孔慶瑋，李 楠，張 卓

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京100081；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京100081）

鐵路信息化整體正向著安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、方便快捷的方向發(fā)展[1]，但在裝載加固領(lǐng)域，多數(shù)貨運(yùn)站方案設(shè)計(jì)依然沿用手工繪圖、人工計(jì)算分析、人工送審批復(fù)的流程。鐵路貨物裝載加固一直都是鐵路貨運(yùn)工作的重點(diǎn)內(nèi)容，是保證運(yùn)輸高效與安全的重要環(huán)節(jié)。合理有效地安排貨物在車上的分布狀態(tài)，充分利用貨車載重力和容積，安全、迅速、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)輸貨物是裝載加固領(lǐng)域面臨的問題[2]。

文獻(xiàn)[3]對貨物運(yùn)輸安全高效有著重要指導(dǎo)意義。基于定型方案，中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司石家莊貨運(yùn)中心、蘭州交通大學(xué)對三維建模技術(shù)在裝載加固教學(xué)模擬中進(jìn)行了探索，對部分裝載加固方案進(jìn)行了生動直觀地動畫演示[4]。目前，可視化技術(shù)在裝載加固領(lǐng)域的研究，多用于教學(xué)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(chǔ)上，對裝載加固方案進(jìn)行了抽象與建模，利用仿真建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對展示方案的交互操作，進(jìn)一步加強(qiáng)了業(yè)務(wù)人員對定型方案的理解和認(rèn)知。同時(shí)對不在定型方案內(nèi)的貨物運(yùn)輸需求，自動生成可行的裝載加固方案，在裝載方案的經(jīng)濟(jì)效益方面進(jìn)行了探索，推進(jìn)了裝載加固生產(chǎn)作業(yè)的信息化與智能化發(fā)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(yè)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)。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(zhì)、光源等參數(shù)。車輛模型構(gòu)建以C70型、C64K 型和P70 型模型為主；貨物模型構(gòu)建卷鋼、角鋼、螺紋鋼和原木等代表性貨物；加固材料構(gòu)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(jī)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(jī)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(diǎn)作為原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)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(biāo)計(jì)算加載貨物模型及加固材料模型。依據(jù)文獻(xiàn)[3]中對典型裝載加固場景中貨物擺放方式及位置的規(guī)定，對已有定型方案的裝載加固場景，通過將實(shí)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(biāo)[5]。場景坐標(biāo)系構(gòu)建，如圖1所示。

圖1 場景坐標(biāo)系構(gòu)建

相機(jī)呈現(xiàn)了場景中某一特定角度的畫面，本文中選用透視相機(jī)進(jìn)行渲染。透視相機(jī)將在空間中形成視椎體，該視椎體為一棱錐，相機(jī)位于棱錐頂點(diǎn)。該椎體具備前后兩個(gè)截面，近面為相機(jī)開始渲染物體的截面，通常會設(shè)置一個(gè)較小的值，以便看到更多物體，遠(yuǎn)面為相機(jī)結(jié)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(rèn)情況下，相機(jī)對準(zhǔn)坐標(biāo)系中（0,0,0）的位置，通過移動相機(jī)位置及焦點(diǎn)坐標(biāo)，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(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)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(fù)責(zé)通過顯卡將場景中的物體從相機(jī)角度渲染出來。渲染器中還可以自定義后期處理，調(diào)整場景亮度對比度等要素，呈現(xiàn)風(fēng)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(xì)節(jié)展示

1.3 性能優(yōu)化

為了便于貨運(yùn)站員工從多角度觀察裝載加固場景演示、學(xué)習(xí)裝載加固方案，對裝載加固場景的展示應(yīng)具備旋轉(zhuǎn)、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(jìn)行性能優(yōu)化。視錐體剔除的核心概念是視椎體碰撞，對不在相機(jī)視角之內(nèi)的元素進(jìn)行剔除，不作渲染。遮擋剔除是從相機(jī)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(shí)間復(fù)雜度為O(n)，即對每個(gè)物體進(jìn)行計(jì)算，判斷其是否在視椎體所視區(qū)域外，為了進(jìn)一步減少時(shí)間復(fù)雜度，本文采用分層剔除法，即用樹狀結(jié)構(gòu)保存物品節(jié)點(diǎn)，一旦父節(jié)點(diǎn)被剔除，其包含子節(jié)點(diǎn)也被剔除，這樣可以節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間，將時(shí)間復(fù)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(jì)算射線跟所有物體的交點(diǎn)，只保留最近的像素點(diǎn)。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(guī)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(jī)最近的像素點(diǎn)，其后的像素點(diǎn)均被忽略，從而減輕圖形處理器（GPU）渲染負(fù)擔(dān)。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?yōu)閱误w，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(yùn)輸貨物的裝載加固進(jìn)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(yùn)輸方式

業(yè)務(wù)人員輸入待運(yùn)輸貨物信息，并選擇運(yùn)輸車輛。通過對貨物類型的判斷，將貨物分為整車運(yùn)輸和零散運(yùn)輸。

（1）整車運(yùn)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(shí)裝載加固方案。業(yè)務(wù)人員通過人工手段對方案進(jìn)行修改，對載重、偏重、摩擦力等信息驗(yàn)證，判斷方案是否可行。

（2）零散運(yùn)輸。對貨物進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模，抽象為規(guī)則的易計(jì)算的常見立體模型。通過對貨物分類及區(qū)域遞歸劃分等方式，生成裝載加固方案。業(yè)務(wù)人員可通過人工手段對方案進(jìn)行修改，對載重、偏重、摩擦力等信息驗(yàn)證，判斷方案是否可行。

2.1.2 貨物需求分析

運(yùn)輸需求是生成方案的輸入，運(yùn)輸需求包括裝載貨物的品名、品類、重量、體積、形狀和數(shù)量等描述，運(yùn)輸車種車型，加固材料選擇等。運(yùn)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(jù)運(yùn)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(jìn)行建模、數(shù)字化存儲，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)特點(diǎn)，以及同品類或相似品類的定型方案，生成裝載方案。同時(shí)提供人工干預(yù)修改的接口，滿足個(gè)性化裝載需求。

2.1.4 零散裝載方案生成

大多數(shù)零散貨物主要通過集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸，目前，鐵路針對集裝箱裝載加固并沒有指導(dǎo)說明。對于此類貨物，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模，量化貨物，將不規(guī)則的現(xiàn)實(shí)物體轉(zhuǎn)換為規(guī)則的數(shù)字化模型，對模型體積、數(shù)量和重量等因子的進(jìn)行分析；對貨車空間進(jìn)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(tài)與加固方法正確地呈現(xiàn)給業(yè)務(wù)人員，要保證裝載狀態(tài)符合《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》要求，根據(jù)體積、質(zhì)量、重心、慣性力和阻力等裝載加固影響因子，計(jì)算貨物縱向或橫向移動時(shí)所需外力矢量大小，確保貨車不出現(xiàn)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……h(huán)n— 每件貨物重心高度。

對慣性力，摩擦力和風(fēng)力的計(jì)算分析參照《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》。當(dāng)用戶自行在界面上操作貨車內(nèi)貨物的旋轉(zhuǎn)、擺放時(shí)，系統(tǒng)將貨物坐標(biāo)位置傳入后臺，通過計(jì)算檢測貨物裝載狀態(tài)，回饋提示給用戶。

2.3 空間利用率計(jì)算

在保證貨車裝載狀態(tài)正確的基礎(chǔ)上，最大限度利用貨車空間，才能節(jié)約成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。對貨車空間利用效率的研究本質(zhì)上是一個(gè)動態(tài)規(guī)劃問題。

貨車容積利用率的計(jì)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(chǔ)上，一類貨物往往具備多種裝載方式，本文通過計(jì)算每種裝載方式的空間利用率，找出最節(jié)約成本的裝載方案并提供給用戶，保證利用最少車輛運(yùn)輸更多貨物，從而帶來更高經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)束語

本文基于可視化仿真建模技術(shù)進(jìn)行了裝載加固方案研究，在直觀展現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上，對交互操作、方案智能生成方面進(jìn)行了探索，可協(xié)助現(xiàn)場工作人員將裝載加固理論與實(shí)際作業(yè)結(jié)合起來，豐富知識儲備，提高作業(yè)效率。將來可對圖像生成和算法分析兩大領(lǐng)域繼續(xù)挖掘。論文在數(shù)據(jù)驗(yàn)證方面需繼續(xù)完善，貨運(yùn)作業(yè)種類繁多，難以全面覆蓋，需要在理論基礎(chǔ)上進(jìn)行大量用戶裝車需求數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，不斷驗(yàn)證，才能針對不同運(yùn)輸需求生成最佳方案。