虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用

胡智博

（北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100005）

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)其實(shí)就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以創(chuàng)建一個(gè)虛擬的世界，用戶通過(guò)外部操作去體會(huì)這個(gè)虛擬世界，達(dá)到這種效果需要依靠傳感裝置和相關(guān)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，這是全新的模擬環(huán)境。這種技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生一種人為虛擬環(huán)境，而這種虛擬環(huán)境可以是一個(gè)由計(jì)算機(jī)圖形構(gòu)成的三維空間，具有以下幾個(gè)特征：一是多感知性，意思是即包括普通的視覺(jué)感知，新增加的感知有聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、運(yùn)動(dòng)這六種以及其他，主要是由傳感裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是浸沒(méi)感，就是臨場(chǎng)感，就是用戶處于模擬環(huán)境里時(shí)候?qū)@個(gè)環(huán)境的感覺(jué)，如果浸沒(méi)感較強(qiáng)的話，使用者會(huì)感到在系統(tǒng)中發(fā)生的一切事件都是真實(shí)存在的；三是交互性，即使用者所處模擬環(huán)境里的東西能不能被用戶隨意的操作已經(jīng)用戶看到的虛擬環(huán)境里的現(xiàn)象和現(xiàn)實(shí)里的相似度和區(qū)別，用戶體驗(yàn)的交互過(guò)程與真實(shí)環(huán)境中的交互過(guò)程差別越小，交互性越好；四是構(gòu)想性，也就是這個(gè)技術(shù)的想象范圍，它能夠?qū)⒂脩舻恼J(rèn)知區(qū)域擴(kuò)寬，這個(gè)虛擬環(huán)境即能夠以現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)去設(shè)計(jì)內(nèi)容，還能夠憑借想象構(gòu)建出任何可以想象得到、但是也只存在于想象中的環(huán)境，因此它可以讓人類不再局限于感知現(xiàn)實(shí)環(huán)境，而是在虛擬世界中獲得更加廣泛而新穎的體驗(yàn)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物流中的應(yīng)用

通過(guò)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，人們可以在一個(gè)虛擬的三維環(huán)境中用動(dòng)態(tài)交互的方式對(duì)實(shí)際工作時(shí)可能存在的環(huán)境進(jìn)行身臨其境的全方位體驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到無(wú)需實(shí)際操作即可上手的目的。物流方面，也存在著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)三維建模將現(xiàn)實(shí)存在的各種各樣的物流設(shè)備通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)建立起來(lái)，并通過(guò)三維虛擬環(huán)境來(lái)展現(xiàn)。采用這種培訓(xùn)模式可以讓學(xué)員在課堂上就能身臨其境的的感受到實(shí)際的生產(chǎn)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(jī)械模擬操作的系統(tǒng)有三個(gè)；計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)、控制電路、模擬駕駛臺(tái)。國(guó)內(nèi)第一臺(tái)同時(shí)存在裝載機(jī)、叉車的模擬培訓(xùn)教學(xué)儀，能夠達(dá)到50型裝載機(jī)與5噸叉車的實(shí)際的工作情況。這個(gè)設(shè)備表現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)幾大特征，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、足夠安全及模仿現(xiàn)實(shí)效果好，這些特征都可以吸引學(xué)生努力去學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)，然后提高自己的駕駛技術(shù)。為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候見(jiàn)到的教學(xué)用具和實(shí)際的車一樣，虛擬的駕駛臺(tái)全部設(shè)計(jì)和真車一模一樣，包括汽車配件，這樣即可以激起學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情同時(shí)也有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。學(xué)生試地操作時(shí)，雖然是利用計(jì)算機(jī)操作，但有著和真實(shí)操作一樣的感覺(jué)。而且這種教學(xué)的模式還可以方便老師了解學(xué)生的操作是否正確，如果不正確就可以馬上糾正。這個(gè)教學(xué)模式的好處特別多，甚至對(duì)于教學(xué)的成本也可以節(jié)約下來(lái)，因?yàn)樗抢糜?jì)算機(jī)操作區(qū)進(jìn)行教學(xué)的，并沒(méi)有實(shí)際的區(qū)操作機(jī)器、同時(shí)也避免了發(fā)生因?yàn)閷W(xué)生操作不熟悉而出現(xiàn)的的安全事故，保證了極高的教學(xué)質(zhì)量。因?yàn)榭萍嫉倪M(jìn)步，所以和物流工程機(jī)械相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在開(kāi)發(fā)和完善，新的虛擬操作系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)給相關(guān)培訓(xùn)工作做一個(gè)技術(shù)和設(shè)備上的支持，為高效率地培養(yǎng)出具備專業(yè)技能的人才奠定基礎(chǔ)。

而在物料搬運(yùn)領(lǐng)域，搬運(yùn)作業(yè)的某些特殊壞境更需要遠(yuǎn)程操作。在傳統(tǒng)的搬運(yùn)作業(yè)中，一般是員工在實(shí)際的工作區(qū)操作設(shè)備將物品進(jìn)行搬運(yùn)、裝卸。全部由人工進(jìn)行操控，工作效率及搬運(yùn)物品的水平受主觀因素影響，比如工作人員心情狀態(tài)、工作經(jīng)驗(yàn)、工作技能；一旦進(jìn)行作業(yè)的區(qū)域放置有毒、易燃、易爆物品時(shí)，工作人員自身的安全就會(huì)面臨威脅，這個(gè)時(shí)候的質(zhì)量和效率普遍比較低。如果想讓工作人員遠(yuǎn)離這種存在安全威脅的作業(yè)區(qū)域，就需要有一種可以取代人為作業(yè)的機(jī)器。因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境較特殊、作業(yè)難度加大，所以需要自動(dòng)化程度極高的機(jī)器人，這就需要花費(fèi)高昂的資金成本去進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究，并且對(duì)研發(fā)人才的要求也很高。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步能夠幫助我們解決由員工去完成危險(xiǎn)工作的難題。解決的辦法是把在計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器之中，就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)人工進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，讓工作人員在沒(méi)有安全隱患的地方完成危險(xiǎn)物料的搬運(yùn)。這種高科技出現(xiàn)有其現(xiàn)實(shí)需要，同時(shí)這個(gè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)也給建立新的完善的物流搬運(yùn)系統(tǒng)創(chuàng)造了技術(shù)基礎(chǔ)。

把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加入到物料搬運(yùn)機(jī)械系統(tǒng)里，其實(shí)就是把虛擬現(xiàn)實(shí)和遠(yuǎn)程操作這兩項(xiàng)技術(shù)綜合使用，這種技術(shù)與遙現(xiàn)技術(shù)類似，它是將人的感受器官延伸到遠(yuǎn)端，人的感覺(jué)能通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的I/O設(shè)備得到增強(qiáng)并產(chǎn)生臨場(chǎng)感。同時(shí)這一技術(shù)的三維圖形數(shù)據(jù)適用于低帶寬、大延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通訊，滿足普遍性技術(shù)的需要。

由于人可以遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)也可以完成作業(yè)，VR的遠(yuǎn)程操作技術(shù)特別是針對(duì)危險(xiǎn)的作業(yè)或者缺乏相關(guān)的專業(yè)人員的時(shí)候使用，尤其適用于航空、航天、航海、醫(yī)學(xué)外科等領(lǐng)域，并已有一些成功案例。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到物料搬運(yùn)領(lǐng)域，不僅可建立遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，同時(shí)可利用此系統(tǒng)建立虛擬仿真系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真。仿真技術(shù)的產(chǎn)生借助了很多相關(guān)的技術(shù)，比如相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)等等。仿真技術(shù)是一個(gè)涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、相關(guān)物理效應(yīng)設(shè)備和仿真器，還有模型。仿真的實(shí)質(zhì)就是處理知識(shí)。非常經(jīng)典的仿真有設(shè)立系統(tǒng)模型、仿真模型、仿真程序設(shè)計(jì)、仿真試驗(yàn)等。仿真技術(shù)的研發(fā)需要有很多學(xué)科的專家一起進(jìn)行研發(fā)，因?yàn)樗撕芏喾矫娴睦碚?。以前最初的仿真技術(shù)存在特別多不完善的地方，比如很復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)，仿真很多系統(tǒng)特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，這些都特別不容易理解，而且在仿真過(guò)程中不強(qiáng)調(diào)交互性，用戶作為旁觀者缺乏身臨其境感覺(jué)。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)克服了以上不足，非常適合于交互式系統(tǒng)仿真。很多相關(guān)的調(diào)查研究都得出一個(gè)結(jié)論，人們可以很好的知道對(duì)圖像、聲音這些表達(dá)出來(lái)的含義，但是不容易了解通過(guò)類似于數(shù)字和文字表達(dá)出來(lái)的含義，而這些正是一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本特征之一。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為開(kāi)發(fā)具有沉浸、交互、逼真等優(yōu)點(diǎn)的仿真系統(tǒng)提供了可能。

3 物料搬運(yùn)領(lǐng)域的仿真訓(xùn)練

針對(duì)物料搬運(yùn)領(lǐng)域，比如操作人員的教育、培訓(xùn)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)等都需要技術(shù)更為先進(jìn)的仿真系統(tǒng)。目前，仿真訓(xùn)練器已漸漸成為培訓(xùn)軍用、民用飛機(jī)、各種汽車、船舶等駕駛?cè)藛T的必備設(shè)備之一，但在工程機(jī)械領(lǐng)域里，仿真訓(xùn)練器的使用還不常見(jiàn)。針對(duì)物料搬運(yùn)領(lǐng)域的不同機(jī)械系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)高度逼真的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，不論是從整體技術(shù)層面考慮還是從生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)需要的層面考慮，都是很有必要的。

把叉車機(jī)械和虛擬遠(yuǎn)程操作結(jié)合進(jìn)行的仿真研究里，可以把這個(gè)作業(yè)的過(guò)程總結(jié)成為以下內(nèi)容：首先通過(guò)安裝很多攝像機(jī)、麥克風(fēng)、傳感器等裝置去采集進(jìn)行作業(yè)的實(shí)時(shí)畫(huà)面和聲音，之后再利用計(jì)算機(jī)技術(shù)把這些收集的素材，通過(guò)三維還原，還原的基本和真實(shí)的作業(yè)畫(huà)面一樣時(shí)，讓遠(yuǎn)程操作員在工作區(qū)域用頭套和耳塞，把虛擬的環(huán)境當(dāng)作作業(yè)去操作，操作的方法首先要利用虛擬控制臺(tái)去進(jìn)行指令傳達(dá)，操作員給機(jī)器的系統(tǒng)發(fā)送作業(yè)訊號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)訊號(hào)進(jìn)行作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)和裝卸。

4D叉車考核模擬器是一種全任務(wù)模擬器，主要是通過(guò)叉車數(shù)學(xué)建模和仿真計(jì)算對(duì)某型叉車動(dòng)態(tài)操作性能進(jìn)行仿真，然后通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和半物理仿真設(shè)備對(duì)叉車操作環(huán)境進(jìn)行高逼真度仿真，同時(shí)采用叉車考核專家系統(tǒng)對(duì)模擬操作進(jìn)行智能評(píng)分。該模擬系統(tǒng)既可用于叉車操作員培訓(xùn)，也可用于叉車操作員考核。采用模擬訓(xùn)練可縮短專用叉車駕駛員培訓(xùn)時(shí)長(zhǎng)、壓縮培訓(xùn)成本、確保訓(xùn)練安全并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。采用模擬器和計(jì)算機(jī)專家考核系統(tǒng)能夠有效確保訓(xùn)練質(zhì)量和考核的公平、公正，模擬器可覆蓋到95%以上的基本訓(xùn)練課目以及訓(xùn)練大綱中所規(guī)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(guī)范性和實(shí)用性。

叉車仿真建模是一個(gè)系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵技術(shù)，這個(gè)系統(tǒng)以叉車考核模擬器作為基礎(chǔ)又創(chuàng)立了一整套的關(guān)于動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。這個(gè)新的數(shù)學(xué)模型將叉車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)作了系統(tǒng)化和便捷化的改變，變成了物理和功能這兩方面比較獨(dú)立的子系統(tǒng)，又區(qū)分成發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系這四大模塊，并制作了每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)關(guān)于叉車速度和轉(zhuǎn)向的仿真模型。以上面模型為基礎(chǔ)去進(jìn)行研發(fā)的叉車駕駛模擬器，能夠精準(zhǔn)的進(jìn)行叉車駕駛，也可以進(jìn)行搬動(dòng)物料，這和真實(shí)的叉車情形基本類似。經(jīng)過(guò)研究所建立的動(dòng)力學(xué)模型，能夠了解駕駛員控制的油門、離合器、制動(dòng)器踏板位置和變速器檔位以及它行車速度和方向盤轉(zhuǎn)角，都可以作為參考數(shù)據(jù)的叉車前進(jìn)路線。

利用untiy3D當(dāng)作開(kāi)發(fā)平臺(tái)，untiy3D里的車輪碰撞器（WheelCollider）去模擬車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，車輪碰撞器是unity內(nèi)部很特別的地面車輛碰撞器，存在內(nèi)置碰撞檢測(cè)、車輛物理引擎和一個(gè)基于滑移的輪胎摩擦模型；把前段參考數(shù)據(jù)和車輪碰撞器里的接口數(shù)據(jù)聯(lián)合一起，就能夠基本的重現(xiàn)車輛行駛時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況了。該系統(tǒng)較好地模擬了叉車駕駛員在操作及在三維場(chǎng)景下行駛的真實(shí)感，能夠體現(xiàn)出駕駛員的操作整個(gè)過(guò)程以及實(shí)際操作時(shí)的體驗(yàn)，同時(shí)還能模擬出駕駛員在進(jìn)行某些不正確操作時(shí)，對(duì)汽車行駛狀況的影響。通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)叉車作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)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(yè)工作中，這樣，就達(dá)到了模擬教學(xué)的目的。

物流流工程專業(yè)需要有很高的動(dòng)手實(shí)踐能力，可以利用專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)培育人才。傳統(tǒng)的物流實(shí)驗(yàn)室存在很多問(wèn)題，如項(xiàng)目資金需求大、占用空間過(guò)多、設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)成本高、設(shè)備更新速度慢。現(xiàn)在的虛擬仿真技術(shù)能在很大程度上解決以前物流實(shí)驗(yàn)室存在的問(wèn)題，它能夠制造很像現(xiàn)實(shí)環(huán)境的虛擬場(chǎng)景，在這里學(xué)生可以利用很多的交互設(shè)備，去和虛擬場(chǎng)景里的實(shí)體、人物、數(shù)據(jù)信息互動(dòng)，學(xué)生就有特別真實(shí)的使用體驗(yàn)，并且還能夠得到很全面的虛擬場(chǎng)景所蘊(yùn)涵的很多其他信息，這樣可以吸引學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情與好奇心。

物流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)要根據(jù)專業(yè)設(shè)置、人才培養(yǎng)方案制定建設(shè)方案。第一步需要按照不同的學(xué)習(xí)方向和課程要求，制定合適理論和實(shí)踐的課程，制定虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源。系統(tǒng)的物流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的硬件設(shè)施有漫反射仿真投影幕、自由度交互系統(tǒng)、三維空間位置跟蹤系統(tǒng)等虛擬仿真設(shè)備以及仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中的各種輔助設(shè)備。

由于物流運(yùn)輸線路存在非常不穩(wěn)定特性，故不容易對(duì)它做及時(shí)更新和操控，如何在運(yùn)輸之前把物流運(yùn)輸線路選擇好，選擇的依據(jù)是方便、路況好、距離短。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過(guò)三維虛擬圖像詳細(xì)實(shí)時(shí)的了解到運(yùn)輸途中的具體狀況，包括運(yùn)輸物品車輛周圍車流、人流和交通狀況。質(zhì)量水平很高的物流規(guī)劃和調(diào)控，可以精準(zhǔn)的把重要的物流信息和一般的物流信息之間的聯(lián)系和區(qū)別都總結(jié)出來(lái)，再根據(jù)物流在時(shí)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(dāng)發(fā)現(xiàn)交通堵塞就要提前進(jìn)行警報(bào)，并選擇新的路線。

現(xiàn)在物流智能路線調(diào)度系統(tǒng)是比較落后的，它能做的只有模擬現(xiàn)實(shí)，并不可以智能化的提前制定最優(yōu)運(yùn)輸路線以及進(jìn)行實(shí)時(shí)交通狀況的提醒。但是新的以挖掘與優(yōu)化計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的物流三維調(diào)度系統(tǒng)，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(shí)候發(fā)出提醒，這個(gè)系統(tǒng)很大程度上增強(qiáng)了物流路線設(shè)置的合理性和效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

以上介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到物流領(lǐng)域里很多方面的現(xiàn)狀。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也會(huì)不斷發(fā)展，從而在物流行業(yè)中發(fā)揮出更大的作用。