基于可视化建模的铁路货物装载加固方案研究

孔庆玮，李 楠，张 卓

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京100081；2.北京经纬信息技术有限公司，北京100081）

铁路信息化整体正向着安全可靠、经济高效、方便快捷的方向发展[1]，但在装载加固领域，多数货运站方案设计依然沿用手工绘图、人工计算分析、人工送审批复的流程。铁路货物装载加固一直都是铁路货运工作的重点内容，是保证运输高效与安全的重要环节。合理有效地安排货物在车上的分布状态，充分利用货车载重力和容积，安全、迅速、经济地运输货物是装载加固领域面临的问题[2]。

文献[3]对货物运输安全高效有着重要指导意义。基于定型方案，中国铁路北京局集团有限公司石家庄货运中心、兰州交通大学对三维建模技术在装载加固教学模拟中进行了探索，对部分装载加固方案进行了生动直观地动画演示[4]。目前，可视化技术在装载加固领域的研究，多用于教学动画，方案展示局限于已有定型方案。

本研究在三维动画展示的基础上，对装载加固方案进行了抽象与建模，利用仿真建模技术，实现了对展示方案的交互操作，进一步加强了业务人员对定型方案的理解和认知。同时对不在定型方案内的货物运输需求，自动生成可行的装载加固方案，在装载方案的经济效益方面进行了探索，推进了装载加固生产作业的信息化与智能化发展。

1 装载加固可视化建模

1.1 仿真模型建立

本研究选用3DMax 和Rhino 建立三维模型。3DMax 与Rhino均为常见的三维建模软件，多用于工业设计与建筑设计。本研究将装载加固的模型分为货物、车辆、加固材料3类，每类模型包含自身的长宽、材质、光源等参数。车辆模型构建以C70型、C64K 型和P70 型模型为主；货物模型构建卷钢、角钢、螺纹钢和原木等代表性货物；加固材料构建钢丝绳、挡木和垫木等通用加固材料。

1.2 三维场景渲染

三维场景的建立仿真包括场景Scene、相机Camera 和渲染器Renderer 要素。场景Scene定义了整体空间，用于保存、追踪所渲染物体；相机Camera 定义了观察场景的角度；渲染器Renderer 最终在浏览器中渲染出画面。

本文以车辆横纵面交叉点作为原点建立三维坐标系，以车辆横向中心轴作为x 轴，纵向作为y轴，垂直地面方向作为z 轴，放置车体模型，并通过坐标计算加载货物模型及加固材料模型。依据文献[3]中对典型装载加固场景中货物摆放方式及位置的规定，对已有定型方案的装载加固场景，通过将实际货物距车体的距离换算成屏幕像素，确定物体的（x,y,z）坐标[5]。场景坐标系构建，如图1所示。

图1 场景坐标系构建

相机呈现了场景中某一特定角度的画面，本文中选用透视相机进行渲染。透视相机将在空间中形成视椎体，该视椎体为一棱锥，相机位于棱锥顶点。该椎体具备前后两个截面，近面为相机开始渲染物体的截面，通常会设置一个较小的值，以便看到更多物体，远面为相机结束渲染的截面，处于截面之间的模型才可被投影到屏幕上。在默认情况下，相机对准坐标系中（0,0,0）的位置，通过移动相机位置及焦点坐标，可渲染出不同角度的场景。视椎体空间，如图2所示。

图2 视椎体空间

本文使用Three.js实现B/S架构中三维场景的渲染。Three.js提供基于WebGL、CSS-3D、SVG 的不同渲染器，选用WebGL 渲染器负责通过显卡将场景中的物体从相机角度渲染出来。渲染器中还可以自定义后期处理，调整场景亮度对比度等要素，呈现风格更加逼真的视觉效果，如图3、图4所示。

图3 装载加固方案展示

图4 装载加固细节展示

1.3 性能优化

为了便于货运站员工从多角度观察装载加固场景演示、学习装载加固方案，对装载加固场景的展示应具备旋转、缩放等交互操作。但随着货车中货物的增多，场景中加载了越来越多的物体，浏览器的绘制压力随之增大，渲染速度逐渐变慢。对此，本文采用视锥体剔除与遮挡剔除[6]的方式进行性能优化。视锥体剔除的核心概念是视椎体碰撞，对不在相机视角之内的元素进行剔除，不作渲染。遮挡剔除是从相机的视角去观测，对于被遮挡住的物体，只将可见部分送去渲染。

普通的视椎体剔除算法，时间复杂度为O(n)，即对每个物体进行计算，判断其是否在视椎体所视区域外，为了进一步减少时间复杂度，本文采用分层剔除法，即用树状结构保存物品节点，一旦父节点被剔除，其包含子节点也被剔除，这样可以节省大量计算时间，将时间复杂度降为O(lgN)。视椎体剔除，如图5所示。

图5 视椎体剔除

遮挡剔除的基本思想是光线投射（Raycasting），即使从视角开始投影射线，计算射线跟所有物体的交点，只保留最近的像素点。由于本研究中的货车和大部分货物均为不透明且形状相对规则的物体，故可以用来作为遮挡物。一旦射线检测到距离相机最近的像素点，其后的像素点均被忽略，从而减轻图形处理器（GPU）渲染负担。遮挡剔除，如6所示。

图6 遮挡剔除

目前，图形绘制瓶颈是GPU 渲染，本文在渲染过程中，对大量同类物体（如一车木块），将群集变为单体，从而减少CPU 至GPU传包速度，提高绘制效率。

2 装载加固方案研究

2.1 装载加固方案生成

由于铁路货物装载加固方案种类繁多，本文主要针对金属材料及制品、木材、零散运输货物的装载加固进行研究。方案生成流程，如图7所示。

图7 方案生成流程

2.1.1 货物类型的运输方式

业务人员输入待运输货物信息，并选择运输车辆。通过对货物类型的判断，将货物分为整车运输和零散运输。

（1）整车运输。匹配该货物是否有装载加固定型方案：有装载则通过可视化展示该方案；没有装载则通过对该货物及车辆分析生成临时装载加固方案。业务人员通过人工手段对方案进行修改，对载重、偏重、摩擦力等信息验证，判断方案是否可行。

（2）零散运输。对货物进行标准化建模，抽象为规则的易计算的常见立体模型。通过对货物分类及区域递归划分等方式，生成装载加固方案。业务人员可通过人工手段对方案进行修改，对载重、偏重、摩擦力等信息验证，判断方案是否可行。

2.1.2 货物需求分析

运输需求是生成方案的输入，运输需求包括装载货物的品名、品类、重量、体积、形状和数量等描述，运输车种车型，加固材料选择等。运输需求对货物装载加固方法的匹配以及生成起到了决定性作用。

2.1.3 整车装载方案生成

根据运输需求，判断是否已具备适合该货物的定型方案。通过对《铁路货物装载加固定型方案（上、中、下）》中的装载加固方案进行建模、数字化存储，实现对已有装载加固方案货物的可视化展示。针对无匹配方案的货物，分析该货物的数据特点，以及同品类或相似品类的定型方案，生成装载方案。同时提供人工干预修改的接口，满足个性化装载需求。

2.1.4 零散装载方案生成

大多数零散货物主要通过集装箱进行运输，目前，铁路针对集装箱装载加固并没有指导说明。对于此类货物，进行标准化建模，量化货物，将不规则的现实物体转换为规则的数字化模型，对模型体积、数量和重量等因子的进行分析；对货车空间进行有效分割，从而生成模型的位置信息；通过添加加固方式等操作，生成装载加固方案。

2.2 装载加固可靠性研判

为了将货物装载状态与加固方法正确地呈现给业务人员，要保证装载状态符合《铁路货物装载加固规则》要求，根据体积、质量、重心、惯性力和阻力等装载加固影响因子，计算货物纵向或横向移动时所需外力矢量大小，确保货车不出现超载、偏载、超重、偏重的问题[7]。

以货车重心为例，如式（1）：

式中：H—货车重心；

Q车— 货车自重；

Q1……Qn—每件货物重量；

h车—货车重心高度；

h1……hn— 每件货物重心高度。

对惯性力，摩擦力和风力的计算分析参照《铁路货物装载加固规则》。当用户自行在界面上操作货车内货物的旋转、摆放时，系统将货物坐标位置传入后台，通过计算检测货物装载状态，回馈提示给用户。

2.3 空间利用率计算

在保证货车装载状态正确的基础上，最大限度利用货车空间，才能节约成本，增加经济效益。对货车空间利用效率的研究本质上是一个动态规划问题。

货车容积利用率的计算，如式（2）：

式中：φ—货车容积利用率；

V装—货物占用容积；

V有效—货车有效容积。

在重车不超载且货物合理摆放的基础上，一类货物往往具备多种装载方式，本文通过计算每种装载方式的空间利用率，找出最节约成本的装载方案并提供给用户，保证利用最少车辆运输更多货物，从而带来更高经济效益。

3 结束语

本文基于可视化仿真建模技术进行了装载加固方案研究，在直观展现方案的基础上，对交互操作、方案智能生成方面进行了探索，可协助现场工作人员将装载加固理论与实际作业结合起来，丰富知识储备，提高作业效率。将来可对图像生成和算法分析两大领域继续挖掘。论文在数据验证方面需继续完善，货运作业种类繁多，难以全面覆盖，需要在理论基础上进行大量用户装车需求数据的实验，不断验证，才能针对不同运输需求生成最佳方案。