港口物流實驗教學改革論文

導語：港口物流實驗教學改革論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對智慧港口與自動化碼頭快速發展對港口運作管理人才決策能力與實踐能力的需求，構建基于Mini自動化碼頭平臺與三維仿真的實驗教學系統。系統包括Mini自動化集裝箱碼頭、自動化集裝箱碼頭中央控制室、自動化集裝箱碼頭管理操作系統與智能決策系統、自動化集裝箱碼頭操作系統與Mini碼頭聯動等功能，可以實現集裝箱碼頭作業管理全過程的模擬及對碼頭作業調度方案的優化決策，有助于提升學生操作能力和優化決策能力。

關鍵詞:實驗教學;港口物流;自動化碼頭實驗平臺;集裝箱碼頭

一、引言

近年來，隨著港口競爭的日趨激烈，港口之間的競爭正逐步演變為以港口為核心的多式聯運系統或港口供應鏈之間的競爭。通過建設智慧港口，提高港口效率與可靠性，實現港口與上下游的協同運作，提升全程運輸效率成為港口發展的關鍵問題之一。如何利用物聯網、大數據、云計算以及現代優化技術，構建智慧港口平臺與決策系統，提升港口運行效率與服務水平，成為港航領域的熱點問題之一。同時，隨著船舶大型化與班輪聯盟的發展，自動化集裝箱碼頭進入新一輪的快速發展時期，美國、歐洲、中東、東南亞等國家和地區先后投產了眾多的自動化碼頭。我國先后投產了廈門遠海、青島新前灣、上海洋山四期等自動化集裝箱碼頭，在全球自動化碼頭領域處于先進水平。智慧港口與自動化碼頭的快速發展對港口物流綜合型人才的培養提出了更高的需求，突出表現在:(1)對學生的優化與決策方法的能力要求更高。自動化碼頭運作管理涉及AGVs、場橋、岸橋的優化調度，碼頭操作系統中包含大量的優化算法支撐，與傳統碼頭相比優化算法應用范圍更廣［1－3］。(2)在智慧港口背景下，學生赴港口現場實習中，能實際操作的環境越來越少，通過仿真技術構建實訓系統成為提升學生實踐能力的有效途徑［4－5］。(3)港口物流管理人才需要掌握更多的人工智能、信息技術等知識，對綜合的實驗環境要求越來越高［6－7］。為解決上述問題，以自動化碼頭學科實驗平臺、智慧港口工程研究中心為依托，建設基于Mini碼頭平臺與港口作業三維仿真的港口物流實驗教學系統，探索集模擬操作、優化決策、實體展示與演練的一體化的港口物流智能實驗教學系統。

二、港口物流實驗教學系統構成

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生產調度的核心部門，它涵蓋及協調船舶計劃、堆場計劃、閘口管理、單證管理、現場作業管理、堆場調度管理、司磅管理、安全管理、應急事故管理等集裝箱碼頭各個作業環節。因此，建設集裝箱碼頭中控室，有利于學生及教師在真實中控室環境中進行調度決策分析、運營管理分析等分析決策研究。為此，本實驗系統以國內真實的集裝箱碼頭中控室為基礎，構建了集裝箱碼頭模擬中控室。通過模擬中控室，對學生進行碼頭泊位計劃、堆場計劃、船舶裝卸計劃、集疏港等計劃，以及實時調度的訓練。在目前港口對安全管理越來越重視、港口專業學生實操機會越來越少的情況下，此系統可以為學生提供實操層面的訓練。2．智能集裝箱碼頭管理操作系統。基于國內真實集裝箱碼頭使用軟件，開發本實驗室“智能集裝箱碼頭管理操作系統”(Com-puterIntelligentTerminalOperationSystem，CI-TOS)。系統按照高效性、實用性、先進性、經濟性及前瞻性原則，最大限度地實現營運資料的采集、存儲、匯總、的自動化，并通過提供及時、準確、系統、完整的信息，提高學生制訂碼頭業務計劃，進行碼頭運作分析、決策的水平。系統功能包括碼頭監控、船舶計劃、船舶配載、堆場策劃、作業資源策劃、集卡調度、智能閘口等(如圖1)。同時，包括3D虛擬碼頭管理操作實現系統。通過CITOS系統可以驅動3D實體運行，展示碼頭操作的實時狀態，使得實驗系統更接近于真實的碼頭操作系統。3．Mini自動化集裝箱碼頭。按照實際10∶1的比例建設Mini自動化集裝箱碼頭(對應一個岸線為600m、碼頭縱深300m的實際集裝箱碼頭)，研發相應的控制、通信與調度系統，開發自動化碼頭仿真實驗平臺。Mini自動化集裝箱碼頭不同于系統仿真和虛擬現實實驗室，除碼頭與設備尺寸外，具備真實自動化碼頭相同功能(如圖2)。Mini碼頭平臺可以實現對碼頭設計、運營、操作方案的評價，具備操作訓練、方案優化等功能。設備包括Mini自動化裝卸橋(岸橋)、自動導引車(AGVs)、Mini自動化軌道式場橋(ARMGs)、Mini集裝箱船、若干集裝箱等。控制系統包括:AGVs控制系統(AGVs實時路徑優化、deadlock、場交通控制等)、自動化場橋控制系統、岸橋控制系統。通信系統包括AGVs、自動化場橋、岸橋等設備以及集裝箱的精確定位，設備之間的感應與協同等，如AGVs之間的通信，AGVs與場橋、岸橋之間的通信等。4．基于樂高的集裝箱碼頭半實物仿真系統。集裝箱碼頭的生產調度在教學科研的過程中通常使用計算機仿真模型進行實證展示，但是軟件仿真相對抽象，缺乏直觀性和可操作性，本實驗室將基于樂高的物理可編程模塊來重建集裝箱碼頭模型，并將之與計算機仿真相結合，實現實物與軟件可同步的半實物仿真。半實物仿真系統具有成本低、可操作性強、直觀靈活等優點，可以極大提高教學和科研效率，在操作的同時實驗碼頭的作業流程和調度原理，在教學培訓、仿真實驗等方面有廣闊的應用前景。利用半實物仿真系統組織了學校物流管理相關專業學生進行創新創業大賽，大大提高了學生的動手能力。5．Mini碼頭與集裝箱碼頭操作系統聯動設計Mini碼頭與集裝箱碼頭操作系統聯動接口，通過接口實現TOS與Mini碼頭的消息傳遞，及對自動化設備的監控和交互，解析CiTOS的指令，并進一步分解和構造適合ECS的任務指令表，接收ECS的任務執行情況反饋結果，并實時通知CiTOS，以及更新。任務動態管理控制，根據任務指令表和結果反饋表，進行分析判斷，控制任務的執行進度，如圖3。圖3Mini碼頭與集裝箱碼頭操作系統聯動示意圖通過Mini集裝箱碼頭，學生可以對自己設計的泊位計劃、堆場計劃、船舶裝卸計劃、AGVs路徑規劃等優化算法進行驗證，分析碼頭堆場布局、設備配置方案的綜合效果，提高學生的優化決策能力。

三、基于Mini碼頭平臺的港口物流實驗教學創新

1．理論教學與操作模擬結合，提升實踐能力。智慧港口的實踐環境具有作業無人化、裝卸搬運組織復雜、安全要求較高等特點，不利于學生進入港口開展教學實驗與實踐活動。為了改變由于設備、場地、作業環境等限制造成許多實驗無法開展的狀況，一套結合仿真模擬系統和物理仿真模型的實驗平臺在港口物流類專業的教學中顯得格外重要，該平臺可以規避風險，打破空間、時間的限制，有助于幫助學生了解、認識和解決工程實際問題，充分消化理解相關知識并應用于實際業務中，提高學生的實踐能力。該平臺具有深度沉浸感，可以讓學生參與港口碼頭業務操作過程中的細節，有助于學生建立對實際業務場景的認知。通過實驗平臺學生可以進一步熟悉碼頭管理的具體操作流程，增強感性認識，進一步鞏固理論課堂的知識點并融會貫通。教學中將主要采用角色扮演、仿真模擬、任務導向、物理演示、軟件操作等方法，學生能迅速理解并掌握港口現場操作的業務管理和營運過程。理論教學與操作模擬相結合，可以讓學生更直觀全面地了解集裝箱碼頭布局、具體功能區場所、運營設施設備等不同的業務實踐知識，并通過扮演不同的角色學習工作流程、運營數據報表分析，學生在就業前就能夠取得一定的實習效果并積累港口物流管理工作經驗，提升對基本工作崗位的認知。2．將操作模擬與決策優化相結合，提升學生研究能力。目前，自動化、智能化、高效環保等特征已經成為下一代港口發展的必然選擇，而自動化港口和智慧港口的相關業務流程和管理方法仍然處于長期的研究與實踐探索階段。在航運物流管理類等相關專業教學中，不僅要使學生能夠對學習到的傳統理論和行業知識進行驗證，還要使學生能夠以低成本、高效率的方式完成對新知識、新方法與新技術的探索。建立基于Mini碼頭的港口物流實驗平臺不僅能夠實現一個具有高自由度的操作環境，還能夠提供一個自由開發的實驗環境，師生通過完整的物理模型可以對相關新知識與新理論進行驗證，并對新的方法或改進的過程進行測試，有助于提升師生的科學研究水平與創新能力。3．學科實驗平臺與本科教學相結合，促進學科與專業協同發展。港口自動化與智慧化的快速發展對港口競爭力提出了更高的要求，眾多碼頭企業需要既熟練掌握港航業務操作又懂管理方法與信息技術應用的復合型人才，而港口物流類相關專業課程建設中能夠結合自動化、智能優化、物聯網等相關技術方法進行專業教學的較為少見。基于Mini碼頭的港口物流實驗平臺是一個跨學科專業的綜合性實驗平臺，涉及航運物流、港口、信息、裝備、自動化以及商務等多門專業，在該實驗平臺的基礎上通過結合多種專業知識對物理模型進行不斷豐富，并設計多專業交叉的實驗內容，從而改進實驗教學方式，提升學生的綜合素質，促進學科與專業協同發展。

四、結論

隨著“一帶一路”的建設與發展以及智能方法與技術的廣泛應用，港口的生產、運營與管理系統也將進行升級、改造、換代，這都將培育一個巨大的智慧港口技術應用市場，也必將面臨巨大的人才缺口。基于Mini碼頭的港口物流實驗平臺有助于提高航運、物流與港口等專業的教學水平，促進相關學科協同發展，培養具備實踐能力、創新精神以及視野開闊的復合型高級港口管理人才。

作者:曾慶成 牟向偉 單位:大連海事大學