基于可视化技术的波音777货机模拟装载系统设计

王 策

(中国民航大学 航空工程学院，天津 300300)

0 引言

航空货运作为航空物流产业的重要组成部分，运输量持续上涨。据民航局官方公布的《2018年民航业发展统计公报》，2018年全行业货邮周转量达到262.50亿吨公里，比上年增长7.8%；全行业完成货邮运输量738.51万吨，比上年增长4.6%[1]。2019年，国内快递业务量预计增速至少达20%。由于时效快、品质高，航空货运已经逐步成为国内快递的主要运输方式[2]。由此可见，航空货运已成为航空运输发展的重要增长点。

货机货物装载进程可视化系统可以对货机装载人员进行模拟实际操作的培训，比纯文字或者其他讲解形式更容易被人理解和接受，能够使学员在短时间内熟悉货舱结构以及货机货物装载进程，大大缩短培训周期，从而节省培训费用，为航空公司带来直接的经济效益。

近年来，可视化技术的应用场景越来越普及[3-5]，已有专家学者对轮船或集装箱内部的装载进程等进行了可视化研究，并取得了一定的成果[6-11]。目前尚未有关于货机货物装载进程可视化的研究，本文所研究的可视化系统主要依托于Unity 3D平台，借助CATIA进行模型构建，并运用C#语言实现装载进程可视化。

1 系统可视化对象

波音777货机是目前执行国际长途货运的主力机型之一，具有典型的代表性。货机集装器主要分为集装箱和集装板，集装箱多用于散货的运输，在货运飞机的主货舱中，通常情况下使用集装板装载。波音777货机主货舱中共可装载27块A型集装板[12]。因此，系统模拟装载的可视化对象为波音777货机主货舱集装板的装载进程。

在货机装载过程中，通常两个集装板一同由升降平台进入货舱门，进入舱门后调整好与货舱壁的相对位置，然后两个集装板一起沿货机纵向移动至目的装载位。波音777货机主货舱如图1所示。

图1 波音777货机主货舱

2 系统总体方案设计

货机模拟装载可视化系统总体结构框图如图2所示，它由三个子系统组成，分别为数据库管理子系统、应用模型子系统、货物装载场景演示子系统。各子系统又包括若干功能模块，具体功能如下：

(1) 货物信息管理：航空货运的货物多种多样，包括有一般货物和特种货物，特种货物是指需要特别照料和服务的货物，系统具备管理运输货物相关信息的功能，能够通过界面显示货物相关基本信息。

(2) 集装板参数管理：波音777货机主货舱适用的集装板主要分为A、M、G、R四种类型，每种集装板对应不同的参数，系统将每种集装板的大小、货物装载高度限制等参数存储在数据库中。在操作系统时，只需输入集装板类型即可在数据库中调用相关参数。

(3) 航班信息管理：系统可以显示此次货运航班的相关信息，例如航班号、飞行目的地、经停站、机组信息等。

(4) 货舱配载规则：根据货舱对于集装板的形状、空间、重量等相关限制要求对货机货舱进行配载，要求配载符合货物装载逻辑，满足货舱对集装板的多约束条件。

(5) 配载计算：为满足货机的俯仰平衡、滚转平衡以及重心位置约束等条件，依据配载计算得到集装板货物的装载布局。

(6) 系统所用的货机模型以及货舱内部场景模型通过CATIA软件进行建模绘制，生成stl格式文件，导入到3D MAX中进行渲染生成fbx格式文件，最后导入到Unity 3D平台中利用C#语言进行系统集成，制作可视化界面，实现人机交互功能。

图2 货机模拟装载可视化系统总体结构框图

3 系统可视化界面设计

3.1 参数设置界面

集装箱参数设置界面主要用于输入集装板和待装载货物的相关数据，如图3所示。用户可以在集装箱参数设置界面中选择集装板的类型以及集装板在货机货舱内的布局排列方式，输入集装板重量、集装板货物堆叠高度等。点击“添加”将设置的数据录入到本次模拟装载的货物参数中。

图3 集装箱参数设置界面

3.2 虚拟控制面板的功能与实现

通过Unity 3D中的Easy Touch插件实现可视化界面中的虚拟控制面板功能。利用系统界面的控制面板，模拟使用货舱操作面板进行集装板装载操作，虚拟控制面板如图4所示。

模拟货机货舱装载过程与实际的装载过程相同，先装载离舱门远的装载位，最后装载舱门附近的装载位。通过系统界面中的控制面板实现对集装板的操作，模拟实际装箱作业。

首先点击升降平台控制面板上的“POWER SWITCH”按钮，点击后“POWER LIGHT”灯亮，代表电源接通。通过点击面板上的“UP”和“DOWN”按钮，控制升降平台载货平面高度，当“对齐指示灯”亮时，表示升降平台与货机舱门平齐，此时可以通过点击“IN SWITCH”将集装板货物由升降平台传送进货机舱门内。

然后点击装载系统控制面板中的“POWER SWITCH”按钮，通过控制虚拟面板上的摇杆“ROTATION”操纵集装板转向，点击移动按钮“POSITION PAD”控制集装板沿纵向(X向)或横向(Y向)移动，将集装板移动到装载位后点击货物控制面板上的“LOCK”按钮将集装板固定。将装载到位的集装板固定后，点击“NEXT”，待装集装板自动刷新到升降平台上，即可对余下的集装板继续进行操作。

图4 虚拟控制面板

3.3 系统主界面设计

在系统主界面中，货机货物装载进程以两种不同的可视化形式同步显示，一种是三维可视化显示，另一种是二维平面显示。

三维可视化模拟装载界面如图5所示，界面主要显示的是波音777货机的三维模型以及货运相关组件，直观地显示通过虚拟面板控制的货机货物装载进程。主界面侧边栏显示的内容包括：集装板的重量；货舱内集装板的移动速度；已经装载到位的集装板数量；待装载的集装板数量；装载进程中非正常情况显示，集装板与货舱碰撞提醒等。通过设置Unity 3D中rigidbody插件，使货机货舱及集装板模型具有刚体属性，从而在模型表面接触时能够发出碰撞提醒。

图5 三维可视化模拟装载界面

点击可视化界面中左上角“显示二维货舱”按钮，则界面上端弹出二维货舱平面装载示意图窗口，如图6所示。二维货舱图同样根据虚拟控制面板的操作指令同步显示货机装载进程，图中用紫、黄、蓝底色代表此处装载区域对于集装板的约束条件不同(重量、高度限制)，在装载位上没有集装板时，显示为虚线的长方形框体。操作虚拟控制面板开始装载时，目的装载位显示绿色。当控制集装板移动到位后，装载位线框由虚线变为实线。点击货物控制面板上的“LOCK”按钮将集装板固定后，装载位由绿色变为灰色。点击“NEXT”按钮，目的装载位更新，同样以绿色标出下一个目的装载位。二维货舱平面图通过装载位颜色和边框显示的变化更新，显示模拟货机货物装载的进程。

图6 二维货舱平面装载示意图

4 实际测试结果

组织人员进行货物模拟装载可视化系统的实际操作测试，以验证系统的有效性。操作测试基于 Windows 7系统，使用电脑处理器为Intel(R) Core(TM) i3-4150 CPU @ 3.50GHz，安装内存4.00 GB。

选取12名测试人员(5名女性，7名男性)进行系统的操作训练，模拟在波音777货机中通过侧边位的布局方式装载27块A类集装板。每名测试人员独立完成5次完整操作，通过操作此系统模拟货机的装载进程，统计测试人员在每次的操作过程中触发碰撞提醒的次数以及每次模拟装载所需要的时间，统计结果如表1所示。

表1 货机模拟装载系统测试结果统计

在操作过程中，测试人员单次平均碰撞提醒次数以及每次模拟装载平均所需时间的变化趋势分别如图7和图8所示。

图7 测试人员单次操作系统平均碰撞提醒次数

图8 测试人员单次操作系统平均消耗时间

由图7和图8可知：随着操作次数的增加，测试人员单次操作系统的平均碰撞提醒次数越来越少，测试人员单次操作系统平均消耗时间越来越短。通过货机货物模拟装载可视化系统的训练，有效降低了操作人员模拟装载的失误频率，显著提高了测试人员模拟装载的效率。可见货机货物模拟装载可视化系统有助于操作人员熟悉货舱系统以及货物装载的流程，验证了该系统的有效性。

5 结束语

可视化技术是近几年兴起的新技术，它为相关专业人员提供了在计算机上观察所要了解的客观事物的手段，使他们可以更全面地掌握该事物的内在规律及变化趋势。将可视化技术应用于货机货物模拟装载，使货运相关人员能够对货物装载进行模拟操作，直观地观察到货物装载的动态过程，相比图文教学更容易被人理解和接受。通过对模拟装载可视化系统的操作训练，操作人员对于货舱的内部结构和货机货物的装载进程都有了具体详细的认识。