基于可視化技術的波音777貨機模擬裝載系統設計

王 策

(中國民航大學 航空工程學院，天津 300300)

0 引言

航空貨運作為航空物流產業的重要組成部分，運輸量持續上漲。據民航局官方公布的《2018年民航業發展統計公報》，2018年全行業貨郵周轉量達到262.50億噸公里，比上年增長7.8%；全行業完成貨郵運輸量738.51萬噸，比上年增長4.6%[1]。2019年，國內快遞業務量預計增速至少達20%。由于時效快、品質高，航空貨運已經逐步成為國內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展的重要增長點。

貨機貨物裝載進程可視化系統可以對貨機裝載人員進行模擬實際操作的培訓，比純文字或者其他講解形式更容易被人理解和接受，能夠使學員在短時間內熟悉貨艙結構以及貨機貨物裝載進程，大大縮短培訓周期，從而節省培訓費用，為航空公司帶來直接的經濟效益。

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

1 系統可視化對象

波音777貨機是目前執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程。

在貨機裝載過程中，通常兩個集裝板一同由升降平臺進入貨艙門，進入艙門后調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 系統總體方案設計

貨機模擬裝載可視化系統總體結構框圖如圖2所示，它由三個子系統組成，分別為數據庫管理子系統、應用模型子系統、貨物裝載場景演示子系統。各子系統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的貨物，系統具備管理運輸貨物相關信息的功能，能夠通過界面顯示貨物相關基本信息。

(2) 集裝板參數管理：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，每種集裝板對應不同的參數，系統將每種集裝板的大小、貨物裝載高度限制等參數存儲在數據庫中。在操作系統時，只需輸入集裝板類型即可在數據庫中調用相關參數。

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

(4) 貨艙配載規則：根據貨艙對于集裝板的形狀、空間、重量等相關限制要求對貨機貨艙進行配載，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、滾轉平衡以及重心位置約束等條件，依據配載計算得到集裝板貨物的裝載布局。

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

圖2 貨機模擬裝載可視化系統總體結構框圖

3 系統可視化界面設計

3.1 參數設置界面

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

圖3 集裝箱參數設置界面

3.2 虛擬控制面板的功能與實現

通過Unity 3D中的Easy Touch插件實現可視化界面中的虛擬控制面板功能。利用系統界面的控制面板，模擬使用貨艙操作面板進行集裝板裝載操作，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，先裝載離艙門遠的裝載位，最后裝載艙門附近的裝載位。通過系統界面中的控制面板實現對集裝板的操作，模擬實際裝箱作業。

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“對齊指示燈”亮時，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貨機艙門內。

然后點擊裝載系統控制面板中的“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進行操作。

圖4 虛擬控制面板

3.3 系統主界面設計

在系統主界面中，貨機貨物裝載進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組件，直觀地顯示通過虛擬面板控制的貨機貨物裝載進程。主界面側邊欄顯示的內容包括：集裝板的重量；貨艙內集裝板的移動速度；已經裝載到位的集裝板數量；待裝載的集裝板數量；裝載進程中非正常情況顯示，集裝板與貨艙碰撞提醒等。通過設置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虛擬控制面板的操作指令同步顯示貨機裝載進程，圖中用紫、黃、藍底色代表此處裝載區域對于集裝板的約束條件不同(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。當控制集裝板移動到位后，裝載位線框由虛線變為實線。點擊貨物控制面板上的“LOCK”按鈕將集裝板固定后，裝載位由綠色變為灰色。點擊“NEXT”按鈕，目的裝載位更新，同樣以綠色標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程。

圖6 二維貨艙平面裝載示意圖

4 實際測試結果

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

選取12名測試人員(5名女性，7名男性)進行系統的操作訓練，模擬在波音777貨機中通過側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，通過操作此系統模擬貨機的裝載進程，統計測試人員在每次的操作過程中觸發碰撞提醒的次數以及每次模擬裝載所需要的時間，統計結果如表1所示。

表1 貨機模擬裝載系統測試結果統計

在操作過程中，測試人員單次平均碰撞提醒次數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平均碰撞提醒次數

圖8 測試人員單次操作系統平均消耗時間

由圖7和圖8可知：隨著操作次數的增加，測試人員單次操作系統的平均碰撞提醒次數越來越少，測試人員單次操作系統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的訓練，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有助于操作人員熟悉貨艙系統以及貨物裝載的流程，驗證了該系統的有效性。

5 結束語

可視化技術是近幾年興起的新技術，它為相關專業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在規律及變化趨勢。將可視化技術應用于貨機貨物模擬裝載，使貨運相關人員能夠對貨物裝載進行模擬操作，直觀地觀察到貨物裝載的動態過程，相比圖文教學更容易被人理解和接受。通過對模擬裝載可視化系統的操作訓練，操作人員對于貨艙的內部結構和貨機貨物的裝載進程都有了具體詳細的認識。