港口作业虚拟仿真实验

一、港口作业虚拟仿真实验教学项目介绍

  港口历来都在一国的经济发展中扮演着重要的角色,世界上的发达国家一般都具有自己的海岸线和功能较为完善的港口;港口是重要的交通基础设施,是实现外向型经济的窗口,能够为国家经济建设和对外贸易的发展提供基础性支撑。

  随着VR/AR(虚拟现实/增强现实)技术的成熟,一方面京东/阿里等巨头在尝试将其应用到物流作业的各环节来提高作业效率、增强可视性,另一方面由于虚拟现实技术的先天优势,可以很好的将其应用到教学实验当中。港口作业VR/AR实验教学项目就是把这两者进行有机的结合,实现教学、实验和科研的一体化。

  港口作业VR/AR实验教学项目不只关注港口环境的搭建,更加关注教学与实验内容的仿真效果,结合港口物流的理论知识,定制化打造一系列全沉浸认知、AR增强认知、VR虚拟设计等实验与研究内容;港口作业实验教学项目涵盖港口环境、港口设备等认知体系,包括港口基本业务操作系统,同时支持海量内容的拓展;通过与天津港校外实习基地的对接,使该项目的教学内容可以不断的更新,随时生成新的实验内容,使实验项目可以及时跟上港口物流产业和技术的发展。本实验教学项目能够剖析本质,直击港口设计理念和业务标准,全面、详细的展现港口码头的先进设备和作业。

  本实验教学项目旨在达到以下几个目标:

  1.加深学生对港口设备、港口布局、港口业务流程、港口商务等基本概念的理解,通过港口作业流程的演示,强化学生对港口物流的认知水平;

  2.采用港口作业仿真系统,实现港口作业模拟操作,通过龙门吊、桥吊、正面吊、集装箱卡车、集装箱叉车等设备的仿真操作,锻炼学生的港口作业技术和设备的操作能力,提高学生港口业务的管理水平;

  3.本实验项目不仅针对物流专业的学生,还为其他相关专业学生提供了了解港口作业技术的平台,能有效实现多学科交叉和交流。

  4.通过该项目,能够拓宽与港口物流企业的合作思路,探索校企共建、共管、共享的新模式和新途径,建立可持续发展的物流虚拟仿真实验教学服务支撑体系。

  根据对港口物流业务需求任务的分解,港口物流实验教学项目设置为五大功能模块,如下图所示:

  1.港口认知

  为了符合集装箱码头业务的真实性,本实验教学项目的虚拟场景内设置了布局认知、设备认知、流程认知、商务认知等环节。该部分全面展示了港口的特征以及港口物流的业务特点,可以使学生深入了解,并提高认知水平。

  2.设备操作

  根据港口作业的特点,本实验教学项目重点设置了设备操作环节。在这个环节,学生带上头盔,手持方向盘以及操作手柄,可以模拟进行内外集卡、龙门吊、桥吊、集装箱正面吊、叉车等设备的操作。在模拟操作中,学生可以转换不同的视角,包括飞行视角、车辆视角、龙门吊视角、桥吊视角、集装箱卡车视角,以完成不同性质的作业,学生不仅能够体验到操作的乐趣,还能感受到港口作业的特点,激发了学生的参与度和兴趣,提高了实验教学效果。

 

二、港口作业虚拟仿真实验教学项目特色

  该实验教学项目虚中有实,以实带虚,虚实结合,通过角色扮演的教学模式,在港口物流教学方面有所突破;该实验教学项目结合虚拟现实仿真技术,利用港口作业操作系统,实现了物流港口作业的训练,填补了我校港口物流类实验项目的空白。

  该实验教学项目在教学理念上,侧重实验环境的虚拟仿真性,通过高度仿真的实验背景与虚拟的港口作业设备,使学生在真实的港口操作环境下,亲身经历现实工作场景的任务实施过程,使学生从封闭式走向半开放或开放式的学习状态。在实验过程中,学生是主体,学生将以个体或小组合作的形式,通过对各自任务的解读,自行明确目标与工作,进行自主实验与学习,将学习内容与工作过程有机结合起来,从而达到直接经验与间接经验、实践学习与理论学习、专业能力与关键能力相结合的目的,培养学生解决实际问题的职业素养。

  本实验教学项目的教学方法以“设置实验场景,进行角色扮演”的形式展开,从港口参观人员,到一般业务操作人员,到典型业务操作人员,每一个角色都赋予相应的工作任务。每个不同的角色不仅在实验目的上有所区别,所涉及的实验环节和步骤也不尽相同,这种层层递进式的教学过程将从不同层面考察学生的实验能力,将使学生逐步了解直至全面掌握整个实验内容所涉及的全部知识点。此外,该教学项目包含形式多样的拓展内容,涉及案例、说明、企业操作规范、同类操作、异常情况、特别提醒、法律法规等,将多角度多方位地对知识点进行阐述和分解,引导学生更好地掌握知识,帮助学生深刻理解和熟悉实验操作内容。

  该实验教学项目将采取多角度、多元化、多层面的实时考核评价体系,能够整合评价资源、降低评价误差,全方面地对学习过程、学习效果进行考核评价,轻松实现学生各方面素质的考核与记录。

  本实验教学项目将全天候开放,实行教师主导、学生参与的管理模式,通过网上预约的形式,统筹安排实验项目。同时,该实验项目将对校内外开放,实验对象包括物流相关专业的教学计划内课程,也将包括其他物流行业爱好者的教学计划外活动。

 

三、港口作业虚拟仿真实验教学项目内容与流程

  本实验项目旨在模拟港口作业的全部活动,涉及港口认知与设备操作环节,该实验项目设置为10课时,具体实验步骤及相关要求如下:

  第一步:港口的地理位置以及港区布局的认知。从港口全局出发,全面展现港口码头的区域布局设计,并通过详细的语音讲解和全屏展示,帮助学生了解港口各个区域的功能、作用以及作业内容;具体包括集装箱前方堆场、后方堆场、装卸作业区、仓库、码头前沿作业区、海关监管区、检验检疫区以及商务辅助区域等,该部分使学生全面掌握港口内各个功能区域的相关知识,如图1、图2所示。该部分为虚拟实验教学部分,课时设置为0.5。

图1 港口布局

图2 集装箱码头的布局

  第二步:布局区域功能认知。在第一步基础上,详细了解各区域的功能和作用,对每个区域在整个集装箱港口所在的具体方位及相关配置参数进行深入了解,如图3、图4所示。该部分为虚拟实验教学部分,课时设置为0.5。

图3 堆场区域的功能和作用认知

图4 堆场货位的设置方法和参数

  第三步:港口设备认知。该部分涉及轮胎龙门吊、桥吊、集装箱正面吊、门座式起重机、集装箱叉车、跨运车、集装箱船舶等十几种设备,学生需要进行全面了解,如图5所示。该部分为虚拟实验教学部分,课时设置为0.5。

图5 轮胎龙门吊介绍

  第四步:设备功能认知。结合物流设施设备的课程,深入了解每种设备的具体功能和相关技术参数,从设备的功能、结构、操作方法以及演示动画等方面进行仿真学习,能够进行模型的精细拆解,使学生了解设备的内部结构和作业原理,全面提升学生对港口设备的认知层次。例如正面吊功能,如图6所示。该部分为虚拟实验教学部分,课时设置为0.5。

图6 正面吊功能介绍

  第五步:港口作业流程认知。采用全程视角跟踪的方式全面讲解港口码头的集装箱出入库作业、集装箱装卸车作业、集装箱装卸船作业、堆场内作业以及报关报检作业等相关业务流程,并通过各个功能模块及设施设备的有效衔接,全面展现港口内各项作业的流程,解决传统教学和实训过程无法触及的业务领域,全面提升学生的港口作业职业技能。如集装箱卸车作业,如图7所示。该部分为虚拟实验教学部分,课时设置为0.5。

图7 集装箱卸车作业流程

  第六步:报关报检业务流程认知。根据专业知识,掌握报关报检作业的流程,即申报、查验、放行三个阶段,其中还要进一步学习申报的参与主体、时间、单据等,在每个作业环节进行知识拓展和延伸学习,如图8所示。该部分为虚拟实验教学部分,课时设置为0.5。

图8 报关报检作业的具体流程

  第七步:港口商务认知。采用全景漫游和智能讲解的方式向学生展现港口商务作业过程中的各项知识点,明确港口参与的各方主体、各自的权利义务、商务协议的拟定等,深化学生对商务知识的认识和学习,如图9所示。该部分为虚拟实验教学部分,课时设置为0.5。

图9 港口商务管理

  第八步:港口作业任务分配。根据学生的角色设置,港口项目负责人进行任务分配,分别是龙门吊操作、桥吊操作、正面吊操作、集卡操作、集装箱叉车操作等具体任务,如图10所示。该部分为虚拟实验教学部分,课时设置为0.5。

图10 任务分配

  第九步:龙门吊操作。学生需要明确运行时间、误差操作注意事项等操作指标,然后按照操作指令一步一步进行设备的操作,如图11所示。该部分属于在虚拟的环境下体验实际的龙门吊操作,课时设置为1。

图11 龙门吊操作

  第十步:桥吊操作。该步骤使用左右摇杆分别模拟桥吊中的左右两个操纵杆,左侧的摇杆前后摇动可控制大车的前后移动,左右摇动控制大车的左右移动;右侧的摇杆前后摇动控制吊具的下降和上升,左右摇动控制吊具的收缩,如图12所示。该部分属于在虚拟的环境下体验实际的桥吊操作,课时设置为1。

图12 桥吊操作

  第十一步:正面吊操作。车辆发动之后即可开始操作正面吊运行,踩下右侧踏板正面吊前进,踩下中间踏板正面吊后退,踩下左侧踏板正面吊停止行驶,转动方向盘控制正面吊转向。在操作间的右侧设置有操作监视屏,也可依据监视屏显示画面操作正面吊,如图13所示。该部分属于在虚拟的环境下体验实际的正面吊操作,课时设置为1。

图13 正面吊操控

  第十二步:集卡操作。首先需要踩下油门发动集卡,车辆发动之后即可开始操作集卡运行,踩下右侧踏板集卡前进,踩下中间踏板集卡后退,踩下左侧踏板集卡停止行驶,转动方向盘控制集卡转向。集卡操控台中央设置一个GPS导航面板,需依照GPS导航驾驶集卡到达目的地,如图14所示。该部分属于在虚拟环境下体验实际的集卡操作,课时设置为1。

图14 集卡操作

  第十三步:集装箱叉车操控。此步骤是港口作业最核心的环节,也是整个实验项目最重要的部分,该步骤仿真操作性最强,对学生的操作技能要求最高,要求学生不仅要掌握前后作业流程以及衔接情况,还要掌握集装箱叉车作业技巧。

  进入集装箱叉车操作界面后,首先是任务描述,如图15所示。看完任务描述之后,通过凝视触发面板下方“开始任务”按钮,开始操作。首先需要踩下油门发动集装箱叉车。车辆发动之后即可开始操作叉车运行,按照界面提示操作集装箱叉车。踩下右侧踏板集装箱叉车前进,踩下中间踏板集装箱叉车后退,踩下左侧踏板集装箱叉车停止行驶,转动方向盘控制集装箱叉车转向。系统随机分配左右摇杆,其中一只作为模拟货叉升降控制杆,另外一只摇杆控制锁具收紧和放松,右侧摇杆上中部的按键可控制货叉上的锁具上锁或者解锁。在操作间的右侧设置有操作监视屏,也可依据监视屏显示画面操作集装箱叉车。如果操作过程中,由于操作不当造成翻车,翻车情况下需按下键盘上的F键进行复位或重新启动软件。如图16所示。

  最终按照界面提示将堆场中指定集装箱放置到空的集装箱卡车上,并实施松开锁具,货叉升起,由此完成集装箱叉车操作体验,场景中弹出任务结束面板,如图17所示。该部分属于在虚拟的环境下体验实际的集装箱叉车操作,课时设置为2。

图15 集装箱叉车操控任务描述

图16 集装箱叉车操控界面

图17 集装箱叉车操控结束面板

 

四、港口作业虚拟仿真实验教学项目视频介绍