船舶調(diào)配教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)

謝新連，杜 紅，鐘 銘，趙家保，丁關(guān)睿

(大連海事大學(xué) 綜合運(yùn)輸研究所，遼寧 大連 116026)

一、引言

“航運(yùn)管理”是交通運(yùn)輸(水路運(yùn)輸)專業(yè)一門(mén)專業(yè)技術(shù)性較強(qiáng)的必修課程。2010年以前，本課程的教學(xué)方式以教師講授和課堂研討為主，但本課程涉及船舶調(diào)配方法的學(xué)習(xí)，由于涉及知識(shí)面廣、問(wèn)題較為復(fù)雜，僅靠課堂上教師的講解很難使學(xué)生掌握船隊(duì)規(guī)劃和航線配船的具體操作方法。學(xué)生在課堂上理解之后，課下常常還是不會(huì)獨(dú)立解決這類問(wèn)題。特別是由于問(wèn)題的復(fù)雜性，即使教師能夠模仿實(shí)際擬制出一個(gè)題目讓學(xué)生練習(xí)，也難以檢查眾多學(xué)生計(jì)算分析結(jié)果的正確性。這常常使學(xué)生感到求解這類問(wèn)題的現(xiàn)代化方法有些玄妙，難于深入理解，學(xué)過(guò)的知識(shí)也很快忘記。為此，自2010年起，在“航運(yùn)管理”課程中加入了“課程設(shè)計(jì)”這一實(shí)踐環(huán)節(jié)，希望達(dá)到提高學(xué)生理解深度和實(shí)踐操作能力的目的。進(jìn)一步，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和教師教授、檢查效果，又基于船舶調(diào)配實(shí)際案例設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了船舶調(diào)配教學(xué)軟件，讓學(xué)生能夠結(jié)合案例進(jìn)行操作練習(xí)。

二、教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)目的

“航運(yùn)管理課程設(shè)計(jì)”是“航運(yùn)管理”課程學(xué)習(xí)完成后讓學(xué)生進(jìn)行的一次全面綜合的練習(xí)，“課程設(shè)計(jì)”將船隊(duì)規(guī)劃、航線配船的理論知識(shí)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，目的是鞏固和加深學(xué)生對(duì)船舶調(diào)配基本知識(shí)的理解和掌握，使學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握船舶調(diào)配的步驟和方法，提高學(xué)生綜合運(yùn)用課程其他相關(guān)知識(shí)(如航運(yùn)經(jīng)濟(jì)、運(yùn)籌學(xué)、優(yōu)化算法設(shè)計(jì)等)的能力以及獨(dú)立分析、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生在設(shè)計(jì)案例、收集資料、處理數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)、運(yùn)用數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件(如Excel、Lingo、Matlab 等)進(jìn)行求解計(jì)算以及計(jì)算機(jī)編程等方面的基本技能得到綜合訓(xùn)練，提高學(xué)生適應(yīng)未來(lái)工作和實(shí)踐操作的能力，為學(xué)生打下更扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

在實(shí)踐中，船舶運(yùn)輸分為不定期船和班輪兩種組織形式，兩種運(yùn)輸組織形式的差異較大，因此所建立的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型也不同。為了充分表現(xiàn)兩種運(yùn)輸組織形式的差異，在船舶調(diào)配教學(xué)軟件——船隊(duì)規(guī)劃與航線配船決策支持系統(tǒng)(FPDSS)中設(shè)有大宗散貨航線配船和班輪航線配船兩個(gè)子系統(tǒng)。其中大宗散貨航線配船子系統(tǒng)先行開(kāi)發(fā)，已于2010年起應(yīng)用于本課程設(shè)計(jì)，其開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)已較成熟，文獻(xiàn)［1］對(duì)其做了詳細(xì)介紹。而班輪運(yùn)輸中，由于船舶在一個(gè)航次掛靠多個(gè)港口，在各個(gè)中途港也要裝卸一定量的貨物，因此班輪航線配船問(wèn)題一直難以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程序化。下文介紹剛剛開(kāi)發(fā)的班輪航線配船子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及其在本課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用的效果。

三、軟件總體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1．班輪航線配船子系統(tǒng)采用的數(shù)學(xué)模型

班輪航線配船子系統(tǒng)采用的數(shù)學(xué)模型可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)［2］，本文不再贅述。

2．班輪航線配船子系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

班輪航線配船子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如圖1 所示。

(1)航線配船向?qū)K共由11 +G 個(gè)步驟構(gòu)成，其主要功能是輔助、指導(dǎo)用戶按照要求輸入已知數(shù)據(jù);(2)顯示優(yōu)化結(jié)果模塊的功能是將每次優(yōu)化計(jì)算得到的最優(yōu)方案以報(bào)表文本的形式，通過(guò)人機(jī)交互界面直觀顯示給用戶;(3)歷史決策查詢模塊的主要功能是按照決策時(shí)間對(duì)歷史決策記錄進(jìn)行查詢，查看輸入的已知數(shù)據(jù)和輸出的優(yōu)化結(jié)果，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史決策記錄的刪除操作。

圖1 班輪航線配船子系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

班輪航線配船子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 班輪航線配船子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)支持文件:(1)fm21．frm 用于接收用戶輸入的初始已知數(shù)據(jù)及優(yōu)化結(jié)果;(2)01．lng～10．lng文件為利用lingo12 軟件編譯的優(yōu)化計(jì)算程序;(3)myfile．txt 用于存放最新的優(yōu)化報(bào)告;(4)Results 文件夾用于存儲(chǔ)歷史決策的優(yōu)化報(bào)告;(5)Lingd12．bas 和lingd12．dll 是Visual Basic 與Lingo 軟件的接口文件。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及優(yōu)化計(jì)算程序:班輪航線配船子系統(tǒng)通過(guò)fm21．frm 將輸入的全部數(shù)據(jù)傳輸給01．lng～10．lng 文件，然后調(diào)用編譯好的程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并通過(guò)fm21．frm 接收計(jì)算返回的優(yōu)化結(jié)果，將當(dāng)次決策的優(yōu)化報(bào)告以指定格式輸出到Myfile．txt中，同時(shí)將優(yōu)化報(bào)告保存到Results 文件夾中。當(dāng)調(diào)用優(yōu)化結(jié)果模塊時(shí)，系統(tǒng)顯示最新的優(yōu)化報(bào)告;當(dāng)調(diào)用歷史決策查詢模塊時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)Results文件夾，所有的優(yōu)化報(bào)告都以決策時(shí)間命名，用戶可以通過(guò)選擇、刪除或查看歷史優(yōu)化報(bào)告實(shí)現(xiàn)對(duì)Results 文件夾的管理。

3．班輪航線配船子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

(1)多種語(yǔ)言混合編程。班輪航線配船子系統(tǒng)采用Lingo 12．0 和Visual Basic 6．0 兩種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言混合編程方法。其中，Visual Basic 6．0 用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面和工程內(nèi)部各功能模塊的管理優(yōu)化，使人機(jī)交互界面智能向?qū)Чδ芨怀觯瑤椭脩暨M(jìn)行靈活操作;Lingo 12．0 用來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部?jī)?yōu)化算法程序模塊。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，Visual Basic在前臺(tái)運(yùn)行，Lingo 程序始終在后臺(tái)運(yùn)行，兩者之間數(shù)據(jù)交換均通過(guò)磁盤(pán)文件進(jìn)行，執(zhí)行效率高。

(2)Visual Basic 與Lingo 接口實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)多種語(yǔ)言混合編程，關(guān)鍵在于語(yǔ)言之間的接口實(shí)現(xiàn)。Visual Basic 與Lingo 接口實(shí)現(xiàn)的主要思想是:Lingo提供一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件(DLL)，使得Visual Basic可以直接運(yùn)行Lingo 的命令腳本語(yǔ)言(command script)，這樣就可以在Visual Basic 與Lingo 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞以及各種操作［3，4］。

4．班輪航線配船子系統(tǒng)運(yùn)行流程

班輪航線配船子系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3 所示。

圖3 班輪航線配船子系統(tǒng)運(yùn)行流程

四、教學(xué)實(shí)驗(yàn)案例

在“航運(yùn)管理課程設(shè)計(jì)”中，采用的案例如下。

設(shè)某公司的班輪船隊(duì)中現(xiàn)有5 種集裝箱船型，每型船的數(shù)量及主要參數(shù)見(jiàn)表1。本年度內(nèi)船舶要配置在3 條航線(多港口掛靠、貨物直達(dá)運(yùn)輸?shù)暮骄€)上承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)。各航線掛靠港口和要求的最小發(fā)船班次數(shù)列于表2 中，各港口裝卸效率參見(jiàn)表3，設(shè)各型船的平均裝載率為0．7;預(yù)測(cè)2014年每條航線上各掛靠港間的集裝箱運(yùn)輸量見(jiàn)表4。假設(shè)由于某種客觀原因，第1 型船不能配置在第3條航線上營(yíng)運(yùn)，如果將第5 型船配置在第1 條航線上，則第5 型船每個(gè)航次需要增加滯期時(shí)間2 天，如果將第4 型船配置在第2 條航線上，則第4 型船每個(gè)航次需要增加滯期時(shí)間1 天。假設(shè)各型船年?duì)I運(yùn)時(shí)間為350 天。

查閱相關(guān)資料，參照班輪航線配船數(shù)學(xué)模型(1)～(8)式和教材［5］關(guān)于航次時(shí)間和運(yùn)輸成本的相關(guān)計(jì)算公式，補(bǔ)充必要計(jì)算數(shù)據(jù):

(1)各航線的運(yùn)價(jià);

(2)各型船舶在各航線上營(yíng)運(yùn)的航次費(fèi)用及1年內(nèi)可以完成的往返航次數(shù)。

求出2014年船隊(duì)的最佳航線配船方案。

表1 現(xiàn)有船型技術(shù)參數(shù)及數(shù)量

表2 航線參數(shù)

表3 各港口裝卸效率

表4 各掛靠港之間的預(yù)測(cè)貨運(yùn)需求量

學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)船舶、港口、航線、費(fèi)用等方面的資料，并結(jié)合課堂所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，計(jì)算、補(bǔ)充案例所需數(shù)據(jù)，并運(yùn)用數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件(如Excel、Lingo、Matlab 等)或計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行求解，然后再使用班輪航線配船子系統(tǒng)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化求解，并比較分析前者求解結(jié)果與系統(tǒng)求解結(jié)果的差異和原因。

以學(xué)號(hào)后4 位0357 為例，即2014年上海到大連的預(yù)測(cè)貨運(yùn)需求量為3．57 萬(wàn)TEU，給出本案例所需的已知數(shù)據(jù)和通過(guò)班輪航線配船子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化求解的結(jié)果，已知數(shù)據(jù)見(jiàn)表5 和表6，優(yōu)化結(jié)果具體如表7 所示。

此外，班輪航線配船子系統(tǒng)的求解結(jié)果中，還會(huì)給出按照表7 所示的航線配船方案安排運(yùn)輸時(shí)各航線上實(shí)際完成的貨運(yùn)量、所有航線實(shí)際完成的總貨運(yùn)量、未完成的貨運(yùn)量及船舶閑置情況。在本案例中，按照表7 所示的方案安排船隊(duì)進(jìn)行運(yùn)輸，除掛靠港6(青島)到掛靠港7(營(yíng)口)的部分貨運(yùn)需求(100TEU)外，可以滿足表4 中列出的各掛靠港間的運(yùn)輸需求。

表5 運(yùn)價(jià)表

表6 各型船在各航線上的航次費(fèi)用及1年內(nèi)可以完成的往返航次數(shù)

表7 2014年航線配船方案

五、教學(xué)效果分析

船舶調(diào)配教學(xué)軟件對(duì)“航運(yùn)管理課程設(shè)計(jì)”起到很大的輔助支撐作用，提高了學(xué)生對(duì)多方面知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，取得了良好的教學(xué)效果。

“航運(yùn)管理課程設(shè)計(jì)”的數(shù)據(jù)搜集具有一定難度，工作量較大，學(xué)生在搜集信息、整理數(shù)據(jù)的過(guò)程中加深了對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，提高了從大量信息中提取關(guān)鍵信息的能力。

“航運(yùn)管理”課程的學(xué)習(xí)涉及多種專業(yè)知識(shí)和計(jì)算技術(shù)，僅靠課堂上有限時(shí)間內(nèi)的講解，學(xué)生很難深入掌握，即使課后對(duì)教材進(jìn)行復(fù)習(xí)，也感覺(jué)比較抽象。在“航運(yùn)管理課程設(shè)計(jì)”準(zhǔn)備數(shù)據(jù)階段涉及大量的專業(yè)知識(shí)和計(jì)算，這就使得學(xué)生能夠在實(shí)踐中運(yùn)用這些專業(yè)公式，加深理解和記憶，而且，這些計(jì)算復(fù)雜、繁瑣，需要學(xué)生細(xì)心、耐心，提高了學(xué)生處理復(fù)雜問(wèn)題的能力。

“航運(yùn)管理課程設(shè)計(jì)”的完成不僅需要學(xué)生運(yùn)用課堂所學(xué)知識(shí)，還需要學(xué)生綜合運(yùn)用其他相關(guān)專業(yè)知識(shí)，學(xué)習(xí)運(yùn)用數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件以及計(jì)算機(jī)編程等，鍛煉了學(xué)生進(jìn)行船舶調(diào)配的實(shí)際操作能力，提高了學(xué)生的基本技能和綜合能力。

六、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)船舶調(diào)配這一理論性和專業(yè)性都很強(qiáng)的復(fù)雜問(wèn)題設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了教學(xué)軟件——船隊(duì)規(guī)劃與航線配船決策支持系統(tǒng)(FPDSS)。該軟件結(jié)合課堂上講授的專業(yè)實(shí)際問(wèn)題數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用前面課程學(xué)過(guò)的線性規(guī)劃優(yōu)化算法并采用混合語(yǔ)言編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問(wèn)題的快速求解，操作簡(jiǎn)單，具有良好的人機(jī)交互特點(diǎn)，非常適合于剛剛開(kāi)始專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)和接觸實(shí)際問(wèn)題的本科生的動(dòng)手能力訓(xùn)練。學(xué)生反應(yīng)積極，興趣較高，教學(xué)效果令人滿意。

教學(xué)實(shí)踐表明，這種通過(guò)開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件輔助實(shí)踐課的教學(xué)方法明顯有助于加深學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握，提高學(xué)生實(shí)踐操作能力，使學(xué)生打下更扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。借助于這種教學(xué)軟件，也有助于教師快速診斷學(xué)生在理解或操作方面存在的問(wèn)題，高效率、有針對(duì)性地提供個(gè)別輔導(dǎo)和集體指導(dǎo)，特別適合于學(xué)生人數(shù)較多的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。這一教學(xué)實(shí)驗(yàn)的成功，為此類實(shí)踐課程教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)建設(shè)提供了一個(gè)有參考價(jià)值的實(shí)際案例。

［1］楊秋平，謝新連，蘇 晨．航線配船與船隊(duì)規(guī)劃模型及算法實(shí)現(xiàn)［J］．中國(guó)航海，2009，32(1):91－95．

［2］杜 紅，謝新連，唐 磊，趙家保．多港口掛靠班輪航線配船數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用［J］．中國(guó)航海，2014，37(2):113－117．

［3］張宏偉，牛志廣．LINGO 8．0 及其在環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用［M］．天津:天津大學(xué)出版社，2005．

［4］吳興遠(yuǎn)，莫小寶，李 佳．高級(jí)語(yǔ)言與lingo 混合編程解決復(fù)雜規(guī)劃問(wèn)題［J］．軟件導(dǎo)刊，2009，8(1):73－74．

［5］謝新連．船舶運(yùn)輸管理與經(jīng)營(yíng):2 版［M］．大連:大連海事大學(xué)出版社，2009．