基于可視化建模的鐵路貨物裝載加固方案研究

孔慶瑋，李 楠，張 卓

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京100081；2.北京經緯信息技術有限公司，北京100081）

鐵路信息化整體正向著安全可靠、經濟高效、方便快捷的方向發展[1]，但在裝載加固領域，多數貨運站方案設計依然沿用手工繪圖、人工計算分析、人工送審批復的流程。鐵路貨物裝載加固一直都是鐵路貨運工作的重點內容，是保證運輸高效與安全的重要環節。合理有效地安排貨物在車上的分布狀態，充分利用貨車載重力和容積，安全、迅速、經濟地運輸貨物是裝載加固領域面臨的問題[2]。

文獻[3]對貨物運輸安全高效有著重要指導意義。基于定型方案，中國鐵路北京局集團有限公司石家莊貨運中心、蘭州交通大學對三維建模技術在裝載加固教學模擬中進行了探索，對部分裝載加固方案進行了生動直觀地動畫演示[4]。目前，可視化技術在裝載加固領域的研究，多用于教學動畫，方案展示局限于已有定型方案。

本研究在三維動畫展示的基礎上，對裝載加固方案進行了抽象與建模，利用仿真建模技術，實現了對展示方案的交互操作，進一步加強了業務人員對定型方案的理解和認知。同時對不在定型方案內的貨物運輸需求，自動生成可行的裝載加固方案，在裝載方案的經濟效益方面進行了探索，推進了裝載加固生產作業的信息化與智能化發展。

1 裝載加固可視化建模

1.1 仿真模型建立

本研究選用3DMax 和Rhino 建立三維模型。3DMax 與Rhino均為常見的三維建模軟件，多用于工業設計與建筑設計。本研究將裝載加固的模型分為貨物、車輛、加固材料3類，每類模型包含自身的長寬、材質、光源等參數。車輛模型構建以C70型、C64K 型和P70 型模型為主；貨物模型構建卷鋼、角鋼、螺紋鋼和原木等代表性貨物；加固材料構建鋼絲繩、擋木和墊木等通用加固材料。

1.2 三維場景渲染

三維場景的建立仿真包括場景Scene、相機Camera 和渲染器Renderer 要素。場景Scene定義了整體空間，用于保存、追蹤所渲染物體；相機Camera 定義了觀察場景的角度；渲染器Renderer 最終在瀏覽器中渲染出畫面。

本文以車輛橫縱面交叉點作為原點建立三維坐標系，以車輛橫向中心軸作為x 軸，縱向作為y軸，垂直地面方向作為z 軸，放置車體模型，并通過坐標計算加載貨物模型及加固材料模型。依據文獻[3]中對典型裝載加固場景中貨物擺放方式及位置的規定，對已有定型方案的裝載加固場景，通過將實際貨物距車體的距離換算成屏幕像素，確定物體的（x,y,z）坐標[5]。場景坐標系構建，如圖1所示。

圖1 場景坐標系構建

相機呈現了場景中某一特定角度的畫面，本文中選用透視相機進行渲染。透視相機將在空間中形成視椎體，該視椎體為一棱錐，相機位于棱錐頂點。該椎體具備前后兩個截面，近面為相機開始渲染物體的截面，通常會設置一個較小的值，以便看到更多物體，遠面為相機結束渲染的截面，處于截面之間的模型才可被投影到屏幕上。在默認情況下，相機對準坐標系中（0,0,0）的位置，通過移動相機位置及焦點坐標，可渲染出不同角度的場景。視椎體空間，如圖2所示。

圖2 視椎體空間

本文使用Three.js實現B/S架構中三維場景的渲染。Three.js提供基于WebGL、CSS-3D、SVG 的不同渲染器，選用WebGL 渲染器負責通過顯卡將場景中的物體從相機角度渲染出來。渲染器中還可以自定義后期處理，調整場景亮度對比度等要素，呈現風格更加逼真的視覺效果，如圖3、圖4所示。

圖3 裝載加固方案展示

圖4 裝載加固細節展示

1.3 性能優化

為了便于貨運站員工從多角度觀察裝載加固場景演示、學習裝載加固方案，對裝載加固場景的展示應具備旋轉、縮放等交互操作。但隨著貨車中貨物的增多，場景中加載了越來越多的物體，瀏覽器的繪制壓力隨之增大，渲染速度逐漸變慢。對此，本文采用視錐體剔除與遮擋剔除[6]的方式進行性能優化。視錐體剔除的核心概念是視椎體碰撞，對不在相機視角之內的元素進行剔除，不作渲染。遮擋剔除是從相機的視角去觀測，對于被遮擋住的物體，只將可見部分送去渲染。

普通的視椎體剔除算法，時間復雜度為O(n)，即對每個物體進行計算，判斷其是否在視椎體所視區域外，為了進一步減少時間復雜度，本文采用分層剔除法，即用樹狀結構保存物品節點，一旦父節點被剔除，其包含子節點也被剔除，這樣可以節省大量計算時間，將時間復雜度降為O(lgN)。視椎體剔除，如圖5所示。

圖5 視椎體剔除

遮擋剔除的基本思想是光線投射（Raycasting），即使從視角開始投影射線，計算射線跟所有物體的交點，只保留最近的像素點。由于本研究中的貨車和大部分貨物均為不透明且形狀相對規則的物體，故可以用來作為遮擋物。一旦射線檢測到距離相機最近的像素點，其后的像素點均被忽略，從而減輕圖形處理器（GPU）渲染負擔。遮擋剔除，如6所示。

圖6 遮擋剔除

目前，圖形繪制瓶頸是GPU 渲染，本文在渲染過程中，對大量同類物體（如一車木塊），將群集變為單體，從而減少CPU 至GPU傳包速度，提高繪制效率。

2 裝載加固方案研究

2.1 裝載加固方案生成

由于鐵路貨物裝載加固方案種類繁多，本文主要針對金屬材料及制品、木材、零散運輸貨物的裝載加固進行研究。方案生成流程，如圖7所示。

圖7 方案生成流程

2.1.1 貨物類型的運輸方式

業務人員輸入待運輸貨物信息，并選擇運輸車輛。通過對貨物類型的判斷，將貨物分為整車運輸和零散運輸。

（1）整車運輸。匹配該貨物是否有裝載加固定型方案：有裝載則通過可視化展示該方案；沒有裝載則通過對該貨物及車輛分析生成臨時裝載加固方案。業務人員通過人工手段對方案進行修改，對載重、偏重、摩擦力等信息驗證，判斷方案是否可行。

（2）零散運輸。對貨物進行標準化建模，抽象為規則的易計算的常見立體模型。通過對貨物分類及區域遞歸劃分等方式，生成裝載加固方案。業務人員可通過人工手段對方案進行修改，對載重、偏重、摩擦力等信息驗證，判斷方案是否可行。

2.1.2 貨物需求分析

運輸需求是生成方案的輸入，運輸需求包括裝載貨物的品名、品類、重量、體積、形狀和數量等描述，運輸車種車型，加固材料選擇等。運輸需求對貨物裝載加固方法的匹配以及生成起到了決定性作用。

2.1.3 整車裝載方案生成

根據運輸需求，判斷是否已具備適合該貨物的定型方案。通過對《鐵路貨物裝載加固定型方案（上、中、下）》中的裝載加固方案進行建模、數字化存儲，實現對已有裝載加固方案貨物的可視化展示。針對無匹配方案的貨物，分析該貨物的數據特點，以及同品類或相似品類的定型方案，生成裝載方案。同時提供人工干預修改的接口，滿足個性化裝載需求。

2.1.4 零散裝載方案生成

大多數零散貨物主要通過集裝箱進行運輸，目前，鐵路針對集裝箱裝載加固并沒有指導說明。對于此類貨物，進行標準化建模，量化貨物，將不規則的現實物體轉換為規則的數字化模型，對模型體積、數量和重量等因子的進行分析；對貨車空間進行有效分割，從而生成模型的位置信息；通過添加加固方式等操作，生成裝載加固方案。

2.2 裝載加固可靠性研判

為了將貨物裝載狀態與加固方法正確地呈現給業務人員，要保證裝載狀態符合《鐵路貨物裝載加固規則》要求，根據體積、質量、重心、慣性力和阻力等裝載加固影響因子，計算貨物縱向或橫向移動時所需外力矢量大小，確保貨車不出現超載、偏載、超重、偏重的問題[7]。

以貨車重心為例，如式（1）：

式中：H—貨車重心；

Q車— 貨車自重；

Q1……Qn—每件貨物重量；

h車—貨車重心高度；

h1……hn— 每件貨物重心高度。

對慣性力，摩擦力和風力的計算分析參照《鐵路貨物裝載加固規則》。當用戶自行在界面上操作貨車內貨物的旋轉、擺放時，系統將貨物坐標位置傳入后臺，通過計算檢測貨物裝載狀態，回饋提示給用戶。

2.3 空間利用率計算

在保證貨車裝載狀態正確的基礎上，最大限度利用貨車空間，才能節約成本，增加經濟效益。對貨車空間利用效率的研究本質上是一個動態規劃問題。

貨車容積利用率的計算，如式（2）：

式中：φ—貨車容積利用率；

V裝—貨物占用容積；

V有效—貨車有效容積。

在重車不超載且貨物合理擺放的基礎上，一類貨物往往具備多種裝載方式，本文通過計算每種裝載方式的空間利用率，找出最節約成本的裝載方案并提供給用戶，保證利用最少車輛運輸更多貨物，從而帶來更高經濟效益。

3 結束語

本文基于可視化仿真建模技術進行了裝載加固方案研究，在直觀展現方案的基礎上，對交互操作、方案智能生成方面進行了探索，可協助現場工作人員將裝載加固理論與實際作業結合起來，豐富知識儲備，提高作業效率。將來可對圖像生成和算法分析兩大領域繼續挖掘。論文在數據驗證方面需繼續完善，貨運作業種類繁多，難以全面覆蓋，需要在理論基礎上進行大量用戶裝車需求數據的實驗，不斷驗證，才能針對不同運輸需求生成最佳方案。