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倉儲是物流系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)之一, 其快速與安全的運(yùn)營, 對整個(gè)物流系統(tǒng)的高效運(yùn)行有十分重要的意義。由于在實(shí)際運(yùn)營的倉儲物流系統(tǒng)中開展學(xué)習(xí)與培訓(xùn)具局限性, 因此, 建立虛擬倉儲物流系統(tǒng)來進(jìn)行人員學(xué)習(xí)與培訓(xùn)變得十分必要。運(yùn)用虛擬倉儲物流系統(tǒng), 進(jìn)行倉儲物流學(xué)習(xí)與培訓(xùn), 不僅能夠身臨其境的感受物流環(huán)境, 更能夠親手操作物流業(yè)務(wù), 還可以對各類故障與異常進(jìn)行反復(fù)操作, 使學(xué)習(xí)者在短期內(nèi)快速熟悉物流業(yè)務(wù), 掌握物流操作規(guī)范, 提高物流操作技能。

許多學(xué)者對虛擬物流系統(tǒng)做了深入研究。劉海霞、何黎娟基于Vrml技術(shù), 建立了虛擬物流系統(tǒng), 陳榕、向東則從實(shí)驗(yàn)室的角度, 探討了虛擬物流系統(tǒng)的建設(shè)問題;周曉風(fēng)基于Virtools技術(shù), 提出虛擬物流系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)構(gòu)成。現(xiàn)有的研究側(cè)重于虛擬物流系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)以及漫游功能的實(shí)現(xiàn), 很少涉及物流業(yè)務(wù)功能和物流故障功能。本文將物流業(yè)務(wù)和虛擬漫游系統(tǒng)結(jié)合, 設(shè)計(jì)了虛擬倉儲物流系統(tǒng)的總體框架, 提出了虛擬倉儲物流系統(tǒng)的基本功能, 并對系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)提出了建議。

以往的研究中, 多注重虛擬物流系統(tǒng)的漫游設(shè)計(jì), 忽視了虛擬物流系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模擬功能和故障模擬功能, 而這正是學(xué)習(xí)人員真正需要的。該系統(tǒng)在虛擬漫游的功能上, 引入了業(yè)務(wù)仿真, 從而實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)模擬和故障模擬的功能, 讓學(xué)習(xí)者身臨其境的同時(shí), 能夠按照業(yè)務(wù)流程, 操作各種設(shè)備, 填制各種票據(jù), 完成各種貨物的搬運(yùn)裝卸, 清點(diǎn)與核對, 實(shí)現(xiàn)對倉儲環(huán)境的真實(shí)模擬。

該系統(tǒng)由模型層, 邏輯層和數(shù)據(jù)層三個(gè)層次構(gòu)成, 如圖1所示。模型層負(fù)責(zé)對虛擬系統(tǒng)的虛擬環(huán)境進(jìn)行三維構(gòu)建, 包括工作場景、人員、設(shè)備、貨物、票據(jù)等, 同時(shí)負(fù)責(zé)建立各種模型的運(yùn)動和變化的三維動畫。

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)模型數(shù)據(jù)的管理和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理。模型數(shù)據(jù)描述虛擬場景中各種設(shè)備、人員與物品的基本信息, 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)描述物流的出庫、入庫和在庫業(yè)務(wù)的基本信息。

邏輯層包含兩個(gè)子系統(tǒng), 其中模型邏輯控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制虛擬工作人員的走動、虛擬叉車的工作、虛擬貨物的移動等, 業(yè)務(wù)邏輯控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)物流業(yè)務(wù)的生成、評價(jià)、消滅以及業(yè)務(wù)故障的處理等。經(jīng)過業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)的處理, 模型邏輯控制系統(tǒng)獲取業(yè)務(wù)數(shù)據(jù), 驅(qū)動模型層的各種實(shí)體模型, 完成物流業(yè)務(wù)操作, 然后將業(yè)務(wù)結(jié)果返回業(yè)務(wù)邏輯控制系統(tǒng), 評價(jià)業(yè)務(wù)操作結(jié)果。

用戶與系統(tǒng)的交互, 通過鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)。鍵盤和鼠標(biāo)事件傳遞給模型邏輯控制系統(tǒng), 通過模型邏輯控制系統(tǒng)來驅(qū)動三維模型。

虛擬場景管理對虛擬模型進(jìn)行基礎(chǔ)性管理。這些模型包括倉庫、貨架等靜止物體, 也包括人員、叉車、車輛、托盤以及貨物等可移動物體。場景管理對所有虛擬模型的大小、尺寸、位置以及光照環(huán)境等進(jìn)行基礎(chǔ)性的管理。場景管理基本功能如下: (1) 根據(jù)實(shí)際場景中的尺寸比例來設(shè)置三維模型的縮放比例。 (2) 記錄三維模型的方向和位置, 包括設(shè)備的方位、貨物的方位、貨物的擺放姿勢等。 (3) 對場景內(nèi)部的光照系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié), 以模擬不同季節(jié)和天氣, 甚至是白天和夜晚。

圖1 虛擬倉儲物流系統(tǒng)總體框架  下載原圖

虛擬設(shè)備主要指操作者通過鍵盤鼠標(biāo)事件可以直接控制的虛擬對象, 包括人員、電動叉車、手動叉車以及票據(jù)等。虛擬設(shè)備控制主要包括: (1) 人員控制。對人的控制包括行走、跳躍、站立、拿取東西、操作設(shè)備等基本控制。虛擬人的控制不僅實(shí)現(xiàn)模型的位置變換, 更重要的是實(shí)現(xiàn)動作與動畫的配合。 (2) 叉車控制。叉車的控制包括叉車的行走、轉(zhuǎn)向、制動、門架系統(tǒng)的起降和傾斜。這些控制由程序直接操控模型零件的位置和旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。叉車控制的另一個(gè)要求是實(shí)現(xiàn)叉車內(nèi)部視角的模擬, 即模擬駕駛員的視線變化, 如向左看、向后看、觀察車叉等動作, 這部分依靠對虛擬場景中攝像機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)。 (3) 票據(jù)控制。本系統(tǒng)將票據(jù)也視為一種設(shè)備, 票據(jù)是虛擬系統(tǒng)里傳遞和記錄信息的載體。物流業(yè)務(wù)的許多作業(yè)功能要依賴票據(jù)來完成, 如入庫單、出庫單、揀貨單等, 都是物流作業(yè)必不可少的單據(jù)。票據(jù)的控制包括票據(jù)的生成、票據(jù)的消滅以及票據(jù)的處理。票據(jù)的生成功能將物流業(yè)務(wù)仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成票據(jù)數(shù)據(jù), 并顯示在票據(jù)之上;票據(jù)的消滅功能是當(dāng)一個(gè)作業(yè)完成后, 將票據(jù)從系統(tǒng)中刪除;票據(jù)的處理功能完成票據(jù)的審核和票據(jù)的存儲與分類。

物流虛擬系統(tǒng)只有實(shí)現(xiàn)了物理模擬才能再現(xiàn)真實(shí)的操作場景。物理模擬是將虛擬的三維模型賦予同實(shí)際物體相同的物理屬性的功能, 是實(shí)現(xiàn)三維仿真的關(guān)鍵功能。這些屬性包括碰撞、重力、摩擦、質(zhì)量、速度和慣性。碰撞模擬使所有肉眼所見的三維模型之間相互碰撞而不穿越;重力模擬使所有有質(zhì)量的物體都受地心引力的影響;摩擦模擬使三維模型之間產(chǎn)生摩擦, 從而能夠?qū)崿F(xiàn)物體的移動和放置;質(zhì)量模擬的作用在于改變?nèi)S模型的摩擦與慣性等物理屬性;速度模擬可以描述物體或設(shè)備的移動方式;慣性模擬可以描述物體的加速和減速以及物體發(fā)生碰撞時(shí)的變化情況。

業(yè)務(wù)的仿真功能由業(yè)務(wù)生成、業(yè)務(wù)評價(jià)、業(yè)務(wù)消滅和業(yè)務(wù)故障管理組成, 基本流程如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)仿真功能流程圖  下載原圖

圖3 業(yè)務(wù)生成流程圖  下載原圖

1.業(yè)務(wù)生成。

業(yè)務(wù)生成功能根據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)度算法從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中抽取符合條件的業(yè)務(wù), 并將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳遞給業(yè)務(wù)故障管理系統(tǒng), 流程如圖3所示。由時(shí)間序列計(jì)算模塊計(jì)算出所有業(yè)務(wù)的發(fā)生時(shí)間, 并將時(shí)間序列傳遞給時(shí)間讀取模塊。時(shí)間讀取模塊從時(shí)間序列中依次讀取業(yè)務(wù)發(fā)生時(shí)間, 時(shí)間到達(dá)模塊隨時(shí)監(jiān)測業(yè)務(wù)時(shí)間是否到達(dá)。若未到達(dá), 則繼續(xù)讀取當(dāng)前時(shí)間, 若到達(dá), 則計(jì)算業(yè)務(wù)的隨機(jī)序列號, 并由業(yè)務(wù)讀取模塊從數(shù)據(jù)庫中讀取對應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù), 傳送給故障管理模塊。

2.業(yè)務(wù)故障管理。

業(yè)務(wù)故障管理的功能之一是生成與本次業(yè)務(wù)相關(guān)的故障數(shù)據(jù), 并將故障數(shù)據(jù)加入到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之中, 使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中包含故障, 并將數(shù)據(jù)傳遞給模型邏輯控制系統(tǒng)。業(yè)務(wù)故障管理的另一個(gè)功能是計(jì)算得出正確的故障處理結(jié)果, 并將結(jié)果交給業(yè)務(wù)評價(jià)系統(tǒng)。

3.業(yè)務(wù)評價(jià)。

業(yè)務(wù)評價(jià)功能的任務(wù)比較單一, 將模型邏輯控制系統(tǒng)傳遞來的操作結(jié)果與業(yè)務(wù)故障管理系統(tǒng)傳遞來的正確結(jié)果進(jìn)行比對, 以評價(jià)本次業(yè)務(wù)的操作是否正確, 同時(shí)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)消滅的任務(wù)是判斷當(dāng)前業(yè)務(wù)是否結(jié)束, 如果結(jié)束, 則從系統(tǒng)中刪除當(dāng)前業(yè)務(wù)任務(wù), 并將本次業(yè)務(wù)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

模型的制作技術(shù)可選的比較多, 主流的三維模型制作工具如3DMAX, MAYA等均可。此項(xiàng)技術(shù)并不是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù), 但也要注意兩方面問題:一是模型制作不可過于復(fù)雜, 本系統(tǒng)包含的物體數(shù)量較多, 不但有數(shù)量較多的設(shè)備, 而且有數(shù)量龐大的貨物模型, 過于復(fù)雜的模型設(shè)計(jì), 將帶來較大的系統(tǒng)負(fù)荷;二是部分模型需要進(jìn)行動畫處理, 所選擇的技術(shù)應(yīng)支持動畫的制作和后期處理。

此項(xiàng)技術(shù)選擇余地很大, 文獻(xiàn)里采用VRML的較多, 但本文并不提倡使用。首先, VRML渲染效果和速度有限, 與主流的引擎相比差距較大, 模擬的虛擬環(huán)境真實(shí)感較差。其次, VRML實(shí)現(xiàn)物理效果的難度較大, 需要較難的算法設(shè)計(jì)與較大的代碼量。再次, VRML實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交互難度較大, 還需要借助其他技術(shù)如JAVA的幫助, 這無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

本文建議采用成熟和先進(jìn)的虛擬引擎技術(shù), 這會在效率和效果上給系統(tǒng)實(shí)施帶來方便。如當(dāng)下流行的Virtools, Unity3D等等, 不僅能夠很好的渲染逼真的虛擬場景, 又擁有好用的物理引擎, 同時(shí)還能通過內(nèi)置代碼無縫的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交互功能。

目前主流的數(shù)據(jù)庫, 都能夠滿足系統(tǒng)的要求, 如sqlserver, oracle, MySQL等等, 還有一些輕量級數(shù)據(jù)庫如SQLite也是不錯(cuò)的選擇。重量級數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)超大量數(shù)據(jù)的處理, 而輕量級數(shù)據(jù)庫則具有速度快、節(jié)省資源、嵌入式等優(yōu)點(diǎn)。作為單機(jī)系統(tǒng), 我們建議使用SQLite, 嵌入式的特點(diǎn)會更適合安裝與維護(hù);而作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 建議重量級數(shù)據(jù)庫, 強(qiáng)大的功能可以支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)功能。

虛擬物流系統(tǒng)的功能不應(yīng)局限于虛擬漫游, 還應(yīng)該通過物流業(yè)務(wù)和故障的真實(shí)模擬, 還原物流系統(tǒng)的真實(shí)功能。本文將業(yè)務(wù)處理引入到虛擬倉儲物流體系之中, 提出了虛擬倉儲物流系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)方案, 并對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)進(jìn)行了對比分析, 提出了建議。本文僅針對單機(jī)單人系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)思路, 而并未探討多人的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路, 這將會成為后續(xù)的研究方向。