倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)研究

唐 毅，張學(xué)玲，李立華

（軍事交通學(xué)院 軍事物流系， 天津 300161）

倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)研究

唐 毅，張學(xué)玲，李立華

（軍事交通學(xué)院 軍事物流系， 天津 300161）

倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，通過計算機(jī)仿真，建立相關(guān)幾何、數(shù)學(xué)模型，對倉庫設(shè)施、設(shè)備和物資等信息進(jìn)行三維可視化管理。系統(tǒng)選用VP虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具為平臺、Visual C++為編程語言，用SQL Server構(gòu)建底層數(shù)據(jù)庫,結(jié)合Creator、3DMAX建模軟件，實(shí)現(xiàn)倉儲物資的快速定位、超現(xiàn)實(shí)查詢和庫區(qū)漫游。同時，系統(tǒng)能夠模擬倉儲物資的收發(fā)作業(yè)過程、預(yù)算作業(yè)過程所需時間，為合理配置、使用資源提供三維可視化手段。

倉庫；可視化；仿真；數(shù)據(jù)庫

1 前言

倉庫的庫區(qū)、庫房眾多，存儲的物資品類繁雜。倉庫根據(jù)存放物資的種類和數(shù)量，對庫房設(shè)施、存儲和收發(fā)設(shè)備提出不同的需求。以往使用的管理系統(tǒng)都是以數(shù)據(jù)、表格形式來反映倉庫的設(shè)施、設(shè)備和物資存儲等有關(guān)信息，沒有較直觀的三維圖形作為輔助查詢工具。想了解庫區(qū)規(guī)劃和庫房物資的存放情況，只能到現(xiàn)場或是依靠視頻傳送回來的局部圖像。這嚴(yán)重制約了現(xiàn)代化倉庫的管理和發(fā)展。

針對以上問題，本文所探討的倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)是采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及可視化技術(shù)建立的直觀、有效、三維可視的倉庫管理系統(tǒng)，作為合理配置和使用庫房資源，了解庫存物資情況的輔助手段。

2 倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)框架

倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)可全面實(shí)現(xiàn)倉庫設(shè)施、設(shè)備和物資存儲的可視化管理。通過建立作業(yè)、規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型和庫區(qū)、物資的三維模型，對掌握倉庫庫區(qū)、庫房設(shè)施、設(shè)備和物資庫存總量、分布情況，實(shí)現(xiàn)精確、可視化的庫存管理、庫存周轉(zhuǎn)控制，各倉庫之間的調(diào)撥和庫內(nèi)移位等業(yè)務(wù)提供依據(jù)和支撐。

系統(tǒng)可以按照庫區(qū)的規(guī)劃生成虛擬庫區(qū)場景、庫房及存放物資模型；依據(jù)物資的碼盤碼垛規(guī)則、出入庫規(guī)則、機(jī)械作業(yè)規(guī)則等數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)庫中物資的相關(guān)數(shù)據(jù)，動態(tài)地模擬作業(yè)過程，如庫房中物資的碼盤碼垛，進(jìn)行庫容量的分析計算等；在實(shí)現(xiàn)倉庫管理的同時，還可實(shí)現(xiàn)庫區(qū)漫游、庫房物資超現(xiàn)實(shí)瀏覽、查詢等功能。利用虛擬三維可視化技術(shù)，使得工作人員不用到現(xiàn)場，即可“觀察”庫區(qū)和庫房中物資堆碼的狀況。同時，了解倉庫的庫存率、基礎(chǔ)設(shè)施、存貨設(shè)備和收發(fā)設(shè)備的數(shù)量，作業(yè)能力等情況。

系統(tǒng)分四個模塊：可視化超現(xiàn)實(shí)查詢、虛擬作業(yè)、業(yè)務(wù)管理和外部數(shù)據(jù)接口模塊。超現(xiàn)實(shí)查詢模塊可以在虛擬庫區(qū)、庫房中漫游瀏覽，根據(jù)庫房、物資三維模型庫和信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)雙向查詢和定位，三維顯示庫區(qū)、庫房內(nèi)部物資情況及數(shù)據(jù)信息，以超現(xiàn)實(shí)的方式顯示或隱藏物資。虛擬作業(yè)模塊可以根據(jù)物資三維模型庫和規(guī)則策略庫，進(jìn)行作業(yè)機(jī)械配置、貨位規(guī)劃、作業(yè)過程等虛擬作業(yè)，并進(jìn)行優(yōu)化選擇，作為倉庫管理輔助決策依據(jù)。業(yè)務(wù)管理模塊主要根據(jù)物資信息數(shù)據(jù)庫及規(guī)則策略庫進(jìn)行倉庫業(yè)務(wù)管理。接口模塊主要是提供與現(xiàn)有倉庫管理系統(tǒng)的對接。圖1所示為系統(tǒng)框架。

3 底層模型庫、數(shù)據(jù)庫和規(guī)則策略庫

庫房設(shè)施、設(shè)備因存放物資的種類而不相同，業(yè)務(wù)管理也有差異。按存放的物資種類倉庫可分為：存儲兩種以上物資的綜合倉庫和存儲單一物資的專業(yè)倉庫。綜合倉庫管理較為復(fù)雜，例如要涉及物資種類、作業(yè)機(jī)械種類、物資存放時間、存放區(qū)域、不同種類物資的碼放規(guī)則等，而物資的移位、倒庫、搬運(yùn)更為復(fù)雜。倉庫的管理要基于數(shù)據(jù)庫和規(guī)則策略專家系統(tǒng)，可視化的虛擬倉庫則離不開物資虛擬模型庫，因此，建立底層數(shù)據(jù)庫、模型庫和規(guī)則策略庫尤為重要。

3.1 倉庫設(shè)施、設(shè)備和物資三維實(shí)體模型

建立三維實(shí)體模型的是虛擬仿真的基礎(chǔ)，模型建立的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)使用效果。在虛擬場景建模中不僅要注重物體表面的造型和生成逼真的大面積地形、地貌等地理環(huán)境，同時，還要提高虛擬場景模型運(yùn)行的實(shí)時性。

各倉庫的庫區(qū)規(guī)劃及庫房分布情況各不相同。倉庫區(qū)域分為：物資存放的儲存區(qū)、物資收發(fā)維護(hù)保養(yǎng)的作業(yè)區(qū)和生活區(qū)。倉庫設(shè)施、設(shè)備分為：庫房、存貨設(shè)備、貨物收發(fā)設(shè)備和其他輔助設(shè)備等。倉庫物資從外形上分為：有包裝的規(guī)則物資、單元化存放物資、無包裝不規(guī)則物資、散貨和液體等。

系統(tǒng)選用擁有強(qiáng)大造型功能的Creator、3DMAX建模工具，針對所選倉庫，通過采集的信息，對相關(guān)的設(shè)施、設(shè)備和庫存物資進(jìn)行建模。根據(jù)庫房的類型、建筑設(shè)施尺寸等數(shù)據(jù)，建立整個庫區(qū)地形和庫房、設(shè)施三維實(shí)體模型。同時建立收發(fā)設(shè)備、存貨設(shè)備、物資的三維實(shí)體模型，包括：外型、尺寸、重量、材質(zhì)等。生成適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、類型存儲圖形信息，以備程序調(diào)用。

3.2 物資信息數(shù)據(jù)庫

采用SQLServer建立物資信息數(shù)據(jù)庫，存放物資的信息，包括名稱、代碼、數(shù)量、儲放時間、儲放地點(diǎn)、儲放形式等，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理和維護(hù)操作功能。

數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)記錄與物資三維實(shí)體模型相對應(yīng)且動態(tài)關(guān)聯(lián)，以便實(shí)現(xiàn)雙向管理，為建立虛擬倉庫及實(shí)時顯示奠定基礎(chǔ)。

3.3 規(guī)則策略庫

倉庫物資的存放、出入庫作業(yè)與管理需要按照一定的要求進(jìn)行，例如物資垛碼方式可以有：平面堆碼排放式、貨架式、集裝箱和罐裝存放等。同一種物資按不同的規(guī)則放置將會產(chǎn)生不同的結(jié)果，故規(guī)則是倉庫作業(yè)與管理過程優(yōu)化的基礎(chǔ)。

規(guī)則策略庫中制定作業(yè)機(jī)械配置規(guī)則、貨位規(guī)劃規(guī)則（上架策略、碼盤策略等），以及揀選策略、補(bǔ)貨策略、波次策略、盤點(diǎn)策略等。當(dāng)作業(yè)指令到達(dá)倉庫后，系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)先制定的策略，自動編制執(zhí)行方案；在滿足各類收發(fā)貨規(guī)則（例如先進(jìn)先出、后進(jìn)先出、按批次發(fā)貨等）的基礎(chǔ)上，給出倉庫作業(yè)優(yōu)化程序；如果不滿足實(shí)際需求，可增加約束條件后，再進(jìn)行優(yōu)化。同時，系統(tǒng)還提供人為制定、調(diào)整作業(yè)過程的程序。為減少管理人員工作量，解決作業(yè)瓶頸，優(yōu)化庫存擺放布局，提高庫房的利用率提供決策依據(jù)。

4 交互式倉庫仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以WindowsXP為系統(tǒng)環(huán)境，VP虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具為平臺，結(jié)合Creator、3DMAX建模工具、SQL serve數(shù)據(jù)庫，利用Visual C++為編程語言，實(shí)現(xiàn)各個庫之間的聯(lián)接，以數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照規(guī)則庫中的規(guī)則驅(qū)動三維模型，實(shí)現(xiàn)交互式倉庫仿真系統(tǒng)各種功能。

4.1 物資數(shù)據(jù)庫、規(guī)則策略庫與三維模型庫關(guān)聯(lián)

該部分是系統(tǒng)的核心。建立數(shù)據(jù)庫與三維模型庫之間的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與三維模型庫之間的動態(tài)數(shù)據(jù)交換，達(dá)到雙向管理的目的。管理員實(shí)施系統(tǒng)操作步驟后，程序?qū)崟r動態(tài)地在數(shù)據(jù)庫與倉庫物資可視化模塊間檢測，進(jìn)行對應(yīng)處理，如刪除數(shù)據(jù)庫中某條數(shù)據(jù)記錄，對應(yīng)虛擬場景中該記錄的相關(guān)三維模型將被刪除。反之，在虛擬場景中刪除某項(xiàng)三維實(shí)體，數(shù)據(jù)庫中與之相對應(yīng)的記錄也被刪除。數(shù)據(jù)記錄在庫表之間調(diào)整，對應(yīng)該記錄的三維實(shí)體模型也可在相應(yīng)的庫房和貨位之間做相應(yīng)的調(diào)整。

利用虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫及三維可視化技術(shù)，實(shí)時再現(xiàn)庫區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施三維場景以及庫房中物資的存放情況，即將模型庫中三維模型（如：倉庫基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備、物資等）與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)記錄對應(yīng)起來，實(shí)時動態(tài)顯示。同時，通過規(guī)則策略庫中數(shù)學(xué)模型分析計算，科學(xué)、合理地進(jìn)行物資的堆碼、擺放如圖2所示。

圖2 物資數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫與三維模型庫關(guān)聯(lián)

在數(shù)據(jù)庫的表單中，通過選擇數(shù)據(jù)庫某條數(shù)據(jù)記錄，可快速定位到虛擬場景中該記錄物資所在的位置（如：哪個庫房、哪個貨位），并進(jìn)行該物資所在位置的三維顯示、超現(xiàn)實(shí)查詢和漫游。反之也可在虛擬倉庫中選擇某個設(shè)施、設(shè)備和物資，查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)庫記錄。

4.2 倉庫數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)管理與外部數(shù)據(jù)接口

經(jīng)過對收集的信息進(jìn)行整理、加工、分類，建立業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫，其中包括：物資驗(yàn)收入庫、物資保管、養(yǎng)護(hù)和出庫發(fā)運(yùn)三個作業(yè)模塊，以此來實(shí)現(xiàn)各對應(yīng)作業(yè)過程的管理。

同時系統(tǒng)建立了與其他數(shù)據(jù)庫的接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?？蓪}庫現(xiàn)行數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，例如：將Excel表中的數(shù)據(jù)、建筑設(shè)計單位設(shè)計的三維模型等導(dǎo)入本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)與倉庫現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的對接。

4.3 數(shù)據(jù)庫三維可視化

關(guān)鍵是建立物資數(shù)據(jù)庫與三維模型之間的通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和三維模型之間的動態(tài)聯(lián)接，將基礎(chǔ)設(shè)施、存貨收發(fā)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為三維模型，準(zhǔn)確地再現(xiàn)庫房及設(shè)備物資堆存的三維虛擬場景，并提供各種操作（三維漫游、可視化查詢、定位等）。

4.4 倉庫虛擬作業(yè)仿真

根據(jù)建立的作業(yè)過程數(shù)學(xué)模型，對作業(yè)方式進(jìn)行模擬。一方面，在空間上進(jìn)行作業(yè)方式預(yù)測，另一方面，在時間上進(jìn)行作業(yè)過程預(yù)測，如所使用設(shè)備的種類、組合方式、作業(yè)順序。作業(yè)過程預(yù)測時可設(shè)置突發(fā)情況，如設(shè)備損壞、天氣情況變化、人員變動等，并得到相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果。

庫房中物資碼放數(shù)量、位置和數(shù)據(jù)庫中該物資記錄動態(tài)關(guān)聯(lián)，依據(jù)建立的物資碼放數(shù)學(xué)模型，碼放虛擬場景中的物資，優(yōu)化計算出物資的碼盤、碼垛方案，使其在最小空間內(nèi)利用率最高；分析計算庫房的面積利用率、體積利用率、進(jìn)出貨能力等，并且可對某些無法用于訓(xùn)練的物資和不能重復(fù)的過程進(jìn)行模擬，達(dá)到與實(shí)際使用相同的效果。為倉庫管理人員對物資進(jìn)行科學(xué)合理地堆存提供輔助參考。圖3為虛擬仿真實(shí)現(xiàn)過程。

5 結(jié)論

面對不同類型的倉庫、結(jié)構(gòu)各異的庫房設(shè)施、種類繁多的存貨、收發(fā)設(shè)備、數(shù)以萬計的存儲物資及其物資堆放情況，倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)可以形象、直觀、全方位地觀察、了解這些信息和情況，并可以進(jìn)行虛擬倉庫的管理與作業(yè)，為全面實(shí)現(xiàn)倉庫的設(shè)施、設(shè)備和物資存儲的可視化管理提供了有效地解決手段。

[1]Eben C M,Pliskin N.Operations management of multiple machine automatic warehousing systems [J].Int.J.Production Economics,1997,51: 83-98.

[2]Petrak L.Automated storage retrieval system[J].Warehousing,Freezers,National Provisioner,2003,217（11）:80-81.

[3]Lee SG,Souza R,Ong E K.Simulation modeling of a narrow aisle automated storage and retrieval system （AS/RS）serviced by rail-guided vehicles [J].Computers in Industry,1996,30:241-253.

[4]Takakuwa S,Takizawa H.Simulation and analysis of non-automated distribution warehouses[A].Proceedings of 2000 Winter Simulation Conference[C].2000.

[5]Liu Chiun-Ming.Clustering techniques for stock location and order-picking in a distribution center[J].Computers&Operations Research, 1999,（26）:989-1 002.

[6]丁力言，張鐸.倉庫規(guī)劃與技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[7]現(xiàn)代物流管理課題組.物流庫存管理[M].廣州：廣東經(jīng)濟(jì)出版社，2002.

Study on Warehouse 3D Visibility Simulation System

TANG Yi,ZHANG Xue-ling,LI Li-hua
（Department of Military Logistics,Academy of Military Transportation,Tianjin300161,China）

The paper chooses VP virtual reality development toolkit as the working platform,Visual C++as the programming language,uses SQL Server to build the ground level database,and,with the help of simulation soft wares Creator and 3D MAX,realizes the quick location,ultra-reality query and in-house relocation of materials in storage.At the same time,the system can simulate the inbound/outbound process of the ware house and estimate the necessary operation time.

warehouse;visibility;simulation;database

F715.6；F253.9

A

1005-152X（2011）02-0066-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2011.02.021

2010-12-09

唐毅（1962-），女，天津薊縣人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)；張學(xué)玲（1970-），女，山西文水人，博士，副教授，主要研究方向：計算機(jī)仿真；李立華（1982-），女，壯族，天津武清人，碩士，講師，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。