集装箱港口作业调度虚拟仿真实验教学设计与实践_牟向伟.pdf

引用格式:牟向伟，曾庆成 集装箱港口作业调度虚拟仿真实验教学设计与实践 J 航海教育研究，2023，40(2):6772，88集装箱港口作业调度虚拟仿真实验教学设计与实践牟向伟，曾庆成(大连海事大学 航运经济与管理学院，辽宁 大连116026)摘要:为了解决在港口现场开展港口作业调度实验与实践教学中所遇到的高危险性、业务操作不可逆性等问题，采用三维仿真技术建立了集装箱港口作业调度虚拟仿真实验，该实验展现了高仿真度的港口区域、作业场景、作业设备及其业务过程，在虚拟场景中还原了港口作业调度业务过程与活动。教学实践反馈表明，虚拟仿真实验不仅具有安全可靠、经济高效等特点，而且能够拓宽教学思路和实验探索空间，增强实验教学效果和课堂趣味性。关键词:集装箱港口;港口作业调度;虚拟仿真;实验教学中图分类号:G642;G434文献标志码:A文章编号:10068724(2023)02006707一、引言(一)背景与意义集装箱运输作为一种被广泛采用的高效运输方式，其港口装卸作业是港口物流中最具代表性的业务类型之一。集装箱港口作业调度包括泊位调度、堆场调度、场桥调度和船舶配载等多项重要作业环节，相关作业计划是否合理直接影响了港口运营效率和管理水平。但是业务现场环境中存在高污染、高压电源、高空作业等风险因素，现场业务实体教学难以保障师生的人身安全，具有不可控的高危险性。另外，港口作业系统繁杂庞大，作业环节复杂，考虑到运营效率与作业成本问题，调度计划往往不能进行反复实验分析对比。以上原因使得相关实验教学无法在真实业务场景中开展实体教学，教学中往往利用图片和视频去拼凑码头的作业场景，造成学生对港口作业调度业务相关操作过程缺乏直观体验、教学过程“理论+实践”连接松散、欠缺沉浸式实验与实践环节、理论内容无法具象化以及学生对理论知识认知度较低且缺乏实验探索空间等问题，严重影响了教学质量与效果。虚拟仿真实验教学是我国高等教育信息化建设的重要内容，旨在通过信息技术、智能技术与实验教学的深度融合破解高等学校特别是高等工科院校实验教学中许多“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题，是一种新型的“智能+教育”形态1 2。在 教育部高等教育司关于印发 2022年工作要点的通知(教高司函2022 1 号)中关于提升数字化应用能力的部分明确提出要“推进虚拟仿真实验教学 20 建设，强化实验空间平台应用”。采用虚拟仿真实验进行教学主要优势体现在体验感和交互性强，可以在不受时间和空间限制的虚拟环境中身临其境地以互动方式反复进行实验和学习，虚拟仿真实验教学将虚拟与现实场景相结合，拓宽了教学思路和实验探索空间，增强了教学效果和课堂趣味性。(二)虚拟仿真实验教学应用现状虚拟仿真技术以二维和三维结合的方式，形象生动地展示教学实验中涉及的实验前准备、实76教改论坛航海教育研究2023 年第 2 期 第 40 卷收稿日期:20221206基金项目:国家级新文科研究与改革实践项目“面向数字航运的经管类本科专业人才培养创新与实践”(2021140043);大连海事大学本科教育教学改革研究项目“基于 OBE 的大数据管理与应用专业实践教学体系探索与实践”(202263)作者简介:牟向伟(1982)，男，博士，副教授，主要从事交通运输大数据研究。验过程、结果检测等内容，具有沉浸性、交互性等特征，在港口与海事等相关领域的实验教学中得到广泛应用。郭磊等3 通过建立船舶柴油机拆装虚拟仿真实验平台帮助学生更好地理解二、四冲程柴油机零部件结构及拆装步骤，提高了学生学习兴趣和主动性;戴树龙4 等针对“船舶高级消防”课程存在的授课内容抽象难懂、实船训练难度大等问题，建设实船虚拟场景，开展虚实结合的消防综合实训教学;杨玉峰5 建立了基于虚拟仿真技术建设航海仪器综合仿真训练系统，使原理性实验可视化，单一验证性实验更加直观，综合性设计性实验能够动态展示，提升学员的创新能力和实战能力。为了让学生能够在沉浸式与融入式的虚拟仿真实验环境中进行互动式与探究式的学习与培训，在港口管理等领域的教育工作者使用虚拟仿真技术进行了诸多探索。如设计开发港口起重机虚拟拆装培训系统，提高学员学习效率6;针对当前港口机械装备操作及维护人员培训中存在的高成本、高风险等问题，研发面向港口起重机操作维护的虚拟仿真实验平台，以满足港口装备操作人员和相关高校专业学生的培养和综合实训的要求7;针对学生无法对港区进行自由探索的问题，建设港口认识实习虚拟仿真系统，在互动学习的过程中激发了学生的主观能动性，培养学生的专业兴趣8;等等。从以上实验教学改革研究中可以看出，相关教育工作者已经开始利用虚拟仿真技术的优势开展港口认知与设备操作等方面的实验教学活动，并取得了良好的效果。但是较少见关于港口作业调度计划方面的虚拟仿真实验教学研究。二、集装箱港口作业调度虚拟仿真实验教学设计集装箱港口作业调度虚拟仿真实验主要功能包含港口认知、集装箱进出口业务流程学习、港口实验等内容。在实验教学过程中学生可以直观地观摩集装箱码头的操作过程，并在接近真实港口运营的环境下制订作业计划。本实验可以在节约成本和保障安全的前提下重复操作，提高学生对实际集装箱码头业务的参与度与真实感，进而加深学生对集装箱码头业务调度计划的理解。(一)实验教学目标1突破实体实验教学局限性将港口作业调度专业知识与虚拟业务场景体验有机融合，发挥虚拟仿真技术在教学实验与实践中的独特优势，为港口作业调度实验教学提供新的教学工具，探索个性化、智能化、泛在化实验教学新模式。2丰富实验教学体系借助集装箱港口作业调度虚拟仿真实验形成基础认知实验、综合操作互动实验、创新性高阶实验三个层次的实验教学体系，结合讲授、开放演示、学生自主研究以及小组讨论等教学手段，使学生在深入了解港口作业的主要流程的同时具备港口作业调度系统优化的创新思维模式，培养综合运用系统仿真、运筹学、人工智能和港口作业调度等理论知识解决复杂港口管理问题的能力。3促进虚拟实验和理论教学有益结合通过虚拟仿真实验，学生可以对理论课上所学的抽象知识有更加具体、直观的认识，加深理解。同时，学生可以通过虚拟环境，完成实验原理的预习、实验过程操作、实验结果的分析等学习任务，从而节省实际操作的时间，提高效率并减少错误率，使学生随时随地进行学习和反复练习，促进以学生为中心的自主学习。4加强“理论+实践”连接，增强实验教学环节沉浸式体验虚拟仿真实验教学将虚拟与现实场景相结合，有着安全可靠、经济高效、可重复使用、交互性能好、打破时空限制等优点，拓宽了教学思路，增强了教学效果和课堂趣味性。在实验过程中学生可以直观地观摩集装箱码头的操作过程，并在接近真实港口运营的环境下制订作业计划。(二)实验教学实施过程集装箱港口作业调度虚拟仿真实验主要由课前预习、课中实验、课后评价三个环节构成。1课前预习课前通过在线学习和理论课堂发布相关学习任务与内容，学生观看在线课堂、查阅课程讲义与用户手册自主学习码头仿真的具体流程相关知识，了解船舶、泊位与堆场作业参数设置。学生预习完毕后，教师通过在线平台收集学生学习数据，了解并统计学习中存在的问题和疑问。该阶段主要采86牟向伟，等:集装箱港口作业调度虚拟仿真实验教学设计与实践用互动式和任务驱动式教学方法，以任务中的问题驱动教学，鼓励与引导学生自主学习与主动提问，激发学习热情，调动思维活力。2课中实验课中实验阶段针对课前预习学习过程中存在的问题进行总结反馈，对学生疑问进行重点讲解。结合港口作业调度相关知识点讲解实验原理与操作步骤，由学生独立完成虚拟仿真操作。该阶段主要采用沉浸式认知和自由探索实验的教学方法开展实验教学活动。学生通过集装箱港口作业调度虚拟仿真实验中的虚拟仿真场景立体生动地体验与感知集装箱作业场景，并开展多次实验对相关调度计划方案进行对比，通过自由探索实验提高了创新能力，并能有针对性地进行实验练习。3课后评价课后评价阶段通过在线提交实验报告、完成考核模块等方式，针对考核与实验中存在的问题进行详细解答与反馈，培养学生的独立思考能力，加强学生对仿真必要性以及仿真具体流程的掌握，完成答疑。该阶段主要同样提倡通过自由探索的实验方式对原有实验方案进行优化改进，从而提高分析和解决实际问题的能力，根据考核结果和学生反馈对实验各环节进行持续改进。(三)实验教学主要内容集装箱港口作业调度虚拟仿真实验主要包括认知层、操作层与优化层三个层次的实验。1认知层实验认知层主要通过在虚拟仿真环境中进行场景漫游了解集装箱港口的功能布局，通过图片、视频等多媒体材料了解港口类型和国内外典型港口，通过三维仿真模型观察学习港机设备功能等港口领域基础背景知识。2操作层实验操作层主要针对泊位、堆存、场桥、岸桥和船舶配载等重要集装箱装卸环节在虚拟仿真场景中进行装卸资源的计划制订与调度操作，基础操作层的实验主要用于强化学生对集装箱港口装卸业务基本规则的理解。3优化层实验优化层在操作层的基础上增加了业务规模与任务复杂度，学生需要建立优化模型并求解效率最高的计划与调度方案，并利用虚拟仿真业务场景进行多次实验对比。业务优化层的实验主要用于为学生提供自由探索空间，培养学生的创新能力以及优化决策方法的应用能力。结合集装箱港口作业调度虚拟仿真实验的教学步骤和实验内容，建立了实验教学实施过程矩阵，用于指导实验教学的实践活动，如图 1 所示。图 1实验教学实施过程矩阵96牟向伟，等:集装箱港口作业调度虚拟仿真实验教学设计与实践(四)虚拟仿真实验平台架构该实验教学平台主要提供实验教学相关功能以及虚拟仿真教学所需的三维仿真场景。对包括岸桥、堆场场桥、船舶和 AGV 等各种港口机械设备采用高精度实景处理进行精细化 3D 仿真建模，建立集模拟操作、优化决策、实体展示与演练的一体化的真实港口运营虚拟仿真环境，其运行依托于开放式的虚拟仿真实验教学平台和管理平台支撑，总体架构如图 2 所示。支撑项目运行的平台及项目运行的架构共分为五层，每一层都为其上层提供服务，直到完成具体虚拟实验教学环境的构建。图 2港口作业调度虚拟仿真实验平台技术架构图三、集装箱港口作业调度虚拟仿真实验实现过程“集装箱港口作业调度虚拟仿真实验平台”主要设计了包括认知、操作和优化三个层次的实验，通过三个层次的实验与理论课堂相结合的混合式教学模式，形成提问、讨论、答疑的实时反馈体系，加强了学生对集装箱码头调度作业优化的知识储备，产生了较好的教学效果。(一)认知层实验学生登录后进入集装箱港口虚拟仿真场景，在虚拟仿真场景中通过方向键和鼠标控制场景镜头进行港口漫游，漫游主要用于展示码头设施的布局与设备配置，如图 3 所示。为了便于学生了解港口功能以及岸桥、场桥和 AGV 等港机设备的实物摆放以及其功能与作用，实验提供了高仿真度的港机设备三维仿真模型以及相关业务过程的虚拟场景动画演示，如图 4 所示。(二)操作层实验操作层实验主要针对集装箱进出口流程中的关键业务环节，如泊位、堆存、场桥、岸桥和船舶配载等环节，除了需要在虚拟仿真场景中进行装卸资源计划的制订以及与场景互动完成调度操作外，操作层实验的主要教学目标是使学生掌握不同作业调度环节中的基本作业计划工具和作业规则，并以此为据合理制订业务计划。07牟向伟，等:集装箱港口作业调度虚拟仿真实验教学设计与实践图 3常见码头布局认知页面图 4港机设备认知页面1基本作业计划工具如在泊位计划实验中，学生需要对泊位分配图(Berthing Allocation Map，BA MAP)进行解读，了解各个泊位的船舶动态，靠泊时间和靠泊位置、离泊时间和装卸箱等作业任务信息，在有限的港口作业资源的约束下为不同的船舶安排合理的泊位和靠泊时间，如图 5 所示。泊位计划实验完成后，船舶将按照泊位计划停靠在相应的泊位，等待岸桥完成集装箱装卸任务，学生需要在了解装卸任务、岸桥位置、船舶泊位等信息后，通过岸桥分配图完成岸桥调度方案，如图 6 所示。图 5泊位计划虚拟仿真场景图 6岸桥调度计划制订页面通过以上实验，学生能熟练掌握使用泊位分配图和岸桥分配图等重要港口计划制订工具进行港口作业计划制订的方法。2基本作业规则在操作层实验中模拟了集装箱装卸和堆存过程中需要遵循的业务规则和约束，如在泊位计划要依照船舶靠离岸时间、船舶长度以及船间安全距离等约束制订合理的靠泊计划，针对连续型泊位的码头，也需要根据岸桥的工作范围区间和集装箱量为船舶分配合理的作业岸桥;在堆存分配计划实验(如图 7)和船舶配载实验(如图 8)中需要考虑到重箱不压轻箱、安全层高和载重均衡等集装箱摆放规则。(三)优化层实验优化层实验主要在操作层实验模块基础上增加了任务规模与难度，除了需要在遵循业务规则和约束的条件下利用相关工具完成相关业务计划制订和作业设备的调度，还需要建立模型并求解效率最高的计划与调度方案，学生可以组成学习小组对不同的计划方案进行对比、讨论和改进，进而培养学生的团队合作精神、合作学习和科研能力。如在场桥调度优化实验模块中需要在堆存位置、任务就绪时间、期望完成时间等信息已知的基础上，在虚拟仿真场景中对垂直布局下的双场桥堆场的场桥任务分配与作业次序进行决策，如图9 所示。与操作层的场桥计划实验模块相比，优化层的实验将任务由单场桥增加到双场桥，集装箱规模由 15 箱提升到 30 箱，任务规则要求除了要满足与操作层实验中相似的集装箱摆放规则之外，17牟向伟，等:集装箱港口作业调度虚拟仿真实验教学设计与实践还要根据集装箱进出口任务情况分配正确的场桥和作业顺序，最后要以最小化完工时间为目标建立优化模型并求解最优方案。实验思路类似的优化层实验还包括高阶的 AGV 调度优化实验，如图10 所示。图 7堆存分配计划实验虚拟仿真场景图 8船舶配载实验虚拟仿真场景图 9场桥调度优化实验虚拟仿真场景图 10AGV 调度优化实验虚拟仿真场景四、应用与评价集装箱港口作业调度虚拟仿真实验主要用于面向高年级相关专业本科生开设的“港口物流理论与实践操作”“港口物流”和“交通运输大数据管理与应用”等相关课程中关于港口物流管理领域背景知识的实验教学环节。实验设计最大课时量为 12 学时，基于模块化的实验设计，不同课程可以根据教学大纲中实验课时要求灵活挑选不同实验模块。经三年的应用，服务师生超 800 人次，相关功能运行稳定、流畅，师生体验良好。集装箱港口作业调度虚拟仿真实验不仅拓宽了教学思路，增强了教学效果和课堂趣味性，同时使学生在深入了解港口作业主要流程的同时具备了港口作业调度业务实操和运营管理的综合能力，形成基于港口作业调度虚拟仿真实验的混合式教学过程，将课前、课中及课后三阶段融合为信息传递、吸收内化、巩固反思的一体化学习过程，与学生形成提问、讨论、答疑的实时反馈体系，有机融合“理论课堂+虚拟仿真实验”的教学时间、教学空间、教学资源与教学评价，提升了实验的高阶性、创新性和挑战度。其应用增强了学生学习港口作业调度知识的兴趣和热情，培养学生自主发现问题、分析问题和解决问题的能力，加强了学生对集装箱码头调度作业优化的知识储备，产生了较好的教学效果。参考文献:1教育部教育部办公厅关于 20172020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知EB/OL(20170711)20211231 http:/wwwmoegovcn/srcsite/A08/s7945/s7946/201707/t20170721_309819html 2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):14，16(下转第 88 页)27牟向伟，等:集装箱港口作业调度虚拟仿真实验教学设计与实践外语，2021，18(1):1，4 2TENKNEPMaritime Englishan attempt at an imperfectdefinitionC/In the proceedings of the second IMLAworkshop on maritime English in AsiaDalian:Dalian Mar-itime University，ChinaIMLA，Dalian，2000:7 3张治国，熊淳海事英语与政策及其中国情况分析 J 语言政策与语言教育，2018，(2):110，116 4ICHADS J C，ODGES T SApproaches and methodsin language teachingM (2nd ed)Cambridge:Cam-bridge University 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