基于WebGL的三维仓库管理和监控系统设计

北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007

0 引言

作为现代物流的一个重要组成部分，仓库管理一直在物流管理中起着非常重要的作用。仓库管理系统（WMS）是一个实时的计算机软件系统，它能按照运作的业务规则和运算法则，对信息、资源、行为、存货和分销运作进行更完美的管理，使其最大化满足有效产出和精确性的要求。先进的物流仓储既可保证供应链上下游企业能及时、顺利地进行物资流通，也能大幅减少流动资金占有率、降低成本、提高企业收益、缩短作业周期以及提高效率。但是，仓库管理和操作界面存在不直观、操作枯燥等问题，需要从可视化和场景模拟方面进行提升。少数企业试图解决这一现状，采用伪3D模型显示设备的运行状态，但用户仍只能通过固定方位的三维图片查看设备的线性运动，且缺乏详细的货物信息。本文介绍了一种基于Web的3D可视化实现方案，底层基于HTML5 WebGL技术，将仓库的场景通过虚拟现实技术仿真构建。相对于传统图标显示，无论是用户体验还是质量都得到巨大提升。

1 WebGL技术

WebGL（Web Graphics Library）是一种3D绘图协议，这种绘图技术通过JavaScript与OpenGL ES 2.0的技术融合，生成了OpenGL ES 2.0的JavaScript绑定，以浏览器调用显卡硬件的性能，利用HTML5 Canvas的硬件3D渲染加速技术，流畅地展示3D模型和3D场景，并创建复杂的导航和数据视觉化。WebGL是浏览器的自带标准之一，不需要安装任何插件或组件，区别于Flash和SiverLight，仅使用HTML和JavaSvript脚本即可实现性能强大的Web三维交互应用，并可在任何平台上运行。WebGL系统各组成部分在既定规则下互相配合，在浏览器中的主要结构关系如图1所示[2]。

图1 WebGL结构图

2 仓库管理和监控系统功能设计

2.1 系统框架设计

图2为系统框架设计，仓库管理系统（WMS）作为供应链管理的中心环节，是典型的承接上下的角色。上要管理供应商，即与上位系统ERP/MES通过接口进行对接，接收上位系统下发的订单，根据订单类型进行入出库操作；下要管理运输环节，即与下位监控系统WCS对接，通过监控WCS对自动化设备，如堆垛机、输送机、箱输送线等进行调度，实现上位系统订单物料的入出库流程。

图2 系统框架设计图

2.2 系统数据结构设计

图3为系统数据结构设计图，系统采用客户端、数据模型端、数据层端的设计模式，基于底层WebGL(Web Graphics Library)技术开发，通过面向对象的方式封装，屏蔽了组件的异构性，采用统一的DataModel数据模型，可驱动所有3D系统的视图组件。

图3 系统数据结构设计图

2.3 系统功能设计

1）管理系统功能设计

如图4所示，管理系统功能模块分为货位管理、入出库管理、设备管理和借口管理等4大功能模块。

图4 管理系统功能设计

①货位管理 查询当前在库所有物料信息，包含目标地址、物料代码、数量、批号、单据类型以及货位状态（在入、在出、在库）等。

②入出库管理 查询仓库实时入出库任务和入出库任务历史信息，对货位上的物料下发入出库指令。

③设备管理 通过监控系统WCS与设备的实时交互，反馈设备的状态，再通过接口回传给管理系统WMS显示到界面上，使用户可远程对设备进行管理，包括解除设备故障等。

④接口管理 通过接口系统与监控系统WCS完成信息的交互，实现完整的入出库流程。

2）监控系统功能设计

如图5所示，监控系统（WCS）是连接软件和硬件交互的重要枢纽，将管理系统（WMS）下发的入出库指令通过接口传递给设备，如堆垛机、机械手、输送线等完成实物入出库动作。除此之外，监控系统（WCS）也可单机对设备进行调度，即在没有管理系统的入出库指令下，可驱动设备将实物进行入出库操作。

图5 监控系统功能设计

3 仓库管理和监控系统功能实现

3.1 视角切换

除图6所示侧视图视角以外，系统还可通过正视图、俯视图、斜视图等多个视角可对货位进行浏览。多视角浏览主要代码如下：

图6 侧视图

3.2 设备管理

如图7所示，设备管理包含设备状态查询，如堆垛机、输送机等设备的状态。以及设备故障解除功能。故障信息查询代码如下：

图7 故障管理

3.3 入出库管理

1）入出库任务查询

查询当前堆垛机入库、查询当前堆垛机入库、出库、直出作业和托盘输送机入出库作业等，如图8所示，包括任务类型、起始货位地址、终止货位地址、优先级、状态、输送机起始地址、输送机终止地址、时间等。入出库任务查询主要代码如下：

2）入出库任务下发

如图9所示，在联机和脱机的情况下进行入出库任务的下发。联机是与管理系统相连接，通过接收WMS任务指令再驱动设备执行。脱机是监控系统WCS直接对设备进行入出库指令的下发。入出库实现部分代码如下：

图9 入出库任务下发

4 结论

本文归纳总结了目前仓储行业内仓库管理和监控系统存在的现状，阐述了仓库管理系统的主要工作内容和组织结构。在系统涉及的技术方面，对WebGL的概念和在浏览器中的结构组成进行了简要描述。在系统的设计和实现阶段，实现了系统的框架设计、数据结构设计以及功能设计。在WebGL基础上，集成MVC作为系统的软件架构，结合接口系统，以此实现系统开发。并在实际应用中取得了较好的效果。然而，考虑时间、设备等诸多原因，本系统仍然存在可扩展之处。

本系统对实时性要求较高，随着仓库的运作，系统中的数据量必定越来越多，故如何实现算法复杂度实现，尽可能提高系统的执行效率，也是重要的研究方向。