倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)研究

唐 毅，張學玲，李立華

（軍事交通學院 軍事物流系， 天津 300161）

倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)研究

唐 毅，張學玲，李立華

（軍事交通學院 軍事物流系， 天津 300161）

倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)利用虛擬現實、仿真和數據庫等技術，通過計算機仿真，建立相關幾何、數學模型，對倉庫設施、設備和物資等信息進行三維可視化管理。系統(tǒng)選用VP虛擬現實開發(fā)工具為平臺、Visual C++為編程語言，用SQL Server構建底層數據庫,結合Creator、3DMAX建模軟件，實現倉儲物資的快速定位、超現實查詢和庫區(qū)漫游。同時，系統(tǒng)能夠模擬倉儲物資的收發(fā)作業(yè)過程、預算作業(yè)過程所需時間，為合理配置、使用資源提供三維可視化手段。

倉庫；可視化；仿真；數據庫

1 前言

倉庫的庫區(qū)、庫房眾多，存儲的物資品類繁雜。倉庫根據存放物資的種類和數量，對庫房設施、存儲和收發(fā)設備提出不同的需求。以往使用的管理系統(tǒng)都是以數據、表格形式來反映倉庫的設施、設備和物資存儲等有關信息，沒有較直觀的三維圖形作為輔助查詢工具。想了解庫區(qū)規(guī)劃和庫房物資的存放情況，只能到現場或是依靠視頻傳送回來的局部圖像。這嚴重制約了現代化倉庫的管理和發(fā)展。

針對以上問題，本文所探討的倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)是采用數據庫技術、虛擬現實技術及可視化技術建立的直觀、有效、三維可視的倉庫管理系統(tǒng)，作為合理配置和使用庫房資源，了解庫存物資情況的輔助手段。

2 倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)框架

倉庫三維可視化仿真系統(tǒng)可全面實現倉庫設施、設備和物資存儲的可視化管理。通過建立作業(yè)、規(guī)劃的數學模型和庫區(qū)、物資的三維模型，對掌握倉庫庫區(qū)、庫房設施、設備和物資庫存總量、分布情況，實現精確、可視化的庫存管理、庫存周轉控制，各倉庫之間的調撥和庫內移位等業(yè)務提供依據和支撐。

系統(tǒng)可以按照庫區(qū)的規(guī)劃生成虛擬庫區(qū)場景、庫房及存放物資模型；依據物資的碼盤碼垛規(guī)則、出入庫規(guī)則、機械作業(yè)規(guī)則等數學模型和數據庫中物資的相關數據，動態(tài)地模擬作業(yè)過程，如庫房中物資的碼盤碼垛，進行庫容量的分析計算等；在實現倉庫管理的同時，還可實現庫區(qū)漫游、庫房物資超現實瀏覽、查詢等功能。利用虛擬三維可視化技術，使得工作人員不用到現場，即可“觀察”庫區(qū)和庫房中物資堆碼的狀況。同時，了解倉庫的庫存率、基礎設施、存貨設備和收發(fā)設備的數量，作業(yè)能力等情況。

系統(tǒng)分四個模塊：可視化超現實查詢、虛擬作業(yè)、業(yè)務管理和外部數據接口模塊。超現實查詢模塊可以在虛擬庫區(qū)、庫房中漫游瀏覽，根據庫房、物資三維模型庫和信息數據庫，實現雙向查詢和定位，三維顯示庫區(qū)、庫房內部物資情況及數據信息，以超現實的方式顯示或隱藏物資。虛擬作業(yè)模塊可以根據物資三維模型庫和規(guī)則策略庫，進行作業(yè)機械配置、貨位規(guī)劃、作業(yè)過程等虛擬作業(yè)，并進行優(yōu)化選擇，作為倉庫管理輔助決策依據。業(yè)務管理模塊主要根據物資信息數據庫及規(guī)則策略庫進行倉庫業(yè)務管理。接口模塊主要是提供與現有倉庫管理系統(tǒng)的對接。圖1所示為系統(tǒng)框架。

3 底層模型庫、數據庫和規(guī)則策略庫

庫房設施、設備因存放物資的種類而不相同，業(yè)務管理也有差異。按存放的物資種類倉庫可分為：存儲兩種以上物資的綜合倉庫和存儲單一物資的專業(yè)倉庫。綜合倉庫管理較為復雜，例如要涉及物資種類、作業(yè)機械種類、物資存放時間、存放區(qū)域、不同種類物資的碼放規(guī)則等，而物資的移位、倒庫、搬運更為復雜。倉庫的管理要基于數據庫和規(guī)則策略專家系統(tǒng)，可視化的虛擬倉庫則離不開物資虛擬模型庫，因此，建立底層數據庫、模型庫和規(guī)則策略庫尤為重要。

3.1 倉庫設施、設備和物資三維實體模型

建立三維實體模型的是虛擬仿真的基礎，模型建立的優(yōu)劣直接關系到系統(tǒng)使用效果。在虛擬場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，還要提高虛擬場景模型運行的實時性。

各倉庫的庫區(qū)規(guī)劃及庫房分布情況各不相同。倉庫區(qū)域分為：物資存放的儲存區(qū)、物資收發(fā)維護保養(yǎng)的作業(yè)區(qū)和生活區(qū)。倉庫設施、設備分為：庫房、存貨設備、貨物收發(fā)設備和其他輔助設備等。倉庫物資從外形上分為：有包裝的規(guī)則物資、單元化存放物資、無包裝不規(guī)則物資、散貨和液體等。

系統(tǒng)選用擁有強大造型功能的Creator、3DMAX建模工具，針對所選倉庫，通過采集的信息，對相關的設施、設備和庫存物資進行建模。根據庫房的類型、建筑設施尺寸等數據，建立整個庫區(qū)地形和庫房、設施三維實體模型。同時建立收發(fā)設備、存貨設備、物資的三維實體模型，包括：外型、尺寸、重量、材質等。生成適當的數據結構、類型存儲圖形信息，以備程序調用。

3.2 物資信息數據庫

采用SQLServer建立物資信息數據庫，存放物資的信息，包括名稱、代碼、數量、儲放時間、儲放地點、儲放形式等，可實現數據庫管理和維護操作功能。

數據庫中數據記錄與物資三維實體模型相對應且動態(tài)關聯(lián)，以便實現雙向管理，為建立虛擬倉庫及實時顯示奠定基礎。

3.3 規(guī)則策略庫

倉庫物資的存放、出入庫作業(yè)與管理需要按照一定的要求進行，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)則放置將會產生不同的結果，故規(guī)則是倉庫作業(yè)與管理過程優(yōu)化的基礎。

規(guī)則策略庫中制定作業(yè)機械配置規(guī)則、貨位規(guī)劃規(guī)則（上架策略、碼盤策略等），以及揀選策略、補貨策略、波次策略、盤點策略等。當作業(yè)指令到達倉庫后，系統(tǒng)能夠根據預先制定的策略，自動編制執(zhí)行方案；在滿足各類收發(fā)貨規(guī)則（例如先進先出、后進先出、按批次發(fā)貨等）的基礎上，給出倉庫作業(yè)優(yōu)化程序；如果不滿足實際需求，可增加約束條件后，再進行優(yōu)化。同時，系統(tǒng)還提供人為制定、調整作業(yè)過程的程序。為減少管理人員工作量，解決作業(yè)瓶頸，優(yōu)化庫存擺放布局，提高庫房的利用率提供決策依據。

4 交互式倉庫仿真系統(tǒng)實現

以WindowsXP為系統(tǒng)環(huán)境，VP虛擬現實開發(fā)工具為平臺，結合Creator、3DMAX建模工具、SQL serve數據庫，利用Visual C++為編程語言，實現各個庫之間的聯(lián)接，以數據庫數據為依據，按照規(guī)則庫中的規(guī)則驅動三維模型，實現交互式倉庫仿真系統(tǒng)各種功能。

4.1 物資數據庫、規(guī)則策略庫與三維模型庫關聯(lián)

該部分是系統(tǒng)的核心。建立數據庫與三維模型庫之間的接口，實現數據庫與三維模型庫之間的動態(tài)數據交換，達到雙向管理的目的。管理員實施系統(tǒng)操作步驟后，程序實時動態(tài)地在數據庫與倉庫物資可視化模塊間檢測，進行對應處理，如刪除數據庫中某條數據記錄，對應虛擬場景中該記錄的相關三維模型將被刪除。反之，在虛擬場景中刪除某項三維實體，數據庫中與之相對應的記錄也被刪除。數據記錄在庫表之間調整，對應該記錄的三維實體模型也可在相應的庫房和貨位之間做相應的調整。

利用虛擬現實、數據庫及三維可視化技術，實時再現庫區(qū)基礎設施三維場景以及庫房中物資的存放情況，即將模型庫中三維模型（如：倉庫基礎設施、設備、物資等）與數據庫中數據記錄對應起來，實時動態(tài)顯示。同時，通過規(guī)則策略庫中數學模型分析計算，科學、合理地進行物資的堆碼、擺放如圖2所示。

圖2 物資數據庫、規(guī)則庫與三維模型庫關聯(lián)

在數據庫的表單中，通過選擇數據庫某條數據記錄，可快速定位到虛擬場景中該記錄物資所在的位置（如：哪個庫房、哪個貨位），并進行該物資所在位置的三維顯示、超現實查詢和漫游。反之也可在虛擬倉庫中選擇某個設施、設備和物資，查詢相關的數據庫記錄。

4.2 倉庫數據業(yè)務管理與外部數據接口

經過對收集的信息進行整理、加工、分類，建立業(yè)務管理數據庫，其中包括：物資驗收入庫、物資保管、養(yǎng)護和出庫發(fā)運三個作業(yè)模塊，以此來實現各對應作業(yè)過程的管理。

同時系統(tǒng)建立了與其他數據庫的接口，可實現數據傳輸。可將倉庫現行數據庫的數據導入，例如：將Excel表中的數據、建筑設計單位設計的三維模型等導入本系統(tǒng)數據庫，以實現與倉庫現有數據庫的對接。

4.3 數據庫三維可視化

關鍵是建立物資數據庫與三維模型之間的通訊，實現數據和三維模型之間的動態(tài)聯(lián)接，將基礎設施、存貨收發(fā)設備的數據信息轉化為三維模型，準確地再現庫房及設備物資堆存的三維虛擬場景，并提供各種操作（三維漫游、可視化查詢、定位等）。

4.4 倉庫虛擬作業(yè)仿真

根據建立的作業(yè)過程數學模型，對作業(yè)方式進行模擬。一方面，在空間上進行作業(yè)方式預測，另一方面，在時間上進行作業(yè)過程預測，如所使用設備的種類、組合方式、作業(yè)順序。作業(yè)過程預測時可設置突發(fā)情況，如設備損壞、天氣情況變化、人員變動等，并得到相應的預測結果。

庫房中物資碼放數量、位置和數據庫中該物資記錄動態(tài)關聯(lián)，依據建立的物資碼放數學模型，碼放虛擬場景中的物資，優(yōu)化計算出物資的碼盤、碼垛方案，使其在最小空間內利用率最高；分析計算庫房的面積利用率、體積利用率、進出貨能力等，并且可對某些無法用于訓練的物資和不能重復的過程進行模擬，達到與實際使用相同的效果。為倉庫管理人員對物資進行科學合理地堆存提供輔助參考。圖3為虛擬仿真實現過程。

5 結論

面對不同類型的倉庫、結構各異的庫房設施、種類繁多的存貨、收發(fā)設備、數以萬計的存儲物資及其物資堆放情況，倉庫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，并可以進行虛擬倉庫的管理與作業(yè)，為全面實現倉庫的設施、設備和物資存儲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，碩士研究生導師，主要研究方向：虛擬現實與仿真技術；張學玲（1970-），女，山西文水人，博士，副教授，主要研究方向：計算機仿真；李立華（1982-），女，壯族，天津武清人，碩士，講師，主要研究方向：虛擬現實技術。