導(dǎo)語：港口物流實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對(duì)智慧港口與自動(dòng)化碼頭快速發(fā)展對(duì)港口運(yùn)作管理人才決策能力與實(shí)踐能力的需求，構(gòu)建基于Mini自動(dòng)化碼頭平臺(tái)與三維仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括Mini自動(dòng)化集裝箱碼頭、自動(dòng)化集裝箱碼頭中央控制室、自動(dòng)化集裝箱碼頭管理操作系統(tǒng)與智能決策系統(tǒng)、自動(dòng)化集裝箱碼頭操作系統(tǒng)與Mini碼頭聯(lián)動(dòng)等功能，可以實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭作業(yè)管理全過程的模擬及對(duì)碼頭作業(yè)調(diào)度方案的優(yōu)化決策，有助于提升學(xué)生操作能力和優(yōu)化決策能力。

關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)教學(xué);港口物流;自動(dòng)化碼頭實(shí)驗(yàn)平臺(tái);集裝箱碼頭

一、引言

近年來，隨著港口競(jìng)爭的日趨激烈，港口之間的競(jìng)爭正逐步演變?yōu)橐愿劭跒楹诵牡亩嗍铰?lián)運(yùn)系統(tǒng)或港口供應(yīng)鏈之間的競(jìng)爭。通過建設(shè)智慧港口，提高港口效率與可靠性，實(shí)現(xiàn)港口與上下游的協(xié)同運(yùn)作，提升全程運(yùn)輸效率成為港口發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。如何利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)，構(gòu)建智慧港口平臺(tái)與決策系統(tǒng)，提升港口運(yùn)行效率與服務(wù)水平，成為港航領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。同時(shí)，隨著船舶大型化與班輪聯(lián)盟的發(fā)展，自動(dòng)化集裝箱碼頭進(jìn)入新一輪的快速發(fā)展時(shí)期，美國、歐洲、中東、東南亞等國家和地區(qū)先后投產(chǎn)了眾多的自動(dòng)化碼頭。我國先后投產(chǎn)了廈門遠(yuǎn)海、青島新前灣、上海洋山四期等自動(dòng)化集裝箱碼頭，在全球自動(dòng)化碼頭領(lǐng)域處于先進(jìn)水平。智慧港口與自動(dòng)化碼頭的快速發(fā)展對(duì)港口物流綜合型人才的培養(yǎng)提出了更高的需求，突出表現(xiàn)在:(1)對(duì)學(xué)生的優(yōu)化與決策方法的能力要求更高。自動(dòng)化碼頭運(yùn)作管理涉及AGVs、場(chǎng)橋、岸橋的優(yōu)化調(diào)度，碼頭操作系統(tǒng)中包含大量的優(yōu)化算法支撐，與傳統(tǒng)碼頭相比優(yōu)化算法應(yīng)用范圍更廣［1－3］。(2)在智慧港口背景下，學(xué)生赴港口現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)中，能實(shí)際操作的環(huán)境越來越少，通過仿真技術(shù)構(gòu)建實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)成為提升學(xué)生實(shí)踐能力的有效途徑［4－5］。(3)港口物流管理人才需要掌握更多的人工智能、信息技術(shù)等知識(shí)，對(duì)綜合的實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求越來越高［6－7］。為解決上述問題，以自動(dòng)化碼頭學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、智慧港口工程研究中心為依托，建設(shè)基于Mini碼頭平臺(tái)與港口作業(yè)三維仿真的港口物流實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，探索集模擬操作、優(yōu)化決策、實(shí)體展示與演練的一體化的港口物流智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。

二、港口物流實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成

1．集裝箱碼頭中央控制室。集裝箱碼頭中央控制室是碼頭作業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的核心部門，它涵蓋及協(xié)調(diào)船舶計(jì)劃、堆場(chǎng)計(jì)劃、閘口管理、單證管理、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理、堆場(chǎng)調(diào)度管理、司磅管理、安全管理、應(yīng)急事故管理等集裝箱碼頭各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)。因此，建設(shè)集裝箱碼頭中控室，有利于學(xué)生及教師在真實(shí)中控室環(huán)境中進(jìn)行調(diào)度決策分析、運(yùn)營管理分析等分析決策研究。為此，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以國內(nèi)真實(shí)的集裝箱碼頭中控室為基礎(chǔ)，構(gòu)建了集裝箱碼頭模擬中控室。通過模擬中控室，對(duì)學(xué)生進(jìn)行碼頭泊位計(jì)劃、堆場(chǎng)計(jì)劃、船舶裝卸計(jì)劃、集疏港等計(jì)劃，以及實(shí)時(shí)調(diào)度的訓(xùn)練。在目前港口對(duì)安全管理越來越重視、港口專業(yè)學(xué)生實(shí)操機(jī)會(huì)越來越少的情況下，此系統(tǒng)可以為學(xué)生提供實(shí)操層面的訓(xùn)練。2．智能集裝箱碼頭管理操作系統(tǒng)。基于國內(nèi)真實(shí)集裝箱碼頭使用軟件，開發(fā)本實(shí)驗(yàn)室“智能集裝箱碼頭管理操作系統(tǒng)”(Com-puterIntelligentTerminalOperationSystem，CI-TOS)。系統(tǒng)按照高效性、實(shí)用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性及前瞻性原則，最大限度地實(shí)現(xiàn)營運(yùn)資料的采集、存儲(chǔ)、匯總、的自動(dòng)化，并通過提供及時(shí)、準(zhǔn)確、系統(tǒng)、完整的信息，提高學(xué)生制訂碼頭業(yè)務(wù)計(jì)劃，進(jìn)行碼頭運(yùn)作分析、決策的水平。系統(tǒng)功能包括碼頭監(jiān)控、船舶計(jì)劃、船舶配載、堆場(chǎng)策劃、作業(yè)資源策劃、集卡調(diào)度、智能閘口等(如圖1)。同時(shí)，包括3D虛擬碼頭管理操作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。通過CITOS系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)3D實(shí)體運(yùn)行，展示碼頭操作的實(shí)時(shí)狀態(tài)，使得實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更接近于真實(shí)的碼頭操作系統(tǒng)。3．Mini自動(dòng)化集裝箱碼頭。按照實(shí)際10∶1的比例建設(shè)Mini自動(dòng)化集裝箱碼頭(對(duì)應(yīng)一個(gè)岸線為600m、碼頭縱深300m的實(shí)際集裝箱碼頭)，研發(fā)相應(yīng)的控制、通信與調(diào)度系統(tǒng)，開發(fā)自動(dòng)化碼頭仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。Mini自動(dòng)化集裝箱碼頭不同于系統(tǒng)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，除碼頭與設(shè)備尺寸外，具備真實(shí)自動(dòng)化碼頭相同功能(如圖2)。Mini碼頭平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碼頭設(shè)計(jì)、運(yùn)營、操作方案的評(píng)價(jià)，具備操作訓(xùn)練、方案優(yōu)化等功能。設(shè)備包括Mini自動(dòng)化裝卸橋(岸橋)、自動(dòng)導(dǎo)引車(AGVs)、Mini自動(dòng)化軌道式場(chǎng)橋(ARMGs)、Mini集裝箱船、若干集裝箱等?？刂葡到y(tǒng)包括:AGVs控制系統(tǒng)(AGVs實(shí)時(shí)路徑優(yōu)化、deadlock、場(chǎng)交通控制等)、自動(dòng)化場(chǎng)橋控制系統(tǒng)、岸橋控制系統(tǒng)。通信系統(tǒng)包括AGVs、自動(dòng)化場(chǎng)橋、岸橋等設(shè)備以及集裝箱的精確定位，設(shè)備之間的感應(yīng)與協(xié)同等，如AGVs之間的通信，AGVs與場(chǎng)橋、岸橋之間的通信等。4．基于樂高的集裝箱碼頭半實(shí)物仿真系統(tǒng)。集裝箱碼頭的生產(chǎn)調(diào)度在教學(xué)科研的過程中通常使用計(jì)算機(jī)仿真模型進(jìn)行實(shí)證展示，但是軟件仿真相對(duì)抽象，缺乏直觀性和可操作性，本實(shí)驗(yàn)室將基于樂高的物理可編程模塊來重建集裝箱碼頭模型，并將之與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)物與軟件可同步的半實(shí)物仿真。半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有成本低、可操作性強(qiáng)、直觀靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以極大提高教學(xué)和科研效率，在操作的同時(shí)實(shí)驗(yàn)碼頭的作業(yè)流程和調(diào)度原理，在教學(xué)培訓(xùn)、仿真實(shí)驗(yàn)等方面有廣闊的應(yīng)用前景。利用半實(shí)物仿真系統(tǒng)組織了學(xué)校物流管理相關(guān)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，大大提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。5．Mini碼頭與集裝箱碼頭操作系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)Mini碼頭與集裝箱碼頭操作系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)接口，通過接口實(shí)現(xiàn)TOS與Mini碼頭的消息傳遞，及對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的監(jiān)控和交互，解析CiTOS的指令，并進(jìn)一步分解和構(gòu)造適合ECS的任務(wù)指令表，接收ECS的任務(wù)執(zhí)行情況反饋結(jié)果，并實(shí)時(shí)通知CiTOS，以及更新。任務(wù)動(dòng)態(tài)管理控制，根據(jù)任務(wù)指令表和結(jié)果反饋表，進(jìn)行分析判斷，控制任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)度，如圖3。圖3Mini碼頭與集裝箱碼頭操作系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)示意圖通過Mini集裝箱碼頭，學(xué)生可以對(duì)自己設(shè)計(jì)的泊位計(jì)劃、堆場(chǎng)計(jì)劃、船舶裝卸計(jì)劃、AGVs路徑規(guī)劃等優(yōu)化算法進(jìn)行驗(yàn)證，分析碼頭堆場(chǎng)布局、設(shè)備配置方案的綜合效果，提高學(xué)生的優(yōu)化決策能力。

三、基于Mini碼頭平臺(tái)的港口物流實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

1．理論教學(xué)與操作模擬結(jié)合，提升實(shí)踐能力。智慧港口的實(shí)踐環(huán)境具有作業(yè)無人化、裝卸搬運(yùn)組織復(fù)雜、安全要求較高等特點(diǎn)，不利于學(xué)生進(jìn)入港口開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐活動(dòng)。為了改變由于設(shè)備、場(chǎng)地、作業(yè)環(huán)境等限制造成許多實(shí)驗(yàn)無法開展的狀況，一套結(jié)合仿真模擬系統(tǒng)和物理仿真模型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在港口物流類專業(yè)的教學(xué)中顯得格外重要，該平臺(tái)可以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，打破空間、時(shí)間的限制，有助于幫助學(xué)生了解、認(rèn)識(shí)和解決工程實(shí)際問題，充分消化理解相關(guān)知識(shí)并應(yīng)用于實(shí)際業(yè)務(wù)中，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。該平臺(tái)具有深度沉浸感，可以讓學(xué)生參與港口碼頭業(yè)務(wù)操作過程中的細(xì)節(jié)，有助于學(xué)生建立對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景的認(rèn)知。通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)生可以進(jìn)一步熟悉碼頭管理的具體操作流程，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步鞏固理論課堂的知識(shí)點(diǎn)并融會(huì)貫通。教學(xué)中將主要采用角色扮演、仿真模擬、任務(wù)導(dǎo)向、物理演示、軟件操作等方法，學(xué)生能迅速理解并掌握港口現(xiàn)場(chǎng)操作的業(yè)務(wù)管理和營運(yùn)過程。理論教學(xué)與操作模擬相結(jié)合，可以讓學(xué)生更直觀全面地了解集裝箱碼頭布局、具體功能區(qū)場(chǎng)所、運(yùn)營設(shè)施設(shè)備等不同的業(yè)務(wù)實(shí)踐知識(shí)，并通過扮演不同的角色學(xué)習(xí)工作流程、運(yùn)營數(shù)據(jù)報(bào)表分析，學(xué)生在就業(yè)前就能夠取得一定的實(shí)習(xí)效果并積累港口物流管理工作經(jīng)驗(yàn)，提升對(duì)基本工作崗位的認(rèn)知。2．將操作模擬與決策優(yōu)化相結(jié)合，提升學(xué)生研究能力。目前，自動(dòng)化、智能化、高效環(huán)保等特征已經(jīng)成為下一代港口發(fā)展的必然選擇，而自動(dòng)化港口和智慧港口的相關(guān)業(yè)務(wù)流程和管理方法仍然處于長期的研究與實(shí)踐探索階段。在航運(yùn)物流管理類等相關(guān)專業(yè)教學(xué)中，不僅要使學(xué)生能夠?qū)W(xué)習(xí)到的傳統(tǒng)理論和行業(yè)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，還要使學(xué)生能夠以低成本、高效率的方式完成對(duì)新知識(shí)、新方法與新技術(shù)的探索。建立基于Mini碼頭的港口物流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)具有高自由度的操作環(huán)境，還能夠提供一個(gè)自由開發(fā)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，師生通過完整的物理模型可以對(duì)相關(guān)新知識(shí)與新理論進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)新的方法或改進(jìn)的過程進(jìn)行測(cè)試，有助于提升師生的科學(xué)研究水平與創(chuàng)新能力。3．學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與本科教學(xué)相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)科與專業(yè)協(xié)同發(fā)展。港口自動(dòng)化與智慧化的快速發(fā)展對(duì)港口競(jìng)爭力提出了更高的要求，眾多碼頭企業(yè)需要既熟練掌握港航業(yè)務(wù)操作又懂管理方法與信息技術(shù)應(yīng)用的復(fù)合型人才，而港口物流類相關(guān)專業(yè)課程建設(shè)中能夠結(jié)合自動(dòng)化、智能優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)方法進(jìn)行專業(yè)教學(xué)的較為少見?；贛ini碼頭的港口物流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)跨學(xué)科專業(yè)的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，涉及航運(yùn)物流、港口、信息、裝備、自動(dòng)化以及商務(wù)等多門專業(yè)，在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上通過結(jié)合多種專業(yè)知識(shí)對(duì)物理模型進(jìn)行不斷豐富，并設(shè)計(jì)多專業(yè)交叉的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)科與專業(yè)協(xié)同發(fā)展。

四、結(jié)論

隨著“一帶一路”的建設(shè)與發(fā)展以及智能方法與技術(shù)的廣泛應(yīng)用，港口的生產(chǎn)、運(yùn)營與管理系統(tǒng)也將進(jìn)行升級(jí)、改造、換代，這都將培育一個(gè)巨大的智慧港口技術(shù)應(yīng)用市場(chǎng)，也必將面臨巨大的人才缺口?；贛ini碼頭的港口物流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于提高航運(yùn)、物流與港口等專業(yè)的教學(xué)水平，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科協(xié)同發(fā)展，培養(yǎng)具備實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神以及視野開闊的復(fù)合型高級(jí)港口管理人才。

作者:曾慶成 牟向偉 單位:大連海事大學(xué)