港口物流实验教学改革论文

摘要:针对智慧港口与自动化码头快速发展对港口运作管理人才决策能力与实践能力的需求，构建基于Mini自动化码头平台与三维仿真的实验教学系统。系统包括Mini自动化集装箱码头、自动化集装箱码头中央控制室、自动化集装箱码头管理操作系统与智能决策系统、自动化集装箱码头操作系统与Mini码头联动等功能，可以实现集装箱码头作业管理全过程的模拟及对码头作业调度方案的优化决策，有助于提升学生操作能力和优化决策能力。

关键词:实验教学;港口物流;自动化码头实验平台;集装箱码头

一、引言

近年来，随着港口竞争的日趋激烈，港口之间的竞争正逐步演变为以港口为核心的多式联运系统或港口供应链之间的竞争。通过建设智慧港口，提高港口效率与可靠性，实现港口与上下游的协同运作，提升全程运输效率成为港口发展的关键问题之一。如何利用物联网、大数据、云计算以及现代优化技术，构建智慧港口平台与决策系统，提升港口运行效率与服务水平，成为港航领域的热点问题之一。同时，随着船舶大型化与班轮联盟的发展，自动化集装箱码头进入新一轮的快速发展时期，美国、欧洲、中东、东南亚等国家和地区先后投产了众多的自动化码头。我国先后投产了厦门远海、青岛新前湾、上海洋山四期等自动化集装箱码头，在全球自动化码头领域处于先进水平。智慧港口与自动化码头的快速发展对港口物流综合型人才的培养提出了更高的需求，突出表现在:(1)对学生的优化与决策方法的能力要求更高。自动化码头运作管理涉及AGVs、场桥、岸桥的优化调度，码头操作系统中包含大量的优化算法支撑，与传统码头相比优化算法应用范围更广［1－3］。(2)在智慧港口背景下，学生赴港口现场实习中，能实际操作的环境越来越少，通过仿真技术构建实训系统成为提升学生实践能力的有效途径［4－5］。(3)港口物流管理人才需要掌握更多的人工智能、信息技术等知识，对综合的实验环境要求越来越高［6－7］。为解决上述问题，以自动化码头学科实验平台、智慧港口工程研究中心为依托，建设基于Mini码头平台与港口作业三维仿真的港口物流实验教学系统，探索集模拟操作、优化决策、实体展示与演练的一体化的港口物流智能实验教学系统。

二、港口物流实验教学系统构成

1．集装箱码头中央控制室。集装箱码头中央控制室是码头作业生产调度的核心部门，它涵盖及协调船舶计划、堆场计划、闸口管理、单证管理、现场作业管理、堆场调度管理、司磅管理、安全管理、应急事故管理等集装箱码头各个作业环节。因此，建设集装箱码头中控室，有利于学生及教师在真实中控室环境中进行调度决策分析、运营管理分析等分析决策研究。为此，本实验系统以国内真实的集装箱码头中控室为基础，构建了集装箱码头模拟中控室。通过模拟中控室，对学生进行码头泊位计划、堆场计划、船舶装卸计划、集疏港等计划，以及实时调度的训练。在目前港口对安全管理越来越重视、港口专业学生实操机会越来越少的情况下，此系统可以为学生提供实操层面的训练。2．智能集装箱码头管理操作系统。基于国内真实集装箱码头使用软件，开发本实验室“智能集装箱码头管理操作系统”(Com-puterIntelligentTerminalOperationSystem，CI-TOS)。系统按照高效性、实用性、先进性、经济性及前瞻性原则，最大限度地实现营运资料的采集、存储、汇总、的自动化，并通过提供及时、准确、系统、完整的信息，提高学生制订码头业务计划，进行码头运作分析、决策的水平。系统功能包括码头监控、船舶计划、船舶配载、堆场策划、作业资源策划、集卡调度、智能闸口等(如图1)。同时，包括3D虚拟码头管理操作实现系统。通过CITOS系统可以驱动3D实体运行，展示码头操作的实时状态，使得实验系统更接近于真实的码头操作系统。3．Mini自动化集装箱码头。按照实际10∶1的比例建设Mini自动化集装箱码头(对应一个岸线为600m、码头纵深300m的实际集装箱码头)，研发相应的控制、通信与调度系统，开发自动化码头仿真实验平台。Mini自动化集装箱码头不同于系统仿真和虚拟现实实验室，除码头与设备尺寸外，具备真实自动化码头相同功能(如图2)。Mini码头平台可以实现对码头设计、运营、操作方案的评价，具备操作训练、方案优化等功能。设备包括Mini自动化装卸桥(岸桥)、自动导引车(AGVs)、Mini自动化轨道式场桥(ARMGs)、Mini集装箱船、若干集装箱等。控制系统包括:AGVs控制系统(AGVs实时路径优化、deadlock、场交通控制等)、自动化场桥控制系统、岸桥控制系统。通信系统包括AGVs、自动化场桥、岸桥等设备以及集装箱的精确定位，设备之间的感应与协同等，如AGVs之间的通信，AGVs与场桥、岸桥之间的通信等。4．基于乐高的集装箱码头半实物仿真系统。集装箱码头的生产调度在教学科研的过程中通常使用计算机仿真模型进行实证展示，但是软件仿真相对抽象，缺乏直观性和可操作性，本实验室将基于乐高的物理可编程模块来重建集装箱码头模型，并将之与计算机仿真相结合，实现实物与软件可同步的半实物仿真。半实物仿真系统具有成本低、可操作性强、直观灵活等优点，可以极大提高教学和科研效率，在操作的同时实验码头的作业流程和调度原理，在教学培训、仿真实验等方面有广阔的应用前景。利用半实物仿真系统组织了学校物流管理相关专业学生进行创新创业大赛，大大提高了学生的动手能力。5．Mini码头与集装箱码头操作系统联动设计Mini码头与集装箱码头操作系统联动接口，通过接口实现TOS与Mini码头的消息传递，及对自动化设备的监控和交互，解析CiTOS的指令，并进一步分解和构造适合ECS的任务指令表，接收ECS的任务执行情况反馈结果，并实时通知CiTOS，以及更新。任务动态管理控制，根据任务指令表和结果反馈表，进行分析判断，控制任务的执行进度，如图3。图3Mini码头与集装箱码头操作系统联动示意图通过Mini集装箱码头，学生可以对自己设计的泊位计划、堆场计划、船舶装卸计划、AGVs路径规划等优化算法进行验证，分析码头堆场布局、设备配置方案的综合效果，提高学生的优化决策能力。

三、基于Mini码头平台的港口物流实验教学创新

1．理论教学与操作模拟结合，提升实践能力。智慧港口的实践环境具有作业无人化、装卸搬运组织复杂、安全要求较高等特点，不利于学生进入港口开展教学实验与实践活动。为了改变由于设备、场地、作业环境等限制造成许多实验无法开展的状况，一套结合仿真模拟系统和物理仿真模型的实验平台在港口物流类专业的教学中显得格外重要，该平台可以规避风险，打破空间、时间的限制，有助于帮助学生了解、认识和解决工程实际问题，充分消化理解相关知识并应用于实际业务中，提高学生的实践能力。该平台具有深度沉浸感，可以让学生参与港口码头业务操作过程中的细节，有助于学生建立对实际业务场景的认知。通过实验平台学生可以进一步熟悉码头管理的具体操作流程，增强感性认识，进一步巩固理论课堂的知识点并融会贯通。教学中将主要采用角色扮演、仿真模拟、任务导向、物理演示、软件操作等方法，学生能迅速理解并掌握港口现场操作的业务管理和营运过程。理论教学与操作模拟相结合，可以让学生更直观全面地了解集装箱码头布局、具体功能区场所、运营设施设备等不同的业务实践知识，并通过扮演不同的角色学习工作流程、运营数据报表分析，学生在就业前就能够取得一定的实习效果并积累港口物流管理工作经验，提升对基本工作岗位的认知。2．将操作模拟与决策优化相结合，提升学生研究能力。目前，自动化、智能化、高效环保等特征已经成为下一代港口发展的必然选择，而自动化港口和智慧港口的相关业务流程和管理方法仍然处于长期的研究与实践探索阶段。在航运物流管理类等相关专业教学中，不仅要使学生能够对学习到的传统理论和行业知识进行验证，还要使学生能够以低成本、高效率的方式完成对新知识、新方法与新技术的探索。建立基于Mini码头的港口物流实验平台不仅能够实现一个具有高自由度的操作环境，还能够提供一个自由开发的实验环境，师生通过完整的物理模型可以对相关新知识与新理论进行验证，并对新的方法或改进的过程进行测试，有助于提升师生的科学研究水平与创新能力。3．学科实验平台与本科教学相结合，促进学科与专业协同发展。港口自动化与智慧化的快速发展对港口竞争力提出了更高的要求，众多码头企业需要既熟练掌握港航业务操作又懂管理方法与信息技术应用的复合型人才，而港口物流类相关专业课程建设中能够结合自动化、智能优化、物联网等相关技术方法进行专业教学的较为少见。基于Mini码头的港口物流实验平台是一个跨学科专业的综合性实验平台，涉及航运物流、港口、信息、装备、自动化以及商务等多门专业，在该实验平台的基础上通过结合多种专业知识对物理模型进行不断丰富，并设计多专业交叉的实验内容，从而改进实验教学方式，提升学生的综合素质，促进学科与专业协同发展。

四、结论

随着“一带一路”的建设与发展以及智能方法与技术的广泛应用，港口的生产、运营与管理系统也将进行升级、改造、换代，这都将培育一个巨大的智慧港口技术应用市场，也必将面临巨大的人才缺口。基于Mini码头的港口物流实验平台有助于提高航运、物流与港口等专业的教学水平，促进相关学科协同发展，培养具备实践能力、创新精神以及视野开阔的复合型高级港口管理人才。

作者:曾庆成 牟向伟 单位:大连海事大学