虛擬現實技術在物流領域的應用

胡智博

（北京郵電大學自動化學院，北京 100005）

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術其實就是計算機系統，它可以創建一個虛擬的世界，用戶通過外部操作去體會這個虛擬世界，達到這種效果需要依靠傳感裝置和相關的計算機技術，這是全新的模擬環境。這種技術是通過計算機技術產生一種人為虛擬環境，而這種虛擬環境可以是一個由計算機圖形構成的三維空間，具有以下幾個特征：一是多感知性，意思是即包括普通的視覺感知，新增加的感知有聽覺、味覺、嗅覺、力覺、觸覺、運動這六種以及其他，主要是由傳感裝置來實現；二是浸沒感，就是臨場感，就是用戶處于模擬環境里時候對這個環境的感覺，如果浸沒感較強的話，使用者會感到在系統中發生的一切事件都是真實存在的；三是交互性，即使用者所處模擬環境里的東西能不能被用戶隨意的操作已經用戶看到的虛擬環境里的現象和現實里的相似度和區別，用戶體驗的交互過程與真實環境中的交互過程差別越小，交互性越好；四是構想性，也就是這個技術的想象范圍，它能夠將用戶的認知區域擴寬，這個虛擬環境即能夠以現實為基礎去設計內容，還能夠憑借想象構建出任何可以想象得到、但是也只存在于想象中的環境，因此它可以讓人類不再局限于感知現實環境，而是在虛擬世界中獲得更加廣泛而新穎的體驗。

2 虛擬現實技術在物流中的應用

通過應用虛擬現實技術，人們可以在一個虛擬的三維環境中用動態交互的方式對實際工作時可能存在的環境進行身臨其境的全方位體驗，進而達到無需實際操作即可上手的目的。物流方面，也存在著虛擬現實技術的應用，通過三維建模將現實存在的各種各樣的物流設備通過三維動畫建立起來，并通過三維虛擬環境來展現。采用這種培訓模式可以讓學員在課堂上就能身臨其境的的感受到實際的生產程序。目前能夠建立可視化三維模型最主要的軟件包括VRML，QuickTimeVR，3Dmax，AutoCAD等。

組成物流工程機械模擬操作的系統有三個；計算機軟硬件系統、控制電路、模擬駕駛臺。國內第一臺同時存在裝載機、叉車的模擬培訓教學儀，能夠達到50型裝載機與5噸叉車的實際的工作情況。這個設備表現了虛擬現實技術幾大特征，經濟價值高、足夠安全及模仿現實效果好，這些特征都可以吸引學生努力去學習相關的理論知識，然后提高自己的駕駛技術。為了讓學生在學習的時候見到的教學用具和實際的車一樣，虛擬的駕駛臺全部設計和真車一模一樣，包括汽車配件，這樣即可以激起學生學習的熱情同時也有助于提高學生學習效果。學生試地操作時，雖然是利用計算機操作，但有著和真實操作一樣的感覺。而且這種教學的模式還可以方便老師了解學生的操作是否正確，如果不正確就可以馬上糾正。這個教學模式的好處特別多，甚至對于教學的成本也可以節約下來，因為它是利用計算機操作區進行教學的，并沒有實際的區操作機器、同時也避免了發生因為學生操作不熟悉而出現的的安全事故，保證了極高的教學質量。因為科技的進步，所以和物流工程機械相關的虛擬現實技術正在開發和完善，新的虛擬操作系統會繼續給相關培訓工作做一個技術和設備上的支持，為高效率地培養出具備專業技能的人才奠定基礎。

而在物料搬運領域，搬運作業的某些特殊壞境更需要遠程操作。在傳統的搬運作業中，一般是員工在實際的工作區操作設備將物品進行搬運、裝卸。全部由人工進行操控，工作效率及搬運物品的水平受主觀因素影響，比如工作人員心情狀態、工作經驗、工作技能；一旦進行作業的區域放置有毒、易燃、易爆物品時，工作人員自身的安全就會面臨威脅，這個時候的質量和效率普遍比較低。如果想讓工作人員遠離這種存在安全威脅的作業區域，就需要有一種可以取代人為作業的機器。因為工作環境較特殊、作業難度加大，所以需要自動化程度極高的機器人，這就需要花費高昂的資金成本去進行開發和研究，并且對研發人才的要求也很高。

虛擬現實技術的出現和進步能夠幫助我們解決由員工去完成危險工作的難題。解決的辦法是把在計算機技術應用到機器之中，就是虛擬現實技術，通過人工進行遠程操作，讓工作人員在沒有安全隱患的地方完成危險物料的搬運。這種高科技出現有其現實需要，同時這個技術的開發也給建立新的完善的物流搬運系統創造了技術基礎。

把虛擬現實技術加入到物料搬運機械系統里，其實就是把虛擬現實和遠程操作這兩項技術綜合使用，這種技術與遙現技術類似，它是將人的感受器官延伸到遠端，人的感覺能通過虛擬現實的I/O設備得到增強并產生臨場感。同時這一技術的三維圖形數據適用于低帶寬、大延時的網絡通訊，滿足普遍性技術的需要。

由于人可以遠離現場也可以完成作業，VR的遠程操作技術特別是針對危險的作業或者缺乏相關的專業人員的時候使用，尤其適用于航空、航天、航海、醫學外科等領域，并已有一些成功案例。將虛擬現實技術引入到物料搬運領域，不僅可建立遠程操作系統，同時可利用此系統建立虛擬仿真系統，替代傳統計算機仿真。仿真技術的產生借助了很多相關的技術，比如相似原理、系統技術、信息技術等等。仿真技術是一個涉及計算機系統、相關物理效應設備和仿真器，還有模型。仿真的實質就是處理知識。非常經典的仿真有設立系統模型、仿真模型、仿真程序設計、仿真試驗等。仿真技術的研發需要有很多學科的專家一起進行研發，因為它包含了很多方面的理論。以前最初的仿真技術存在特別多不完善的地方，比如很復雜的數學模型系統，仿真很多系統特點的統計數字，這些都特別不容易理解，而且在仿真過程中不強調交互性，用戶作為旁觀者缺乏身臨其境感覺。而虛擬現實技術克服了以上不足，非常適合于交互式系統仿真。很多相關的調查研究都得出一個結論，人們可以很好的知道對圖像、聲音這些表達出來的含義，但是不容易了解通過類似于數字和文字表達出來的含義，而這些正是一個虛擬現實系統的基本特征之一。虛擬現實技術的發展為開發具有沉浸、交互、逼真等優點的仿真系統提供了可能。

3 物料搬運領域的仿真訓練

針對物料搬運領域，比如操作人員的教育、培訓以及產品設計等都需要技術更為先進的仿真系統。目前，仿真訓練器已漸漸成為培訓軍用、民用飛機、各種汽車、船舶等駕駛人員的必備設備之一，但在工程機械領域里，仿真訓練器的使用還不常見。針對物料搬運領域的不同機械系統，開發高度逼真的仿真訓練系統，不論是從整體技術層面考慮還是從生產現實需要的層面考慮，都是很有必要的。

把叉車機械和虛擬遠程操作結合進行的仿真研究里，可以把這個作業的過程總結成為以下內容：首先通過安裝很多攝像機、麥克風、傳感器等裝置去采集進行作業的實時畫面和聲音，之后再利用計算機技術把這些收集的素材，通過三維還原，還原的基本和真實的作業畫面一樣時，讓遠程操作員在工作區域用頭套和耳塞，把虛擬的環境當作作業去操作，操作的方法首先要利用虛擬控制臺去進行指令傳達，操作員給機器的系統發送作業訊號，系統就會根據訊號進行作業現場搬運和裝卸。

4D叉車考核模擬器是一種全任務模擬器，主要是通過叉車數學建模和仿真計算對某型叉車動態操作性能進行仿真，然后通過虛擬現實技術和半物理仿真設備對叉車操作環境進行高逼真度仿真，同時采用叉車考核專家系統對模擬操作進行智能評分。該模擬系統既可用于叉車操作員培訓，也可用于叉車操作員考核。采用模擬訓練可縮短專用叉車駕駛員培訓時長、壓縮培訓成本、確保訓練安全并實現節能減排。采用模擬器和計算機專家考核系統能夠有效確保訓練質量和考核的公平、公正，模擬器可覆蓋到95%以上的基本訓練課目以及訓練大綱中所規定的所有特殊情況下的處置功能，有效的保障了考核的合理性、規范性和實用性。

叉車仿真建模是一個系統仿真的關鍵技術，這個系統以叉車考核模擬器作為基礎又創立了一整套的關于動力和運動的數學模型。這個新的數學模型將叉車運動系統作了系統化和便捷化的改變，變成了物理和功能這兩方面比較獨立的子系統，又區分成發動機、傳動系、轉向系、制動系這四大模塊，并制作了每個模塊對應關于叉車速度和轉向的仿真模型。以上面模型為基礎去進行研發的叉車駕駛模擬器，能夠精準的進行叉車駕駛，也可以進行搬動物料，這和真實的叉車情形基本類似。經過研究所建立的動力學模型，能夠了解駕駛員控制的油門、離合器、制動器踏板位置和變速器檔位以及它行車速度和方向盤轉角，都可以作為參考數據的叉車前進路線。

利用untiy3D當作開發平臺，untiy3D里的車輪碰撞器（WheelCollider）去模擬車輛的運動軌跡，車輪碰撞器是unity內部很特別的地面車輛碰撞器，存在內置碰撞檢測、車輛物理引擎和一個基于滑移的輪胎摩擦模型；把前段參考數據和車輪碰撞器里的接口數據聯合一起，就能夠基本的重現車輛行駛時的運動情況了。該系統較好地模擬了叉車駕駛員在操作及在三維場景下行駛的真實感，能夠體現出駕駛員的操作整個過程以及實際操作時的體驗，同時還能模擬出駕駛員在進行某些不正確操作時，對汽車行駛狀況的影響。通過該系統對叉車作業人員進行培訓和考核，可使他們較快的掌握叉車駕駛和操作技能，更好的投入到叉車作業工作中，這樣，就達到了模擬教學的目的。

物流流工程專業需要有很高的動手實踐能力，可以利用專業的實驗實訓培育人才。傳統的物流實驗室存在很多問題，如項目資金需求大、占用空間過多、設備進行保養成本高、設備更新速度慢?，F在的虛擬仿真技術能在很大程度上解決以前物流實驗室存在的問題，它能夠制造很像現實環境的虛擬場景，在這里學生可以利用很多的交互設備，去和虛擬場景里的實體、人物、數據信息互動，學生就有特別真實的使用體驗，并且還能夠得到很全面的虛擬場景所蘊涵的很多其他信息，這樣可以吸引學生學習的熱情與好奇心。

物流虛擬仿真實驗教學中心建設要根據專業設置、人才培養方案制定建設方案。第一步需要按照不同的學習方向和課程要求，制定合適理論和實踐的課程，制定虛擬教學實驗資源。系統的物流虛擬仿真實驗教學中心的硬件設施有漫反射仿真投影幕、自由度交互系統、三維空間位置跟蹤系統等虛擬仿真設備以及仿真訓練系統中的各種輔助設備。

由于物流運輸線路存在非常不穩定特性，故不容易對它做及時更新和操控，如何在運輸之前把物流運輸線路選擇好，選擇的依據是方便、路況好、距離短。虛擬現實技術可以通過三維虛擬圖像詳細實時的了解到運輸途中的具體狀況，包括運輸物品車輛周圍車流、人流和交通狀況。質量水平很高的物流規劃和調控，可以精準的把重要的物流信息和一般的物流信息之間的聯系和區別都總結出來，再根據物流在時間以及空間上的具體改變，去了解和分析物流的城市道路狀況，當發現交通堵塞就要提前進行警報，并選擇新的路線。

現在物流智能路線調度系統是比較落后的，它能做的只有模擬現實，并不可以智能化的提前制定最優運輸路線以及進行實時交通狀況的提醒。但是新的以挖掘與優化計算機虛擬現實技術的物流三維調度系統，它的功能比較完善，可以智能化去提前制定路線，以及在交通不便的時候發出提醒，這個系統很大程度上增強了物流路線設置的合理性和效率。

4 結束語

以上介紹了虛擬現實技術應用到物流領域里很多方面的現狀。隨著科學技術的發展，虛擬現實技術也會不斷發展，從而在物流行業中發揮出更大的作用。