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摘要:針對智慧港口與自動化碼頭快速發(fā)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(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)與智能決策系統(tǒng)、自動化集裝箱碼頭操作系統(tǒng)與Mini碼頭聯(lián)動等功能，可以實現(xiàn)集裝箱碼頭作業(yè)管理全過程的模擬及對碼頭作業(yè)調度方案的優(yōu)化決策，有助于提升學生操作能力和優(yōu)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?yōu)橐愿劭跒楹诵牡亩嗍铰?lián)運系統(tǒng)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(xiàn)港口與上下游的協(xié)同運作，提升全程運輸效率成為港口發(fā)展的關鍵問題之一。如何利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算以及現(xiàn)代優(yōu)化技術，構建智慧港口平臺與決策系統(tǒng)，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(lián)盟的發(fā)展，自動化集裝箱碼頭進入新一輪的快速發(fā)展時期，美國、歐洲、中東、東南亞等國家和地區(qū)先后投產(chǎn)了眾多的自動化碼頭。我國先后投產(chǎn)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(fā)展對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)對學生的優(yōu)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(yōu)化調度，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)化算法應用范圍更廣［1－3］。(2)在智慧港口背景下，學生赴港口現(xiàn)場實習中，能實際操作的環(huán)境越來越少，通過仿真技術構建實訓系統(tǒng)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(huán)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(yè)三維仿真的港口物流實驗教學系統(tǒng)，探索集模擬操作、優(yōu)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(tǒng)。

二、港口物流實驗教學系統(tǒng)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(yè)生產(chǎn)調度的核心部門，它涵蓋及協(xié)調船舶計劃、堆場計劃、閘口管理、單證管理、現(xiàn)場作業(yè)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(yè)環(huán)節(jié)。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(huán)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(tǒng)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(yè)學生實操機會越來越少的情況下，此系統(tǒng)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(tǒng)。基于國內真實集裝箱碼頭使用軟件，開發(fā)本實驗室“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、實用性、先進性、經(jīng)濟性及前瞻性原則，最大限度地實現(xiàn)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(tǒng)、完整的信息，提高學生制訂碼頭業(yè)務計劃，進行碼頭運作分析、決策的水平。系統(tǒng)功能包括碼頭監(jiān)控、船舶計劃、船舶配載、堆場策劃、作業(yè)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(xiàn)系統(tǒng)。通過CITOS系統(tǒng)可以驅動3D實體運行，展示碼頭操作的實時狀態(tài)，使得實驗系統(tǒng)更接近于真實的碼頭操作系統(tǒng)。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(fā)相應的控制、通信與調度系統(tǒng)，開發(fā)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(tǒng)仿真和虛擬現(xiàn)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(xiàn)對碼頭設計、運營、操作方案的評價，具備操作訓練、方案優(yōu)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?？刂葡到y(tǒng)包括:AGVs控制系統(tǒng)(AGVs實時路徑優(yōu)化、deadlock、場交通控制等)、自動化場橋控制系統(tǒng)、岸橋控制系統(tǒng)。通信系統(tǒng)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(xié)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(tǒng)。集裝箱碼頭的生產(chǎn)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(xiàn)實物與軟件可同步的半實物仿真。半實物仿真系統(tǒng)具有成本低、可操作性強、直觀靈活等優(yōu)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(yè)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(tǒng)組織了學校物流管理相關專業(yè)學生進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(tǒng)聯(lián)動設計Mini碼頭與集裝箱碼頭操作系統(tǒng)聯(lián)動接口，通過接口實現(xiàn)TOS與Mini碼頭的消息傳遞，及對自動化設備的監(jiān)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(zhí)行情況反饋結果，并實時通知CiTOS，以及更新。任務動態(tài)管理控制，根據(jù)任務指令表和結果反饋表，進行分析判斷，控制任務的執(zhí)行進度，如圖3。圖3Mini碼頭與集裝箱碼頭操作系統(tǒng)聯(lián)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(guī)劃等優(yōu)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(yōu)化決策能力。

三、基于Mini碼頭平臺的港口物流實驗教學創(chuàng)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(huán)境具有作業(yè)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(yè)環(huán)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(tǒng)和物理仿真模型的實驗平臺在港口物流類專業(yè)的教學中顯得格外重要，該平臺可以規(guī)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(yè)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(yè)務操作過程中的細節(jié)，有助于學生建立對實際業(yè)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(xiàn)場操作的業(yè)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(qū)場所、運營設施設備等不同的業(yè)務實踐知識，并通過扮演不同的角色學習工作流程、運營數(shù)據(jù)報表分析，學生在就業(yè)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(jīng)驗，提升對基本工作崗位的認知。2．將操作模擬與決策優(yōu)化相結合，提升學生研究能力。目前，自動化、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，而自動化港口和智慧港口的相關業(yè)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(yè)教學中，不僅要使學生能夠對學習到的傳統(tǒng)理論和行業(yè)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(xiàn)一個具有高自由度的操作環(huán)境，還能夠提供一個自由開發(fā)的實驗環(huán)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(chuàng)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(yè)協(xié)同發(fā)展。港口自動化與智慧化的快速發(fā)展對港口競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(yè)課程建設中能夠結合自動化、智能優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)等相關技術方法進行專業(yè)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(yè)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(yè)，在該實驗平臺的基礎上通過結合多種專業(yè)知識對物理模型進行不斷豐富，并設計多專業(yè)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(yè)協(xié)同發(fā)展。

四、結論

隨著“一帶一路”的建設與發(fā)展以及智能方法與技術的廣泛應用，港口的生產(chǎn)、運營與管理系統(tǒng)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(yè)的教學水平，促進相關學科協(xié)同發(fā)展，培養(yǎng)具備實踐能力、創(chuàng)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