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倉儲是物流系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)之一, 其快速與安全的運營, 對整個物流系統(tǒng)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(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)來進行人員學(xué)習(xí)與培訓(xùn)變得十分必要。運用虛擬倉儲物流系統(tǒng), 進行倉儲物流學(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、向東則從實驗室的角度, 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)計方案和系統(tǒng)構(gòu)成?，F(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, 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, 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裝卸, 清點與核對, 實現(xiàn)對倉儲環(huán)境的真實模擬。

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

數(shù)據(jù)層負責(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。

邏輯層包含兩個子系統(tǒng), 其中模型邏輯控制系統(tǒng)負責(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)負責(zé)物流業(yè)務(wù)的生成、評價、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)境等進行基礎(chǔ)性的管理。場景管理基本功能如下: (1) 根據(jù)實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現(xiàn)模型的位置變換, 更重要的是實現(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)來實現(xiàn)。叉車控制的另一個要求是實現(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的控制來實現(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)只有實現(xiàn)了物理模擬才能再現(xiàn)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(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、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。由時間序列計算模塊計算出所有業(yè)務(wù)的發(fā)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(yè)務(wù)發(fā)生時間, 時間到達模塊隨時監(jiān)測業(yè)務(wù)時間是否到達。若未到達, 則繼續(xù)讀取當(dāng)前時間, 若到達, 則計算業(yè)務(wù)的隨機序列號, 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)故障管理的另一個功能是計算得出正確的故障處理結(jié)果, 并將結(jié)果交給業(yè)務(wù)評價系統(tǒng)。

3.業(yè)務(wù)評價。

業(yè)務(wù)評價功能的任務(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)果進行比對, 以評價本次業(yè)務(wù)的操作是否正確, 同時統(tǒng)計錯誤作業(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, 將帶來較大的系統(tǒng)負荷;二是部分模型需要進行動畫處理, 所選擇的技術(shù)應(yīng)支持動畫的制作和后期處理。

此項技術(shù)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(huán)境真實感較差。其次, VRML實現(xiàn)物理效果的難度較大, 需要較難的算法設(shè)計與較大的代碼量。再次, VRML實現(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的虛擬引擎技術(shù), 這會在效率和效果上給系統(tǒng)實施帶來方便。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, 同時還能通過內(nèi)置代碼無縫的實現(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也是不錯的選擇。重量級數(shù)據(jù)庫可以實現(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。作為單機系統(tǒng), 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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 建議重量級數(shù)據(jù)庫, 強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)和故障的真實模擬, 還原物流系統(tǒng)的真實功能。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)計和功能設(shè)計方案, 并對系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)進行了對比分析, 提出了建議。本文僅針對單機單人系統(tǒng)提出了設(shè)計思路, 而并未探討多人的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計思路, 這將會成為后續(xù)的研究方向。