基于VR應(yīng)用的物流倉儲布局設(shè)計初探*

王芳 李旭東 肖喜娣

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東廣州 510650;2.中國物流學(xué)會,北京 100073;3.安徽工程大學(xué),安徽蕪湖 241000)

0 引言

倉儲是物流系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,隨著社會的不斷發(fā)展與進(jìn)步,現(xiàn)代倉儲與傳統(tǒng)意義上的倉儲有顯著的區(qū)別,現(xiàn)代倉儲管理已經(jīng)轉(zhuǎn)變成履行中心[1]。物流系統(tǒng)具有較強(qiáng)的不確定性,且組成復(fù)雜、系統(tǒng)投資與規(guī)模較大,從而使試驗活動不能直接在實體物流系統(tǒng)上開展;若系統(tǒng)設(shè)計過大則容易產(chǎn)生不必要的資源浪費(fèi),若系統(tǒng)設(shè)計過小則難以適應(yīng)業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展。基于VR應(yīng)用的物流倉儲布局設(shè)計,可塑性及可操作性強(qiáng),可以隨時根據(jù)具體情況進(jìn)行變換,降低實際成本,實現(xiàn)企業(yè)的最大化利益[2-3]。本文基于VR應(yīng)用開展物流倉儲布局設(shè)計,探索物流倉儲布局設(shè)計的虛擬仿真,實現(xiàn)按需求變化的設(shè)計動態(tài)調(diào)整與成本節(jié)約,力圖彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計方法的短板。

1 VR及技術(shù)特征

VR(Virtual Reality)即虛擬現(xiàn)實,是人類在探索自然過程中創(chuàng)造形成的一種用于認(rèn)識自然、模擬自然,進(jìn)而更好地適應(yīng)和利用自然的科學(xué)方法和技術(shù)[4],綜合運(yùn)用了人機(jī)接口技術(shù)、人工智能、傳感技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、人類工程學(xué)、心理學(xué)等多學(xué)科知識。該詞的出現(xiàn)是20世紀(jì)80年代美國VPL公司創(chuàng)始人之一——提出,其在最早主要是用在美國的國防部和宇航局,該種技術(shù)能夠通過創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng),通過使用計算機(jī)技術(shù)和傳感裝置創(chuàng)設(shè)新的模擬環(huán)境,該種模擬環(huán)境主要是利用計算機(jī)使用,通過對用戶進(jìn)行視、聽以及觸等作用,讓他們產(chǎn)生身臨其境的交互式視景仿真環(huán)境中,良好的虛擬現(xiàn)實環(huán)境包括圖像處理、計算機(jī)圖形學(xué)、多傳感器、模式識別、網(wǎng)絡(luò)以及語音處理等構(gòu)成的系統(tǒng)環(huán)境。

VR技術(shù)通過計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建虛擬環(huán)境,是利用傳感設(shè)備使用戶在該環(huán)境中增強(qiáng)沉浸感及投入度,在用戶與環(huán)境之間實現(xiàn)自然交互的一種技術(shù),因而具有多感知性、存在感、交互性、自主性等主要特征。現(xiàn)階段VR技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域包括軍事地形、空間布局、虛擬建筑、工業(yè)仿真、醫(yī)學(xué)模型、文物考古、實訓(xùn)教學(xué)、影視娛樂、虛擬農(nóng)業(yè)等諸多方面,創(chuàng)新了人機(jī)交互模式。其具體工作原理如圖1所示。

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)人們能夠在虛擬的環(huán)境中,通過動態(tài)交互的方式對未來的建筑物進(jìn)行全面審視,從不同的角度和距離觀察場景,利用多種不同的運(yùn)動模式來對路線進(jìn)行瀏覽和控制,在漫游期間還能夠?qū)崿F(xiàn)不同方案的設(shè)計、不同環(huán)境效果的切換,這也是常規(guī)建筑效果圖和三維動畫無法實現(xiàn)的。

2 物流倉儲布局設(shè)計的主要原則

2.1 契合物流倉儲布局的設(shè)計特點

設(shè)計規(guī)劃物流倉儲布局前需綜合評估實際需求以及相關(guān)成本,充分考慮工具、貨量以及空間等諸多因素。從仿真層面而言,虛擬操作要與實際操作相符合,尤其在物流倉儲布局設(shè)計方面需要格外注意,具體應(yīng)從以下幾個方面著手:首先是物流運(yùn)輸各環(huán)節(jié)設(shè)施裝備,主要包括堆場、搬運(yùn)工具、托盤以及貨架等,同時需考慮物流企業(yè)的客戶群體特征、業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)模以及服務(wù)專業(yè)程度之間存在的聯(lián)系。其次是倉儲所需空間的大小,其中包括各單元基本空間的要求與單元之間聯(lián)系附加空間的要求;此外,還需分析特殊貨物庫存對空間的實際需求,并根據(jù)實際情況對空間進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。然后是單元屬性,尤其是基本面積與單元平面幾何圖形。最后是各單元在設(shè)施范圍中的絕對位置和相對位置,充分考慮各個環(huán)節(jié)的運(yùn)輸成本及搬運(yùn)工具在部分區(qū)域的適當(dāng)使用。

2.2 符合物流倉儲布局外形的設(shè)計要求

物流倉儲布局設(shè)計與空間規(guī)劃須依據(jù)物流倉儲空間的現(xiàn)實條件及實際要求進(jìn)行。實踐中,物流倉儲設(shè)施(物流中心、倉庫、配送點等)的外形一般會被設(shè)計成長方形;同時,相關(guān)總成本的對比和計算表明,倉庫站臺外形設(shè)計宜選擇正方形;并且,為了最大程度上節(jié)約相關(guān)成本和增強(qiáng)其經(jīng)濟(jì)性,需將站臺位置設(shè)計在倉庫中間點。

2.3 結(jié)合物流倉庫模型的建立

設(shè)計物流倉儲布局時需深入分析倉庫的庫容大小以及倉庫模型之間的聯(lián)系,由于倉儲設(shè)施的庫容與單位貨物的重量、體積、貨流量等變量存在密切的關(guān)系,在此情況下,需充分考慮物流倉儲的實際運(yùn)作流程以及倉庫的容量及需求量;其中,在確定倉庫容量及需求量時,需充分考慮存貨堆碼高度、月銷量以及庫存周轉(zhuǎn)率等相關(guān)因素,并根據(jù)實際情況確定庫存容量需求量[5]。

3 基于VR應(yīng)用的物流倉儲布局設(shè)計初探

3.1 三維模擬語言的應(yīng)用

當(dāng)前VR在仿真三維虛擬領(lǐng)域中的應(yīng)用日益普及,是一種以問題為核心的、非順序性、較高級的計算機(jī)虛擬技術(shù);三維仿真虛擬中應(yīng)用VR技術(shù)時,使用者不需要對高級的編程語言精通了解,就可以使用習(xí)慣性的表達(dá)方式對三維虛擬模型進(jìn)行描述,在此情況下,則需要將更多的精力投入到計算機(jī)模擬的應(yīng)用研究當(dāng)中,本文主要以O(shè)penGL語言的研究為例進(jìn)行闡述。

OpenGL語言是常用的計算機(jī)三維模擬語言,當(dāng)前較廣泛地應(yīng)用在Windows程序功能方面,其在三維建模軟件中的應(yīng)用尤其常見;對方程視覺化加以應(yīng)用的Basic Script,能使用戶的相關(guān)操作更為規(guī)范,并逐漸提高操作界面的規(guī)范化程度,不斷提高產(chǎn)品的靈活性。

3.2 基于VR的物流倉儲布局距離計算模型

在三維建模當(dāng)中,最小二乘影像匹配法是精度最高的匹配方法,可作為物流倉儲布局設(shè)計過程中有效計算關(guān)鍵距離的方法,在實際影像和參考模板(給定特征模式)之間進(jìn)行最小二乘影像匹配,實現(xiàn)高精度提取目標(biāo)。

在實際工作過程中,基于物流倉儲布局設(shè)計的合理性標(biāo)準(zhǔn)——灰度差平方和最小化,對物流布局內(nèi)部影像匹配可用∑vv=min進(jìn)行表示,若存在誤差則可用v=g1(x,y)-g2(x,y)表示,然后以最小二乘法求解,形成最小二乘影像匹配的基本思路。此公式也表明實際影像當(dāng)中相對應(yīng)點灰度值與模板中各點灰度值和一致,但因存在噪聲,在實際圖像中無法實現(xiàn)兩者之間的完全一致性,導(dǎo)致影像匹配存在一定的誤差,從而產(chǎn)生匹配影像誤差方程。

(1)物流倉儲布局內(nèi)部直線段所符合的核線約束。核線約束對于立體匹配而言具有重要作用,尤其是在點特征匹配中,需要保證左圖像點能夠在右圖當(dāng)中對應(yīng)一條直線。在使用核線約束的過程中,可以使用點匹配二維搜索問題,并向一維空間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,降低其計算量[6]。(2)灰度與幾何的相似性約束。在對直線匹配進(jìn)行判斷時,要對直線的相似性特征進(jìn)行相似的了解?；叶扰c集合的相似性特征主要包括以下幾個方面:一是直線邊梯度幅度,二是直線邊梯度方向,如果圖像二者的相應(yīng)投影具有相同的方向,則物流倉儲布局空間某條邊與z軸相互垂直,所以評價相似性以夾角余弦而不是夾角為準(zhǔn)則具有更強(qiáng)的合理性。三是直線邊相同像面投影的長度,將左右像面匹配的直線投影在相同的像面中呈現(xiàn),且使得兩組直線段的方向保持一致,投影的長度具有明顯的一致性[7]。(3)唯一性約束。圖像中的各直線特征在另一圖像中僅對應(yīng)位移直線特征。(4)匹配直線段上配準(zhǔn)角點對應(yīng)空間點的視差連續(xù)性約束。在左圖像和右圖像中匹配的直線段對應(yīng)一條空間直線,所以匹配角點所對應(yīng)的空間點也一定處于相同的空間直線之上,根據(jù)這一約束可有效優(yōu)化物流倉儲布局空間匹配直線段,同時有效降低匹配錯誤率。(5)倉儲布局空間的角點類型與位置具有相似性。角點的順序與位置表明沿直線方向的相似性,角點鄰域的灰度相關(guān)可使匹配準(zhǔn)確度進(jìn)一步提升,角點的類型表明直線段與鄰近直線段的結(jié)構(gòu)關(guān)系,通過此種局部結(jié)構(gòu)約束可以有效降低匹配的錯誤率。

圖1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)工作原理Fig.1 How virtual reality technology works

3.3 物流倉儲布局虛擬仿真

一方面,基于Canny算子對物流倉儲布局的影像進(jìn)行有針對性的邊緣測試。在Hough檢測得到邊緣之后完成變換,得出直線提取結(jié)果,并將原有的圖像與直線提取結(jié)果進(jìn)行疊加。另一方面,在Matlad中采取直線擬合的方式,采用半自動匹配直線,得出直線擬合匹配結(jié)果,并結(jié)合虛擬仿真效果,科學(xué)合理地進(jìn)行物流倉儲布局設(shè)計[8]。

4 結(jié)語

物流系統(tǒng)受外界、市場環(huán)境的影響明顯,且一直處于動態(tài)變化當(dāng)中,難以準(zhǔn)確預(yù)測客戶訂貨量、市場需求量,其對物流倉儲空間規(guī)劃及布局設(shè)計的要求也存在較強(qiáng)的不確定性,加上物流倉儲設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資與規(guī)模較大,從而使空間布局設(shè)計的試驗難以直接在實體系統(tǒng)上開展。本研究基于VR應(yīng)用提出一種物流倉儲布局的規(guī)劃設(shè)計方法,結(jié)合物流倉儲布局設(shè)計的基本原則,分析物流倉儲布局距離計算模型,探索物流倉儲布局的仿真展現(xiàn),實現(xiàn)隨需求變化的布局設(shè)計動態(tài)調(diào)整與成本節(jié)約,從而促進(jìn)物流倉儲管理績效的持續(xù)提升。