智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)的可視化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉亞菲 王玉龍 陳儉新

（中國船舶集團(tuán)公司第七一三研究所 河南省鄭州市 450015）

1 引言

隨著智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)中各設(shè)備信息化、智能化以及機(jī)電一體化的快速發(fā)展，倉儲管理人員能夠獲取到越來越多的人員信息、物資信息、設(shè)備信息以及作業(yè)過程信息等。在這個(gè)龐大的信息體系當(dāng)中，僅用單一的圖表或文字無法清晰表達(dá)多維度數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，管理人員需要依靠經(jīng)驗(yàn)，并且具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析能力，才能進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)解讀和管理監(jiān)控。同時(shí)，在倉庫、物資及相關(guān)出入庫作業(yè)較為復(fù)雜的情況下，通過數(shù)據(jù)表格傳達(dá)的信息相對割裂、關(guān)聯(lián)性較弱，管理人員無法同時(shí)對多點(diǎn)、多倉、多貨的倉儲系統(tǒng)進(jìn)行直觀高效的管理監(jiān)控。

可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將分散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的圖形或圖像，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。大多數(shù)人對視覺的響應(yīng)遠(yuǎn)勝于文本，大腦處理視覺信息的速度約為文本的6萬倍，數(shù)據(jù)可視化正是利用人類天生的技能，來提高數(shù)據(jù)處理的能力和效率。通過數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒑Ａ啃畔R集到一個(gè)平臺，根據(jù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系將信息表示成易于用戶理解的圖形圖像，并對其進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。因此，本文運(yùn)用C++編程語言以及Qt開發(fā)框架，結(jié)合可視化技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)可視化架構(gòu)。

2 可視化設(shè)計(jì)架構(gòu)

本文通過對智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行顆粒度分析、元素提取、場景分類、管理監(jiān)控需求等方面進(jìn)行深入分析，構(gòu)建了一種智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)架構(gòu)，如圖1所示。本架構(gòu)由數(shù)據(jù)支撐體系、圖形部件庫、信息集成場景和信息智能化應(yīng)用四個(gè)部分組成。

圖1：智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)架構(gòu)

3 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)支撐體系

3.1.1 功能概述

本文通過對倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行顆粒度分析，提取出該系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)元素，并對這些基本元素的物理參數(shù)和邏輯參數(shù)進(jìn)行總結(jié)和分類，分析各個(gè)數(shù)據(jù)元素的結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系，從而形成一套智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐體系。數(shù)據(jù)模型的建立流程如圖2所示。

圖2：數(shù)據(jù)模型建立流程

3.1.2 功能實(shí)現(xiàn)

智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)各元素?cái)?shù)據(jù)模型的建立過程如下。

（1）確定數(shù)據(jù)及其相關(guān)過程：基于倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)的使用需求和業(yè)務(wù)邏輯，明確倉儲管理人員需要感知的信息并落實(shí)到實(shí)體，例如人員、倉庫、物資、包裝物、叉車、貨架、電梯等，并對這些實(shí)體進(jìn)行概念建模；

（2）定義數(shù)據(jù)：將各個(gè)實(shí)體細(xì)化成具體的表，定義數(shù)據(jù)的類型、大小和默認(rèn)值等，不斷完善表結(jié)構(gòu)內(nèi)容，對實(shí)體進(jìn)行邏輯建模。例如包裝物與貨架相關(guān)表結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3：包裝物與貨架相關(guān)表結(jié)構(gòu)

通過包裝物類型數(shù)據(jù)表，可以獲取每種包裝物的長、寬、高、重量等物理參數(shù)；通過貨架信息及貨架放置區(qū)域輪廓表，可以獲取每種貨架能夠貯存的包裝物類型、貨架層數(shù)以及貨架的擺放位置信息；

（3）數(shù)據(jù)完整性檢查：根據(jù)倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)規(guī)則，在具體建模過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證檢查，不斷完善和修正，以防關(guān)鍵性參數(shù)發(fā)生缺漏；

（4）定義操作過程：通過數(shù)據(jù)庫工具將創(chuàng)建的各個(gè)數(shù)據(jù)庫對象生成相應(yīng)的SQL代碼，同時(shí)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行合并或拆分，并在操作過程中進(jìn)行安全檢查和數(shù)據(jù)備份；

（5）選擇數(shù)據(jù)存儲技術(shù)：根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯將實(shí)體與實(shí)體之間的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)庫層次的邏輯化，進(jìn)而生成倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)的物理模型。

3.2 圖形部件庫

3.2.1 功能概述

基于各個(gè)實(shí)體對象的數(shù)據(jù)模型和接口，本文結(jié)合圖形學(xué)知識，運(yùn)用Qt的圖形繪制QPainter類，將各個(gè)實(shí)體對象自定義成二維圖形項(xiàng)，構(gòu)建了一個(gè)用于管理大量圖形項(xiàng)的可視化部件庫，主要包括倉庫、物資、包裝物、叉車、貨架、電梯等部件。

3.2.2 功能實(shí)現(xiàn)

QPainter類具有繪圖所需的畫筆（QPen）、畫刷（QBrush）、字體（QFont），以及一系列能夠針對不同形狀、不同參數(shù)的繪制函數(shù)，因此，本文通過重載QWidget::paintEvent()函數(shù)，進(jìn)行各個(gè)圖形部件的繪制，具體流程如下：

（1）根據(jù)各個(gè)實(shí)體對象的圖形化部件特點(diǎn)，確定參數(shù)對象（包括繪圖類型、對象輪廓坐標(biāo)集合、角度等）；

（2）將參數(shù)對象存入適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)集合中（例如鏈表等）；

（3）在QWidget::paintEvent()函數(shù)中遍歷數(shù)據(jù)集合；

（4）根據(jù)參數(shù)對象進(jìn)行圖形繪制和更新。

3.3 信息集成場景

3.3.1 功能概述

在智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)中，不同的實(shí)體對象之間可能存在一定的關(guān)聯(lián)，無法單獨(dú)割裂而存在。因此，為了消除信息孤島，減少倉儲管理人員對數(shù)據(jù)的理解成本，本文通過可視化信息集成，運(yùn)用Qt的圖形化視圖框架（TheGraphic View Framework），將相關(guān)聯(lián)的圖形化部件集成在同一個(gè)圖形化場景模型中，為倉儲管理人員提供多個(gè)場景模型的圖形化信息展示。

3.3.2 功能實(shí)現(xiàn)

Qt具有良好的封裝機(jī)制、高度模塊化以及擴(kuò)展性，具備豐富的應(yīng)用程序接口。其中，圖形化視圖框架提供了一個(gè)基于圖形項(xiàng)的圖元管理與交互平臺，主要由場景（QGraphicsScene類）、視圖（QGraphicsView類）和圖元（QGraphicsItem類）三個(gè)部分組成。

其中，場景是用于存儲和管理圖元對象的容器，能夠?qū)⑹录鞑サ矫恳粋€(gè)圖形項(xiàng)；視圖用于將場景中的內(nèi)容可視化，是整個(gè)圖形化視圖框架的對外交互接口，可以連接多個(gè)視圖到同一個(gè)場景來為相同的數(shù)據(jù)集提供多個(gè)視口；圖元即圖形項(xiàng)，是場景中最基本的元件，能夠存儲自定義的數(shù)據(jù)。圖形視圖框架中的事件都是先由視圖進(jìn)行接收，然后傳遞給場景，再由場景傳遞給相應(yīng)的圖形項(xiàng)，如圖4所示。

圖4：圖形化視圖框架的事件傳遞

因此，通過圖形化視圖框架，可以管理大量的二維圖形項(xiàng)，并且實(shí)現(xiàn)與圖形項(xiàng)之間的交互。針對智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)，本文主要設(shè)計(jì)了三種信息集成場景模型。

（1）庫存管理模型：以單個(gè)倉庫為背景，將貯存區(qū)域、物資、電梯口等圖元集成在庫存管理模型中，實(shí)現(xiàn)物資大小、物資數(shù)量、物資分布、庫位大小、庫位數(shù)量、庫位分布以及庫位占用情況等信息的可視化；

（2）出入庫模型：以倉儲廠房剖面為背景，將倉庫、電梯通道、叉車、物資等圖元集成在出入庫模型中，實(shí)現(xiàn)物資出入庫進(jìn)度等信息的可視化；

（3）運(yùn)輸作業(yè)模型：以貨物裝車區(qū)為背景，將物資、叉車、貨車、物資存放區(qū)等圖元集成在運(yùn)輸作業(yè)模型中，實(shí)現(xiàn)物資分配情況、物資轉(zhuǎn)運(yùn)及裝車進(jìn)度等信息的可視化。

3.4 信息智能化應(yīng)用

3.4.1 功能概述

“全局性的東西，不能脫離局部而獨(dú)立”，針對智慧倉儲管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了兩種圖形化展示方式：全局瀏覽、局部瀏覽。通過全局瀏覽，用戶可以從宏觀角度查看集成化模型的信息，掌握集成化模型的整體態(tài)勢；通過局部瀏覽，用戶可以獲取各個(gè)對象的具體細(xì)節(jié)和狀態(tài)，例如具體的庫存擺放和運(yùn)輸裝貨進(jìn)度等。

同一個(gè)實(shí)體的物理數(shù)據(jù)可能具備多種展現(xiàn)方式，根據(jù)集成化場景的應(yīng)用需求，以及智能化無人化裝備快速發(fā)展的趨勢，我們可以獲取到越來越多的設(shè)備數(shù)據(jù)和中間過程數(shù)據(jù)。因此本文通過運(yùn)用Qt-3D模塊，給用戶提供多樣化的數(shù)據(jù)接口和立體化展現(xiàn)形式。

同時(shí)本文根據(jù)倉儲管理需求，設(shè)計(jì)了多樣化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊，讓倉儲管理人員能夠根據(jù)自己的需要利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的手段提煉出有效的數(shù)據(jù)價(jià)值。

3.4.2 功能實(shí)現(xiàn)

（1）全局/局部瀏覽。在自定義控件中，可以直接獲取到鼠標(biāo)事件，因此自定義控件可以根據(jù)獲取到的鼠標(biāo)事件發(fā)出相應(yīng)的信號，通過監(jiān)聽該控件，即可對其進(jìn)行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等操作。

（2）數(shù)據(jù)三維展示。OpenGL是一個(gè)跨平臺、用于渲染3D圖形的標(biāo)準(zhǔn)API，具有較好的兼容性，支持不同操作系統(tǒng)之間的共享和移植，對硬件設(shè)備沒有特殊限制，對用戶來講十分便利。本文利用Qt開發(fā)框架中的QtOpenGL模塊，通過繼承QGLWidget類、重新實(shí)現(xiàn)該類的三個(gè)虛函數(shù)，其用法如表1所示，來執(zhí)行典型的OpenGL任務(wù)。

表1：QGLWidget中三個(gè)虛函數(shù)的用法

（3）數(shù)據(jù)智能分析。數(shù)據(jù)可視化具備多種類型的圖表，例如餅圖、折線圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖、樹圖等，常用圖表的作用如表2所示。

表2：常用圖表的作用

本文利用可視化展示手段，分析智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析需求，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)智能分析模塊，其流程圖如圖5所示。

圖5：數(shù)據(jù)智能分析模塊流程圖

本文將常用的倉儲數(shù)據(jù)分析模型錄入數(shù)據(jù)智能分析模塊，根據(jù)使用需求將其通過特定的圖表類型輸出。若系統(tǒng)內(nèi)不包含倉儲管理人員所需的數(shù)據(jù)分析模型，可以通過新增模型來構(gòu)建新的數(shù)據(jù)分析模型，新增模型的主要參數(shù)包括：待分析的數(shù)據(jù)參數(shù)、數(shù)據(jù)分析公式、輸出結(jié)果的圖表類型等。

4 結(jié)束語

通過本文設(shè)計(jì)的智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)可視化架構(gòu)，不僅能將孤立的數(shù)據(jù)用直觀的圖形化方式展示，而且對數(shù)據(jù)進(jìn)行了智能化統(tǒng)計(jì)和分析。

另外，本可視化架構(gòu)具有較強(qiáng)的擴(kuò)充性和應(yīng)用推廣性。在擴(kuò)充性方面，可依據(jù)不同的廠房結(jié)構(gòu)和出入庫流程，進(jìn)行圖形控件庫和集成化場景的擴(kuò)充和定制，形成一套完備的智慧倉儲管理監(jiān)控系統(tǒng)可視化平臺；在應(yīng)用推廣方面，通過不同數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，本文提出的可視化架構(gòu)可應(yīng)用于倉儲物流管理、機(jī)場行李調(diào)度、自動(dòng)停車裝置、大樓電梯運(yùn)行監(jiān)控等多元化場景。

綜上，本文提出的可視化架構(gòu)能夠輔助倉儲管理人員更加全面地掌握系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常信息并加以控制、減少倉儲管理人員的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作量，為進(jìn)一步提高倉儲管理效率奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。