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

        2020-08-25 02:06:48
        機械工程與自動化 2020年4期
        關(guān)鍵詞:集裝貨機控制面板

        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(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)量預計增速至少達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。

        貨機貨物裝載進程可視化系統(tǒng)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(nèi)熟悉貨艙結(jié)構(gòu)以及貨機貨物裝載進程,大大縮短培訓周期,從而節(jié)省培訓費用,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],已有專家學者對輪船或集裝箱內(nèi)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(guān)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(tǒng)主要依托于Unity 3D平臺,借助CATIA進行模型構(gòu)建,并運用C#語言實現(xiàn)裝載進程可視化。

        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(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(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(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“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(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程,圖中用紫、黃、藍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(jié)果

        組織人員進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)進行系統(tǒng)的操作訓練,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程都有了具體詳細的認識。

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