虚拟现实技术在配送中心设计中的应用
发布时间：2015-07-08 09:20
[ 论文 关键词]配送中心虚拟现实automod
[论文摘要]配送中心是 企业 生产和流通领域以及整个供应链的一个重要组成部分，物流合理化是提高供应链生产率最重要的方法之一。对配送中心的设计和仿真的研究，也日益受到人们的重视。本文主要介绍了以automod为代表的虚拟现实技术在配送中心设计中的应用。
1．引言
配送中心是对货物进行储存、保管的重要场所，是构成整条供应链和物流 网络 的重要环节，在 现代 城市和企业物流体系中发挥着非常重要的作用。配送中心设计不合理，不仅会影响企业的物流效率，增加企业的运营成本，而且会加重社会的运行成本，导致资源利用效率的下降。因此，对配送中心进行 科学 、合理的设计是增强企业竞争力的关键环节。配送中心设计具体指通过对货物种类、存储量、周转率以及相关数据的分析，确定配送中心的类型和面积、所需的作业区面积和相对位置、所需的人员人数和设备型号与数量。配送中心设计的最终目标是有效利用空间、设备、人员和能源，最大限度地减少物料搬运和缩短作业流程，实现进货、储存、拣货、出货四个主要功能协调配合，以提高运营效率，降低物流成本。
配送中心物流系统的设备及人员的配置、场地布局评价、工程计划以及物流系统工艺的设计论证是一个空间、时间与随机变量交错的复杂课题，难以用方程式或简单的表达式来解决。并且随着物流行业生产自动化水平的不断提高，物流系统越来越复杂，生产节奏越来越快，管理者对生产改进的每一决策，都需谨慎考虑。决策不当，往往需要付出高昂的代价。传统的配送中心设计方法主要是基于二维的设计模式，设计者通常以绘制建筑的平、立、剖面图作为设计过程中的主要手段，对于方案的思考、推敲也更多的是在二维平面内进行草图的修改。直到以3dmax为代表的三维建模软件在建筑设计中的应用，标志着建筑设计进入了三维的时代。但是无论是二维建筑效果图还是三维建筑效果图，只能提供静态局部的视觉体验，不具备实时的交互性，不能有效预知设计的不合理性。正是由于物流系统的复杂性、快节奏和柔性，要想预测每一个决策给系统带来的后果，已经是人的火脑无法胜任的了。虚拟现实技术正是弥补了这一不足，不仪成为物流系统管理者的有用工具，而且成为配送中心设计人员的得力助手。
2．虚拟现实技术概况
虚拟现实(virtualreality，简称vr)一词是80年代初美国vpl公司的创建人之一jaronlanier提出来的，当时主要应用于美国宇航局和国防部。虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的 计算 机系统，它是借助计算机技术及传感装置所创建的一种崭新的模拟环境。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。一个好的虚拟现实环境是由计算机图形学、图像处理、模式识别、多传感器、语音处理、网络等技术所构成的大型综合集成系统环境。
虚拟现实技术具有以下特征：
(1)多感知性(multi．sensory)——所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
(2)浸没感(immersion)——又称i临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样，典型的系统为虚拟现实大屏幕立体投影系统。
(3)交互性(interactivity)——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的 自然 程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
(4)构想性(imagination)——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，而且可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
根据用户参与虚拟现实系统的形式及沉浸的不同程度，虚拟现实系统可以分为四类：桌面虚拟现实系统、沉浸虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统、增强现实系统或混合现实系统。
在虚拟现实技术应用中，人们能够在一个虚拟的三维环境，用动态交互的方式对未来的建筑物进行身临其境的全方位审视，可以从任意角度和距离观察场景，可以选择切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞行等，并可以自由控制浏览路线，并且在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较，这是传统的建筑效果图与三维动画所无法达到的。
3．虚拟现实技术在配送中心设计上的实现方法
虚拟现实技术在配送中心设计上的实现就是利用三维建模技术，构建现实世界中配送中心的三维场景并通过一定的软件环境驱动整个三维场景，响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应，并在三维环境中显示出来。虚拟现实技术的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术等。该技术的实现可分为硬件系统和软件系统。
3．1虚拟现实硬件系统
简单的虚拟现实系统不需要太多复杂的设备，只要具有输入、输出功能的设备即可，简单的计算机桌面互动系统就可以构成一个简单的桌面虚拟现实系统。如果要充分实现虚拟现实系统带来的多感知性、浸没感、交互性和构想性，就需要专业的信息输入、输出设备，信息输入设备包括键盘、鼠标、数据手套、力反馈方向盘、手柄等，信息输出设备包括高性能显示器适配器、单通道或多通道投影仪、立体眼镜、头盔显示器等。
3．2虚拟现实软件系统
建立可视化三维模型从技术实现上可以分为三个步骤：第一步为几何建模，主要建立所需三维场景的几何构型；第二步为形象建模(也称物理建模)，主要对几何建模的结果进行材质、颜色、光照等处理；第三部为行为建模，主要处理物体的运动和行为描述。目前，用于建立可视化三维模型的物流系统仿真软件主要有automod、flexsim等仿真软件，现主要介绍automod仿真软件。
automod是由美国brookautomation公司开发的产品，它是目前市面上比较成熟的三维离散性事件仿真软件，广泛应用于制造系统、仓储系统、物流处理、 企业 内部物流、港口、车站、配送中心，以及控制系统等的仿真分析、评价和优化设计等。automod主要包括了四大模块：automod模块、autostat模块、autoview模块以及一些辅助模块。
automod模块提供给用户一系列的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化系统，该模块主要包括输送机模块(辊道、链式)，自动化存取系统(立体仓库、堆垛机)，基于路径的移动设备(agv等)，起重机模块等，用户可以选择适当的模块组建自己的相应模型。autostat模块为仿真项目提供增强的统计分析工具，由用户定义测量和实验的标准，自动在automod的模型上执行统计分析。主要特点是：基于 发展 策略运算法则的最优化分析，多cpu并行 计算 等。其仿真结果输出形式有多种，如表格、饼图、曲线和数据文件等。autoview模块可以允许用户通过automod模型定义场景和摄像机的移动，产生高质量的avi格式的动画。用户可以缩放或者平移视图，或使摄像机跟踪一个物体的移动，如叉车或托盘的运动。该模块可以提供动态的场景描述和灵活的显示方式。automod辅助模块包括模型间通讯模块、三维图形生成模块等等，通过这些模块运用可以实现一些特殊功能。例如，通过mcm模块，automod可以实现半实物仿真。
应用automod进行建模，首先从系统层定义模型所包含的子模型，然后在每个子系统内部定义或者声明实体，再编辑实体的属性，包括图形等等，并对物理单元进行布局设置，最后编写资源文件，控制整个仿真模型的运行逻辑。应用automod进行仿真分析，一般说来主要有以下几个步骤
(1)建立模型文件夹，定义模型的名称；
(2)建立模型的子系统，绘制子系统模型，例如对配送中心的仿真，要建立自动化立体仓库、输送系统(conveyor)系统等等；
(3)创建process系统中的资源(resources)、载体(1oads)、队列(queues)等单元，导入相应的3d模型；
(4)定义prates：主系统和其他子系统的实体单元和逻辑单元以及属性；
(5)编写资源文件，即编写系统控制程序；
(6)定义模型控制、输出等事项；
(7)运行模型，确认校正模型；
(8)分析、优化模型。
4．结语
在配送中心设计中应用虚拟现实技术，不仅可以形成直观立体的三维仿真动画，避免了建立物理试验模拟系统的投资，减少了设计成本，而且可以通过计算机技术进行精确计算和验证分析物流系统的生产量，确定瓶颈位置，报告资源利用率，从而校验物流系统设计的合理性，提高系统方案的可行性和 科学 性。虚拟现实技术必将在今后配送中心的设计中发挥着越来越重要的作用。
[ 参考 文献 ]
[1]陈萌三，吴群琪．我国发展物流业切入点的思考[j]． 交通 运输工程学报，2001，(3)．
[2]朱宁克，邹越．虚拟现实技术在建筑设计中的应用．北京建筑工程学院学报，2008，(3)．
[论文摘要]配送中心是 企业 生产和流通领域以及整个供应链的一个重要组成部分，物流合理化是提高供应链生产率最重要的方法之一。对配送中心的设计和仿真的研究，也日益受到人们的重视。本文主要介绍了以automod为代表的虚拟现实技术在配送中心设计中的应用。
1．引言
配送中心是对货物进行储存、保管的重要场所，是构成整条供应链和物流 网络 的重要环节，在 现代 城市和企业物流体系中发挥着非常重要的作用。配送中心设计不合理，不仅会影响企业的物流效率，增加企业的运营成本，而且会加重社会的运行成本，导致资源利用效率的下降。因此，对配送中心进行 科学 、合理的设计是增强企业竞争力的关键环节。配送中心设计具体指通过对货物种类、存储量、周转率以及相关数据的分析，确定配送中心的类型和面积、所需的作业区面积和相对位置、所需的人员人数和设备型号与数量。配送中心设计的最终目标是有效利用空间、设备、人员和能源，最大限度地减少物料搬运和缩短作业流程，实现进货、储存、拣货、出货四个主要功能协调配合，以提高运营效率，降低物流成本。
配送中心物流系统的设备及人员的配置、场地布局评价、工程计划以及物流系统工艺的设计论证是一个空间、时间与随机变量交错的复杂课题，难以用方程式或简单的表达式来解决。并且随着物流行业生产自动化水平的不断提高，物流系统越来越复杂，生产节奏越来越快，管理者对生产改进的每一决策，都需谨慎考虑。决策不当，往往需要付出高昂的代价。传统的配送中心设计方法主要是基于二维的设计模式，设计者通常以绘制建筑的平、立、剖面图作为设计过程中的主要手段，对于方案的思考、推敲也更多的是在二维平面内进行草图的修改。直到以3dmax为代表的三维建模软件在建筑设计中的应用，标志着建筑设计进入了三维的时代。但是无论是二维建筑效果图还是三维建筑效果图，只能提供静态局部的视觉体验，不具备实时的交互性，不能有效预知设计的不合理性。正是由于物流系统的复杂性、快节奏和柔性，要想预测每一个决策给系统带来的后果，已经是人的火脑无法胜任的了。虚拟现实技术正是弥补了这一不足，不仪成为物流系统管理者的有用工具，而且成为配送中心设计人员的得力助手。
2．虚拟现实技术概况
虚拟现实(virtualreality，简称vr)一词是80年代初美国vpl公司的创建人之一jaronlanier提出来的，当时主要应用于美国宇航局和国防部。虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的 计算 机系统，它是借助计算机技术及传感装置所创建的一种崭新的模拟环境。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。一个好的虚拟现实环境是由计算机图形学、图像处理、模式识别、多传感器、语音处理、网络等技术所构成的大型综合集成系统环境。
虚拟现实技术具有以下特征：
(1)多感知性(multi．sensory)——所谓多感知是指除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有一切人所具有的感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。
(2)浸没感(immersion)——又称i临场感，指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，甚至闻起来、尝起来等一切感觉都是真的，如同在现实世界中的感觉一样，典型的系统为虚拟现实大屏幕立体投影系统。
(3)交互性(interactivity)——指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的 自然 程度(包括实时性)。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，这时手有握着东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。
(4)构想性(imagination)——强调虚拟现实技术应具有广阔的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，而且可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。
根据用户参与虚拟现实系统的形式及沉浸的不同程度，虚拟现实系统可以分为四类：桌面虚拟现实系统、沉浸虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统、增强现实系统或混合现实系统。
在虚拟现实技术应用中，人们能够在一个虚拟的三维环境，用动态交互的方式对未来的建筑物进行身临其境的全方位审视，可以从任意角度和距离观察场景，可以选择切换多种运动模式，如行走、驾驶、飞行等，并可以自由控制浏览路线，并且在漫游过程中，还可以实现多种设计方案、多种环境效果的实时切换比较，这是传统的建筑效果图与三维动画所无法达到的。
3．虚拟现实技术在配送中心设计上的实现方法
虚拟现实技术在配送中心设计上的实现就是利用三维建模技术，构建现实世界中配送中心的三维场景并通过一定的软件环境驱动整个三维场景，响应用户的输入，根据用户的不同动作做出相应的反应，并在三维环境中显示出来。虚拟现实技术的关键技术主要有动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术等。该技术的实现可分为硬件系统和软件系统。
3．1虚拟现实硬件系统
简单的虚拟现实系统不需要太多复杂的设备，只要具有输入、输出功能的设备即可，简单的计算机桌面互动系统就可以构成一个简单的桌面虚拟现实系统。如果要充分实现虚拟现实系统带来的多感知性、浸没感、交互性和构想性，就需要专业的信息输入、输出设备，信息输入设备包括键盘、鼠标、数据手套、力反馈方向盘、手柄等，信息输出设备包括高性能显示器适配器、单通道或多通道投影仪、立体眼镜、头盔显示器等。
建立可视化三维模型从技术实现上可以分为三个步骤：第一步为几何建模，主要建立所需三维场景的几何构型；第二步为形象建模(也称物理建模)，主要对几何建模的结果进行材质、颜色、光照等处理；第三部为行为建模，主要处理物体的运动和行为描述。目前，用于建立可视化三维模型的物流系统仿真软件主要有automod、flexsim等仿真软件，现主要介绍automod仿真软件。
automod是由美国brookautomation公司开发的产品，它是目前市面上比较成熟的三维离散性事件仿真软件，广泛应用于制造系统、仓储系统、物流处理、 企业 内部物流、港口、车站、配送中心，以及控制系统等的仿真分析、评价和优化设计等。automod主要包括了四大模块：automod模块、autostat模块、autoview模块以及一些辅助模块。
automod模块提供给用户一系列的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化系统，该模块主要包括输送机模块(辊道、链式)，自动化存取系统(立体仓库、堆垛机)，基于路径的移动设备(agv等)，起重机模块等，用户可以选择适当的模块组建自己的相应模型。autostat模块为仿真项目提供增强的统计分析工具，由用户定义测量和实验的标准，自动在automod的模型上执行统计分析。主要特点是：基于 发展 策略运算法则的最优化分析，多cpu并行 计算 等。其仿真结果输出形式有多种，如表格、饼图、曲线和数据文件等。autoview模块可以允许用户通过automod模型定义场景和摄像机的移动，产生高质量的avi格式的动画。用户可以缩放或者平移视图，或使摄像机跟踪一个物体的移动，如叉车或托盘的运动。该模块可以提供动态的场景描述和灵活的显示方式。automod辅助模块包括模型间通讯模块、三维图形生成模块等等，通过这些模块运用可以实现一些特殊功能。例如，通过mcm模块，automod可以实现半实物仿真。
应用automod进行建模，首先从系统层定义模型所包含的子模型，然后在每个子系统内部定义或者声明实体，再编辑实体的属性，包括图形等等，并对物理单元进行布局设置，最后编写资源文件，控制整个仿真模型的运行逻辑。应用automod进行仿真分析，一般说来主要有以下几个步骤
(1)建立模型文件夹，定义模型的名称；
(2)建立模型的子系统，绘制子系统模型，例如对配送中心的仿真，要建立自动化立体仓库、输送系统(conveyor)系统等等；
(3)创建process系统中的资源(resources)、载体(1oads)、队列(queues)等单元，导入相应的3d模型；
(4)定义prates：主系统和其他子系统的实体单元和逻辑单元以及属性；
(5)编写资源文件，即编写系统控制程序；
(6)定义模型控制、输出等事项；
(7)运行模型，确认校正模型；
(8)分析、优化模型。
4．结语
在配送中心设计中应用虚拟现实技术，不仅可以形成直观立体的三维仿真动画，避免了建立物理试验模拟系统的投资，减少了设计成本，而且可以通过计算机技术进行精确计算和验证分析物流系统的生产量，确定瓶颈位置，报告资源利用率，从而校验物流系统设计的合理性，提高系统方案的可行性和 科学 性。虚拟现实技术必将在今后配送中心的设计中发挥着越来越重要的作用。
[ 参考 文献 ]
[1]陈萌三，吴群琪．我国发展物流业切入点的思考[j]． 交通 运输工程学报，2001，(3)．
[2]朱宁克，邹越．虚拟现实技术在建筑设计中的应用．北京建筑工程学院学报，2008，(3)．