倉(cāng)儲(chǔ)仿真三維圖元管理平臺(tái)

張世辰，張翔立，黃金國(guó)

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 工業(yè)工程系，湖北 武漢 430074）

計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系統(tǒng)控制的人的思維過(guò)程和行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)地模仿，進(jìn)而得出數(shù)量指標(biāo)，為決策者提供有關(guān)這一過(guò)程或系統(tǒng)的定量分析結(jié)果，作為決策的理論依據(jù)。

以倉(cāng)庫(kù)仿真為例，倉(cāng)庫(kù)管理人員可實(shí)時(shí)掌握貨物信息，直觀地了解當(dāng)前倉(cāng)庫(kù)的狀態(tài)。相較于二維圖表，三維模型在仿真方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。三維的圖元需要有圖形用戶界面 GUI（Graphic User Interface）的支持，在Windows系統(tǒng)平臺(tái)上從事圖形用戶界面程序開(kāi)發(fā)的工具歷 經(jīng) 了 Win32-＞MFC （及 同 類 產(chǎn) 品 ）-＞ActiveX/COM/Visual Basic-＞W(wǎng)indows Forms的變遷，從 2007年開(kāi)始微軟推出了新一代GUI開(kāi)發(fā)工具WindowsPresentation Foundation，并把它作為未來(lái)十年Windows平臺(tái)GUI開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)思想

1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)

在倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)中，包括入庫(kù)臺(tái)、傳送帶、叉車(chē)、堆垛機(jī)、AVG小車(chē)、貨架、貨物、緩沖區(qū)臨時(shí)堆場(chǎng)等資源。倉(cāng)儲(chǔ)仿真應(yīng)用既需要展現(xiàn)實(shí)際倉(cāng)庫(kù)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)信息（例如：堆垛機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，貨架上是否有貨物，當(dāng)前入庫(kù)、出庫(kù)的貨物）；也要能夠顯示倉(cāng)庫(kù)的靜態(tài)信息（例如貨物的數(shù)量信息、供應(yīng)商/客戶信息等）。因此，仿真應(yīng)用的圖元不僅僅包含要顯示的模型信息，從面向?qū)ο蟮慕嵌纫褢?yīng)用中的圖元對(duì)象化，增加相應(yīng)的屬性使之能夠描述現(xiàn)實(shí)中的倉(cāng)庫(kù)資源[1]。

開(kāi)發(fā)仿真應(yīng)用首先需要?jiǎng)?chuàng)建圖元，一般通過(guò)三維軟件建模獲得，根據(jù)圖形用戶界面——GUI的標(biāo)準(zhǔn)不同，直接使用或者進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成符合要求的圖元文件，此時(shí)的圖元只具有幾何信息，為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中的功能，還需要增加相應(yīng)的屬性，使之成為一個(gè)完整的圖元對(duì)象，得到所有圖元對(duì)象后需要設(shè)置每個(gè)模型的位置，即完成場(chǎng)景布置。完成這些步驟往往需要多個(gè)工具的參與，工具的切換增加了開(kāi)發(fā)的繁瑣，更重要的是這些步驟中缺乏對(duì)已有圖元的管理，對(duì)于一些相似的圖元，重復(fù)制作浪費(fèi)時(shí)間和精力，故需要將這些圖元管理起來(lái)，建立圖元庫(kù)。因此，本文提出的平臺(tái)模型將這些步驟封裝成相應(yīng)模塊，并與其他模塊聯(lián)合簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)步驟。

1.2 平臺(tái)的功能分析

仿真圖元的加載。單獨(dú)開(kāi)發(fā)出繪圖模塊工作量較大，現(xiàn)有的三維軟件造型功能已十分完整，并能支持如obj等中間圖形文件，使用三維軟件（pro/e、SolidWorks、3DMax等）創(chuàng)建圖元，生成的圖形文件需要由平臺(tái)的相應(yīng)模塊將其轉(zhuǎn)換為平臺(tái)可用圖元。

仿真圖元的對(duì)象化。被模擬的對(duì)象除了幾何信息外，應(yīng)具有很多特有的屬性，比如貨物的基本信息，因此平臺(tái)中需要?jiǎng)?chuàng)建圖元對(duì)象，使之更貼近現(xiàn)實(shí)倉(cāng)儲(chǔ)資源。

仿真圖元對(duì)象的編輯與管理。平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)圖元對(duì)象的存儲(chǔ)及屬性修改以滿足相似圖元的重復(fù)利用提高開(kāi)發(fā)效率，對(duì)于已保存的圖元，平臺(tái)也需要提供基本管理的功能模塊[2]。

圖元輸出功能，平臺(tái)的最終目的是為倉(cāng)儲(chǔ)仿真應(yīng)用提供圖元，因此需要輸出完整的圖元文件。該圖元文件中包含了圖元的幾何信息確保模型的準(zhǔn)確外形；包含了坐標(biāo)屬性使模型顯示在場(chǎng)景的正確位置；包含圖元的屬性定義，使圖元對(duì)象攜帶現(xiàn)實(shí)倉(cāng)庫(kù)中資源的信息。

2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)及模塊分析

2.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)采用典型的三層架構(gòu)，圖1是平臺(tái)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表示層負(fù)責(zé)把仿真數(shù)據(jù)和操作工具展示給用戶。在該平臺(tái)中，表示層的主要作用是顯示三維模型，提供屬性的可視化編輯等工具，管理數(shù)據(jù)層的圖元。

業(yè)務(wù)邏輯層中需要實(shí)現(xiàn)表示層中各個(gè)工具的功能，為表示層展現(xiàn)的場(chǎng)景提供模型數(shù)據(jù)，調(diào)用和處理數(shù)據(jù)層的圖元信息。

數(shù)據(jù)層使用數(shù)據(jù)庫(kù)軟件來(lái)保存三維圖元的屬性信息，圖元對(duì)象是在程序運(yùn)行的時(shí)候創(chuàng)建出來(lái)的，保存圖元對(duì)象就是將圖元對(duì)象的所有屬性保存數(shù)據(jù)庫(kù)表中，通過(guò)相應(yīng)模塊能夠?qū)⑦@些信息快速還原為圖元對(duì)象，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)操作，能夠修改表中圖元的屬性信息，提高幾何相似圖元的利用率。

圖1 平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 模塊分析

邏輯層是平臺(tái)的核心層，參照?qǐng)D1平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，邏輯層按照功能分為4個(gè)模塊[3]。

（1）圖元加載模塊

圖元加載工具調(diào)用加載模塊的相應(yīng)功能加載圖元，圖元的加載有兩種方式：一種是從外部導(dǎo)入三維圖形軟件生成的中間文件，并將其轉(zhuǎn)換為平臺(tái)可用的圖元；另一種方式是從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取保存的圖元。加載模塊將圖元的幾何信息傳遞給圖元對(duì)象模塊。

（2）圖元對(duì)象生成模塊

該模塊生成一個(gè)圖元對(duì)象，此對(duì)象的幾何屬性來(lái)自圖元加載模塊，同時(shí)將幾何信息顯示于表示層場(chǎng)景中，此時(shí)的對(duì)象只具有幾何屬性，只能在場(chǎng)景中顯示，不能承載信息，故還需要使用圖元編輯模塊完成屬性編輯。

（3）圖元屬性編輯模塊

表示層的屬性編輯工具調(diào)用屬性編輯模塊的相應(yīng)功能對(duì)前一模塊生成的圖元對(duì)象進(jìn)行屬性的創(chuàng)建和編輯，完成屬性編輯的圖元對(duì)象存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（4）圖元管理模塊

此模塊的作用主要有兩個(gè)：對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖元進(jìn)行管理，比如圖元的刪除、重命名、以及部分屬性的直接修改；圖元的輸出，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖元對(duì)象輸出，為脫離本平臺(tái)的仿真應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供可用圖元。

3 平臺(tái)的關(guān)鍵模塊實(shí)現(xiàn)

3.1 圖元加載模塊

XAML是WPF技術(shù)中專門(mén)用于設(shè)計(jì) UI的語(yǔ)言，用ViewPort3D標(biāo)簽定義一個(gè)三維場(chǎng)景，其中幾何信息定義在標(biāo)記＜GeometryModel3D.Geometry＞的子標(biāo)記＜MeshGeometry3D＞中，其中主要由 Positions、TriangleIndices這兩個(gè)屬性決定模型的形狀，Positions屬性的值為一系列點(diǎn)的三維坐標(biāo)，每3個(gè)點(diǎn)構(gòu)成1個(gè)三角形面作為構(gòu)成模型表面的最小單元，Positions屬性中按照3個(gè)坐標(biāo)一組，分別對(duì)應(yīng)第 i個(gè)點(diǎn)（i=0，1，2，3，…），TriangleIndices屬性保存Positions中點(diǎn)的索引i，每3個(gè)索引為一組，構(gòu)成1個(gè)三角形面，簡(jiǎn)單的三維模型表面分割成三角形時(shí)，Positions的點(diǎn)坐標(biāo)及 TriangleIndices中索引的數(shù)量不多，但遇到稍微復(fù)雜的圖元，此時(shí)Positions中的點(diǎn)以及TriangleIndices中索引的數(shù)量將大大增加。這將大大增加X(jué)AML代碼的篇幅。

obj文件作為大多數(shù)三維軟件支持的輸出文件，包含了模型的全部幾何信息。obj文件定義三維模型的方式與positions屬性不同，不能直接使用，在WPF中使用展現(xiàn)三維模型通常需要使用微軟提供的Blend軟件的圖形導(dǎo)入功能，使用Blend軟件在WPF項(xiàng)目中導(dǎo)入obj文件就是按照上文描述的這種規(guī)則將表面劃分成很多的三角形，并將三角形的頂點(diǎn)坐標(biāo)按照指定的規(guī)則寫(xiě)入Positions屬性中，造成XAML代碼的大量增加[4]。因此在Blend中加載obj文件的方式并不理想。

由于Positions屬性中點(diǎn)的坐標(biāo)冗長(zhǎng)，通過(guò)改變坐標(biāo)達(dá)到改變模型形狀或位置的做法并不可取，通過(guò)三維軟件重新編輯obj文件相對(duì)方便，因此完全可以將Positions及TriangleIndices的屬性賦值放在邏輯層完成。在平臺(tái)界面上通過(guò)圖元加載工具通過(guò)文件對(duì)話框選擇相應(yīng)的obj文件，此時(shí)加載模塊調(diào)用轉(zhuǎn)換功能將obj文件的幾何信息提取，生成一系列點(diǎn)的坐標(biāo)，在邏輯層將這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)添加到Positions屬性中，這樣在XAML代碼中就避免了加入ModelVisual3D標(biāo)簽，這種方式既保留了Blend軟件加載obj文件的方便性又減少了XAML代碼的篇幅，使其便于維護(hù)。

3.2 圖元對(duì)象生成模塊

obj文件中的幾何信息被轉(zhuǎn)換為符合Positions屬性值規(guī)則的點(diǎn)的集合后賦給GeometryModel3D的Geometry屬性，并將此GeometryModel3D對(duì)象賦給ModelVisual3D對(duì)象的Content屬性，該ModelVisual3D對(duì)象將被添加到一個(gè)繼承自ModelVisual3D的ModelVisual3DWithName類的Children屬性中。Viewport3D對(duì)象的Children屬性添加ModelVisual3D類型對(duì)象。此時(shí)完成了一個(gè)圖元對(duì)象的創(chuàng)建，此對(duì)象只包含幾何信息等一些內(nèi)置屬性，再設(shè)置好相機(jī)、光線等屬性即可顯示三維模型。

3.3 圖元屬性編輯模塊

（1）內(nèi)置屬性的編輯

內(nèi)置屬性主要包含位置信息、顏色信息。位置信息只反映出了模型的空間坐標(biāo)及姿態(tài)，ModelVisual3D對(duì)象中通過(guò)Transform屬性來(lái)改變模型的位置屬性、旋轉(zhuǎn)屬性、放縮屬性；GeometryModel3D.Meterial屬性表示模型的材質(zhì)屬性。

Transform屬性值是Transform類型，TranslateTransform3D繼承自Transform類，TranslateTransform3D類有3個(gè)表示位置信息的屬性O(shè)ffsetX、OffsetY、OffsetZ。每個(gè)都有相應(yīng)的依賴屬性：OffsetXProperty、OffsetYProperty、OffsetZProperty。依賴屬性就是一種可以自己沒(méi)有值，并能夠通過(guò)Binding從數(shù)據(jù)源獲得值的屬性[5]。因此可以將模型的依賴屬性O(shè)ffsetXProperty等屬性綁定到界面上Slider（滾動(dòng)條）控件的Value屬性，這樣就可以控制模型的位置。自定義的圖元對(duì)象ModelVisual3DWithName有一個(gè)location屬性，表示模型固定點(diǎn)的空間坐標(biāo)，該點(diǎn)為模型邊界立方體的固定頂點(diǎn)[5]。通過(guò)該點(diǎn)的坐標(biāo)，可以確定模型的空間位置，進(jìn)而確定模型間的相對(duì)位置。其余內(nèi)置屬性的編輯方式可以參照上述過(guò)程。

（2）自定義屬性的編輯

ModelVisual3D對(duì)象擁有最基本的三維模型的屬性，比如上文提到的顏色、位置等屬性。但在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的模型還需要用到一些自定義屬性。比如說(shuō)貨物的重量屬性、生產(chǎn)日期屬性、客戶屬性等。

自定義的屬性是某個(gè)圖元所特有的屬性，不必要為所有圖元對(duì)象都加上這樣的屬性否則會(huì)在應(yīng)用程序中產(chǎn)生一些不必要的內(nèi)存空間浪費(fèi)，于是在本模塊中只將自定義的屬性保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中[6]，并與特定的圖元對(duì)象相關(guān)聯(lián)。將自定義的屬性添加到圖元對(duì)象這一步驟在下一模塊中完成。

3.4 圖元管理模塊

圖元管理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中已有圖元數(shù)據(jù)的管理?？梢詣h除圖元，修改圖元的部分屬性信息。對(duì)于需要輸出的圖元，為了實(shí)現(xiàn)其自定義屬性，平臺(tái)通過(guò)動(dòng)態(tài)代碼為每個(gè)圖元定制一個(gè)類型。該類型繼承自ModelVisual3D類，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖元信息添加自定義的CLR屬性或依賴屬性，最終將動(dòng)態(tài)編譯成.dll文件保存。

在應(yīng)用中，只需要引入所需圖元對(duì)象的.dll文件及名稱空間并實(shí)例化該類就可以得到圖元對(duì)象?？梢酝ㄟ^(guò)該對(duì)象的CLR屬性獲得自定義的屬性信息，將依賴屬性綁定到相應(yīng)的數(shù)據(jù)源，或者將此類型作為父類型，擴(kuò)展方法、事件等操作。

4 已完成模塊的測(cè)試

以一個(gè)鋼卷倉(cāng)庫(kù)為例，使用該平臺(tái)布置倉(cāng)庫(kù)場(chǎng)景。首先用Pro/e軟件做出三維模型：立柱、橫梁、鋼索、鋼卷、抓手。并導(dǎo)出各個(gè)模型的obj文件。通過(guò)平臺(tái)圖元加載模塊加載這些obj文件，通過(guò)圖元生成模塊生成圖元對(duì)象，顯示場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 場(chǎng)景顯示

使用平臺(tái)的屬性編輯模塊調(diào)整各模型的相對(duì)位置及各個(gè)模型的材質(zhì)，并將圖元信息保存，再使用圖元管理模塊導(dǎo)出dll文件。在新的WPF項(xiàng)目中引用dll及相應(yīng)名稱空間，實(shí)例化各個(gè)圖元及場(chǎng)景，效果如圖3所示：布置好場(chǎng)景后后臺(tái)可以控制場(chǎng)景中的每一個(gè)模型，獲得圖元屬性，根據(jù)邏輯需求實(shí)現(xiàn)模型的仿真動(dòng)作。

圖3 完成布置后的場(chǎng)景

本文提出了一個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)仿真及三維圖元管理平臺(tái)的模型，并在WPF下實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)關(guān)鍵模塊，通過(guò)對(duì)平臺(tái)模塊的測(cè)試可以看出這些模塊可以簡(jiǎn)化倉(cāng)儲(chǔ)仿真的開(kāi)發(fā)步驟，提高相似圖元的利用率，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。后期任務(wù)：增加仿真模塊，即從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取指定場(chǎng)景的所有圖元，自動(dòng)完成場(chǎng)景布置，通過(guò)設(shè)定參數(shù)仿真場(chǎng)景，或者對(duì)于簡(jiǎn)單的項(xiàng)目直接將圖元相應(yīng)的屬性與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，以完成場(chǎng)景的實(shí)時(shí)仿真。

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