張光遠，龔 迪，王 坤

（西南交通大學 交通運輸與物流學院，綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031）

1 庫存管理與自動化倉儲虛擬仿真實驗教學建設(shè)的意義

隨著“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等戰(zhàn)略的深入實施，智能制造、電子商務(wù)等技術(shù)和模式的發(fā)展對物流效率的要求越來越高，在企業(yè)業(yè)務(wù)達到一定規(guī)模后，對自動化存儲系統(tǒng)的需求也越來越大。事實上，以京東、唯品會等為代表的電子商務(wù)企業(yè)，為滿足多樣性、個性化的購物需求和小批量、多批次的配送需求，已經(jīng)建設(shè)并開始應用自動化立體倉庫；以海爾、一汽為代表的制造企業(yè)，為滿足制造與裝配流程的自動化和智能化需求，也構(gòu)建了與智能制造緊密結(jié)合的自動化倉儲系統(tǒng)。自動化倉儲系統(tǒng)將成為未來我國智能物流發(fā)展的重要方向，因此對當代大學生自動化倉儲系統(tǒng)的設(shè)計與管理能力的培養(yǎng)要求也越來越高。

2 庫存管理與自動化倉儲虛擬仿真實驗教學的總體框架

本實驗項目立足我校交通運輸國家級虛擬仿真實驗教學中心，以交通運輸國家級實驗教學示范中心和具有交通運輸特色的物流管理人才培養(yǎng)模式為基礎(chǔ)，以全國排名第1 的交通運輸工程國家一級重點學科和綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室[1-2]為 依托，立足自主研發(fā)，建成了庫存管理與自動化倉儲虛擬仿真實驗系統(tǒng)[3-4]，實現(xiàn)了對“高集成、多環(huán)節(jié)、多品類”自動化倉儲作業(yè)流程、“多崗位、多工種、多場景一體化”管理過程的虛擬仿真[5-9]，為物流管理相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)提供了強有力的支撐（總體框架見圖1）。本實驗系統(tǒng)獲評首批國家級一流本科課程（虛擬仿真實驗教學一流課程）和2019 年四川省虛擬仿真實驗教學項目。

圖1 庫存管理與自動化倉儲虛擬仿真實驗教學項目的總體框架

該項目依托自動分揀與智能堆垛實驗室的自動化立體倉儲系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，以實際配送中心作業(yè)流程與管理需求為背景，構(gòu)建自動化立體倉儲系統(tǒng)，制定采購計劃，應用倉儲管理系統(tǒng)完成相關(guān)作業(yè)流程，實現(xiàn)自動化立體倉庫的實時信息管理。該項目實現(xiàn)4 個“二一”，即：培養(yǎng)目標實現(xiàn)“兩性一度”，高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度；實驗依托“兩景一體”，虛擬、實體、虛實一體化；面向領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“兩業(yè)一化”，專業(yè)、行業(yè)、智慧化；實驗過程實現(xiàn)“兩動一學”，動手、動腦、深度學。

3 庫存管理與自動化倉儲虛擬仿真實驗教學的實驗目的、原理及核心流程

3.1 實驗目的

通過本實驗項目的學習與實踐，學生可理解如下內(nèi)容：①了解自動化立體倉儲系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)施設(shè)備的功能和技術(shù)參數(shù)，根據(jù)作業(yè)流程完成自動化立體倉儲系統(tǒng)各模塊的集成設(shè)計，熟悉自動化立體倉儲管理系統(tǒng)、倉儲控制系統(tǒng)等軟件的功能、操作等；②掌握經(jīng)濟訂貨批量模型的計算與應用過程，掌握采購、入庫、分揀、出庫、配送的全流程設(shè)計與管理；③培養(yǎng)學生團隊合作協(xié)作意識、即時決策綜合能力以及實踐創(chuàng)新能力。

3.2 實驗原理

實驗項目以“自動分揀與智能堆垛”實驗環(huán)節(jié)和實際配送中心作業(yè)流程與管理需求為背景，依托學?，F(xiàn)有的大型自動化立體倉儲實驗系統(tǒng)，借助3D 可視化技術(shù)、人機交互技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建了逼真的自動化立體倉儲實驗場景。通過三維交互虛擬仿真實驗系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換和優(yōu)化，學生可以開展庫存管理與自動化倉儲虛擬仿真實驗，構(gòu)建自動化立體倉儲系統(tǒng)，應用經(jīng)濟訂貨批量模型制定采購計劃，應用倉儲管理系統(tǒng)完成托盤、料箱在庫內(nèi)的出入庫與倒庫作業(yè)，設(shè)計拆/碼垛組盤方式，完成自動化立體倉庫的流程設(shè)計與作業(yè)管理，實現(xiàn)自動化立體倉庫的實時信息管理。

3.3 實驗核心流程

實驗分為4 個核心模塊：系統(tǒng)與設(shè)備認知模塊、自動化倉儲系統(tǒng)布局模塊、庫存管理與自動化倉庫管理全流程模塊、協(xié)調(diào)實驗模塊（見圖2），實現(xiàn)“認知—布局—全流程—協(xié)作”的系統(tǒng)性構(gòu)建。

（1）系統(tǒng)與設(shè)備認知模塊。通過系統(tǒng)與設(shè)備認知模塊（見圖3），學生可以學習分揀、料箱自動化、托盤自動化、機械手、輥筒輸送、管理控制、滑塊分揀機、料箱自動化立體倉庫、托盤自動化立體倉庫、輥筒輸送裝置、機械手拆/碼垛裝置、自動導引搬運車、（AGV）小車等各系統(tǒng)的功能與作業(yè)方式。

（2）自動化倉儲系統(tǒng)布局模塊。通過自動化倉儲系統(tǒng)布局模塊（見圖4），學生可以學習自動化倉庫的布局設(shè)計。自動化立體倉儲系統(tǒng)由5 個子系統(tǒng)組成：滑塊分揀子系統(tǒng)、料箱自動化立體倉庫子系統(tǒng)、托盤自動化立體倉庫子系統(tǒng)、機械手堆/碼垛子系統(tǒng)以及輥筒輸送子系統(tǒng)?；瑝K分揀子系統(tǒng)的主要設(shè)備是滑塊分揀機和自動導引搬運車（AGV），滑塊分揀機與料箱輸送機相配合，形成滑塊分揀子系統(tǒng)，可以根據(jù)客戶訂單完成料箱的輸送與分揀。通過料箱條碼識別，判斷其分揀口，并指令相應的滑塊動作，將料箱推送到相應的分揀口。AGV 在識別料箱后將其送到指定的位置。料箱自動化立體倉庫子系統(tǒng)由料箱貨架和料箱堆垛機組成，與滑塊分揀機、輥筒循環(huán)輸送子系統(tǒng)、料箱AGV 相配合，通過識別每個料箱和貨位上的條碼，完成料箱的迅速入庫、上架、出庫、下架等功能。托盤自動化立體倉庫子系統(tǒng)由托盤貨架和料箱堆垛機組 成，通過識別托盤和貨位上的條碼，完成托盤的入庫、上架、出庫、下架等功能。機械手堆/碼垛子系統(tǒng)的主要設(shè)備是堆/碼垛機械手，主要實現(xiàn)料箱、托盤的堆/碼垛功能。輥筒輸送子系統(tǒng)由多段輥筒相連而成，通過條碼識別器和射頻識別器（RFID）識別料箱、托盤上的條碼或RFID 標簽，完成托盤和料箱的水平輸送。

圖2 實驗模塊關(guān)聯(lián)圖

圖3 系統(tǒng)與設(shè)備認知模塊

圖4 自動化倉儲系統(tǒng)布局模塊

圖5 庫存管理與自動化倉庫管理全流程模塊

（3）庫存管理與自動化倉庫管理全流程模塊。通過庫存管理與自動化倉庫管理全流程模塊（見圖5），學生可以學習庫存管理與自動化倉庫管理全流程。根據(jù)單位時間的單位存儲費用、采購與準備的固定費用、需求變化率和訂貨量，利用多點條碼和RFID 標簽進行信息采集，對物料出入庫流程、庫存盤點以及即時庫存管理等業(yè)務(wù)流程進行綜合管理學習，跟蹤、管理以及控制倉儲各環(huán)節(jié)。例如：選擇商品PA 和PB 的采購量；新增商品入庫憑證；根據(jù)商品PA 的托盤裝載料箱數(shù)量，選擇機械手操作的垛型；根據(jù)入庫作業(yè)要求，選擇機械手作業(yè)方式；根據(jù)訂單需求和實時庫存的差異，確定商品PA 和PB 從料箱庫到托盤庫的倒庫數(shù)量；根據(jù)商品PA 和PB 的組盤策略，選擇垛型平面模式等。

（4）協(xié)調(diào)實驗模塊。通過協(xié)調(diào)實驗模塊（見圖6），學生輸入學號姓名，選擇協(xié)同實驗房間，可以組隊共同完成全流程實驗，根據(jù)各實訓室的人員數(shù)量和空閑角色選擇實訓室和角色，與其他同學合作分飾不同角色共同完成實驗。

圖6 協(xié)調(diào)實驗模塊

4 庫存管理與自動化倉儲虛擬仿真實驗教學的環(huán)境構(gòu)建

實驗項目的開發(fā)運行依托開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，二者通過數(shù)據(jù)接口無縫對接，保證用戶能夠隨時隨地通過瀏覽器訪問該項目，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導、自動批改服務(wù)功能，盡可能幫助用戶實現(xiàn)自主實驗，加強實驗項目的開放服務(wù)能力，提升開放服務(wù)效果。開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導、虛擬實驗結(jié)果自動批改和教學管理于一體，是具有良好自主性、交互性和可擴展性的虛擬實驗教學平臺。如圖7 所示，支撐項目運行的平臺及項目運行的架構(gòu)共分為5 層，分別是數(shù)據(jù)層、支撐層、仿真層、通用服務(wù)層和應用層，每一層都為其上層提供服務(wù)，直到完成具體虛擬實驗教學環(huán)境的構(gòu)建。

圖7 虛擬實驗教學環(huán)境構(gòu)建圖

利用搭建的虛擬仿真實驗教學平臺，將“有限的物理實驗教學空間”拓展成為“無限的虛擬實驗教學空間”，實現(xiàn)了多地、多校、多專業(yè)的實驗教學資源共享。實施過程中，學生可以在虛擬仿真實驗教學平臺上了解智能物流設(shè)備，預習自動化倉儲的作業(yè)流程等相關(guān)知識，熟悉實驗原理及系統(tǒng)操作方法的電子文檔和視頻資料并進行測評；根據(jù)實驗指導書所示操作步驟進行實驗，根據(jù)實驗要求完成相關(guān)實驗內(nèi)容，教師可實時與學生進行線上互動交流，針對重要知識點及學生容易出錯的步驟進行講解指導，同時對學生的操作過程進行視頻監(jiān)督指導；學生根據(jù)要求提交實驗報告，教師對實驗報告進行評閱。學生可在實驗室也可在教室、圖書館等有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，通過遠程登錄平臺，自主調(diào)用實驗教學資源，自由搭建實驗項目、組合設(shè)計實驗環(huán)節(jié)和配置實驗崗位等，教師可遠程監(jiān)控、指導。在實驗教學過程中增加“交互體驗”，將仿真教學與運作實景相結(jié)合，實現(xiàn)“虛實結(jié)合”的仿真實驗教學目的；增加“實驗協(xié)同”環(huán)節(jié)，增強團隊合作，提升學生仿真實驗的興趣，激發(fā)主動學習的動力。實驗項目上線以來，已開放服務(wù)9 000 余人，覆蓋物流管理、物流工程、工業(yè)工程、交通運輸、交通工程、安全工程等多個專業(yè)和行業(yè)。

5 庫存管理與自動化倉儲虛擬仿真實驗教學的依托實體

庫存管理與自動化倉儲虛擬仿真實驗項目是依托自動分揀與智能堆垛實驗室全真的自動化立體倉儲系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的。自動分揀與智能堆垛實驗室（見圖8）以實際物流中心為背景，構(gòu)建了真實的自動化立體倉儲系統(tǒng)，實現(xiàn)了貨物的整托保管、堆/碼垛、托盤出入庫、料箱入出庫和分揀等業(yè)務(wù)流程。基于多點條碼和RFID 標簽信息采集，通過倉儲管理系統(tǒng)可以對自動化立體倉儲系統(tǒng)中的各物流環(huán)節(jié)、物資在庫情況等信息進行實時監(jiān)控和管理。

圖8 實體實驗平臺

6 結(jié)語

（1）本項目將數(shù)字化3D 仿真、虛擬設(shè)備與儀器以及人機在線交互等技術(shù)綜合運用，構(gòu)建了逼真的自動化立體倉儲場景，使學生深度參與、虛實結(jié)合、循序漸進地自主學習，激發(fā)了自主學習的興趣，解決了目前實驗教學中普遍存在的學生參與度低的問題，尤其是涉及大型儀器設(shè)備的實驗項目。實驗過程中，既可單獨實驗，又可組隊進行分崗位的協(xié)作實驗，實現(xiàn)個體與團體協(xié)作的有機融合。

（2）本項目建立分時間、分方式、分層次的立體化開放共享模式，加強資源的有序整合和有效對接；面向交通運輸、交通工程、工業(yè)工程、工程管理、管理科學與工程等多個專業(yè)本科生，為其與物流相關(guān)的專業(yè)課程提供虛擬仿真實驗項目支撐，更好地服務(wù)于物流相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)；依托國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，面向各高校開放共享，提高開放共享服務(wù)質(zhì)量。

（3）本項目將為現(xiàn)代物流向智慧物流轉(zhuǎn)型發(fā)展的物流企業(yè)人員培訓提供重要支撐，在企業(yè)新項目規(guī)劃設(shè)計、自動化立體倉庫運營管理、員工合作協(xié)同等提供虛擬仿真環(huán)境支撐。本項目將依托我校交通運輸與物流學院的人才培養(yǎng)實踐基地和實習基地，根據(jù)企業(yè)的實際需求，為其提供物流管理人員和工程技術(shù)人員的虛擬仿真實操和培訓，并逐步拓展到物流行業(yè)中涉及自動化倉庫設(shè)計與管理和轉(zhuǎn)型發(fā)展的企業(yè)，為其提供實地及遠程培訓。