虚拟仿真技术 | 货机货物装载系统热态测控虚拟仿真实验设计

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货机货物装载系统热态测控

虚拟仿真实验设计

Virtual simulation experiment

design of hot-state measurement

control of aircraft cargo

loading system

作者单位

董春云，鹿于恒，李 兵，

陈晓龙，于皓瑜

西安电子科技大学 机电工程学院，

陕西 西安 710071

DONG Chunyun, LU Yuheng, LI Bing,

CHEN Xiaolong, YU Haoyu

School of Electro-mechanical Engineering,

Xidian University, Xi’an 710071, China

作者简介：

董春云（1989—），女，山东新泰，博士，高级实验师，主要研究方向为飞行器制导控制。

通信作者：陈晓龙（1976—），男，陕西西安，博士，教授，主要研究方向为智能物联与微波测试。

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摘  要

货机货物装载技术国产化需求日益显著，该文结合新工科建设和“自动控制原理”课程教学需求，设计了货机货物装载热态测控虚拟仿真实验。采用SolidWorks/3DMax实现了装载系统关键组件与整机货舱的三维视景建模，利用MATLAB建立了装载系统控制、装载方案优化与多传感器测量理论模型，并开发了状态参数调控动态链接库函数接口，实现了装备认知、方案设计、热态测量和实时控制等实验内容模拟。该实验有效填补了教学环境与特殊工业现场的认知差距，激发了学生对课程理论学习和工业实际应用的兴趣，取得了较好的实验效果。

Abstract: The domestic demand of aircraft cargo loading technology is increasingly significant. Combined the construction of new engineering with the needs of “Automatic control theory” course teaching, a virtual simulation experiment of hot-state measurement control of aircraft cargo loading system is designed. The modeling and simulation of the loading system and cargo hold are realized by using SolidWorks/3DMax. The theoretical models and dynamic link library function interfaces of loading system control, loading scheme optimization and multiple sensor measurement are established by using MATLAB, and the experimental contents such as equipment cognition, scheme design, hot-state measurement and real-time control are implemented. The experiment effectively fills the cognitive gap between the teaching environment and special industrial sites, stimulates students’ interest in curriculum study and industrial applications, and achieves good experimental teaching effect.

关键词：货机货物装载；装载方案优化；

热态测控；虚拟仿真；实验教学

Key words: aircraft cargo loading;

loading scheme optimization;

hot-state measurement control;

virtual simulation; experimental teaching

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货机货物装载系统与装载技术是实现航空货运集装化运输的关键因素，能够有效提高货物装载效率，降低人力、物力成本[1-2]。由于我国民用航空起步较晚，在货机货物装载系统研发体系和技术能力方面仍与国外存在较大差距，市场需求高度依赖进口设备[3-4]。近年来，随着国内航空货运行业的快速持续发展，航空货物运输市场不断扩大，货物装载系统和装载技术的国产化需求日益显著，相关技术研究和人才培养迫在眉睫[5]。

分散动力构型货机货物装载系统利用分散布设在货舱甲板上的动力驱动单元（power driver unit，PDU），将满足国际航空运输协会规定的航空集装单元（unit loading device，ULD），按照预先设定的装载方案运输并固定到货舱指定位置。该系统涵盖机械系统、驱动系统、控制系统等硬件结构，涉及测量、通信、控制等技术领域，是学生开展“产学研”综合性实验的理想平台。然而，航空运输行业具有极高的安全性要求，货机货物装载系统本身体积庞大、结构复杂、价格昂贵，难以面向本科生开展现场实验与设备采购，制约了学生基于复杂机电装备的实践能力培养。

虚拟仿真实验教学能够有效推进现代信息技术融入实验教学项目、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平[6]。近年来，国家高度重视虚拟仿真实验教学建设，虚拟仿真实验教学项目得到广泛开发与应用，有效推动了理论及实验教学改革[7-8]。在飞机控制领域，陈聪等[9]开发了机务培训虚拟仿真实验，杨姗姗等[10]开发了三维可视化飞行控制仿真平台。针对货机货物装载操作人员培训问题，王策[11]基于波音777货机开发了模拟装载系统，Wong等[12]开发了货物装载规划闭环数字孪生系统。货机货物装载功能的实现依赖复杂测控技术，相关虚拟仿真实验教学项目仍有待进一步研究。

本文采用MATLAB仿真软件建立货机货物装载系统控制模型、装载方案优化模型与多传感器测量模型，基于SolidWorks/3DMax等仿真软件实现货机货舱内外场景及装载系统的三维可视化建模，设计并开发货机货物装载系统热态测控虚拟仿真实验平台，帮助学生直观理解货机货物装载系统组成、装载操作流程、装载方案设计与底层测控原理，进一步提高学生实践能力。实验以陕西省省级测量与仪器虚拟仿真实验教学中心为依托，支持和丰富“自动控制原理”“自动测试技术”等课程的实践教学发展，紧密联系我国相关技术国产化产业需求与企业生产技术难点，培养学生勇于担当、敢于担当的责任意识。

1  实验设计与开发

1.1 实验设计

本实验目标可以概括为以下4点：①建立对货机货物装载场景的直观认知，熟悉货机货物装载系统组成及关键部件功能，掌握装载系统工作原理与装载流程；②设计并优化货机货物装载配平与装载方案，观察并分析影响飞行安全与装载效率的重要因素，建立系统最优控制的基本概念；③通过对货舱关键部件电流、温度、功率等状态参数的热态测量与观察，掌握相关传感器基本原理与应用场景，体会设备启停和热态运行对设备状态的动态影响；④分析装载控制系统总体信号交互协同工作原理，掌握基于传感器信号的闭环控制系统设计方法并完成自动化装载测试。

围绕上述实验目标，结合测控技术与仪器专业“自动控制原理”“自动测试技术”等课程的实验教学需求，设计4部分实验内容，具体包括：货机装载场景和装载系统组成认知实验；货物装载配平与装载方案最优化设计实验；系统关键部件参数测量原理与动态测试实验；装载控制系统自动化装载测试实验。实验可以设置为独立实验内容，也可以作为实体实验操作的预习和补充。

1.2 理论建模

分散动力构型货机货物装载系统物理单元组成如图1所示，依据功能定位，可划分为控制系统、机械系统和驱动系统三大部分。各部分相互配合完成复杂的装卸载任务，具有被控对象多、控制逻辑复杂、通信实时性和可靠性要求高等特点。经过多年技术积累，目前演化出了以“分散动力、到位驱动、定向传送、可靠限动”为指导思想的系统研发体系，并通过模块化、系列化、通用化的设备单元组合实现更具灵活性的货运系统解决方案。



图1  货机货舱装载系统硬件组成示意图

图2为某型号货机主货舱货物装载系统作业图。货物装载系统作业流程可概述为：飞机可靠停机后，现场人员通过飞机供电系统或地面电源向货物装载系统供电；系统开机工作后，在判断满足装载条件前提下，装载人员录入装载方案，手动释放门槛锁和相应限动锁；装载人员通过控制系统人机交互面板将集装单元装载至目标装载位，并将对应位置的限动锁置于上锁状态确保可靠限动。



图2  某型号货机主货舱货物装载系统作业图

本文以分散动力构型货机货物装载系统物理组成架构为依据，分析标准集装单元装载流程、货机货物装载系统控制需求与关键组件之间的通信交互需求，基于“区域控制、分层管理”的控制系统设计思想，建立装载系统控制与通信网络架构，如图3所示。



图3  货机货舱装载系统控制与通信网络架构

在工程实际中，货舱装载控制系统操作指令、设备状态信息、限动锁传感器信息等通过CAN总线通信网络实现交互与共享，从而实现复杂的PDU控制、系统状态检测与维护显示等功能。在虚拟仿真实验设计阶段，基于货机货舱装载系统控制与通信网络架构，在MATLAB中建立系统功能模块仿真模型，并设计CAN总线通信网络函数接口。通过仿真与实验数据，建立货物装载过程中的系统多工况参数数据库，为三维视景交互操作平台开发奠定基础。

此外，货机货物装载配平与装载方案决定了货物的装载位置与装载顺序，是货物装载的操作依据。装载配平与装载方案设计需要综合货舱与货物空间尺寸、货物重量及飞机重心配载平衡等关键问题，是影响运载安全性与高效性的重要因素，其本质属于一类最优控制问题[2,13]。实验原理设计阶段，基于民航宽体货机装载特点，综合货机重心、货物重量、货舱结构、危险品货物隔离、超大货物装载等约束条件，以货机总装载量最大化和重心偏移量最小化为目标，建立了多目标混合整数规划模型，并采用改进遗传算法对模型进行数值求解。装载方案优化建模及求解过程可参考文献[14]，本文不再展开叙述。

1.3 实验平台开发

货机货物装载系统热态测控虚拟仿真实验平台支持远程共享，面向校内外开放，实验设计与程序架构如图4所示。



图4  虚拟仿真实验平台设计与开发程序架构图

首先，以货机货舱装载系统真实对象为参照和依据，利用MATLAB仿真环境建立货机货物装载系统控制模型、装载方案优化模型与多传感器测量函数模型，并基于实验数据验证模型的可靠性。然后，在此基础上动态分析装载系统与装载方案热态运行关键参数作用关系，确定可行的实验操作接口与参数阈值，创建多参数函数调用动态链接库（dynamic link library，DLL）接口，为虚拟仿真实验交互性设计奠定基础。最后，采用SolidWorks/3DMax制作货机装载系统关键组件三维模型与货物装载热态运行三维视景，通过MySQL创建货机货舱工况参数数据库接口，利用三维图形引擎Unity3D与C#程序设计语言进行平台开发。

2  实验步骤

实验开始前，学生可自行预习平台提供的航空装载知识角、实际货运装载演示视频、传感器测试技术和最优控制理论知识、实验操作流程概览、实验考核要求等内容，以便快速入门。

2.1 货机装载场景和装载系统组成认知

货机装载场景和装载系统组成认知是实验操作的起始环节，包括货机货舱外大视角漫游与货舱内精细视角漫游两部分场景学习内容。实验过程中，学生利用三维场景漫游手柄由机场货机外景逐步进入货机货舱内部，结合视角旋转、部件高亮显示和功能介绍弹窗，完成对货机及货舱货物装载系统工作环境、系统组成、系统布局、关键控件等的功能认知学习。

货机货舱外大视角漫游场景如图5所示，通过由近及远的漫游视角，认识货机机型、货物集装单元、装载平台车、货机腹舱（货舱门口区域）、待装载货物摆放规范等知识。



图5  货舱外大视角漫游认知界面

货舱内精细漫游场景如图6所示，分别从控制系统、驱动系统、机械系统等角度，对控制面板（主控、外部控制、局部控制）、传输部件（传输轨道、安装于其上的滚珠、滚棒）、限动部件（门槛锁、双向限动锁、终点止动装置）、引导部件（中央分离挡块、边轨挡块）等进行功能认知学习。



图6  货舱内精细漫游认知界面

通过虚拟现实场景，帮助学生建立对货机货物装载的直观印象，激发学生对实践操作的好奇心，加深学生对货机货物装载系统运行原理的理解，为后续实验内容引入做好铺垫。

2.2 货物装载配平与装载方案最优化设计

围绕货物装载配平与装载方案设计需求，实验将给定货舱装载区域划分为27个装载位，给出不同装载区域的限重、限高标准，并介绍常用集装器尺寸信息。

货物装载配平与装载方案设计及评估界面如图7所示。为减轻学生的在线计算量，实验开始时，系统后台调用MATLAB DLL接口函数自动生成一组最优装载方案显示在界面中，其中随机空余2个装载位的货物信息。要求学生根据已知货机、货物基本运行参数，以货机总装载量最大和重心偏移量最小为设计目标，优化货物装载方案，在界面空余装载位处输入所需的装载货物重量和货物集装器高度信息。在此基础上，系统后台调用DLL接口函数对学生输入的货物信息进行综合评估并给出装载方案评价结果，如果判断学生输入的装载方案不合格，系统将提示超重、约束未满足、飞机重心偏移过量等不合格原因。



图7  货物装载配平与装载方案设计及评估界面

2.3 系统关键部件参数测量原理与热态测试

动力系统的状态参数测量与实时信息交互是保障装载系统闭环测控的必要条件。实验以直线型PDU为测控对象，集成虚拟电流传感器、温度传感器与光电传感器，分别用于监测PDU过流、PDU过热及货物到位状态。实验后台调用传感器DLL接口函数，建立传感器调理电路模型，要求学生根据局部货舱甲板布局和工业现场参数测试需求，从虚拟器件库中选择合适的传感器并拖拽至对应位置，建立信号测量及控制的闭环回路，观察并记录PDU内部控制组件与主控制面板的信号交互过程，操作界面如图8所示。



图8  动力驱动单元多物理量传感测量界面

在此基础上，开展PDU热态运行多参数动态响应测试实验，模拟单个集装单元途经被测PDU的装载过程，观察并记录PDU实时工作参数变化情况，绘制PDU电流及温度动态响应曲线，测试界面如图9所示。



图9  动力驱动单元多物理量动态响应测试界面

通过动力系统的参数测量与热态测试实验，学生能够进一步掌握相关传感器原理，熟悉其工业应用过程，同时对动力系统启动、空转、全功率输出等工作状态下的温度和电流参数变化进行观察和分析，体会动力系统热状态控制难点问题。

2.4 装载控制系统自动化装载测试

货机货物装载依赖装载系统的闭环反馈控制实现，目前仍需要部分人工面板操作辅助。实验交互界面以颜色动态变化对目标装载位、货物实时位置、装载设计路线、面板操作需求等进行导引，并提供装载视角与整体视角的切换功能。学生基于装载系统控制与通信网络架构，利用可视化互动操作面板，完成多个集装单元从货舱门口区域到指定装载位置的完整虚拟化装载作业流程。货舱外升降平台车操控界面与货舱内货物装载操控界面如图10所示。



图10  装载控制系统自动化装载测试界面

装载控制系统自动化装载测试实验高度还原真实货机货物装载作业场景，能够帮助学生加深对货机货物装载系统的整体认识与理解，也可以为相关从业人员的培训学习提供参考。

3  结语

货机货物装载系统热态测控虚拟仿真实验以数学理论模型及多工况运行数据为依据，开发了层层递进的复杂机电装备认知、建模、测量及控制等实验内容，弥补了常规实验设计脱离工业一线、实验操作对象功能单一等不足。实验以航空技术国产化产业需求与企业生产技术难点为着力点，引导学生开展探究式、互动式学习，增强学生对所学知识的理解、应用和创新能力。实验平台通过互联网面向校内外公众开放，目前已在西安电子科技大学、大连理工大学等院校得到应用并获得良好评价，对高校教学资源共享起到了积极的促进作用。

参考文献 (References)

[1] CHAO C C, LI R G. Effects of cargo types and load efficiency on airline cargo revenues[J]. Journal of Air Transport Management, 2017, 61: 26-33.

[2] BRANDT F, NICKEL S. The air cargo load planning problem: A consolidated problem definition and literature review on related problems[J]. European Journal of Operational Research, 2019, 275(2): 399-410.

[3] 贾涛，南盟，朱鹏飞，等. 民用运输机集装货物装载技术综述[J]. 航空科学技术，2018, 29(5): 1-7.

JIA T, NAN M, ZHU P F, et al. Overview of containerized cargo loading technology for civil transport aircraft[J]. Aeronautical Science & Technology, 2018, 29(5): 1-7. (in Chinese)

[4] 赵旭东，黄玉军，陈剑平. 民用飞机货运系统技术特点及国产化建议[J]. 机械工程师，2019(8): 154-156.

ZHAO X D, HUANG Y J, CHEN J P. Technical characteristics and suggestions for localization of civil aircraft cargo system[J]. Mechanical Engineer, 2019(8): 154-156. (in Chinese)

[5] ZHANG F, GRAHAM D. Air transport and economic growth: A review of the impact mechanism and causal relationships[J]. Transport Reviews, 2020, 40(4): 506-528.

[6] 中华人民共和国教育部. 教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知（教高函〔2018〕5 号）[Z]. 2018-06-05.

Ministry of Education of the People's Republic of China. Notice of the Ministry of Education on the construction of national virtual simulation experiment teaching project (Jiao Gao Han〔2018〕No.5)[Z]. 2018-06-05. (in Chinese)

[7] 熊宏齐. 虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新[J]. 实验技术与管理，2020, 37(5): 1-4, 16.

XIONG H Q. Promotion of reform and innovation on integration of theory teaching and experimental teaching by virtual simulation experiment teaching[J]. Experimental Technology and Management, 2020, 37(5): 1-4, 16. (in Chinese)

[8] 董春云，王浩，陈晓龙. 汽轮机装配建模与热态测控虚拟仿真实验设计[J]. 实验技术与管理，2022, 39(2): 95-99.

DONG C Y, WANG H, CHEN X L. Virtual simulation experimental design of assembly modeling and hot-state measurement control of steam turbine[J]. Experimental Technology and Management, 2022, 39(2): 95-99. (in Chinese)

[9] 陈聪，金洋，王轩，等. 飞机系统虚拟仿真实践教学平台开发[J]. 实验室研究与探索，2017, 36(4): 83-86.

CHEN C, JIN Y, WANG X, et al. Development of virtual maintenance simulation platform for airplane systems[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2017, 36(4): 83-86. (in Chinese)

[10] 杨姗姗，王彪. 基于flightgear的三维可视化飞行控制仿真实验平台的设计[J]. 实验室研究与探索，2017, 36(7): 113-117.

YANG S S, WANG B. Flight control experimental platform based on FlightGear simulator[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2017, 36(7): 113-117. (in Chinese)

[11] 王策. 基于可视化技术的波音777货机模拟装载系统设计[J]. 机械工程与自动化，2020(4): 59-61, 66.

WANG C. Design of simulated loading system for Boeing 777 freighter based on visualization technology[J]. Mechanical Engineering & Automation, 2020(4): 59-61, 66. (in Chinese)

[12] WONG E Y C, MO D Y, SO S. Closed-loop digital twin system for air cargo load planning operations[J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2021, 34(7-8): 801-813.

[13] DU Y, CHEN F, FAN X, et al. Research on cargo-loading optimization based on genetic and fuzzy integration[J]. Journal of Intelligent & Fuzzy Systems, 2021, 40(4): 8493-8500.

[14] LU Y, DONG C, NAN M, et al. Optimal Method of Air Cargo Loading Under Multi-constraint Conditions[C]//Signal and Information Processing, Networking and Computers: Proceedings of the 10th International Conference on Signal and Information Processing, Networking and Computers (ICSINC). Singapore: Springer Nature Singapore, 2023: 300-308.

引文格式：董春云，鹿于恒，李兵，等. 货机货物装载系统热态测控虚拟仿真实验设计[J]. 实验技术与管理, 2023, 40(12): 137-142.

Cite this article: DONG C Y, LU Y H, LI B, et al. Virtual simulation experiment design of hot-state measurement control of aircraft cargo loading system[J]. Experimental Technology and Management, 2023, 40(12): 137-142. (in Chinese)

《实验技术与管理》2023年12期P137-142

DOI: 10.16791/j.cnki.sjg.2023.12.019

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