張世辰，張翔立，黃金國

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

計算機仿真是應(yīng)用電子計算機對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系統(tǒng)控制的人的思維過程和行為進(jìn)行動態(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)。

以倉庫仿真為例，倉庫管理人員可實時掌握貨物信息，直觀地了解當(dāng)前倉庫的狀態(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。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)平臺上從事圖形用戶界面程序開發(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年開始微軟推出了新一代GUI開發(fā)工具WindowsPresentation Foundation，并把它作為未來十年Windows平臺GUI開發(fā)的主要技術(shù)。

1 平臺設(shè)計思想

1.1 平臺設(shè)計的出發(fā)點

在倉儲物流系統(tǒng)中，包括入庫臺、傳送帶、叉車、堆垛機、AVG小車、貨架、貨物、緩沖區(qū)臨時堆場等資源。倉儲仿真應(yīng)用既需要展現(xiàn)實際倉庫動作的動態(tài)信息（例如：堆垛機的實時運動，貨架上是否有貨物，當(dāng)前入庫、出庫的貨物）；也要能夠顯示倉庫的靜態(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)用中的圖元對象化，增加相應(yīng)的屬性使之能夠描述現(xiàn)實中的倉庫資源[1]。

開發(fā)仿真應(yīng)用首先需要創(chuàng)建圖元，一般通過三維軟件建模獲得，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，此時的圖元只具有幾何信息，為了實現(xiàn)應(yīng)用中的功能，還需要增加相應(yīng)的屬性，使之成為一個完整的圖元對象，得到所有圖元對象后需要設(shè)置每個模型的位置，即完成場景布置。完成這些步驟往往需要多個工具的參與，工具的切換增加了開發(fā)的繁瑣，更重要的是這些步驟中缺乏對已有圖元的管理，對于一些相似的圖元，重復(fù)制作浪費時間和精力，故需要將這些圖元管理起來，建立圖元庫。因此，本文提出的平臺模型將這些步驟封裝成相應(yīng)模塊，并與其他模塊聯(lián)合簡化開發(fā)步驟。

1.2 平臺的功能分析

仿真圖元的加載。單獨開發(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的相應(yīng)模塊將其轉(zhuǎn)換為平臺可用圖元。

仿真圖元的對象化。被模擬的對象除了幾何信息外，應(yīng)具有很多特有的屬性，比如貨物的基本信息，因此平臺中需要創(chuàng)建圖元對象，使之更貼近現(xiàn)實倉儲資源。

仿真圖元對象的編輯與管理。平臺需要實現(xiàn)圖元對象的存儲及屬性修改以滿足相似圖元的重復(fù)利用提高開發(fā)效率，對于已保存的圖元，平臺也需要提供基本管理的功能模塊[2]。

圖元輸出功能，平臺的最終目的是為倉儲仿真應(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景的正確位置；包含圖元的屬性定義，使圖元對象攜帶現(xiàn)實倉庫中資源的信息。

2 平臺結(jié)構(gòu)及模塊分析

2.1 平臺結(jié)構(gòu)

平臺采用典型的三層架構(gòu)，圖1是平臺的內(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)邏輯層中需要實現(xiàn)表示層中各個工具的功能，為表示層展現(xiàn)的場景提供模型數(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)庫軟件來保存三維圖元的屬性信息，圖元對象是在程序運行的時候創(chuàng)建出來的，保存圖元對象就是將圖元對象的所有屬性保存數(shù)據(jù)庫表中，通過相應(yīng)模塊能夠?qū)⑦@些信息快速還原為圖元對象，通過數(shù)據(jù)庫操作，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 平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 模塊分析

邏輯層是平臺的核心層，參照圖1平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)，邏輯層按照功能分為4個模塊[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)換為平臺可用的圖元；另一種方式是從數(shù)據(jù)庫中獲取保存的圖元。加載模塊將圖元的幾何信息傳遞給圖元對象模塊。

（2）圖元對象生成模塊

該模塊生成一個圖元對象，此對象的幾何屬性來自圖元加載模塊，同時將幾何信息顯示于表示層場景中，此時的對象只具有幾何屬性，只能在場景中顯示，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)功能對前一模塊生成的圖元對象進(jìn)行屬性的創(chuàng)建和編輯，完成屬性編輯的圖元對象存入數(shù)據(jù)庫中。

（4）圖元管理模塊

此模塊的作用主要有兩個：對數(shù)據(jù)庫中的圖元進(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)庫中的圖元對象輸出，為脫離本平臺的仿真應(yīng)用的開發(fā)提供可用圖元。

3 平臺的關(guān)鍵模塊實現(xiàn)

3.1 圖元加載模塊

XAML是WPF技術(shù)中專門用于設(shè)計 UI的語言，用ViewPort3D標(biāo)簽定義一個三維場景，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這兩個屬性決定模型的形狀，Positions屬性的值為一系列點的三維坐標(biāo)，每3個點構(gòu)成1個三角形面作為構(gòu)成模型表面的最小單元，Positions屬性中按照3個坐標(biāo)一組，分別對應(yīng)第 i個點（i=0，1，2，3，…），TriangleIndices屬性保存Positions中點的索引i，每3個索引為一組，構(gòu)成1個三角形面，簡單的三維模型表面分割成三角形時，Positions的點坐標(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Positions中的點以及TriangleIndices中索引的數(shù)量將大大增加。這將大大增加XAML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，并將三角形的頂點坐標(biāo)按照指定的規(guī)則寫入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屬性中點的坐標(biāo)冗長，通過改變坐標(biāo)達(dá)到改變模型形狀或位置的做法并不可取，通過三維軟件重新編輯obj文件相對方便，因此完全可以將Positions及TriangleIndices的屬性賦值放在邏輯層完成。在平臺界面上通過圖元加載工具通過文件對話框選擇相應(yīng)的obj文件，此時加載模塊調(diào)用轉(zhuǎn)換功能將obj文件的幾何信息提取，生成一系列點的坐標(biāo)，在邏輯層將這些點的數(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)則的點的集合后賦給GeometryModel3D的Geometry屬性，并將此GeometryModel3D對象賦給ModelVisual3D對象的Content屬性，該ModelVisual3D對象將被添加到一個繼承自ModelVisual3D的ModelVisual3DWithName類的Children屬性中。Viewport3D對象的Children屬性添加ModelVisual3D類型對象。此時完成了一個圖元對象的創(chuàng)建，此對象只包含幾何信息等一些內(nèi)置屬性，再設(shè)置好相機、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對象中通過Transform屬性來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個表示位置信息的屬性O(shè)ffsetX、OffsetY、OffsetZ。每個都有相應(yīng)的依賴屬性：OffsetXProperty、OffsetYProperty、OffsetZProperty。依賴屬性就是一種可以自己沒有值，并能夠通過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。自定義的圖元對象ModelVisual3DWithName有一個location屬性，表示模型固定點的空間坐標(biāo)，該點為模型邊界立方體的固定頂點[5]。通過該點的坐標(biāo)，可以確定模型的空間位置，進(jìn)而確定模型間的相對位置。其余內(nèi)置屬性的編輯方式可以參照上述過程。

（2）自定義屬性的編輯

ModelVisual3D對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。但在實際應(yīng)用中，針對不同的模型還需要用到一些自定義屬性。比如說貨物的重量屬性、生產(chǎn)日期屬性、客戶屬性等。

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

3.4 圖元管理模塊

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

在應(yīng)用中，只需要引入所需圖元對象的.dll文件及名稱空間并實例化該類就可以得到圖元對象。可以通過該對象的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，擴展方法、事件等操作。

4 已完成模塊的測試

以一個鋼卷倉庫為例，使用該平臺布置倉庫場景。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)出各個模型的obj文件。通過平臺圖元加載模塊加載這些obj文件，通過圖元生成模塊生成圖元對象，顯示場景如圖2所示。

圖2 場景顯示

使用平臺的屬性編輯模塊調(diào)整各模型的相對位置及各個模型的材質(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項目中引用dll及相應(yīng)名稱空間，實例化各個圖元及場景，效果如圖3所示：布置好場景后后臺可以控制場景中的每一個模型，獲得圖元屬性，根據(jù)邏輯需求實現(xiàn)模型的仿真動作。

圖3 完成布置后的場景

本文提出了一個倉儲仿真及三維圖元管理平臺的模型，并在WPF下實現(xiàn)了平臺關(guān)鍵模塊，通過對平臺模塊的測試可以看出這些模塊可以簡化倉儲仿真的開發(fā)步驟，提高相似圖元的利用率，節(jié)省開發(fā)時間。后期任務(wù)：增加仿真模塊，即從數(shù)據(jù)庫中獲取指定場景的所有圖元，自動完成場景布置，通過設(shè)定參數(shù)仿真場景，或者對于簡單的項目直接將圖元相應(yīng)的屬性與實時數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，以完成場景的實時仿真。

[1]蔡靖，申婷婷，王海丹.基于Flexsim的某自動化倉儲系統(tǒng)的仿真結(jié)果和分析[J].制造業(yè)自動化，2012，34（7）：107-122.

[2]張建奇，李墨翰，鄭偉.基于WPF的工廠物流管理系統(tǒng)界面設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30（12）：17-20.

[3]李成剛，馮靜，凌玲.基于WPF的交互繪圖系統(tǒng)的開發(fā)[J].微型機與應(yīng)用，2011，30（6）：50-52.

[4]張洪定，孟冬梅.基于 Expression Blend4中文版 WPF和Silverlight項目設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5]劉鐵錳.深入淺出 WPF[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[6]石怡.WPF使用XAML實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)庫綁定的方法[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011，24（10）：70-74.