虚拟仿真案例分享 | 矿石码头装卸工艺优化设计虚拟仿真实验

水运大大降低了现代工业运输的成本，码头装卸大大提升了现代工业的效率，钢铁则号称现代工业的筋骨。集合了这三大要素，矿石码头装卸的意义不言而喻，如何提升其效率与安全性也显得至关重要。然而硬件投入、设备与人员安全等，制约着相关实验与教学的开展。

本文介绍的矿石码头装卸工艺优化设计虚拟仿真实验，利用虚拟仿真等先进技术，尝试突破大型设备优化设计实验的教学瓶颈，为相关行业提供了解决方案范例。

背景与痛点

港口是水陆交通和物流的枢纽，在国民经济中居于重要的特殊地位，处在“走出去”战略的最前沿地带。港口是“一带一路”中海上丝绸之路的起点，海洋经济和社会发展的重要基础设施，建设世界一流的现代化海洋港口是建设海洋强国的必然要求。

 全球80%的货物依靠海运完成，港口作为海运的终端，在资源配置、集疏运方面发挥着重要的枢纽作用。我国铁矿石需求量庞大，80%以上依赖进口，澳大利亚和几内亚的铁矿石均需通过海运至国内沿海码头，铁矿石码头的建设、生产和运营已成为重中之重。

以“装卸船机-带式输送机-堆取料机”为代表的典型矿石码头装卸工艺应用较广。其机械技术参数设计要求较高，若产生偏差，导致事故，将危及港口的人员与财产安全。这些事故，包括装卸船机抗倾覆能力不足而倾覆、跳轨或坠海，带式输送机皮带撕裂致托辊变形或损坏等。

 因此，根据实际工程的自然条件、船型尺度、年货运量等参数的变化，合理设计矿石码头的装卸工艺，是提高码头装卸效率、加快库场周转能力、保障码头安全营运的基础，也是建设现代化海洋港口的基本保障。

 然而，工艺优化设计涉及课程知识点较多，对串联知识点与理论联系实践的要求较高。实体实验需要投入大量设备与较大的场地及反复测试，加之操作复杂、设计精度要求高，稍有不慎便可能造成设备损失或人员伤亡。因此，实验成本高、可重复性差、周期长、安全隐患多。

解决方案：原则与方针

针对上述难点痛点，恒点与河海大学共同设计开发“矿石码头装卸工艺优化设计虚拟仿真实验”，利用虚拟仿真技术，将晦涩的专业知识点以更为生动的方式加以呈现，并以模拟实验的方式突破实体实验所带来的高门槛投入瓶颈。

 实验坚持以学生为本、自主学习探究的教学理念，设置科学合理、循序渐进的实验环节，实现容错探究、修正优化的实践操作，将国家战略与工程实际紧密结合，培养具有家国情怀的复合型专业人才。

解决方案：设计亮点

近期，十四届全国人大二次会议民生主题记者会上，教育部部长怀进鹏表示，实现教育的高质量发展，发展数字教育不是选修课，而是必修课，要开辟教育发展新赛道、塑造教育发展新优势、提供更加优质教育的重要平台，建成不打烊、全天候、“超市式”的公共服务平台。

本实验是由恒点MOOL平台提供虚拟仿真实验教学共享服务，MOOL（Massive Open Online Labs大规模在线开放实验室）是对慕课MOOC的发展，本实验在慕课MOOC开放式网络课程的基础上，增加具有互动性、操作性的实验内容，以共享优质教育资源，对各行业应用覆盖起到示范效应，促进教育公平，助力全民终身学习型社会建设。

 实验依据《港口规划与布置》《港口装卸工艺》《港口水工建筑物》等课程大纲和关键知识点建立了多层次、多模块的实验教学体系，帮助学生高效有序地完成“基础认知、规律探究、自主设计”三个层面的实验学习，循序渐进地开展“基本原理知识学习、设计分析能力训练、创新工程思维培养”的实践过程，构建矿石装卸工艺基本认知、装卸工艺设计原理以及装卸工艺综合设计的知识与技能体系。

 借助虚拟实验技术，本实验将晦涩的专业知识点，通过更易接受的图片、动画等形式，生动地加以呈现。如通过虚拟世界对矿石码头和装卸工艺的介绍，增强学生对矿石装卸工艺的认知，加深学生对课程相关知识的理解。

 本实验以学生为中心，以任务驱动为导向，科学合理地设置各个环节。通过还原全方位、立体化的矿石码头场景，引导学生开展自主式、沉浸式、交互式的学习、操作和研究。

 实验从经济、环保、社会、安全、时效、能耗六个维度对设计方案进行全方面地评价，引导学生在有限的条件下制定出较优的设计方案，从而激发创新思维和全局意识，将理论联系实践，将课堂知识结合行业需求。

 实验结果错误或不理想时，学生可根据提示和评估结果进行多次尝试，实现实验结果的修正和优化。从而充分感受到探索、解决问题的乐趣，培养学生建立理论设计、仿真验证、反复优化的工程设计思维，以及设计计算、实践操作和工程应用的能力。

 本实验在传授矿石装卸工艺知识的同时，将课程思政融入实验课程的各个模块，帮助学生树立认真、严谨、负责的价值观，激发学生的专业认同感以及投身海洋强国建设的情怀和使命感，培养具有家国情怀的复合型专业人才。