基于可視化技術(shù)的波音777貨機模擬裝載系統(tǒng)設(shè)計

王 策

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

0 引言

航空貨運作為航空物流產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，運輸量持續(xù)上漲。據(jù)民航局官方公布的《2018年民航業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，2018年全行業(yè)貨郵周轉(zhuǎn)量達(dá)到262.50億噸公里，比上年增長7.8%；全行業(yè)完成貨郵運輸量738.51萬噸，比上年增長4.6%[1]。2019年，國內(nèi)快遞業(yè)務(wù)量預(yù)計增速至少達(dá)20%。由于時效快、品質(zhì)高，航空貨運已經(jīng)逐步成為國內(nèi)快遞的主要運輸方式[2]。由此可見，航空貨運已成為航空運輸發(fā)展的重要增長點。

貨機貨物裝載進(jìn)程可視化系統(tǒng)可以對貨機裝載人員進(jìn)行模擬實際操作的培訓(xùn)，比純文字或者其他講解形式更容易被人理解和接受，能夠使學(xué)員在短時間內(nèi)熟悉貨艙結(jié)構(gòu)以及貨機貨物裝載進(jìn)程，大大縮短培訓(xùn)周期，從而節(jié)省培訓(xùn)費用，為航空公司帶來直接的經(jīng)濟效益。

近年來，可視化技術(shù)的應(yīng)用場景越來越普及[3-5]，已有專家學(xué)者對輪船或集裝箱內(nèi)部的裝載進(jìn)程等進(jìn)行了可視化研究，并取得了一定的成果[6-11]。目前尚未有關(guān)于貨機貨物裝載進(jìn)程可視化的研究，本文所研究的可視化系統(tǒng)主要依托于Unity 3D平臺，借助CATIA進(jìn)行模型構(gòu)建，并運用C#語言實現(xiàn)裝載進(jìn)程可視化。

1 系統(tǒng)可視化對象

波音777貨機是目前執(zhí)行國際長途貨運的主力機型之一，具有典型的代表性。貨機集裝器主要分為集裝箱和集裝板，集裝箱多用于散貨的運輸，在貨運飛機的主貨艙中，通常情況下使用集裝板裝載。波音777貨機主貨艙中共可裝載27塊A型集裝板[12]。因此，系統(tǒng)模擬裝載的可視化對象為波音777貨機主貨艙集裝板的裝載進(jìn)程。

在貨機裝載過程中，通常兩個集裝板一同由升降平臺進(jìn)入貨艙門，進(jìn)入艙門后調(diào)整好與貨艙壁的相對位置，然后兩個集裝板一起沿貨機縱向移動至目的裝載位。波音777貨機主貨艙如圖1所示。

圖1 波音777貨機主貨艙

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

貨機模擬裝載可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它由三個子系統(tǒng)組成，分別為數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、應(yīng)用模型子系統(tǒng)、貨物裝載場景演示子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)又包括若干功能模塊，具體功能如下：

(1) 貨物信息管理：航空貨運的貨物多種多樣，包括有一般貨物和特種貨物，特種貨物是指需要特別照料和服務(wù)的貨物，系統(tǒng)具備管理運輸貨物相關(guān)信息的功能，能夠通過界面顯示貨物相關(guān)基本信息。

(2) 集裝板參數(shù)管理：波音777貨機主貨艙適用的集裝板主要分為A、M、G、R四種類型，每種集裝板對應(yīng)不同的參數(shù)，系統(tǒng)將每種集裝板的大小、貨物裝載高度限制等參數(shù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。在操作系統(tǒng)時，只需輸入集裝板類型即可在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相關(guān)參數(shù)。

(3) 航班信息管理：系統(tǒng)可以顯示此次貨運航班的相關(guān)信息，例如航班號、飛行目的地、經(jīng)停站、機組信息等。

(4) 貨艙配載規(guī)則：根據(jù)貨艙對于集裝板的形狀、空間、重量等相關(guān)限制要求對貨機貨艙進(jìn)行配載，要求配載符合貨物裝載邏輯，滿足貨艙對集裝板的多約束條件。

(5) 配載計算：為滿足貨機的俯仰平衡、滾轉(zhuǎn)平衡以及重心位置約束等條件，依據(jù)配載計算得到集裝板貨物的裝載布局。

(6) 系統(tǒng)所用的貨機模型以及貨艙內(nèi)部場景模型通過CATIA軟件進(jìn)行建模繪制，生成stl格式文件，導(dǎo)入到3D MAX中進(jìn)行渲染生成fbx格式文件，最后導(dǎo)入到Unity 3D平臺中利用C#語言進(jìn)行系統(tǒng)集成，制作可視化界面，實現(xiàn)人機交互功能。

圖2 貨機模擬裝載可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)可視化界面設(shè)計

3.1 參數(shù)設(shè)置界面

集裝箱參數(shù)設(shè)置界面主要用于輸入集裝板和待裝載貨物的相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖3所示。用戶可以在集裝箱參數(shù)設(shè)置界面中選擇集裝板的類型以及集裝板在貨機貨艙內(nèi)的布局排列方式，輸入集裝板重量、集裝板貨物堆疊高度等。點擊“添加”將設(shè)置的數(shù)據(jù)錄入到本次模擬裝載的貨物參數(shù)中。

圖3 集裝箱參數(shù)設(shè)置界面

3.2 虛擬控制面板的功能與實現(xiàn)

通過Unity 3D中的Easy Touch插件實現(xiàn)可視化界面中的虛擬控制面板功能。利用系統(tǒng)界面的控制面板，模擬使用貨艙操作面板進(jìn)行集裝板裝載操作，虛擬控制面板如圖4所示。

模擬貨機貨艙裝載過程與實際的裝載過程相同，先裝載離艙門遠(yuǎn)的裝載位，最后裝載艙門附近的裝載位。通過系統(tǒng)界面中的控制面板實現(xiàn)對集裝板的操作，模擬實際裝箱作業(yè)。

首先點擊升降平臺控制面板上的“POWER SWITCH”按鈕，點擊后“POWER LIGHT”燈亮，代表電源接通。通過點擊面板上的“UP”和“DOWN”按鈕，控制升降平臺載貨平面高度，當(dāng)“對齊指示燈”亮?xí)r，表示升降平臺與貨機艙門平齊，此時可以通過點擊“IN SWITCH”將集裝板貨物由升降平臺傳送進(jìn)貨機艙門內(nèi)。

然后點擊裝載系統(tǒng)控制面板中的“POWER SWITCH”按鈕，通過控制虛擬面板上的搖桿“ROTATION”操縱集裝板轉(zhuǎn)向，點擊移動按鈕“POSITION PAD”控制集裝板沿縱向(X向)或橫向(Y向)移動，將集裝板移動到裝載位后點擊貨物控制面板上的“LOCK”按鈕將集裝板固定。將裝載到位的集裝板固定后，點擊“NEXT”，待裝集裝板自動刷新到升降平臺上，即可對余下的集裝板繼續(xù)進(jìn)行操作。

圖4 虛擬控制面板

3.3 系統(tǒng)主界面設(shè)計

在系統(tǒng)主界面中，貨機貨物裝載進(jìn)程以兩種不同的可視化形式同步顯示，一種是三維可視化顯示，另一種是二維平面顯示。

三維可視化模擬裝載界面如圖5所示，界面主要顯示的是波音777貨機的三維模型以及貨運相關(guān)組件，直觀地顯示通過虛擬面板控制的貨機貨物裝載進(jìn)程。主界面?zhèn)冗厵陲@示的內(nèi)容包括：集裝板的重量；貨艙內(nèi)集裝板的移動速度；已經(jīng)裝載到位的集裝板數(shù)量；待裝載的集裝板數(shù)量；裝載進(jìn)程中非正常情況顯示，集裝板與貨艙碰撞提醒等。通過設(shè)置Unity 3D中rigidbody插件，使貨機貨艙及集裝板模型具有剛體屬性，從而在模型表面接觸時能夠發(fā)出碰撞提醒。

圖5 三維可視化模擬裝載界面

點擊可視化界面中左上角“顯示二維貨艙”按鈕，則界面上端彈出二維貨艙平面裝載示意圖窗口，如圖6所示。二維貨艙圖同樣根據(jù)虛擬控制面板的操作指令同步顯示貨機裝載進(jìn)程，圖中用紫、黃、藍(lán)底色代表此處裝載區(qū)域?qū)τ诩b板的約束條件不同(重量、高度限制)，在裝載位上沒有集裝板時，顯示為虛線的長方形框體。操作虛擬控制面板開始裝載時，目的裝載位顯示綠色。當(dāng)控制集裝板移動到位后，裝載位線框由虛線變?yōu)閷嵕€。點擊貨物控制面板上的“LOCK”按鈕將集裝板固定后，裝載位由綠色變?yōu)榛疑?。點擊“NEXT”按鈕，目的裝載位更新，同樣以綠色標(biāo)出下一個目的裝載位。二維貨艙平面圖通過裝載位顏色和邊框顯示的變化更新，顯示模擬貨機貨物裝載的進(jìn)程。

圖6 二維貨艙平面裝載示意圖

4 實際測試結(jié)果

組織人員進(jìn)行貨物模擬裝載可視化系統(tǒng)的實際操作測試，以驗證系統(tǒng)的有效性。操作測試基于 Windows 7系統(tǒng)，使用電腦處理器為Intel(R) Core(TM) i3-4150 CPU @ 3.50GHz，安裝內(nèi)存4.00 GB。

選取12名測試人員(5名女性，7名男性)進(jìn)行系統(tǒng)的操作訓(xùn)練，模擬在波音777貨機中通過側(cè)邊位的布局方式裝載27塊A類集裝板。每名測試人員獨立完成5次完整操作，通過操作此系統(tǒng)模擬貨機的裝載進(jìn)程，統(tǒng)計測試人員在每次的操作過程中觸發(fā)碰撞提醒的次數(shù)以及每次模擬裝載所需要的時間，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 貨機模擬裝載系統(tǒng)測試結(jié)果統(tǒng)計

在操作過程中，測試人員單次平均碰撞提醒次數(shù)以及每次模擬裝載平均所需時間的變化趨勢分別如圖7和圖8所示。

圖7 測試人員單次操作系統(tǒng)平均碰撞提醒次數(shù)

圖8 測試人員單次操作系統(tǒng)平均消耗時間

由圖7和圖8可知：隨著操作次數(shù)的增加，測試人員單次操作系統(tǒng)的平均碰撞提醒次數(shù)越來越少，測試人員單次操作系統(tǒng)平均消耗時間越來越短。通過貨機貨物模擬裝載可視化系統(tǒng)的訓(xùn)練，有效降低了操作人員模擬裝載的失誤頻率，顯著提高了測試人員模擬裝載的效率?？梢娯洐C貨物模擬裝載可視化系統(tǒng)有助于操作人員熟悉貨艙系統(tǒng)以及貨物裝載的流程，驗證了該系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)束語

可視化技術(shù)是近幾年興起的新技術(shù)，它為相關(guān)專業(yè)人員提供了在計算機上觀察所要了解的客觀事物的手段，使他們可以更全面地掌握該事物的內(nèi)在規(guī)律及變化趨勢。將可視化技術(shù)應(yīng)用于貨機貨物模擬裝載，使貨運相關(guān)人員能夠?qū)ω浳镅b載進(jìn)行模擬操作，直觀地觀察到貨物裝載的動態(tài)過程，相比圖文教學(xué)更容易被人理解和接受。通過對模擬裝載可視化系統(tǒng)的操作訓(xùn)練，操作人員對于貨艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和貨機貨物的裝載進(jìn)程都有了具體詳細(xì)的認(rèn)識。