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倉儲是物流系統中最重要的環節之一, 其快速與安全的運營, 對整個物流系統的高效運行有十分重要的意義。由于在實際運營的倉儲物流系統中開展學習與培訓具局限性, 因此, 建立虛擬倉儲物流系統來進行人員學習與培訓變得十分必要。運用虛擬倉儲物流系統, 進行倉儲物流學習與培訓, 不僅能夠身臨其境的感受物流環境, 更能夠親手操作物流業務, 還可以對各類故障與異常進行反復操作, 使學習者在短期內快速熟悉物流業務, 掌握物流操作規范, 提高物流操作技能。

許多學者對虛擬物流系統做了深入研究。劉海霞、何黎娟基于Vrml技術, 建立了虛擬物流系統, 陳榕、向東則從實驗室的角度, 探討了虛擬物流系統的建設問題;周曉風基于Virtools技術, 提出虛擬物流系統的總體設計方案和系統構成。現有的研究側重于虛擬物流系統的開發技術以及漫游功能的實現, 很少涉及物流業務功能和物流故障功能。本文將物流業務和虛擬漫游系統結合, 設計了虛擬倉儲物流系統的總體框架, 提出了虛擬倉儲物流系統的基本功能, 并對系統實施技術提出了建議。

以往的研究中, 多注重虛擬物流系統的漫游設計, 忽視了虛擬物流系統的業務模擬功能和故障模擬功能, 而這正是學習人員真正需要的。該系統在虛擬漫游的功能上, 引入了業務仿真, 從而實現了業務模擬和故障模擬的功能, 讓學習者身臨其境的同時, 能夠按照業務流程, 操作各種設備, 填制各種票據, 完成各種貨物的搬運裝卸, 清點與核對, 實現對倉儲環境的真實模擬。

該系統由模型層, 邏輯層和數據層三個層次構成, 如圖1所示。模型層負責對虛擬系統的虛擬環境進行三維構建, 包括工作場景、人員、設備、貨物、票據等, 同時負責建立各種模型的運動和變化的三維動畫。

數據層負責模型數據的管理和業務數據的管理。模型數據描述虛擬場景中各種設備、人員與物品的基本信息, 業務數據描述物流的出庫、入庫和在庫業務的基本信息。

邏輯層包含兩個子系統, 其中模型邏輯控制系統負責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, 業務邏輯控制系統負責物流業務的生成、評價、消滅以及業務故障的處理等。經過業務仿真系統的處理, 模型邏輯控制系統獲取業務數據, 驅動模型層的各種實體模型, 完成物流業務操作, 然后將業務結果返回業務邏輯控制系統, 評價業務操作結果。

用戶與系統的交互, 通過鍵盤和鼠標實現。鍵盤和鼠標事件傳遞給模型邏輯控制系統, 通過模型邏輯控制系統來驅動三維模型。

虛擬場景管理對虛擬模型進行基礎性管理。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、位置以及光照環境等進行基礎性的管理。場景管理基本功能如下: (1) 根據實際場景中的尺寸比例來設置三維模型的縮放比例。 (2) 記錄三維模型的方向和位置, 包括設備的方位、貨物的方位、貨物的擺放姿勢等。 (3) 對場景內部的光照系統進行調節, 以模擬不同季節和天氣, 甚至是白天和夜晚。

圖1 虛擬倉儲物流系統總體框架  下載原圖

虛擬設備主要指操作者通過鍵盤鼠標事件可以直接控制的虛擬對象, 包括人員、電動叉車、手動叉車以及票據等。虛擬設備控制主要包括: (1) 人員控制。對人的控制包括行走、跳躍、站立、拿取東西、操作設備等基本控制。虛擬人的控制不僅實現模型的位置變換, 更重要的是實現動作與動畫的配合。 (2) 叉車控制。叉車的控制包括叉車的行走、轉向、制動、門架系統的起降和傾斜。這些控制由程序直接操控模型零件的位置和旋轉來實現。叉車控制的另一個要求是實現叉車內部視角的模擬, 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的控制來實現。 (3) 票據控制。本系統將票據也視為一種設備, 票據是虛擬系統里傳遞和記錄信息的載體。物流業務的許多作業功能要依賴票據來完成, 如入庫單、出庫單、揀貨單等, 都是物流作業必不可少的單據。票據的控制包括票據的生成、票據的消滅以及票據的處理。票據的生成功能將物流業務仿真系統的數據轉換成票據數據, 并顯示在票據之上;票據的消滅功能是當一個作業完成后, 將票據從系統中刪除;票據的處理功能完成票據的審核和票據的存儲與分類。

物流虛擬系統只有實現了物理模擬才能再現真實的操作場景。物理模擬是將虛擬的三維模型賦予同實際物體相同的物理屬性的功能, 是實現三維仿真的關鍵功能。這些屬性包括碰撞、重力、摩擦、質量、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生摩擦, 從而能夠實現物體的移動和放置;質量模擬的作用在于改變三維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生碰撞時的變化情況。

業務的仿真功能由業務生成、業務評價、業務消滅和業務故障管理組成, 基本流程如圖2所示。

圖2 業務仿真功能流程圖  下載原圖

圖3 業務生成流程圖  下載原圖

1.業務生成。

業務生成功能根據業務調度算法從業務數據庫中抽取符合條件的業務, 并將業務數據傳遞給業務故障管理系統, 流程如圖3所示。由時間序列計算模塊計算出所有業務的發生時間, 并將時間序列傳遞給時間讀取模塊。時間讀取模塊從時間序列中依次讀取業務發生時間, 時間到達模塊隨時監測業務時間是否到達。若未到達, 則繼續讀取當前時間, 若到達, 則計算業務的隨機序列號, 并由業務讀取模塊從數據庫中讀取對應的業務數據, 傳送給故障管理模塊。

2.業務故障管理。

業務故障管理的功能之一是生成與本次業務相關的故障數據, 并將故障數據加入到業務數據之中, 使業務數據中包含故障, 并將數據傳遞給模型邏輯控制系統。業務故障管理的另一個功能是計算得出正確的故障處理結果, 并將結果交給業務評價系統。

3.業務評價。

業務評價功能的任務比較單一, 將模型邏輯控制系統傳遞來的操作結果與業務故障管理系統傳遞來的正確結果進行比對, 以評價本次業務的操作是否正確, 同時統計錯誤作業的相關數據。

業務消滅的任務是判斷當前業務是否結束, 如果結束, 則從系統中刪除當前業務任務, 并將本次業務的所有數據進行保存。

模型的制作技術可選的比較多, 主流的三維模型制作工具如3DMAX, MAYA等均可。此項技術并不是本系統的關鍵技術, 但也要注意兩方面問題:一是模型制作不可過于復雜, 本系統包含的物體數量較多, 不但有數量較多的設備, 而且有數量龐大的貨物模型, 過于復雜的模型設計, 將帶來較大的系統負荷;二是部分模型需要進行動畫處理, 所選擇的技術應支持動畫的制作和后期處理。

此項技術選擇余地很大, 文獻里采用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, 模擬的虛擬環境真實感較差。其次, VRML實現物理效果的難度較大, 需要較難的算法設計與較大的代碼量。再次, VRML實現復雜的交互難度較大, 還需要借助其他技術如JAVA的幫助, 這無疑增加了系統的復雜程度。

本文建議采用成熟和先進的虛擬引擎技術, 這會在效率和效果上給系統實施帶來方便。如當下流行的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, 同時還能通過內置代碼無縫的實現復雜的交互功能。

目前主流的數據庫, 都能夠滿足系統的要求, 如sqlserver, oracle, MySQL等等, 還有一些輕量級數據庫如SQLite也是不錯的選擇。重量級數據庫可以實現超大量數據的處理, 而輕量級數據庫則具有速度快、節省資源、嵌入式等優點。作為單機系統, 我們建議使用SQLite, 嵌入式的特點會更適合安裝與維護;而作為網絡系統, 建議重量級數據庫, 強大的功能可以支持復雜的網絡功能。

虛擬物流系統的功能不應局限于虛擬漫游, 還應該通過物流業務和故障的真實模擬, 還原物流系統的真實功能。本文將業務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的總體設計和功能設計方案, 并對系統實現的技術進行了對比分析, 提出了建議。本文僅針對單機單人系統提出了設計思路, 而并未探討多人的網絡系統設計思路, 這將會成為后續的研究方向。