｍ平台的物流仿真系统已应用于孚
物流仿真借助计算机技术对自动化物流系统
日集团自动化立体仓库、扬子江药业集团自动化
进行真实模仿，通过仿真实验得到各种动态活动
立体仓库、云南白药集团物流配送中心、国药集团
［３］刘海波，顾国昌，张国印．智能机器人体系结构分类
研究［Ｊ］．哈尔滨Ｔ、程大学学报，２００３（６）：６６４—
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作 者：陈志梅
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地 址：山西省太原市窳流路１３８号太原科技大学２２５＃
人，１９９２（３）：５５—５８．
邮 编：０３００２４
［５］王明辉，马书根，李斌，等．可重构机器人体系结构
收稿日期：２０１０—０９—０３
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ｄ——
《起重运输机械》 ２０１１（１）