《武汉工程大学学报》 2009年09期
72-77
出版日期：2009-09-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
交通运输专业虚拟实习平台的建设
0引言我国正处于全面建设小康社会和工业化、城镇化、信息化、市场化、国际化加速发展时期，党中央和国务院从贯彻落实科学发展观和构建社会主义和谐社会战略思想的高度，适时提出了加快发展现代服务业这项重大而长期的战略任务.现代服务业是伴随着信息技术、新业态和新服务方式由高附加值、高层次、知识型的生产服务和生活服务的服务业.交通运输业作为现代服务业的重要组成部分，其外延和内涵正发生着深刻变化，这就要求交通运输专业人才的培养能适应这种变化，培养适应现代服务业发展要求，具有实践能力、业务水平高的高素质人才［1］.交通运输是一门实践性非常强的学科，对于学生而言，仅靠书本上的理论知识难以满足学生毕业后实际工作的需要.我校交通运输专业自1952年开办以来，一向致力于将实习作为本专业学生运用所学知识、直接参与生产实践、提高动手能力的主要实践环节.然而，近年来，由于种种原因，学生实习存在不少问题，主要表现在：（1）实习经费不足［2］；（2）现场实习以点带面，实习内容难以系统化［3］；（3）动手机会少；（4）实习受外部主客观因素影响大.由于上述原因，目前学生到企业的现场实习难以达到预期效果，因而急需寻求解决问题的方法，增强学生动手能力、适应用人单位需要.为此，提出了虚拟实习的构想以及虚拟实习与现场实习相结合的交通运输专业实践教学模式，即利用计算机模拟技术，建立虚拟实习平台，组织学生虚拟实习，并与现场实习相结合，以便有效地解决学生实习中存在的问题［4］.
1交通运输专业虚拟实习平台建设
框架根据交通运输专业人才培养模式和专业培养计划要求，结合专业现实条件，提出了交通运输专业虚拟实习平台建设的目标、总体框架、建设内容和步骤.交通运输专业虚拟实习平台建设目标［5］是：适应现代交通运输业发展需要，突出水陆并举以水为主特色，结合品牌专业建设，系统调整交通运输本科专业实践教学模式，改革实践教学方法，改善实验条件，配合专业精干的师资队伍，配套先进的软、硬件设施，适应突出和加强学生专业创新知识的传授、动手能力和创新素质培养的需要，建成交通运输专业、高素质人才培养的实践训练平台.根据我校交通运输专业人才培养模式和培养计划的要求以及现有条件，确定了交通运输专业虚拟实习平台建设的总体框架，其涵盖了交通运输专业实习环节［6］，如认识实习、生产实习，以及主干及特色课程实验环节等的内容.我校交通运输专业虚拟实习平台建设的总体框架，如图1所示.由图1可见，我校交通运输专业虚拟实习平台，主要包括了港口生产组织优化与调度、交通运输与物流、运输商务、交通运输系统规划、道路交通安全和轨道交通运营管理等六个方面的10余项实习实验内容.整个平台系统基于一个共同的硬件平台，实现信息的统一组织和管理，其中港口生产组织优化模拟实验软件、集装箱码头生产组织模拟训练软件、道路交通综合仿真软件、轨道交通运营管理仿真软件由本专业教师自主开发，其余软件，由于条件限制，采用外购的形式获得.这就初步构成了一定规模的虚拟实习平台.图1交通运输专业虚拟实习平台总体框架图
Fig.1The frame of virtual practice platform of
transportation major第9期张培林,等：交通运输专业虚拟实习平台的建设
武汉工程大学学报第31卷
2交通运输专业虚拟实习平台的实现我校交通运输专业虚拟实习平台主要由自主开发的四套虚拟实习软件系统构成，针对交通运输专业实习和部分课程实验的共同特点，在配套相应硬件设施的基础上，利用虚拟现实技术、计算机仿真技术开发而成.2.1港口生产调度虚拟实习软件该软件采用Delphi和Access为主要开发工具，基于港口生产调度优化理论和计算机模拟技术，设计港口生产调度模拟模型，软件包含港口生产调度和港口生产调度水平评估两大模块.港口生产调度模块，以港口码头泊位的生产调度计划编制为切入点，系统随机生成码头泊位、船舶、库场、货种、机械设备等各种不同的初始状态，自动生成每一学生的港口生产调度组织实习任务，即港口生产调度计划制定的不同前提条件，学生据此编制港口生产调度方案.学生通过参与制订昼夜分班装卸作业计划和单船作业计划，获得制定港口生产调度计划的相应工作经验.港口生产调度模块包括气象、码头基本情况、到港船舶和港口装卸机械与司机等4个子系统.其中，
2.1.1气象子系统该系统主要包括天气情况等，天气的好坏会对港口生产作业产生较大的影响.气象子系统根据模拟港口所在地气象统计资料，随机生成天气情况预报，供学生编制港口生产作业计划时参考确定可作业和不可作业的时间.
2.1.2码头基本情况子系统根据模拟港口码头特点，随机生成泊位和库场等基础设施被使用情况，供学生编制港口生产作业计划时参考.
2.1.3到港船舶子系统该系统随机生成到港船名、国籍、载重吨、船舱数、船吊、载货情况、货种等船舶基本情况，供学生编制港口生产作业计划时参考；如船舶到港模型按下式表达：
p{X=k}=λke-λk!,k = 0，1，2，……，n
式中：λ为平均到达率，根据港口吞吐量和到港船型确定.
2.1.4机械与装卸司机子系统随机生成可供港口码头生产作业的装卸工人和司机等的劳动力数量，装卸工人和司机随使用的装卸机械不同配备情况略有不同，其人工费用也不同，供学生在权衡效率与效益的情况下，编制港口生产作业计划时参考.港口生产调度水平评估模块，能对学生所编制的港口生产调度方案给予自动评价，便于学生了解自己所制定方案的经济性与合理性.因为不同的港口装卸生产作业计划，实施效果会有较大的不同，及时快速的评估学生所制定港口装卸生产作业计划的水平，是教师和学生对该系统功能的基本需要.港口生产调度水平评估的原则，是低成本、高效率，最大限度地实现港口企业的经济效益.在港口虚拟实习系统中，对学生调度工作水平的评价也是以实现港口企业经济效益最大为准则.评价过程为：模型首先根据随机生成的港口生产任务，计算港口企业所能获得的最大经济效益；然后，模型自动与学生编制调度计划的收益相比较，据此判断其调度计划制定的效果.港口生产调度工作程序，如图2所示；港口码头模型，如图3所示.图2 港口生产调度工作程序图
Fig.2The procedure of production scheduling in port图3港口码头模型示意图
Fig.3The diagram of dock model港口生产调度主控程序是系统的主干部分和核心.它首先为港口模型提供一系列初始数据，实现港口模型基本数据的初始化，即生成港口基本模型（包括生成港口自然情况、生成码头基本情况、生成到港待装卸船舶情况、生成港口机械情况和生成港口员工情况），实现与港口模型数据库的联接；第二，负责随机调用数据库数据，并把这些数据提供给使用者（学生），为使用者搭建模拟港口调度指挥的平台，接收使用者的调度指令，即编制港口昼夜作业计划和单船作业计划；第三，最终对使用者的调度水平做出评价.港口昼夜作业计划和单船作业计划的编制及其评价的流程，分别如图4和图5所示.图4港口昼夜作业计划流程图
Fig.4The procedure of roundtheclock
production scheduling in port图5港口单船作业计划流程图
Fig.5The procedure of single ship production
scheduling in port2.2交通运输专业虚拟认识实习软件该系统运用Authorware等多媒体技术，将交通运输专业认识实习设计成虚拟环境.学生可以在实验室内较全面了解国内外典型港口和航运系统的主要生产要素及其管理特点.该软件将国内、外港航企业的基本状况以视频和Flash动画的形式展现出来，并通过加配背景音乐完善视频、图片及Flash动画的视听效果.该平台建立了6个主功能模块，包括国内主要港口、国外主要港口、国内外主要航运公司、我国主要河流、主要船舶和主要货物装卸流程等，每一个主功能模块下又有若干个子模块，从而使各部分功能独立，也便于未来资料的更新.该软件界面如图6，主控程序流程如图7所示，功能模块结构如图8所示.2.3道路交通综合仿真系统该系统由硬件和软件两部分组成，硬件主要包括驾驶模拟仓、操作及控制系统、仪表显示系统等三部分，软件包括道路编辑子系统、环境建模子系统、车辆动力学子系统、驾驶规则考试子系统及交通流子系统等五个基本模块.学生可以在多种道路交通环境下开展汽车驾驶实习、道路安全评价、智能交通系统认知等实验.开发的汽车驾驶模拟仓如图9所示，驾驶模拟器硬件结构如图10所示.图6初始界面
Fig.6Interface in start图7主控流程图
Fig.7Procedure of main programmer图8虚拟认识实习平台功能模块结构图
Fig.8Structure of function model in simulation
system of epistemology practice2.4轨道交通运营仿真软件在Arena系统平台内建立了一组专门用于搭建轨道交通系统的功能模块，包括乘客发生器、车辆发生器、乘客控制器、车辆控制器、车辆管理器、车站、站台、轨道，以及OD表和列车运行时刻表等模块.学生可以利用这些模块快速灵活地自主设计轨道交通系统，模拟轨道交通的运营过程，分析方案优劣.轨道交通系统模块对象关系［7］，如图11所示.
图9驾驶模拟仓外观
Fig.9The outward appearance of driving
boilerplate图10驾驶模拟器硬件结构图
Fig.10The hardware structure of
driving simulator注：1.视频显示器；2.脚踏离合器;3.脚踏刹车器4.油门5.音频设备6.仿真计算机7.转向盘8.档位9.手动刹车器10.I/O接口电路11.仪表盘
图11轨道交通系统模块对象关系图
Fig.11The object relationship of modules in track
transportation system3交通运输专业实习平台建设经验
及其改进方向构建交通运输专业虚拟实习平台，实践现场实习与虚拟实习相结合的新的教学模式，具有以下效果：（1）有效地突破了传统实习模式存在的实习经费和条件等方面的局限，形成了新的交通运输专业实习模式，它不仅能有效地解决学生实习经费不足、系统性不强、动手机会少、受外因影响大等一系列难题，而且提高了专业实习的质量和效率，对提高学生动手能力、形成新型人才培养模式和方法具有重大意义.（2）改变了传统的实习教学方法和教育技术，采用虚拟现实、多媒体等技术，实现教学手段现代化，不仅拓宽了学生的视野，而且信息量成倍于传统实习方式，实习效果更优.（3）学生通过学习和掌握实习平台中的相关软件，不仅能够对运输企业的基本运营流程和组织方式有更加深刻的认识，而且根据实习平台给予的条件自己动手编制运输装卸生产组织计划，与最优计划比较，明确差距，调动了学生学习积极性和主动性.（4）通过交通运输专业虚拟实习平台建设，开发了4个虚拟实习软件，获得软件著作证书，取得编写教材、讲义、实验指导书和相关教研论文等成果.交通运输专业实习平台建设和实践教学模式在取得上述经验的同时，也存在进一步改进之处.1）该虚拟实习平台尚需在知识库、智能化方面进一步拓展和完善.虚拟实习平台中知识库和智能化，能很好地帮助学生利用已学的知识，开拓思路.如港口生产调度虚拟实习系统，虽然能根据需要随机设定港口泊位、船舶、库场、货种、机械设备等要素各种不同的初始状态，给出每个学生制订港口昼夜装卸作业和单船装卸生产作业生产计划的不同前提条件，但学生编制港口昼夜和单船装卸生产作业计划时，只能根据已学知识独立完成，还没有可供其编制这些计划时能借鉴的工作经验，即缺乏在气象子系统、码头基本情况子系统、到港待装卸船舶子系统和港口装卸机械与司机子系统等方面中的知识库的支持.2）虚拟实习平台硬、软件建设，尚需进一步加大投入.现有虚拟实习平台，除道路交通综合仿真系统较好解决了虚拟现实问题外，港口生产调度虚拟实习系统和轨道交通运营仿真系统在虚拟现实技术应用上尚需进一步改进.3）虚拟实习平台中有关的资料需不断补充和更新.随着现代交通运输信息化、智能化发展，对现代交通运输生产组织的要求越来越高，运输网络和全球定位系统技术的应用，以及各种运输组织方式的创新，需要通过虚拟实习平台培养能适应这种需求要求的高素质的专业人才，因而需要不断补充、更新虚拟实习平台中有关的资料.