虚拟现实技术在物流领域的应用

2019-02-14胡智博

数字通信世界 2019年10期

胡智博

（北京邮电大学自动化学院，北京 100005）

1 虚拟现实技术

虚拟现实技术其实就是计算机系统，它可以创建一个虚拟的世界，用户通过外部操作去体会这个虚拟世界，达到这种效果需要依靠传感装置和相关的计算机技术，这是全新的模拟环境。这种技术是通过计算机技术产生一种人为虚拟环境，而这种虚拟环境可以是一个由计算机图形构成的三维空间，具有以下几个特征：一是多感知性，意思是即包括普通的视觉感知，新增加的感知有听觉、味觉、嗅觉、力觉、触觉、运动这六种以及其他，主要是由传感装置来实现；二是浸没感，就是临场感，就是用户处于模拟环境里时候对这个环境的感觉，如果浸没感较强的话，使用者会感到在系统中发生的一切事件都是真实存在的；三是交互性，即使用者所处模拟环境里的东西能不能被用户随意的操作已经用户看到的虚拟环境里的现象和现实里的相似度和区别，用户体验的交互过程与真实环境中的交互过程差别越小，交互性越好；四是构想性，也就是这个技术的想象范围，它能够将用户的认知区域扩宽，这个虚拟环境即能够以现实为基础去设计内容，还能够凭借想象构建出任何可以想象得到、但是也只存在于想象中的环境，因此它可以让人类不再局限于感知现实环境，而是在虚拟世界中获得更加广泛而新颖的体验。

2 虚拟现实技术在物流中的应用

通过应用虚拟现实技术，人们可以在一个虚拟的三维环境中用动态交互的方式对实际工作时可能存在的环境进行身临其境的全方位体验，进而达到无需实际操作即可上手的目的。物流方面，也存在着虚拟现实技术的应用，通过三维建模将现实存在的各种各样的物流设备通过三维动画建立起来，并通过三维虚拟环境来展现。采用这种培训模式可以让学员在课堂上就能身临其境的的感受到实际的生产程序。目前能够建立可视化三维模型最主要的软件包括VRML，QuickTimeVR，3Dmax，AutoCAD等。

组成物流工程机械模拟操作的系统有三个；计算机软硬件系统、控制电路、模拟驾驶台。国内第一台同时存在装载机、叉车的模拟培训教学仪，能够达到50型装载机与5吨叉车的实际的工作情况。这个设备表现了虚拟现实技术几大特征，经济价值高、足够安全及模仿现实效果好，这些特征都可以吸引学生努力去学习相关的理论知识，然后提高自己的驾驶技术。为了让学生在学习的时候见到的教学用具和实际的车一样，虚拟的驾驶台全部设计和真车一模一样，包括汽车配件，这样即可以激起学生学习的热情同时也有助于提高学生学习效果。学生试地操作时，虽然是利用计算机操作，但有着和真实操作一样的感觉。而且这种教学的模式还可以方便老师了解学生的操作是否正确，如果不正确就可以马上纠正。这个教学模式的好处特别多，甚至对于教学的成本也可以节约下来，因为它是利用计算机操作区进行教学的，并没有实际的区操作机器、同时也避免了发生因为学生操作不熟悉而出现的的安全事故，保证了极高的教学质量。因为科技的进步，所以和物流工程机械相关的虚拟现实技术正在开发和完善，新的虚拟操作系统会继续给相关培训工作做一个技术和设备上的支持，为高效率地培养出具备专业技能的人才奠定基础。

而在物料搬运领域，搬运作业的某些特殊坏境更需要远程操作。在传统的搬运作业中，一般是员工在实际的工作区操作设备将物品进行搬运、装卸。全部由人工进行操控，工作效率及搬运物品的水平受主观因素影响，比如工作人员心情状态、工作经验、工作技能；一旦进行作业的区域放置有毒、易燃、易爆物品时，工作人员自身的安全就会面临威胁，这个时候的质量和效率普遍比较低。如果想让工作人员远离这种存在安全威胁的作业区域，就需要有一种可以取代人为作业的机器。因为工作环境较特殊、作业难度加大，所以需要自动化程度极高的机器人，这就需要花费高昂的资金成本去进行开发和研究，并且对研发人才的要求也很高。

虚拟现实技术的出现和进步能够帮助我们解决由员工去完成危险工作的难题。解决的办法是把在计算机技术应用到机器之中，就是虚拟现实技术，通过人工进行远程操作，让工作人员在没有安全隐患的地方完成危险物料的搬运。这种高科技出现有其现实需要，同时这个技术的开发也给建立新的完善的物流搬运系统创造了技术基础。

把虚拟现实技术加入到物料搬运机械系统里，其实就是把虚拟现实和远程操作这两项技术综合使用，这种技术与遥现技术类似，它是将人的感受器官延伸到远端，人的感觉能通过虚拟现实的I/O设备得到增强并产生临场感。同时这一技术的三维图形数据适用于低带宽、大延时的网络通讯，满足普遍性技术的需要。

由于人可以远离现场也可以完成作业，VR的远程操作技术特别是针对危险的作业或者缺乏相关的专业人员的时候使用，尤其适用于航空、航天、航海、医学外科等领域，并已有一些成功案例。将虚拟现实技术引入到物料搬运领域，不仅可建立远程操作系统，同时可利用此系统建立虚拟仿真系统，替代传统计算机仿真。仿真技术的产生借助了很多相关的技术，比如相似原理、系统技术、信息技术等等。仿真技术是一个涉及计算机系统、相关物理效应设备和仿真器，还有模型。仿真的实质就是处理知识。非常经典的仿真有设立系统模型、仿真模型、仿真程序设计、仿真试验等。仿真技术的研发需要有很多学科的专家一起进行研发，因为它包含了很多方面的理论。以前最初的仿真技术存在特别多不完善的地方，比如很复杂的数学模型系统，仿真很多系统特点的统计数字，这些都特别不容易理解，而且在仿真过程中不强调交互性，用户作为旁观者缺乏身临其境感觉。而虚拟现实技术克服了以上不足，非常适合于交互式系统仿真。很多相关的调查研究都得出一个结论，人们可以很好的知道对图像、声音这些表达出来的含义，但是不容易了解通过类似于数字和文字表达出来的含义，而这些正是一个虚拟现实系统的基本特征之一。虚拟现实技术的发展为开发具有沉浸、交互、逼真等优点的仿真系统提供了可能。

3 物料搬运领域的仿真训练

针对物料搬运领域，比如操作人员的教育、培训以及产品设计等都需要技术更为先进的仿真系统。目前，仿真训练器已渐渐成为培训军用、民用飞机、各种汽车、船舶等驾驶人员的必备设备之一，但在工程机械领域里，仿真训练器的使用还不常见。针对物料搬运领域的不同机械系统，开发高度逼真的仿真训练系统，不论是从整体技术层面考虑还是从生产现实需要的层面考虑，都是很有必要的。

把叉车机械和虚拟远程操作结合进行的仿真研究里，可以把这个作业的过程总结成为以下内容：首先通过安装很多摄像机、麦克风、传感器等装置去采集进行作业的实时画面和声音，之后再利用计算机技术把这些收集的素材，通过三维还原，还原的基本和真实的作业画面一样时，让远程操作员在工作区域用头套和耳塞，把虚拟的环境当作作业去操作，操作的方法首先要利用虚拟控制台去进行指令传达，操作员给机器的系统发送作业讯号，系统就会根据讯号进行作业现场搬运和装卸。

4D叉车考核模拟器是一种全任务模拟器，主要是通过叉车数学建模和仿真计算对某型叉车动态操作性能进行仿真，然后通过虚拟现实技术和半物理仿真设备对叉车操作环境进行高逼真度仿真，同时采用叉车考核专家系统对模拟操作进行智能评分。该模拟系统既可用于叉车操作员培训，也可用于叉车操作员考核。采用模拟训练可缩短专用叉车驾驶员培训时长、压缩培训成本、确保训练安全并实现节能减排。采用模拟器和计算机专家考核系统能够有效确保训练质量和考核的公平、公正，模拟器可覆盖到95%以上的基本训练课目以及训练大纲中所规定的所有特殊情况下的处置功能，有效的保障了考核的合理性、规范性和实用性。

叉车仿真建模是一个系统仿真的关键技术，这个系统以叉车考核模拟器作为基础又创立了一整套的关于动力和运动的数学模型。这个新的数学模型将叉车运动系统作了系统化和便捷化的改变，变成了物理和功能这两方面比较独立的子系统，又区分成发动机、传动系、转向系、制动系这四大模块，并制作了每个模块对应关于叉车速度和转向的仿真模型。以上面模型为基础去进行研发的叉车驾驶模拟器，能够精准的进行叉车驾驶，也可以进行搬动物料，这和真实的叉车情形基本类似。经过研究所建立的动力学模型，能够了解驾驶员控制的油门、离合器、制动器踏板位置和变速器档位以及它行车速度和方向盘转角，都可以作为参考数据的叉车前进路线。

利用untiy3D当作开发平台，untiy3D里的车轮碰撞器（WheelCollider）去模拟车辆的运动轨迹，车轮碰撞器是unity内部很特别的地面车辆碰撞器，存在内置碰撞检测、车辆物理引擎和一个基于滑移的轮胎摩擦模型；把前段参考数据和车轮碰撞器里的接口数据联合一起，就能够基本的重现车辆行驶时的运动情况了。该系统较好地模拟了叉车驾驶员在操作及在三维场景下行驶的真实感，能够体现出驾驶员的操作整个过程以及实际操作时的体验，同时还能模拟出驾驶员在进行某些不正确操作时，对汽车行驶状况的影响。通过该系统对叉车作业人员进行培训和考核，可使他们较快的掌握叉车驾驶和操作技能，更好的投入到叉车作业工作中，这样，就达到了模拟教学的目的。

物流流工程专业需要有很高的动手实践能力，可以利用专业的实验实训培育人才。传统的物流实验室存在很多问题，如项目资金需求大、占用空间过多、设备进行保养成本高、设备更新速度慢。现在的虚拟仿真技术能在很大程度上解决以前物流实验室存在的问题，它能够制造很像现实环境的虚拟场景，在这里学生可以利用很多的交互设备，去和虚拟场景里的实体、人物、数据信息互动，学生就有特别真实的使用体验，并且还能够得到很全面的虚拟场景所蕴涵的很多其他信息，这样可以吸引学生学习的热情与好奇心。

物流虚拟仿真实验教学中心建设要根据专业设置、人才培养方案制定建设方案。第一步需要按照不同的学习方向和课程要求，制定合适理论和实践的课程，制定虚拟教学实验资源。系统的物流虚拟仿真实验教学中心的硬件设施有漫反射仿真投影幕、自由度交互系统、三维空间位置跟踪系统等虚拟仿真设备以及仿真训练系统中的各种辅助设备。

由于物流运输线路存在非常不稳定特性，故不容易对它做及时更新和操控，如何在运输之前把物流运输线路选择好，选择的依据是方便、路况好、距离短。虚拟现实技术可以通过三维虚拟图像详细实时的了解到运输途中的具体状况，包括运输物品车辆周围车流、人流和交通状况。质量水平很高的物流规划和调控，可以精准的把重要的物流信息和一般的物流信息之间的联系和区别都总结出来，再根据物流在时间以及空间上的具体改变，去了解和分析物流的城市道路状况，当发现交通堵塞就要提前进行警报，并选择新的路线。

现在物流智能路线调度系统是比较落后的，它能做的只有模拟现实，并不可以智能化的提前制定最优运输路线以及进行实时交通状况的提醒。但是新的以挖掘与优化计算机虚拟现实技术的物流三维调度系统，它的功能比较完善，可以智能化去提前制定路线，以及在交通不便的时候发出提醒，这个系统很大程度上增强了物流路线设置的合理性和效率。