基于VR应用的物流仓储布局设计初探*

王芳 李旭东 肖喜娣

(1.广东交通职业技术学院,广东广州 510650;2.中国物流学会,北京 100073;3.安徽工程大学,安徽芜湖 241000)

0 引言

仓储是物流系统的关键环节之一,随着社会的不断发展与进步,现代仓储与传统意义上的仓储有显著的区别,现代仓储管理已经转变成履行中心[1]。物流系统具有较强的不确定性,且组成复杂、系统投资与规模较大,从而使试验活动不能直接在实体物流系统上开展;若系统设计过大则容易产生不必要的资源浪费,若系统设计过小则难以适应业务的可持续发展。基于VR应用的物流仓储布局设计,可塑性及可操作性强,可以随时根据具体情况进行变换,降低实际成本,实现企业的最大化利益[2-3]。本文基于VR应用开展物流仓储布局设计,探索物流仓储布局设计的虚拟仿真,实现按需求变化的设计动态调整与成本节约,力图弥补传统设计方法的短板。

1 VR及技术特征

VR(Virtual Reality)即虚拟现实,是人类在探索自然过程中创造形成的一种用于认识自然、模拟自然,进而更好地适应和利用自然的科学方法和技术[4],综合运用了人机接口技术、人工智能、传感技术、计算机图形学、人类工程学、心理学等多学科知识。该词的出现是20世纪80年代美国VPL公司创始人之一——提出,其在最早主要是用在美国的国防部和宇航局,该种技术能够通过创建和体验虚拟世界的计算机系统,通过使用计算机技术和传感装置创设新的模拟环境,该种模拟环境主要是利用计算机使用,通过对用户进行视、听以及触等作用,让他们产生身临其境的交互式视景仿真环境中,良好的虚拟现实环境包括图像处理、计算机图形学、多传感器、模式识别、网络以及语音处理等构成的系统环境。

VR技术通过计算机系统构建虚拟环境,是利用传感设备使用户在该环境中增强沉浸感及投入度,在用户与环境之间实现自然交互的一种技术,因而具有多感知性、存在感、交互性、自主性等主要特征。现阶段VR技术主要应用领域包括军事地形、空间布局、虚拟建筑、工业仿真、医学模型、文物考古、实训教学、影视娱乐、虚拟农业等诸多方面,创新了人机交互模式。其具体工作原理如图1所示。

利用虚拟现实技术人们能够在虚拟的环境中,通过动态交互的方式对未来的建筑物进行全面审视,从不同的角度和距离观察场景,利用多种不同的运动模式来对路线进行浏览和控制,在漫游期间还能够实现不同方案的设计、不同环境效果的切换,这也是常规建筑效果图和三维动画无法实现的。

2 物流仓储布局设计的主要原则

2.1 契合物流仓储布局的设计特点

设计规划物流仓储布局前需综合评估实际需求以及相关成本,充分考虑工具、货量以及空间等诸多因素。从仿真层面而言,虚拟操作要与实际操作相符合,尤其在物流仓储布局设计方面需要格外注意,具体应从以下几个方面着手:首先是物流运输各环节设施装备,主要包括堆场、搬运工具、托盘以及货架等,同时需考虑物流企业的客户群体特征、业务发展规模以及服务专业程度之间存在的联系。其次是仓储所需空间的大小,其中包括各单元基本空间的要求与单元之间联系附加空间的要求;此外,还需分析特殊货物库存对空间的实际需求,并根据实际情况对空间进行适当的调整。然后是单元属性,尤其是基本面积与单元平面几何图形。最后是各单元在设施范围中的绝对位置和相对位置,充分考虑各个环节的运输成本及搬运工具在部分区域的适当使用。

2.2 符合物流仓储布局外形的设计要求

物流仓储布局设计与空间规划须依据物流仓储空间的现实条件及实际要求进行。实践中,物流仓储设施(物流中心、仓库、配送点等)的外形一般会被设计成长方形;同时,相关总成本的对比和计算表明,仓库站台外形设计宜选择正方形;并且,为了最大程度上节约相关成本和增强其经济性,需将站台位置设计在仓库中间点。

2.3 结合物流仓库模型的建立

设计物流仓储布局时需深入分析仓库的库容大小以及仓库模型之间的联系,由于仓储设施的库容与单位货物的重量、体积、货流量等变量存在密切的关系,在此情况下,需充分考虑物流仓储的实际运作流程以及仓库的容量及需求量;其中,在确定仓库容量及需求量时,需充分考虑存货堆码高度、月销量以及库存周转率等相关因素,并根据实际情况确定库存容量需求量[5]。

3 基于VR应用的物流仓储布局设计初探

3.1 三维模拟语言的应用

当前VR在仿真三维虚拟领域中的应用日益普及,是一种以问题为核心的、非顺序性、较高级的计算机虚拟技术;三维仿真虚拟中应用VR技术时,使用者不需要对高级的编程语言精通了解,就可以使用习惯性的表达方式对三维虚拟模型进行描述,在此情况下,则需要将更多的精力投入到计算机模拟的应用研究当中,本文主要以OpenGL语言的研究为例进行阐述。

OpenGL语言是常用的计算机三维模拟语言,当前较广泛地应用在Windows程序功能方面,其在三维建模软件中的应用尤其常见;对方程视觉化加以应用的Basic Script,能使用户的相关操作更为规范,并逐渐提高操作界面的规范化程度,不断提高产品的灵活性。

3.2 基于VR的物流仓储布局距离计算模型

在三维建模当中,最小二乘影像匹配法是精度最高的匹配方法,可作为物流仓储布局设计过程中有效计算关键距离的方法,在实际影像和参考模板(给定特征模式)之间进行最小二乘影像匹配,实现高精度提取目标。

在实际工作过程中,基于物流仓储布局设计的合理性标准——灰度差平方和最小化,对物流布局内部影像匹配可用∑vv=min进行表示,若存在误差则可用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。此公式也表明实际影像当中相对应点灰度值与模板中各点灰度值和一致,但因存在噪声,在实际图像中无法实现两者之间的完全一致性,导致影像匹配存在一定的误差,从而产生匹配影像误差方程。

(1)物流仓储布局内部直线段所符合的核线约束。核线约束对于立体匹配而言具有重要作用,尤其是在点特征匹配中,需要保证左图像点能够在右图当中对应一条直线。在使用核线约束的过程中,可以使用点匹配二维搜索问题,并向一维空间进行转换,降低其计算量[6]。(2)灰度与几何的相似性约束。在对直线匹配进行判断时,要对直线的相似性特征进行相似的了解。灰度与集合的相似性特征主要包括以下几个方面:一是直线边梯度幅度,二是直线边梯度方向,如果图像二者的相应投影具有相同的方向,则物流仓储布局空间某条边与z轴相互垂直,所以评价相似性以夹角余弦而不是夹角为准则具有更强的合理性。三是直线边相同像面投影的长度,将左右像面匹配的直线投影在相同的像面中呈现,且使得两组直线段的方向保持一致,投影的长度具有明显的一致性[7]。(3)唯一性约束。图像中的各直线特征在另一图像中仅对应位移直线特征。(4)匹配直线段上配准角点对应空间点的视差连续性约束。在左图像和右图像中匹配的直线段对应一条空间直线,所以匹配角点所对应的空间点也一定处于相同的空间直线之上,根据这一约束可有效优化物流仓储布局空间匹配直线段,同时有效降低匹配错误率。(5)仓储布局空间的角点类型与位置具有相似性。角点的顺序与位置表明沿直线方向的相似性,角点邻域的灰度相关可使匹配准确度进一步提升,角点的类型表明直线段与邻近直线段的结构关系,通过此种局部结构约束可以有效降低匹配的错误率。

图1 虚拟现实技术工作原理Fig.1 How virtual reality technology works

3.3 物流仓储布局虚拟仿真

一方面,基于Canny算子对物流仓储布局的影像进行有针对性的边缘测试。在Hough检测得到边缘之后完成变换,得出直线提取结果,并将原有的图像与直线提取结果进行叠加。另一方面,在Matlad中采取直线拟合的方式,采用半自动匹配直线,得出直线拟合匹配结果,并结合虚拟仿真效果,科学合理地进行物流仓储布局设计[8]。

4 结语

物流系统受外界、市场环境的影响明显,且一直处于动态变化当中,难以准确预测客户订货量、市场需求量,其对物流仓储空间规划及布局设计的要求也存在较强的不确定性,加上物流仓储设施结构复杂、投资与规模较大,从而使空间布局设计的试验难以直接在实体系统上开展。本研究基于VR应用提出一种物流仓储布局的规划设计方法,结合物流仓储布局设计的基本原则,分析物流仓储布局距离计算模型,探索物流仓储布局的仿真展现,实现随需求变化的布局设计动态调整与成本节约,从而促进物流仓储管理绩效的持续提升。