CN106096792A - 一种飞机配载平衡及优化的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞机配载平衡及优化的方法，所述方法包括配载平衡及优化准则，据此进行装载优化组合，确定装载货物单体的摆放位置，且在相应的装载过程中实现摆放后的货物重心位置控制在设计要求的范围内。实施本发明实施例，能在满足飞行时机体重心要求的前提下，全面考虑货物装载布局对机体所承受弯矩、扭矩的影响，保障货物摆放的合理性，以确保飞行安全，实现最大限度的货物装载量。

Description

一种飞机配载平衡及优化的方法和系统

技术领域

本发明涉及飞机货物装载技术领域，尤其涉及一种飞机配载平衡及优化的方法和系统。

背景技术

航空货运是一种快速高效的物流方式。波音公司在韩国举行的2014年国际航空货运论坛上发表预测称，今后20年全球航空货运市场的年均增幅将达4.7％。由此可见，进一步实现高效率的航空货运业具有很大的市场发展前景。在加强开发航空货运潜力的同时，航空运输的安全不容忽视。一次配重不合理的飞行会危及飞机结构整体的安全，对飞机的性能产生有害的影响。荷兰国家航空航天研究(NLR)近期对1970-2005年全球和飞机载重平衡有关的不安全事件进行了研究，发现35年里共有82起有完整记录的飞行事故和配载平衡有关，世界范围内和载重平衡有关的事故率仍呈缓慢上升的趋势。

飞机装载不合理会导致重心偏出允许范围，飞行过程中也会引起控制困难，甚至出现飞行事故症候，起飞降落时平衡点落在安全范围之外也可能导致机毁人亡的恶果。例如中西航空5481号航班就是因为重心过后、计算配平时使用平均重量不当导致失速坠毁；此外，欧洲某家航空公司曾经有一架货机，因为配载员在分配货物时将过多的货物堆放到飞机的头部和尾部，飞机在落地过程中遇到气流发生颠簸，最终导致整个飞机从中间折断。综上所述，如何确保飞机在安全运输的前提下，实现合理、高效的航空配载具有重要意义。

因此，亟需一种飞机配载平衡及优化的方法，可以分析飞机货物重量、排序、重心范围、弯矩/扭矩等因素对配载及飞行安全的影响，能够处理航空物资本身的多样性和特殊性(包含外形尺寸、重心等)，进行装载布局的合理设计和有效调整，从而在满足飞机装载安全条件下，实现最大限度的货物装载。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，建立了飞机配载分析模型，并提供一种飞机配载平衡及优化的方法和系统，能在满足飞行时机体重心要求的前提下，全面考虑货物装载布局对机体所承受弯矩、扭矩的影响，以保证飞行安全，实现最大限度的货物装载。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种飞机配载平衡及优化的方法，所述方法包括：

建立飞机配载分析模型，提出配载优化准则并进行理论分析和具体装载布局的计算；

获取飞机飞行时与机体重心相关联的信息，并根据所述获取到的信息，得到飞机货舱内货物整体重心位置允许摆放的范围；

对货物进行筛选、排序、分组，得到所述组合后的组合编号集；

根据预设的配载平衡及优化规则，对于所述确定的多个货物组合，确定货物的整体布局，以尽可能的减少机体所承受的弯矩、扭矩；

确定每一件货物的装载位置坐标；

其中，建立飞机配载分析模型的具体步骤包括：

作如下假设：

货舱装载空间为规则长方体容器，货舱尺寸为L×W×H；

为了方便搬运，航空物资多以矩形货盘承载，假设货物i的重量为m_i，长宽高尺寸为l_i×s_i×h_i，其几何中心即为其重心；

相邻货物之间必须留有相同的空隙d，以便于货物侧向固定及航空运输过程中人员通行检查；

建立直角坐标系，以飞机纵向中轴线为x轴，设定飞机升力点o为原点。

其中，所述获取飞机飞行时与机体重心相关联的信息，并根据所述获取到的信息，得到飞机货舱内货物重心位置允许摆放的范围的具体步骤包括：

获取飞机飞行时机体重心允许的最前位置a和最后位置b；

获取所述飞机货舱内货物最大承载量w₁，、油重w₂和飞机空机重w₃，并根据所述获取到的升力点的位置，进一步得到所述油重对应于所述升力点的相对位置x₂，以及所述飞机空机重对应于所述升力点的相对位置x₃；根据公式得到飞机货舱内货物重心位置x₁允许摆放的范围。

其中，对货物进行筛选、排序、分组的具体步骤包括：

所有货物应满足：h_i<H，m_i<m(m为载货托盘所允许的最大承载重量)，∑m_i≤M(M为飞机货舱最大装载重量)，若某货物体积或重量超过托盘承载要求，可以理解为货物重量和体积平均分配在n个托盘上，则认为此货物是若干个重为m_i/n的货物组合，在分组时必须分到同组或邻组，剔除掉不满足要求的货物；

将所述确定的每一货物按照重量从大到小排序编号，并按照货物装载列数N进行组合编号，即按照货物序列编号每N个分为一组，得到所述调整后的组合编号集；

其中，根据预设的配载平衡及优化规则，对于所述确定的多个货物组合，确定货物的整体布局，以尽可能的减少机体所承受的弯矩、扭矩的具体步骤包括：

为尽量减少机体的弯矩，应遵循重量较大的货物置于靠近升力点，重量较小的货物置于远离升力点的原则；先装载第一组，第二组装载在第一组左侧，第三组装载在第一组右侧，第四组装载在第二组左侧，…，如此交替进行，直至所有货物组合装载完毕。

为尽量减少机体的扭矩，可调整每一组货物中的N件货物的排放位置：每装载一组货物时，计算每装载一件货物两侧货物重量对x轴的力矩之和，若左侧力矩大于右侧，则在进行下组货物的装载时，将重量较大(即序号较小)的放在右侧，重量较小的放在左侧，如此循环进行直至装载结束；

其中，确定每一件货物的具体装载位置坐标的具体步骤包括：

如上所述货物相对装载位置已知，即可由式求得所有货物具体位置坐标。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于在设计飞机货舱内货物重心位置允许摆放的范围时，就以飞行安全为前提，全面考虑了飞机飞行时与机体重心的关联关系，如货物最大承载量、油重、飞机空机重和升力点，以及飞行时机体重心发生变化后设计的前后限位置，并且在货物重心位置位于摆放范围内，对摆放于飞机货舱内的多个货物单体进行优化组合，因此能够在满足飞机装载/飞行安全的条件下，实现最大限度的货物装载。

实施本发明实施例，能在满足飞行时机体重心要求的前提下，全面考虑货物装载布局对机体所承受弯矩和扭矩的影响，保证飞机的平衡、俯仰等操作性能，以保证飞行安全，实现最大限度的货物装载。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及技术方案，下面将对实施例及技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的一种飞机配载平衡及优化方法示意图；

图2为本发明实施例提供的一种飞机货仓简化示意图；

图3为本发明实施例提供的一种飞机配载平衡的重心位置示意图；

图4为本发明实施例提供的一种飞机配载平衡及优化的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种飞机配载平衡及优化的方法，所述方法包括：

第一步：建立飞机配载分析模型

如图2所示，建立飞机配载分析模型的具体步骤包括：

(1)货舱装载空间为规则长方体容器，货舱尺寸为L×W×H；

(2)为了方便搬运，航空物资多以矩形货盘承载，假设货物i的重量为m_i，长宽高尺寸为l_i×w_i×h_i，其几何中心即为其重心；

(3)相邻货物之间必须留有相同的空隙d，以便于货物侧向固定及航空运输过程中人员通行检查；

(4)建立直角坐标系，以飞机纵向中轴线为x轴，设定飞机升力点o为原点。

第二步：获取飞机飞行时与机体重心相关联的信息，并根据所述获取到的信息，得到飞机货舱内货物重心位置的允许范围。

所述获取飞机飞行时与机体重心相关联的信息，并根据所述获取到的信息，得到飞机货舱内货物重心位置的允许范围的具体步骤包括：

(1)获取飞机飞行时机体重心允许的最前位置a和最后位置b，以及获取飞机飞行时升力点的位置；

(2)获取所述飞机货舱内货物最大承载量w₁，、油重w₂和飞机空机心w₃，并根据所述获取到的升力点的位置，进一步得到所述油重对应于所述升力点的相对位置x₂，以及所述飞机空机重心对应于所述升力点的相对位置x₃；根据公式得到飞机货舱内货物重心位置x₁允许摆放的范围，如图3所示。

第三步：对货物进行筛选、排序、分组。

对货物进行筛选、排序、分组的具体步骤包括：

(1)所有货物应满足：h_i<H，m_i<m(m为载货托盘所允许的最大承载重量)，∑m_i≤M(M为飞机货舱最大装载重量)，若某货物体积或重量超过托盘承载要求，可以理解为货物重量和体积平均分配在n个托盘上，则认为此货物是若干个重为m_i/n的货物组合，在分组时必须分到同组或邻组；

(2)剔除掉不满足要求的货物；

(3)将所述确定的每一货物按照重量从大到小排序编号，并按照货物装载列数N进行组合编号，即按照货物序列编号每N个分为一组，得到所述调整后的组合编号集；

第四步：根据预设的平衡及优化规则，对于所述确定的多个货物组合，确定货物的相对布局，以尽可能的减少机体所承受的弯矩、扭矩。

具体步骤包括：

(1)为尽量减少机体的弯矩，应遵循重量较大的货物置于靠近升力点，重量较小的货物置于远离升力点的原则，即按照第三步中第(3)小步得到的组合编号集进行纵向排序：以飞机允许重心位置为起点，先装载第一组，第二组装载在第一组左侧，第三组装载在第一组右侧，第四组装载在第二组左侧，…，如此交替进行，直至所有货物组合装载完毕。

(2)为尽量减少机体的扭矩，可调整每一组货物中的N件货物的排放位置：每装载一组货物时，计算每装载一件货物两侧货物重量对x轴的力矩之和，若M_A>M_B，则在进行下组货物的装载时，将重量较大(即序号较小)的放在B侧，重量较小的放在A侧，如此循环进行直至装载结束；

(3)如此即可得到所有货物的整体装载布局；

第五步：确定每一件货物的具体装载位置坐标。

确定每一件货物的具体装载位置坐标的具体步骤包括：

(1)按组序号由小到大的顺序从d₀(即第1组货物重心距o点的距离)处开始装配，记M_i为第i组货物重量之和，可由式

$\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{M}_i{\mathrm{gd}}_i=x_1\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{M}_{i}g$

计算得到每一组货物的横坐标d_i，其中

x₁可由第二步求得；

(2)由第四步中第(2)小步及货物尺寸w_i可求得每一件货物的纵坐标。

作为一个例子，现有一批货物单体共有14个，总重量低于飞机货舱内货物最大承载量w₁，需要分两列装载，货物之间距离d＝0.2m，6、8号货物尺寸l×w＝2m×4m，其它货物尺寸均为l×w＝2m×2m，各货物单体重量如下表1所示；

表1：

应当说明的是，货物单体通过托盘承载，若货物单体体积或重量超过托盘承载要求，可以理解为货物单体重量和体积平均分配在若干个托盘上，在分组时必须分到同组或邻组。

根据装载列数对应的尺寸标准确定每N个货物单体分为一组，划分出多个货物组合提供的尺寸，如N＝2时，第1组(1/2)、第2组(3/4)、第3组(5/7)、第4组(6)……；并进一步确定划分出的每一货物组合对应的总重量，及其所含每一货物单体的货物编号和重量，同时，将每一货物组合总重量按照从大到小排序后进行依序编号，具体如下表2所示；

表2：

其中，组合编号集＝{1、2、3、4、5、6、7、8}；

考虑到飞机飞行的操作性和稳定性，在装载布局规划时，货物在飞机机舱内的排放方式按货重从重到轻依次排布，即组号按照偶数从大到小排列后奇数从小到大排列的方式进行调整，得到调整后的组合编号集＝{8、6、4、2、1、3、5、7}，进而确定货物组合相邻之间的摆放位置，具体如下表3所示；

表3：

并根据表3的摆放位置，将划分出的多个货物组合摆放于飞机货舱内，实现摆放后的货物重心位置位于上述设计的摆放范围内。

为了保证最终装载重心位于飞机机体重心前后限之内，按组号由小到大的顺序开始装配，即第1组货物摆放使其重心在升力点o，或尽可能靠近升力点o，因此所述方法进一步包括：

以调整后的组合编号集内组号从小到大排列的方式作为摆放先后顺序，并依序按照确定的摆放位置，将多个货物组合摆放于飞机货舱内。

作为一个例子，得到表3的摆放位置后，货物摆放方法进一步包括：

当所述多个货物组合均包括可用于左右两列摆放的两个货物单体时，获取当前左列层摆放货物单体的总重量及当前右列摆放货物单体的总重量；

判断所述获取到的左列摆放货物单体的总重量是否大于当前右列摆放货物单体的总重量；

如果是，则将下一货物组合中货物单体重的摆放于右列位置，并将下一货物组合中货物单体轻的摆放于左列位置；否则将下一货物组合中货物单体轻的摆放于右列位置，并将下一货物组合中货物单体重的摆放于左列位置。

其中，所述方法进一步包括：

获取当前摆放一货物单体时，飞机起落架承受的实际压力及起落架轮胎承受的胎压；

将所述获取到的起落架轮胎承受的胎压导入预设的计算公式中，评估飞机当前装载状态(平衡与否)，并调整当前所述摆放货物单体的摆放位置。

其中，所述飞机起落架承受的实际压力及起落架轮胎承受的胎压通过安装在所述起落架上的监测装置获得。

本发明的有益效果：

(1)考虑了货物重量、尺寸等因素，能够处理航空物资本身的多样性和特殊性；

(2)考虑了装载布局对机体重心、俯仰/滚转平衡的影响，确保机体重心满足飞机操控要求，保证飞行安全；

(3)考虑了货物配载方式对机体做造成的弯矩/扭矩的影响，尽可能的减少货物对机体造成的弯矩/扭矩，尽可能降低了机体结构载荷，有助于飞行安全和延长飞机的服役寿命。

如图4所示为本发明实施例中提供的一种飞机配载平衡及优化的系统，所述系统包括：

货物重心摆放范围确定单元310，用于获取飞机飞行时与机体重心相关联的信息，并根据所述获取到的信息，得到飞机货舱内货物重心位置摆放的允许范围；

配载平衡及优化单元320，用于根据预设的平衡及优化规则，对所述确定的多个货物单体进行优化组合，且在所述优化组合后的多个货物单体摆放于所述飞机货舱内的过程中，实现所述摆放后的货物重心位置位于所述得到的允许范围内。

其中，货物重心摆放范围确定单元310包括：

第一获取模块3101，用于获取飞机飞行时机体重心允许的最前位置a和最后位置b，以及获取飞机飞行时升力点的位置；

第二获取模块3102，用于获取所述飞机货舱内货物最大承载量w₁、油重w₂和飞机空机重w₃，并根据所述获取到的升力点的位置，进一步得到所述油重对应于所述升力点的相对位置x₂，以及所述飞机空机重对应于所述升力点的相对位置x₃；

重心摆放范围确定模块3103，用于根据公式得到飞机货舱内货物重心位置x₁的允许范围。

其中，配载平衡及优化单元320包括：

第三获取模块3201，用于确定所需摆放于所述飞机货舱内的多个货物单体，并获取所述多个货物单体形成的总重量，以及获取每一货物单体的货物编号、重量及其对应的尺寸；其中，所述多个货物单体形成的总重量应小于所述飞机货舱内货物最大承载量；

货物组合划分模块3202，用于根据所述飞机货舱的空间体积，设定货物装载列数及其对应的尺寸标准，并根据所述设定的尺寸标准及获取到的每一货物单体的尺寸，划分出多个与所述尺寸标准一致的货物组合，并进一步确定所述划分出的每一货物组合对应的总重量，及其所含每一货物单体的货物编号和重量；

排序模块3203，用于将所述确定的每一货物组合总重量按照从大到小排序并编号，得到由多个组号形成的组合编号集，将所述得到的组合编号集的组号按照偶数从大到小排列后奇数从小到大排列的方式进行调整，得到所述调整后的组合编号集；

货物摆放模块3204，用于根据所述调整后的组合编号集，确定所述划分出的多个货物组合相邻之间的摆放位置，并根据所述确定的摆放位置，将所述划分出的多个货物组合摆放于所述飞机货舱内，实现所述摆放后的货物重心位置位于所述得到的允许范围内。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于在设计飞机货舱内货物重心位置允许摆放的范围时，就全面考虑了飞机飞行时与机体重心相关联的信息，如货物最大承载量、油重和飞机空机重，以及飞行时机体重心发生变化后设计的前后限位置，并且在货物重心位置位于允许范围内时，对摆放于飞机货舱内的多个货物单体进行优化组合，因此能够在满足飞机装载/飞行安全的条件下，实现最大限度的货物装载。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个系统单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序指令等相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所展示的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种飞机配载平衡及优化的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取飞机飞行时与机体重心相关联的信息，确定飞机货舱内货物重心位置的允许范围；

根据预设的装载平衡及优化规则，对所需装载的多个货物单体进行优化组合，且在符合装载平衡和优化规则的装载过程中，实现对摆放后的货物重心位置的合理控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取飞机飞行时与机体重心相关联的信息，并根据所述获取到的信息，得到飞机货舱内货物重心位置的允许范围的具体步骤包括：

获取飞机飞行时升力点的位置，以及根据受力平衡分析获取飞机飞行时机体重心允许的位置范围[a,b]；

获取所述飞机货舱内货物最大承载量w₁、油重w₂和飞机空机重w₃，并根据所述获取到的升力点的位置，进一步得到所述油重对应于所述升力点的相对位置坐标x₂，以及所述飞机空机重对应于所述升力点的相对位置坐标x₃；

根据公式得到飞机货舱内货物重心位置x₁的允许范围。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据预设的装载平衡及优化规则，对所需摆放于所述飞机货舱内的多个货物单体进行优化组合，且在相应的 装载过程中实现所述摆放后的货物重心位置的合理控制，使其位于所述得到的允许摆放范围内的具体步骤包括：

确定所需摆放于所述飞机货舱内的多个货物单体，并获取所述多个货物单体的总重量，以及获取每一货物单体的货物编号、重量及其对应的尺寸；其中，所述多个货物单体形成的总重量应小于所述飞机货舱内货物最大承载量；

根据所述飞机货舱的空间体积，设定货物装载列数及其对应的尺寸标准，并根据所述设定的尺寸标准及获取到的每一货物单体的尺寸，划分出多个与所述尺寸标准一致的货物组合，并进一步确定所述划分出的每一货物组合对应的总重量，及其所含每一货物单体的货物编号和重量；

将所述确定的每一货物组合的总重量按照从大到小排序编号，得到由多个组号形成的组合编号集，根据所述组合编号集，确定所述划分出的多个货物组合的摆放位置，并根据所述确定的摆放位置，将所述划分出的多个货物组合摆放于所述飞机货舱内，实现所述摆放后的货物重心位置位于所述得到的摆放范围内。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

以所述组合编号集内组号从小到大排列的方式作为摆放先后顺序，并根据所述摆放先后顺序，依序按照所述确定的摆放位置，将所述多个货物组合摆放于所述飞机货舱内。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

当所述多个货物组合均包括可用于在飞机纵向同一位置左右摆放的两个货 物单体时，获取当前左侧摆放货物单体的总重量及当前右侧摆放货物单体的总重量；

判断所述获取到的左侧摆放货物单体的总重量是否大于当前右侧摆放货物单体的总重量；

如果是，则将下一货物组合中较重的货物单体摆放于右侧位置，并将下一货物组合中较轻的货物单体摆放于左侧位置；否则将下一货物组合中较轻的货物单体摆放于右侧位置，并将下一货物组合中较重的货物单体摆放于左侧位置。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

获取当前摆放一货物单体时飞机起落架承受的实际压力及起落架轮胎承受的胎压；

将所述获取到的起落架轮胎承受的胎压导入预设的计算公式中，评估飞机当前装载状态是否平衡，若不平衡，调整当前所述摆放货物单体的摆放位置。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述飞机起落架承受的实际压力及起落架轮胎承受的胎压通过安装在所述起落架上的监测装置获得。

8.一种飞机配载平衡及优化的系统，其特征在于，所述系统包括：

货物重心摆放范围确定单元，用于获取飞机机体重心相关联的信息，并根据所述获取到的信息，得到飞机货舱内货物重心位置的允许范围；

配载平衡及优化单元，用于根据预设的平衡及优化规则，对所述确定的多个货物单体进行优化组合，且在所述优化组合后的多个货物单体摆放于所述飞 机货舱内的过程中，实现所述摆放后的货物重心位置位于所述得到的摆放范围内。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述货物重心摆放范围确定单元包括：

第一获取模块，用于获取飞机飞行时机体重心允许的最前位置a和最后位置b，以及获取飞机飞行时升力点的位置；

第二获取模块，用于获取所述飞机货舱内货物最大承载量w₁，油重w₂和飞机空机重w₃，并根据所述获取到的升力点的位置，进一步得到所述油重对应于所述升力点的相对位置x₂，以及所述飞机空机重对应于所述升力点的相对位置x₃；用于根据公式得到飞机货舱内货物重心位置x₁允许摆放的范围。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述配载平衡及优化单元包括：

第三获取模块，用于确定所需摆放于所述飞机货舱内的多个货物单体，并获取所述多个货物单体形成的总重量，以及获取每一货物单体的货物编号、重量及其对应的尺寸；其中，所述多个货物单体形成的总重量应小于所述飞机货舱内货物最大承载量；

货物组合划分模块，用于根据所述飞机货舱的空间体积，设定货物装载列数及其对应的尺寸标准，并根据所述设定的尺寸标准及获取到的每一货物单体的尺寸，划分出多个与所述尺寸标准一致的货物组合，并进一步确定所述划分 出的每一货物组合对应的总重量，及其所含每一货物单体的货物编号和重量；

编码排序模块，用于将所述确定的每一货物组合的总重量按照从大到小排序并编号，得到由多个组号形成的组合编号集；

货物摆放模块，用于根据所述组合编号集，确定所述划分出的多个货物组合相邻之间的摆放位置，并根据所述确定的摆放位置，将所述划分出的多个货物组合摆放于所述飞机货舱内，实现所述摆放后的货物重心位置位于所述得到的允许摆放范围内。