庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

張光遠(yuǎn)，龔 迪，王 坤

（西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，綜合交通運(yùn)輸智能化國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

1 庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的意義

隨著“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等戰(zhàn)略的深入實(shí)施，智能制造、電子商務(wù)等技術(shù)和模式的發(fā)展對(duì)物流效率的要求越來越高，在企業(yè)業(yè)務(wù)達(dá)到一定規(guī)模后，對(duì)自動(dòng)化存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求也越來越大。事實(shí)上，以京東、唯品會(huì)等為代表的電子商務(wù)企業(yè)，為滿足多樣性、個(gè)性化的購物需求和小批量、多批次的配送需求，已經(jīng)建設(shè)并開始應(yīng)用自動(dòng)化立體倉庫；以海爾、一汽為代表的制造企業(yè)，為滿足制造與裝配流程的自動(dòng)化和智能化需求，也構(gòu)建了與智能制造緊密結(jié)合的自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)。自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)將成為未來我國智能物流發(fā)展的重要方向，因此對(duì)當(dāng)代大學(xué)生自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與管理能力的培養(yǎng)要求也越來越高。

2 庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總體框架

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立足我校交通運(yùn)輸國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，以交通運(yùn)輸國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和具有交通運(yùn)輸特色的物流管理人才培養(yǎng)模式為基礎(chǔ)，以全國排名第1 的交通運(yùn)輸工程國家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科和綜合交通運(yùn)輸智能化國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室[1-2]為 依托，立足自主研發(fā)，建成了庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[3-4]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“高集成、多環(huán)節(jié)、多品類”自動(dòng)化倉儲(chǔ)作業(yè)流程、“多崗位、多工種、多場景一體化”管理過程的虛擬仿真[5-9]，為物流管理相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)提供了強(qiáng)有力的支撐（總體框架見圖1）。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲評(píng)首批國家級(jí)一流本科課程（虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程）和2019 年四川省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

圖1 庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的總體框架

該項(xiàng)目依托自動(dòng)分揀與智能堆垛實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，以實(shí)際配送中心作業(yè)流程與管理需求為背景，構(gòu)建自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)，制定采購計(jì)劃，應(yīng)用倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)完成相關(guān)作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化立體倉庫的實(shí)時(shí)信息管理。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)4 個(gè)“二一”，即：培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)“兩性一度”，高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度；實(shí)驗(yàn)依托“兩景一體”，虛擬、實(shí)體、虛實(shí)一體化；面向領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“兩業(yè)一化”，專業(yè)、行業(yè)、智慧化；實(shí)驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)“兩動(dòng)一學(xué)”，動(dòng)手、動(dòng)腦、深度學(xué)。

3 庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃砑昂诵牧鞒?/h2>

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，學(xué)生可理解如下內(nèi)容：①了解自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)施設(shè)備的功能和技術(shù)參數(shù)，根據(jù)作業(yè)流程完成自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)各模塊的集成設(shè)計(jì)，熟悉自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)、倉儲(chǔ)控制系統(tǒng)等軟件的功能、操作等；②掌握經(jīng)濟(jì)訂貨批量模型的計(jì)算與應(yīng)用過程，掌握采購、入庫、分揀、出庫、配送的全流程設(shè)計(jì)與管理；③培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作協(xié)作意識(shí)、即時(shí)決策綜合能力以及實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以“自動(dòng)分揀與智能堆垛”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和實(shí)際配送中心作業(yè)流程與管理需求為背景，依托學(xué)校現(xiàn)有的大型自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，借助3D 可視化技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建了逼真的自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)場景。通過三維交互虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，學(xué)生可以開展庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)訂貨批量模型制定采購計(jì)劃，應(yīng)用倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)完成托盤、料箱在庫內(nèi)的出入庫與倒庫作業(yè)，設(shè)計(jì)拆/碼垛組盤方式，完成自動(dòng)化立體倉庫的流程設(shè)計(jì)與作業(yè)管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化立體倉庫的實(shí)時(shí)信息管理。

3.3 實(shí)驗(yàn)核心流程

實(shí)驗(yàn)分為4 個(gè)核心模塊：系統(tǒng)與設(shè)備認(rèn)知模塊、自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)布局模塊、庫存管理與自動(dòng)化倉庫管理全流程模塊、協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K（見圖2），實(shí)現(xiàn)“認(rèn)知—布局—全流程—協(xié)作”的系統(tǒng)性構(gòu)建。

（1）系統(tǒng)與設(shè)備認(rèn)知模塊。通過系統(tǒng)與設(shè)備認(rèn)知模塊（見圖3），學(xué)生可以學(xué)習(xí)分揀、料箱自動(dòng)化、托盤自動(dòng)化、機(jī)械手、輥筒輸送、管理控制、滑塊分揀機(jī)、料箱自動(dòng)化立體倉庫、托盤自動(dòng)化立體倉庫、輥筒輸送裝置、機(jī)械手拆/碼垛裝置、自動(dòng)導(dǎo)引搬運(yùn)車、（AGV）小車等各系統(tǒng)的功能與作業(yè)方式。

（2）自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)布局模塊。通過自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)布局模塊（見圖4），學(xué)生可以學(xué)習(xí)自動(dòng)化倉庫的布局設(shè)計(jì)。自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)由5 個(gè)子系統(tǒng)組成：滑塊分揀子系統(tǒng)、料箱自動(dòng)化立體倉庫子系統(tǒng)、托盤自動(dòng)化立體倉庫子系統(tǒng)、機(jī)械手堆/碼垛子系統(tǒng)以及輥筒輸送子系統(tǒng)。滑塊分揀子系統(tǒng)的主要設(shè)備是滑塊分揀機(jī)和自動(dòng)導(dǎo)引搬運(yùn)車（AGV），滑塊分揀機(jī)與料箱輸送機(jī)相配合，形成滑塊分揀子系統(tǒng)，可以根據(jù)客戶訂單完成料箱的輸送與分揀。通過料箱條碼識(shí)別，判斷其分揀口，并指令相應(yīng)的滑塊動(dòng)作，將料箱推送到相應(yīng)的分揀口。AGV 在識(shí)別料箱后將其送到指定的位置。料箱自動(dòng)化立體倉庫子系統(tǒng)由料箱貨架和料箱堆垛機(jī)組成，與滑塊分揀機(jī)、輥筒循環(huán)輸送子系統(tǒng)、料箱AGV 相配合，通過識(shí)別每個(gè)料箱和貨位上的條碼，完成料箱的迅速入庫、上架、出庫、下架等功能。托盤自動(dòng)化立體倉庫子系統(tǒng)由托盤貨架和料箱堆垛機(jī)組 成，通過識(shí)別托盤和貨位上的條碼，完成托盤的入庫、上架、出庫、下架等功能。機(jī)械手堆/碼垛子系統(tǒng)的主要設(shè)備是堆/碼垛機(jī)械手，主要實(shí)現(xiàn)料箱、托盤的堆/碼垛功能。輥筒輸送子系統(tǒng)由多段輥筒相連而成，通過條碼識(shí)別器和射頻識(shí)別器（RFID）識(shí)別料箱、托盤上的條碼或RFID 標(biāo)簽，完成托盤和料箱的水平輸送。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)K關(guān)聯(lián)圖

圖3 系統(tǒng)與設(shè)備認(rèn)知模塊

圖4 自動(dòng)化倉儲(chǔ)系統(tǒng)布局模塊

圖5 庫存管理與自動(dòng)化倉庫管理全流程模塊

（3）庫存管理與自動(dòng)化倉庫管理全流程模塊。通過庫存管理與自動(dòng)化倉庫管理全流程模塊（見圖5），學(xué)生可以學(xué)習(xí)庫存管理與自動(dòng)化倉庫管理全流程。根據(jù)單位時(shí)間的單位存儲(chǔ)費(fèi)用、采購與準(zhǔn)備的固定費(fèi)用、需求變化率和訂貨量，利用多點(diǎn)條碼和RFID 標(biāo)簽進(jìn)行信息采集，對(duì)物料出入庫流程、庫存盤點(diǎn)以及即時(shí)庫存管理等業(yè)務(wù)流程進(jìn)行綜合管理學(xué)習(xí)，跟蹤、管理以及控制倉儲(chǔ)各環(huán)節(jié)。例如：選擇商品PA 和PB 的采購量；新增商品入庫憑證；根據(jù)商品PA 的托盤裝載料箱數(shù)量，選擇機(jī)械手操作的垛型；根據(jù)入庫作業(yè)要求，選擇機(jī)械手作業(yè)方式；根據(jù)訂單需求和實(shí)時(shí)庫存的差異，確定商品PA 和PB 從料箱庫到托盤庫的倒庫數(shù)量；根據(jù)商品PA 和PB 的組盤策略，選擇垛型平面模式等。

（4）協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。通過協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K（見圖6），學(xué)生輸入學(xué)號(hào)姓名，選擇協(xié)同實(shí)驗(yàn)房間，可以組隊(duì)共同完成全流程實(shí)驗(yàn)，根據(jù)各實(shí)訓(xùn)室的人員數(shù)量和空閑角色選擇實(shí)訓(xùn)室和角色，與其他同學(xué)合作分飾不同角色共同完成實(shí)驗(yàn)。

圖6 協(xié)調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K

4 庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的環(huán)境構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)運(yùn)行依托開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，二者通過數(shù)據(jù)接口無縫對(duì)接，保證用戶能夠隨時(shí)隨地通過瀏覽器訪問該項(xiàng)目，并通過平臺(tái)提供的面向用戶的智能指導(dǎo)、自動(dòng)批改服務(wù)功能，盡可能幫助用戶實(shí)現(xiàn)自主實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開放服務(wù)能力，提升開放服務(wù)效果。開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改和教學(xué)管理于一體，是具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。如圖7 所示，支撐項(xiàng)目運(yùn)行的平臺(tái)及項(xiàng)目運(yùn)行的架構(gòu)共分為5 層，分別是數(shù)據(jù)層、支撐層、仿真層、通用服務(wù)層和應(yīng)用層，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。

圖7 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境構(gòu)建圖

利用搭建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將“有限的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間”拓展成為“無限的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間”，實(shí)現(xiàn)了多地、多校、多專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。實(shí)施過程中，學(xué)生可以在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上了解智能物流設(shè)備，預(yù)習(xí)自動(dòng)化倉儲(chǔ)的作業(yè)流程等相關(guān)知識(shí)，熟悉實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)操作方法的電子文檔和視頻資料并進(jìn)行測評(píng)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書所示操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師可實(shí)時(shí)與學(xué)生進(jìn)行線上互動(dòng)交流，針對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)及學(xué)生容易出錯(cuò)的步驟進(jìn)行講解指導(dǎo)，同時(shí)對(duì)學(xué)生的操作過程進(jìn)行視頻監(jiān)督指導(dǎo)；學(xué)生根據(jù)要求提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)閱。學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)室也可在教室、圖書館等有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，通過遠(yuǎn)程登錄平臺(tái)，自主調(diào)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，自由搭建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和配置實(shí)驗(yàn)崗位等，教師可遠(yuǎn)程監(jiān)控、指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中增加“交互體驗(yàn)”，將仿真教學(xué)與運(yùn)作實(shí)景相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)結(jié)合”的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的；增加“實(shí)驗(yàn)協(xié)同”環(huán)節(jié)，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作，提升學(xué)生仿真實(shí)驗(yàn)的興趣，激發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上線以來，已開放服務(wù)9 000 余人，覆蓋物流管理、物流工程、工業(yè)工程、交通運(yùn)輸、交通工程、安全工程等多個(gè)專業(yè)和行業(yè)。

5 庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的依托實(shí)體

庫存管理與自動(dòng)化倉儲(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是依托自動(dòng)分揀與智能堆垛實(shí)驗(yàn)室全真的自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的。自動(dòng)分揀與智能堆垛實(shí)驗(yàn)室（見圖8）以實(shí)際物流中心為背景，構(gòu)建了真實(shí)的自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了貨物的整托保管、堆/碼垛、托盤出入庫、料箱入出庫和分揀等業(yè)務(wù)流程。基于多點(diǎn)條碼和RFID 標(biāo)簽信息采集，通過倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)可以對(duì)自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)系統(tǒng)中的各物流環(huán)節(jié)、物資在庫情況等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

圖8 實(shí)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

6 結(jié)語

（1）本項(xiàng)目將數(shù)字化3D 仿真、虛擬設(shè)備與儀器以及人機(jī)在線交互等技術(shù)綜合運(yùn)用，構(gòu)建了逼真的自動(dòng)化立體倉儲(chǔ)場景，使學(xué)生深度參與、虛實(shí)結(jié)合、循序漸進(jìn)地自主學(xué)習(xí)，激發(fā)了自主學(xué)習(xí)的興趣，解決了目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在的學(xué)生參與度低的問題，尤其是涉及大型儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)過程中，既可單獨(dú)實(shí)驗(yàn)，又可組隊(duì)進(jìn)行分崗位的協(xié)作實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)個(gè)體與團(tuán)體協(xié)作的有機(jī)融合。

（2）本項(xiàng)目建立分時(shí)間、分方式、分層次的立體化開放共享模式，加強(qiáng)資源的有序整合和有效對(duì)接；面向交通運(yùn)輸、交通工程、工業(yè)工程、工程管理、管理科學(xué)與工程等多個(gè)專業(yè)本科生，為其與物流相關(guān)的專業(yè)課程提供虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目支撐，更好地服務(wù)于物流相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)；依托國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)，面向各高校開放共享，提高開放共享服務(wù)質(zhì)量。

（3）本項(xiàng)目將為現(xiàn)代物流向智慧物流轉(zhuǎn)型發(fā)展的物流企業(yè)人員培訓(xùn)提供重要支撐，在企業(yè)新項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)、自動(dòng)化立體倉庫運(yùn)營管理、員工合作協(xié)同等提供虛擬仿真環(huán)境支撐。本項(xiàng)目將依托我校交通運(yùn)輸與物流學(xué)院的人才培養(yǎng)實(shí)踐基地和實(shí)習(xí)基地，根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求，為其提供物流管理人員和工程技術(shù)人員的虛擬仿真實(shí)操和培訓(xùn)，并逐步拓展到物流行業(yè)中涉及自動(dòng)化倉庫設(shè)計(jì)與管理和轉(zhuǎn)型發(fā)展的企業(yè)，為其提供實(shí)地及遠(yuǎn)程培訓(xùn)。