倉(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)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(kù)等技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，建立相關(guān)幾何、數(shù)學(xué)模型，對(duì)倉(cāng)庫(kù)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(kāi)發(fā)工具為平臺(tái)、Visual C++為編程語(yǔ)言，用SQL Server構(gòu)建底層數(shù)據(jù)庫(kù),結(jié)合Creator、3DMAX建模軟件，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物資的快速定位、超現(xiàn)實(shí)查詢(xún)和庫(kù)區(qū)漫游。同時(shí)，系統(tǒng)能夠模擬倉(cāng)儲(chǔ)物資的收發(fā)作業(yè)過(guò)程、預(yù)算作業(yè)過(guò)程所需時(shí)間，為合理配置、使用資源提供三維可視化手段。

倉(cāng)庫(kù)；可視化；仿真；數(shù)據(jù)庫(kù)

1 前言

倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)區(qū)、庫(kù)房眾多，存儲(chǔ)的物資品類(lèi)繁雜。倉(cāng)庫(kù)根據(jù)存放物資的種類(lèi)和數(shù)量，對(duì)庫(kù)房設(shè)施、存儲(chǔ)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(lái)反映倉(cāng)庫(kù)的設(shè)施、設(shè)備和物資存儲(chǔ)等有關(guān)信息，沒(méi)有較直觀的三維圖形作為輔助查詢(xún)工具。想了解庫(kù)區(qū)規(guī)劃和庫(kù)房物資的存放情況，只能到現(xiàn)場(chǎng)或是依靠視頻傳送回來(lái)的局部圖像。這嚴(yán)重制約了現(xiàn)代化倉(cāng)庫(kù)的管理和發(fā)展。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文所探討的倉(cāng)庫(kù)三維可視化仿真系統(tǒng)是采用數(shù)據(jù)庫(kù)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(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，作為合理配置和使用庫(kù)房資源，了解庫(kù)存物資情況的輔助手段。

2 倉(cāng)庫(kù)三維可視化仿真系統(tǒng)框架

倉(cāng)庫(kù)三維可視化仿真系統(tǒng)可全面實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)設(shè)施、設(shè)備和物資存儲(chǔ)的可視化管理。通過(guò)建立作業(yè)、規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型和庫(kù)區(qū)、物資的三維模型，對(duì)掌握倉(cāng)庫(kù)庫(kù)區(qū)、庫(kù)房設(shè)施、設(shè)備和物資庫(kù)存總量、分布情況，實(shí)現(xiàn)精確、可視化的庫(kù)存管理、庫(kù)存周轉(zhuǎn)控制，各倉(cāng)庫(kù)之間的調(diào)撥和庫(kù)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(kù)區(qū)的規(guī)劃生成虛擬庫(kù)區(qū)場(chǎng)景、庫(kù)房及存放物資模型；依據(jù)物資的碼盤(pán)碼垛規(guī)則、出入庫(kù)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(kù)中物資的相關(guān)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)地模擬作業(yè)過(guò)程，如庫(kù)房中物資的碼盤(pán)碼垛，進(jìn)行庫(kù)容量的分析計(jì)算等；在實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)管理的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)漫游、庫(kù)房物資超現(xiàn)實(shí)瀏覽、查詢(xún)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(chǎng)，即可“觀察”庫(kù)區(qū)和庫(kù)房中物資堆碼的狀況。同時(shí)，了解倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)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(gè)模塊：可視化超現(xiàn)實(shí)查詢(xún)、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(xún)模塊可以在虛擬庫(kù)區(qū)、庫(kù)房中漫游瀏覽，根據(jù)庫(kù)房、物資三維模型庫(kù)和信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)雙向查詢(xún)和定位，三維顯示庫(kù)區(qū)、庫(kù)房?jī)?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(kù)和規(guī)則策略庫(kù)，進(jìn)行作業(yè)機(jī)械配置、貨位規(guī)劃、作業(yè)過(guò)程等虛擬作業(yè)，并進(jìn)行優(yōu)化選擇，作為倉(cāng)庫(kù)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(kù)及規(guī)則策略庫(kù)進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)業(yè)務(wù)管理。接口模塊主要是提供與現(xiàn)有倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)的對(duì)接。圖1所示為系統(tǒng)框架。

3 底層模型庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則策略庫(kù)

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

3.1 倉(cāng)庫(kù)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(chǎng)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(shí)，還要提高虛擬場(chǎng)景模型運(yùn)行的實(shí)時(shí)性。

各倉(cāng)庫(kù)的庫(kù)區(qū)規(guī)劃及庫(kù)房分布情況各不相同。倉(cāng)庫(kù)區(qū)域分為：物資存放的儲(chǔ)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(cāng)庫(kù)設(shè)施、設(shè)備分為：庫(kù)房、存貨設(shè)備、貨物收發(fā)設(shè)備和其他輔助設(shè)備等。倉(cāng)庫(kù)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(wú)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(duì)所選倉(cāng)庫(kù)，通過(guò)采集的信息，對(duì)相關(guān)的設(shè)施、設(shè)備和庫(kù)存物資進(jìn)行建模。根據(jù)庫(kù)房的類(lèi)型、建筑設(shè)施尺寸等數(shù)據(jù)，建立整個(gè)庫(kù)區(qū)地形和庫(kù)房、設(shè)施三維實(shí)體模型。同時(shí)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(lèi)型存儲(chǔ)圖形信息，以備程序調(diào)用。

3.2 物資信息數(shù)據(jù)庫(kù)

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

數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)記錄與物資三維實(shí)體模型相對(duì)應(yīng)且動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，以便實(shí)現(xiàn)雙向管理，為建立虛擬倉(cāng)庫(kù)及實(shí)時(shí)顯示奠定基礎(chǔ)。

3.3 規(guī)則策略庫(kù)

倉(cāng)庫(kù)物資的存放、出入庫(kù)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(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，故規(guī)則是倉(cāng)庫(kù)作業(yè)與管理過(guò)程優(yōu)化的基礎(chǔ)。

規(guī)則策略庫(kù)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(pán)策略等），以及揀選策略、補(bǔ)貨策略、波次策略、盤(pán)點(diǎn)策略等。當(dāng)作業(yè)指令到達(dá)倉(cāng)庫(kù)后，系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)先制定的策略，自動(dòng)編制執(zhí)行方案；在滿(mǎn)足各類(lèi)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(cāng)庫(kù)作業(yè)優(yōu)化程序；如果不滿(mǎn)足實(shí)際需求，可增加約束條件后，再進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，系統(tǒng)還提供人為制定、調(diào)整作業(yè)過(guò)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(kù)存擺放布局，提高庫(kù)房的利用率提供決策依據(jù)。

4 交互式倉(cāng)庫(kù)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(kāi)發(fā)工具為平臺(tái)，結(jié)合Creator、3DMAX建模工具、SQL serve數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Visual C++為編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)各個(gè)庫(kù)之間的聯(lián)接，以數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則驅(qū)動(dòng)三維模型，實(shí)現(xiàn)交互式倉(cāng)庫(kù)仿真系統(tǒng)各種功能。

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

該部分是系統(tǒng)的核心。建立數(shù)據(jù)庫(kù)與三維模型庫(kù)之間的接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)與三維模型庫(kù)之間的動(dòng)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(shí)動(dòng)態(tài)地在數(shù)據(jù)庫(kù)與倉(cāng)庫(kù)物資可視化模塊間檢測(cè)，進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理，如刪除數(shù)據(jù)庫(kù)中某條數(shù)據(jù)記錄，對(duì)應(yīng)虛擬場(chǎng)景中該記錄的相關(guān)三維模型將被刪除。反之，在虛擬場(chǎng)景中刪除某項(xiàng)三維實(shí)體，數(shù)據(jù)庫(kù)中與之相對(duì)應(yīng)的記錄也被刪除。數(shù)據(jù)記錄在庫(kù)表之間調(diào)整，對(duì)應(yīng)該記錄的三維實(shí)體模型也可在相應(yīng)的庫(kù)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(kù)及三維可視化技術(shù)，實(shí)時(shí)再現(xiàn)庫(kù)區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施三維場(chǎng)景以及庫(kù)房中物資的存放情況，即將模型庫(kù)中三維模型（如：倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備、物資等）與數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)記錄對(duì)應(yīng)起來(lái)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)，通過(guò)規(guī)則策略庫(kù)中數(shù)學(xué)模型分析計(jì)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(kù)、規(guī)則庫(kù)與三維模型庫(kù)關(guān)聯(lián)

在數(shù)據(jù)庫(kù)的表單中，通過(guò)選擇數(shù)據(jù)庫(kù)某條數(shù)據(jù)記錄，可快速定位到虛擬場(chǎng)景中該記錄物資所在的位置（如：哪個(gè)庫(kù)房、哪個(gè)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(xún)和漫游。反之也可在虛擬倉(cāng)庫(kù)中選擇某個(gè)設(shè)施、設(shè)備和物資，查詢(xún)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄。

4.2 倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)管理與外部數(shù)據(jù)接口

經(jīng)過(guò)對(duì)收集的信息進(jìn)行整理、加工、分類(lèi)，建立業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括：物資驗(yàn)收入庫(kù)、物資保管、養(yǎng)護(hù)和出庫(kù)發(fā)運(yùn)三個(gè)作業(yè)模塊，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)各對(duì)應(yīng)作業(yè)過(guò)程的管理。

同時(shí)系統(tǒng)建立了與其他數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。可將倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，例如：將Excel表中的數(shù)據(jù)、建筑設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的三維模型等導(dǎo)入本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)與倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)接。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)三維可視化

關(guān)鍵是建立物資數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)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(kù)房及設(shè)備物資堆存的三維虛擬場(chǎng)景，并提供各種操作（三維漫游、可視化查詢(xún)、定位等）。

4.4 倉(cāng)庫(kù)虛擬作業(yè)仿真

根據(jù)建立的作業(yè)過(guò)程數(shù)學(xué)模型，對(duì)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(cè)，另一方面，在時(shí)間上進(jìn)行作業(yè)過(guò)程預(yù)測(cè)，如所使用設(shè)備的種類(lèi)、組合方式、作業(yè)順序。作業(yè)過(guò)程預(yù)測(cè)時(shí)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(dòng)等，并得到相應(yīng)的預(yù)測(cè)結(jié)果。

庫(kù)房中物資碼放數(shù)量、位置和數(shù)據(jù)庫(kù)中該物資記錄動(dòng)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(chǎng)景中的物資，優(yōu)化計(jì)算出物資的碼盤(pán)、碼垛方案，使其在最小空間內(nèi)利用率最高；分析計(jì)算庫(kù)房的面積利用率、體積利用率、進(jìn)出貨能力等，并且可對(duì)某些無(wú)法用于訓(xùn)練的物資和不能重復(fù)的過(guò)程進(jìn)行模擬，達(dá)到與實(shí)際使用相同的效果。為倉(cāng)庫(kù)管理人員對(duì)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(guò)程。

5 結(jié)論

面對(duì)不同類(lèi)型的倉(cāng)庫(kù)、結(jié)構(gòu)各異的庫(kù)房設(shè)施、種類(lèi)繁多的存貨、收發(fā)設(shè)備、數(shù)以萬(wàn)計(jì)的存儲(chǔ)物資及其物資堆放情況，倉(cāng)庫(kù)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(cāng)庫(kù)的管理與作業(yè)，為全面實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)的設(shè)施、設(shè)備和物資存儲(chǔ)的可視化管理提供了有效地解決手段。

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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(jì)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)。