基于VR應用的物流倉儲布局設計初探*

王芳 李旭東 肖喜娣

(1.廣東交通職業技術學院,廣東廣州 510650;2.中國物流學會,北京 100073;3.安徽工程大學,安徽蕪湖 241000)

0 引言

倉儲是物流系統的關鍵環節之一,隨著社會的不斷發展與進步,現代倉儲與傳統意義上的倉儲有顯著的區別,現代倉儲管理已經轉變成履行中心[1]。物流系統具有較強的不確定性,且組成復雜、系統投資與規模較大,從而使試驗活動不能直接在實體物流系統上開展;若系統設計過大則容易產生不必要的資源浪費,若系統設計過小則難以適應業務的可持續發展。基于VR應用的物流倉儲布局設計,可塑性及可操作性強,可以隨時根據具體情況進行變換,降低實際成本,實現企業的最大化利益[2-3]。本文基于VR應用開展物流倉儲布局設計,探索物流倉儲布局設計的虛擬仿真,實現按需求變化的設計動態調整與成本節約,力圖彌補傳統設計方法的短板。

1 VR及技術特征

VR(Virtual Reality)即虛擬現實,是人類在探索自然過程中創造形成的一種用于認識自然、模擬自然,進而更好地適應和利用自然的科學方法和技術[4],綜合運用了人機接口技術、人工智能、傳感技術、計算機圖形學、人類工程學、心理學等多學科知識。該詞的出現是20世紀80年代美國VPL公司創始人之一——提出,其在最早主要是用在美國的國防部和宇航局,該種技術能夠通過創建和體驗虛擬世界的計算機系統,通過使用計算機技術和傳感裝置創設新的模擬環境,該種模擬環境主要是利用計算機使用,通過對用戶進行視、聽以及觸等作用,讓他們產生身臨其境的交互式視景仿真環境中,良好的虛擬現實環境包括圖像處理、計算機圖形學、多傳感器、模式識別、網絡以及語音處理等構成的系統環境。

VR技術通過計算機系統構建虛擬環境,是利用傳感設備使用戶在該環境中增強沉浸感及投入度,在用戶與環境之間實現自然交互的一種技術,因而具有多感知性、存在感、交互性、自主性等主要特征。現階段VR技術主要應用領域包括軍事地形、空間布局、虛擬建筑、工業仿真、醫學模型、文物考古、實訓教學、影視娛樂、虛擬農業等諸多方面,創新了人機交互模式。其具體工作原理如圖1所示。

利用虛擬現實技術人們能夠在虛擬的環境中,通過動態交互的方式對未來的建筑物進行全面審視,從不同的角度和距離觀察場景,利用多種不同的運動模式來對路線進行瀏覽和控制,在漫游期間還能夠實現不同方案的設計、不同環境效果的切換,這也是常規建筑效果圖和三維動畫無法實現的。

2 物流倉儲布局設計的主要原則

2.1 契合物流倉儲布局的設計特點

設計規劃物流倉儲布局前需綜合評估實際需求以及相關成本,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計方面需要格外注意,具體應從以下幾個方面著手:首先是物流運輸各環節設施裝備,主要包括堆場、搬運工具、托盤以及貨架等,同時需考慮物流企業的客戶群體特征、業務發展規模以及服務專業程度之間存在的聯系。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,并根據實際情況對空間進行適當的調整。然后是單元屬性,尤其是基本面積與單元平面幾何圖形。最后是各單元在設施范圍中的絕對位置和相對位置,充分考慮各個環節的運輸成本及搬運工具在部分區域的適當使用。

2.2 符合物流倉儲布局外形的設計要求

物流倉儲布局設計與空間規劃須依據物流倉儲空間的現實條件及實際要求進行。實踐中,物流倉儲設施(物流中心、倉庫、配送點等)的外形一般會被設計成長方形;同時,相關總成本的對比和計算表明,倉庫站臺外形設計宜選擇正方形;并且,為了最大程度上節約相關成本和增強其經濟性,需將站臺位置設計在倉庫中間點。

2.3 結合物流倉庫模型的建立

設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系,由于倉儲設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系,在此情況下,需充分考慮物流倉儲的實際運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率等相關因素,并根據實際情況確定庫存容量需求量[5]。

3 基于VR應用的物流倉儲布局設計初探

3.1 三維模擬語言的應用

當前VR在仿真三維虛擬領域中的應用日益普及,是一種以問題為核心的、非順序性、較高級的計算機虛擬技術;三維仿真虛擬中應用VR技術時,使用者不需要對高級的編程語言精通了解,就可以使用習慣性的表達方式對三維虛擬模型進行描述,在此情況下,則需要將更多的精力投入到計算機模擬的應用研究當中,本文主要以OpenGL語言的研究為例進行闡述。

OpenGL語言是常用的計算機三維模擬語言,當前較廣泛地應用在Windows程序功能方面,其在三維建模軟件中的應用尤其常見;對方程視覺化加以應用的Basic Script,能使用戶的相關操作更為規范,并逐漸提高操作界面的規范化程度,不斷提高產品的靈活性。

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計過程中有效計算關鍵距離的方法,在實際影像和參考模板(給定特征模式)之間進行最小二乘影像匹配,實現高精度提取目標。

在實際工作過程中,基于物流倉儲布局設計的合理性標準——灰度差平方和最小化,對物流布局內部影像匹配可用∑vv=min進行表示,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中相對應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兩者之間的完全一致性,導致影像匹配存在一定的誤差,從而產生匹配影像誤差方程。

(1)物流倉儲布局內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中對應一條直線。在使用核線約束的過程中,可以使用點匹配二維搜索問題,并向一維空間進行轉換,降低其計算量[6]。(2)灰度與幾何的相似性約束。在對直線匹配進行判斷時,要對直線的相似性特征進行相似的了解。灰度與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則具有更強的合理性。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,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位移直線特征。(4)匹配直線段上配準角點對應空間點的視差連續性約束。在左圖像和右圖像中匹配的直線段對應一條空間直線,所以匹配角點所對應的空間點也一定處于相同的空間直線之上,根據這一約束可有效優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可使匹配準確度進一步提升,角點的類型表明直線段與鄰近直線段的結構關系,通過此種局部結構約束可以有效降低匹配的錯誤率。

圖1 虛擬現實技術工作原理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,得出直線提取結果,并將原有的圖像與直線提取結果進行疊加。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果,并結合虛擬仿真效果,科學合理地進行物流倉儲布局設計[8]。

4 結語

物流系統受外界、市場環境的影響明顯,且一直處于動態變化當中,難以準確預測客戶訂貨量、市場需求量,其對物流倉儲空間規劃及布局設計的要求也存在較強的不確定性,加上物流倉儲設施結構復雜、投資與規模較大,從而使空間布局設計的試驗難以直接在實體系統上開展。本研究基于VR應用提出一種物流倉儲布局的規劃設計方法,結合物流倉儲布局設計的基本原則,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,實現隨需求變化的布局設計動態調整與成本節約,從而促進物流倉儲管理績效的持續提升。