虛擬3D集裝箱碼頭仿真實驗教學項目建設與實踐

任佳佳，齊云英 REN Jiajia,QI Yunying

（河南牧業(yè)經濟學院 物流與電商學院，河南 鄭州 450044）

1 項目建設背景

近20年來，我國集裝箱運輸業(yè)發(fā)展迅猛，其吞吐量已經超越美國位居世界首位，因此，對集裝箱碼頭運營管理方面人才的培養(yǎng)愈加受到重視。集裝箱運輸管理是物流管理、交通運輸、國際商務等專業(yè)的核心課程，其實踐教學對于幫助學生熟悉集裝箱碼頭操作規(guī)程與業(yè)務管理、提升專業(yè)運營管理能力具有重要意義。

在傳統(tǒng)的集裝箱碼頭課程教學中，因存在集裝箱碼頭作業(yè)環(huán)境復雜多變、危險系數高、現場教學難以開展，且外出實習成本高、組織協(xié)調困難等多方面因素，大多數內地高校普遍采用講解、圖片展示和觀看教學視頻相結合的方式進行講授，實踐教學環(huán)節(jié)嚴重缺失。目前，只有少數地處水域資源豐富的高校能夠以實地參觀的方式開展集裝箱碼頭的實踐教學，但是由于參觀時間有限，實習實訓教學難以開展，無法達到對學生實踐能力的培養(yǎng)。三維建模技術、虛擬仿真技術等現代信息技術的應用為解決實踐教學提供了技術保障，虛擬仿真教學項目的建設可以有效解決實體實驗室建設成本過高、作業(yè)環(huán)境復雜危險、內地高校集裝箱碼頭參觀實習困難等問題。通過虛擬仿真教學項目，不僅可以服務于教學，同時也能服務于社會，最終實現教學研一體化。

該項目依托河南牧業(yè)經濟學院獲中央財政支持的現代物流綜合實驗中心，以集裝箱碼頭典型場景——集裝箱碼頭裝備操作、業(yè)務運營管理為對象，建立了虛擬3D集裝箱碼頭仿真實驗教學項目。學生可以通過該項目了解并掌握裝箱碼頭裝備操作、業(yè)務管理、流程優(yōu)化的理論知識和操作技能，是對實驗教學和理論教學的有效補充和拓展，從而達到提升學生集裝箱碼頭運營管理綜合能力的實踐教學目標。

2 項目設計

2.1 項目設計思路。該項目針對物流管理、交通運輸等專業(yè)“實踐性和應用性強”的特點，運用圖形仿真、虛擬交互以及三維數字化技術將理論知識、企業(yè)應用與仿真運行等方面有機融合于實驗教學項目，通過對集裝箱碼頭裝卸工藝、閘口業(yè)務、堆場作業(yè)、裝卸船操作、貨運站業(yè)務、中控室操作和商務管理等業(yè)務模塊進行虛擬再現，使學生通過虛擬仿真實驗全面掌握集裝箱船務公司、貨運站、堆場、閘口等集裝箱碼頭各類崗位的操作程序和工作要求，做到實習和就業(yè)的“無縫銜接”。

2.2 項目教學內容建設。該項目以集裝箱碼頭工作任務為依托構建仿真實驗教學項目，下設八大虛擬仿真實驗教學模塊，包括集裝箱碼頭進出口業(yè)務仿真教學模塊、集裝箱碼頭裝卸工藝仿真教學模塊、集裝箱碼頭閘口業(yè)務仿真教學模塊、集裝箱碼頭堆場業(yè)務仿真教學模塊、集裝箱碼頭裝卸船業(yè)務仿真教學模塊、集裝箱碼頭貨運站業(yè)務仿真教學模塊、集裝箱碼頭中控室操作仿真教學模塊、集裝箱碼頭商務管理仿真教學模塊（如圖1所示）。

圖1 虛擬3D集裝箱碼頭仿真實驗教學項目體系結構圖

項目采用3D建模技術和虛擬仿真技術對集裝箱碼頭實際場景進行了還原（如圖2所示），通過以虛擬任務為導向的仿真教學項目的實施，可以有效提升學生的綜合職業(yè)能力，能夠輔助學生了解并掌握集裝箱碼頭各工作崗位的典型操作。此外，虛實互動的仿真教學能夠讓學生在安全的環(huán)境下學到相關管理能力和操作技能，不僅節(jié)約了實習參觀成本，同時降低了實踐教學的安全風險。

圖2 虛擬3D集裝箱碼頭仿真實驗教學平臺界面

2.3 實踐教學環(huán)節(jié)建設。虛擬3D集裝箱碼頭仿真實驗教學平臺能夠對一體化教學過程的各個環(huán)節(jié)進行有效的管理控制，每個實驗教學子模塊都按照“任務導入、自主學習、仿真實驗、考核評價”四個步驟組織實驗教學（如圖3所示）。實驗指導教師可以通過教師端設置仿真實驗參數、編寫實驗項目腳本、考核評價等工作；學生可以通過實驗平臺進行知識點學習、仿真任務實施、實驗報告填寫等工作。

圖3 實驗教學環(huán)節(jié)流程圖

在任務導入環(huán)節(jié)，學生通過閱讀基礎資料了解各仿真模塊所要完成的仿真任務背景、目標、說明和具體要求。

在自主學習環(huán)節(jié)，學生通過視頻資料、多媒體教學材料、3D模擬展示等方式了解集裝箱碼頭各仿真模塊所涉及的基礎知識和操作流程。

在仿真實驗環(huán)節(jié)，學生通過參與集裝箱碼頭堆場業(yè)務、裝卸工藝、閘口業(yè)務等仿真教學模塊掌握集裝箱碼頭典型工作任務所涉及的理論知識和操作技能，最后完成對仿真任務的實施和優(yōu)化。

考核評價環(huán)節(jié)將融合過程性評價、形成性評價、發(fā)展性評價，分為在線測試、任務實施結果評價、實驗報告撰寫、小組互評和教師評價五個組成部分，最終形成學生實踐環(huán)節(jié)的綜合評價。

2.4 集裝箱碼頭虛擬仿真的VV&A模型。集裝箱碼頭所涉及的進出口、閘口、裝卸等環(huán)節(jié)業(yè)務是實踐教學項目仿真的對象，其動態(tài)變化過程需要建立模型進行校核（Verification）、驗證（Validation）和確認（Accreditation）。虛擬3D集裝箱碼頭仿真中的校核、驗證和確認需要貫穿集裝箱碼頭建模與仿真全生命周期，實踐證明，大型物流系統(tǒng)仿真建模與仿真實驗工作只有在同潛在使用方的深入密切配合才能確保仿真高可信度，才能取得良好的仿真實驗教學效果。

2.4.1 集裝箱碼頭虛擬仿真中的校核。集裝箱碼頭建模與仿真的校核內容主要包括目的目標、邊界及精度、系統(tǒng)結構、管理方法與邏輯控制、仿真模型基礎參數輸入五個方面的16項內容（如表1所示）。這些校核內容需要在仿真建模前、建模過程中和實驗過程中進行，或者在這三個階段中反復進行確認。

表1 集裝箱碼頭虛擬仿真校核內容

2.4.2 集裝箱碼頭虛擬仿真中的驗證。集裝箱碼頭虛擬仿真實驗的驗證旨在確保仿真結果的準確性。該仿真實驗教學項目的驗證主要包括設備操作驗證、整體操作驗證和集裝箱碼頭宏觀仿真驗證。

（1）設備操作驗證Err，通過比較每一項集裝箱碼頭設備實際操作和虛擬仿真操作在時間、流程和結果差別上來衡量該模擬操作的精確性。

（2）整體操作驗證Err，通過為每一項活動的設備操作設計權重，并將仿真教學項目所有設備操作累計計算得到整體設備操作環(huán)節(jié)的準確性。

（3）集裝箱碼頭宏觀仿真實驗驗證Err，主要驗證多個仿真實驗教學模塊的整體作業(yè)情況，因此，在集裝箱碼頭仿真實驗各模塊的操作準確性、作業(yè)時間以及靜止實踐都需要考慮。

以上驗證指標中，o代表作業(yè)索引；a代表基礎活動索引；δ為0/1變量，若活動a屬于作業(yè)則為1，否則為0；i表示集裝箱類型索引；j表示集裝箱索引；d表示指派給o操作的第i類集裝箱的集；g屬于i類集裝箱j的仿真操作；t屬于i類集裝箱j的實際操作。

2.4.3 集裝箱碼頭虛擬仿真中的確認。對于虛擬3D集裝箱碼頭仿真教學項目的確認需要召集集裝箱碼頭運營管理專家、虛擬仿真設計開發(fā)團隊、指導教師和使用者共同研討對實現確定的虛擬仿真實驗教學目標逐一進行確認。經過嚴格的、全生命周期的仿真教學校核、驗證和確認后的項目才能夠確保其可靠性，教學項目中包含對集裝箱碼頭運營優(yōu)化仿真的子任務才能有效地支持實際決策。

2.5 虛擬仿真教學項目網絡架構。虛擬3D集裝箱碼頭仿真教學項目的運行依托于學校開放式、通用型虛擬仿真實驗教學平臺的支撐。實驗教學中心基于IBM platform LSF，開發(fā)并部署了虛擬仿真實驗開發(fā)平臺，該平臺由20個工控服務器節(jié)點組成，在每個工控機節(jié)點上，運行32個虛擬機，為“虛擬3D集裝箱碼頭仿真實驗教學項目”等虛擬仿真教學系統(tǒng)提供基礎運行平臺。通用虛擬仿真實驗開發(fā)平臺采用B/S架構，采用VIVE WAVE、Unity3d、Virtools、Visual Studio等開發(fā)工具，構建了交互式虛擬仿真實驗平臺。該項目采用NET開發(fā)語言、Visual Studio開發(fā)工具以及SQL Server2018數據庫構建集成化管理模式，學生可以通過多種終端連接通用虛擬仿真實驗開發(fā)平臺，選擇虛擬機上的虛擬仿真實驗系統(tǒng)進行相應的實驗操作。

3 項目實施效果及完善推廣措施

3.1 項目實施效果。虛擬3D集裝箱碼頭仿真實驗教學項目主要面向河南牧業(yè)經濟學院物流管理、物流工程、交通與運輸管理等專業(yè)三、四年級本科生開設，目前已經將其向其他高校的同類專業(yè)進行開放。經統(tǒng)計，該項目2017～2018年共計服務師生1 813人，其中有64.2%的學生綜合評定成績在“優(yōu)”、“良”等級。項目在實施過程中的主要效果如下：

（1）滿足了綜合性實踐教學的需求。虛擬3D集裝箱碼頭仿真實訓平臺可以同時容納50名學生完成相關課程的實驗實訓任務，項目以虛擬仿真實驗的方式將集裝箱碼頭各典型工作任務進行了整合和序化，能夠切實提高學生從集裝箱碼頭相關重點業(yè)務管理能力實現到整體業(yè)務流程優(yōu)化與管理能力的提升。

（2）滿足了學生深度學習的要求。該項目可以幫助學生了解集裝箱碼頭設施設備與布局、港口作業(yè)管理、港口綜合運營等理論知識，掌握集裝箱碼頭堆場、設備、船舶、碼頭客戶等業(yè)務管理與流程優(yōu)化的能力。同時軟件的仿真運行效果的展示、在線測試、學習進度反饋與查詢、師生互動等可以極大地激發(fā)學生的學習熱情和學習興趣，并能更好地提升學習效果。

（3）貼近集裝箱碼頭實際運營，符合應用型人才培養(yǎng)的要求。項目的場景依據實際的集裝箱碼頭運行情況進行設置，有利于任務導向教學的實施，通過仿真實驗可以較好提升學生的專業(yè)能力和職業(yè)意識。此外，虛實互動的仿真教學，可以讓學生在安全的環(huán)境中學習和掌握到相關管理能力和操作技能。

3.2 項目完善及推廣措施

（1）項目的持續(xù)建設與更新。項目組將持續(xù)開展虛擬3D集裝箱碼頭仿真實驗項目的開發(fā)和研究，實現仿真平臺與VR可穿戴頭盔設備的對接，進一步優(yōu)化仿真效果。同時將進一步完善虛擬仿真實驗項目教學設計、規(guī)范基本教學要件材料（實驗指導書、實驗考核評價方式等）、豐富虛擬仿真實驗教學資源（包括若干微視頻、交互指導問答、案例、數據、實驗考核題等）。項目組教師將每學期總結該虛擬仿真教學資源的使用情況，撰寫教育資源應用與教學的隨想、體會的文章，撰寫教學論文或教學案例。

（2）面向高校的教學推廣應用計劃。今后5年，項目將面向高校和企業(yè)陸續(xù)開放教學資源，具體開放內容如下：仿真實驗項目輔助教學軟件平臺、仿真實驗項目教材輔助教學資源庫、實踐教學PPT、在線題庫、集裝箱碼頭仿真案例視頻等。

4 項目特色與創(chuàng)新

4.1 采用理實一體化教學方法。教學項目主要分為理論認知和仿真訓練兩大類，并分別設置在線測試和實驗考核。理論認知模塊可供學生了解集裝箱碼頭的整體布局，并了解各裝卸工藝和典型工作任務的基本操作，通過考核學生設備功用及操作，強化學生基礎理論知識的掌握；仿真訓練可供學生自主學習集裝箱碼頭閘口業(yè)務、堆場業(yè)務、裝卸船操作、貨運站業(yè)務、中控室操作和商務管理等環(huán)節(jié)的具體操作，從對學生實踐能力的培養(yǎng)上升到對學生綜合職業(yè)能力的培養(yǎng)。在實踐教學過程中，能力訓練本著由易到難、由單項到綜合、由簡單到復雜的順序遞進，遵循從“新手”到“行家”的職業(yè)發(fā)展路徑。

4.2 構建全方位的考核評價體系。本項目從針對理論認知的在線測試，針對虛擬仿真實驗項目的實驗過程評價，并結合小組互評和教師綜合評價進行仿真實驗綜合成績的評定。同時，系統(tǒng)會根據預設的實驗步驟和標準進行評判，實時提示用戶錯誤的實驗操作或者結果判斷，幫助教師和學生能夠明確相應知識點和操作流程的掌握情況。此外，系統(tǒng)可以對學生的在線實驗操作進行實時跟蹤，完整地評估學生的實驗完成效率和實際完成效果。

4.3 產教融合、校企融合、科教融合的建設模式。項目的建設將結合內陸省份內河水運優(yōu)勢和鄭州市“四港四樞多站”建設規(guī)劃，將教師的橫/縱向科研成果轉化為虛擬仿真實驗教學項目，通過與鄭州航空港、周口中心港、鄭州國際陸港以及淮安港深度合作，共同開發(fā)虛擬3D集裝箱碼頭仿真和實習實訓教學項目，以產教融合、校企融合和科教融合的建設模式豐富的實踐教學內容。

5 結束語

基于虛擬仿真理念，面向集裝箱碼頭進出口、閘口、堆場、裝卸等八大典型工作任務建立了虛擬3D集裝箱碼頭仿真實驗教學項目，解決了內地高校物流管理、交通運輸類專業(yè)集裝箱碼頭實踐教學參觀實習難、實驗室建設成本高等問題。在此基礎上探索了校企合作共建的仿真實驗項目開發(fā)新模式，進而輔助教師安全、經濟地開展實驗教學，以學生自主、創(chuàng)新地參與仿真實驗，從而達到教學互動、創(chuàng)新智能、資源共享、理實結合的實踐教學目標。