仓库三维可视化仿真系统研究

唐 毅，张学玲，李立华

（军事交通学院 军事物流系， 天津 300161）

仓库三维可视化仿真系统研究

唐 毅，张学玲，李立华

（军事交通学院 军事物流系， 天津 300161）

仓库三维可视化仿真系统利用虚拟现实、仿真和数据库等技术，通过计算机仿真，建立相关几何、数学模型，对仓库设施、设备和物资等信息进行三维可视化管理。系统选用VP虚拟现实开发工具为平台、Visual C++为编程语言，用SQL Server构建底层数据库,结合Creator、3DMAX建模软件，实现仓储物资的快速定位、超现实查询和库区漫游。同时，系统能够模拟仓储物资的收发作业过程、预算作业过程所需时间，为合理配置、使用资源提供三维可视化手段。

仓库；可视化；仿真；数据库

1 前言

仓库的库区、库房众多，存储的物资品类繁杂。仓库根据存放物资的种类和数量，对库房设施、存储和收发设备提出不同的需求。以往使用的管理系统都是以数据、表格形式来反映仓库的设施、设备和物资存储等有关信息，没有较直观的三维图形作为辅助查询工具。想了解库区规划和库房物资的存放情况，只能到现场或是依靠视频传送回来的局部图像。这严重制约了现代化仓库的管理和发展。

针对以上问题，本文所探讨的仓库三维可视化仿真系统是采用数据库技术、虚拟现实技术及可视化技术建立的直观、有效、三维可视的仓库管理系统，作为合理配置和使用库房资源，了解库存物资情况的辅助手段。

2 仓库三维可视化仿真系统框架

仓库三维可视化仿真系统可全面实现仓库设施、设备和物资存储的可视化管理。通过建立作业、规划的数学模型和库区、物资的三维模型，对掌握仓库库区、库房设施、设备和物资库存总量、分布情况，实现精确、可视化的库存管理、库存周转控制，各仓库之间的调拨和库内移位等业务提供依据和支撑。

系统可以按照库区的规划生成虚拟库区场景、库房及存放物资模型；依据物资的码盘码垛规则、出入库规则、机械作业规则等数学模型和数据库中物资的相关数据，动态地模拟作业过程，如库房中物资的码盘码垛，进行库容量的分析计算等；在实现仓库管理的同时，还可实现库区漫游、库房物资超现实浏览、查询等功能。利用虚拟三维可视化技术，使得工作人员不用到现场，即可“观察”库区和库房中物资堆码的状况。同时，了解仓库的库存率、基础设施、存货设备和收发设备的数量，作业能力等情况。

系统分四个模块：可视化超现实查询、虚拟作业、业务管理和外部数据接口模块。超现实查询模块可以在虚拟库区、库房中漫游浏览，根据库房、物资三维模型库和信息数据库，实现双向查询和定位，三维显示库区、库房内部物资情况及数据信息，以超现实的方式显示或隐藏物资。虚拟作业模块可以根据物资三维模型库和规则策略库，进行作业机械配置、货位规划、作业过程等虚拟作业，并进行优化选择，作为仓库管理辅助决策依据。业务管理模块主要根据物资信息数据库及规则策略库进行仓库业务管理。接口模块主要是提供与现有仓库管理系统的对接。图1所示为系统框架。

3 底层模型库、数据库和规则策略库

库房设施、设备因存放物资的种类而不相同，业务管理也有差异。按存放的物资种类仓库可分为：存储两种以上物资的综合仓库和存储单一物资的专业仓库。综合仓库管理较为复杂，例如要涉及物资种类、作业机械种类、物资存放时间、存放区域、不同种类物资的码放规则等，而物资的移位、倒库、搬运更为复杂。仓库的管理要基于数据库和规则策略专家系统，可视化的虚拟仓库则离不开物资虚拟模型库，因此，建立底层数据库、模型库和规则策略库尤为重要。

3.1 仓库设施、设备和物资三维实体模型

建立三维实体模型的是虚拟仿真的基础，模型建立的优劣直接关系到系统使用效果。在虚拟场景建模中不仅要注重物体表面的造型和生成逼真的大面积地形、地貌等地理环境，同时，还要提高虚拟场景模型运行的实时性。

各仓库的库区规划及库房分布情况各不相同。仓库区域分为：物资存放的储存区、物资收发维护保养的作业区和生活区。仓库设施、设备分为：库房、存货设备、货物收发设备和其他辅助设备等。仓库物资从外形上分为：有包装的规则物资、单元化存放物资、无包装不规则物资、散货和液体等。

系统选用拥有强大造型功能的Creator、3DMAX建模工具，针对所选仓库，通过采集的信息，对相关的设施、设备和库存物资进行建模。根据库房的类型、建筑设施尺寸等数据，建立整个库区地形和库房、设施三维实体模型。同时建立收发设备、存货设备、物资的三维实体模型，包括：外型、尺寸、重量、材质等。生成适当的数据结构、类型存储图形信息，以备程序调用。

3.2 物资信息数据库

采用SQLServer建立物资信息数据库，存放物资的信息，包括名称、代码、数量、储放时间、储放地点、储放形式等，可实现数据库管理和维护操作功能。

数据库中数据记录与物资三维实体模型相对应且动态关联，以便实现双向管理，为建立虚拟仓库及实时显示奠定基础。

3.3 规则策略库

仓库物资的存放、出入库作业与管理需要按照一定的要求进行，例如物资垛码方式可以有：平面堆码排放式、货架式、集装箱和罐装存放等。同一种物资按不同的规则放置将会产生不同的结果，故规则是仓库作业与管理过程优化的基础。

规则策略库中制定作业机械配置规则、货位规划规则（上架策略、码盘策略等），以及拣选策略、补货策略、波次策略、盘点策略等。当作业指令到达仓库后，系统能够根据预先制定的策略，自动编制执行方案；在满足各类收发货规则（例如先进先出、后进先出、按批次发货等）的基础上，给出仓库作业优化程序；如果不满足实际需求，可增加约束条件后，再进行优化。同时，系统还提供人为制定、调整作业过程的程序。为减少管理人员工作量，解决作业瓶颈，优化库存摆放布局，提高库房的利用率提供决策依据。

4 交互式仓库仿真系统实现

以WindowsXP为系统环境，VP虚拟现实开发工具为平台，结合Creator、3DMAX建模工具、SQL serve数据库，利用Visual C++为编程语言，实现各个库之间的联接，以数据库数据为依据，按照规则库中的规则驱动三维模型，实现交互式仓库仿真系统各种功能。

4.1 物资数据库、规则策略库与三维模型库关联

该部分是系统的核心。建立数据库与三维模型库之间的接口，实现数据库与三维模型库之间的动态数据交换，达到双向管理的目的。管理员实施系统操作步骤后，程序实时动态地在数据库与仓库物资可视化模块间检测，进行对应处理，如删除数据库中某条数据记录，对应虚拟场景中该记录的相关三维模型将被删除。反之，在虚拟场景中删除某项三维实体，数据库中与之相对应的记录也被删除。数据记录在库表之间调整，对应该记录的三维实体模型也可在相应的库房和货位之间做相应的调整。

利用虚拟现实、数据库及三维可视化技术，实时再现库区基础设施三维场景以及库房中物资的存放情况，即将模型库中三维模型（如：仓库基础设施、设备、物资等）与数据库中数据记录对应起来，实时动态显示。同时，通过规则策略库中数学模型分析计算，科学、合理地进行物资的堆码、摆放如图2所示。

图2 物资数据库、规则库与三维模型库关联

在数据库的表单中，通过选择数据库某条数据记录，可快速定位到虚拟场景中该记录物资所在的位置（如：哪个库房、哪个货位），并进行该物资所在位置的三维显示、超现实查询和漫游。反之也可在虚拟仓库中选择某个设施、设备和物资，查询相关的数据库记录。

4.2 仓库数据业务管理与外部数据接口

经过对收集的信息进行整理、加工、分类，建立业务管理数据库，其中包括：物资验收入库、物资保管、养护和出库发运三个作业模块，以此来实现各对应作业过程的管理。

同时系统建立了与其他数据库的接口，可实现数据传输。可将仓库现行数据库的数据导入，例如：将Excel表中的数据、建筑设计单位设计的三维模型等导入本系统数据库，以实现与仓库现有数据库的对接。

4.3 数据库三维可视化

关键是建立物资数据库与三维模型之间的通讯，实现数据和三维模型之间的动态联接，将基础设施、存货收发设备的数据信息转化为三维模型，准确地再现库房及设备物资堆存的三维虚拟场景，并提供各种操作（三维漫游、可视化查询、定位等）。

4.4 仓库虚拟作业仿真

根据建立的作业过程数学模型，对作业方式进行模拟。一方面，在空间上进行作业方式预测，另一方面，在时间上进行作业过程预测，如所使用设备的种类、组合方式、作业顺序。作业过程预测时可设置突发情况，如设备损坏、天气情况变化、人员变动等，并得到相应的预测结果。

库房中物资码放数量、位置和数据库中该物资记录动态关联，依据建立的物资码放数学模型，码放虚拟场景中的物资，优化计算出物资的码盘、码垛方案，使其在最小空间内利用率最高；分析计算库房的面积利用率、体积利用率、进出货能力等，并且可对某些无法用于训练的物资和不能重复的过程进行模拟，达到与实际使用相同的效果。为仓库管理人员对物资进行科学合理地堆存提供辅助参考。图3为虚拟仿真实现过程。

5 结论

面对不同类型的仓库、结构各异的库房设施、种类繁多的存货、收发设备、数以万计的存储物资及其物资堆放情况，仓库三维可视化仿真系统可以形象、直观、全方位地观察、了解这些信息和情况，并可以进行虚拟仓库的管理与作业，为全面实现仓库的设施、设备和物资存储的可视化管理提供了有效地解决手段。

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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，天津蓟县人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向：虚拟现实与仿真技术；张学玲（1970-），女，山西文水人，博士，副教授，主要研究方向：计算机仿真；李立华（1982-），女，壮族，天津武清人，硕士，讲师，主要研究方向：虚拟现实技术。