根据学校以水利为特色，工科为主，多学科协调发展的办学定位，以及港航专业以国家需求和行业发展为导向，服务于全国，拓展至海外的港口航道与海岸工程建设，以培养港航专业高素质复合型人才为目标，本实验依托国家级一流本科专业，以核心价值观引领，坚持知行合一，将“国之重器”和“责任担当”融入人才培养全过程，坚持理论性、强调实用性、突出创新性，着力培养能够解决实际码头装卸工艺复杂问题的复合型人才。

课程的建设目标重点考虑教学内容和教学手段是否能够适应码头装卸工艺新技术的发展和产业的升级。在教学过程中，根据行业中出现的新工艺、新技术和新规范及时更新教学内容，在每个实验部分设计引入案例，促进学生理解所学理论知识有较强的实际工程需求和社会应用背景，精心设计多渠道考核方法，促进课程目标的达成，从而实现课程建设目标与当前经济社会发展和技术进步的需要相匹配。

学习本实验课程后应该达到的知识、能力和素养：

知识目标：掌握码头装卸工艺设计基础理论和方法，培养学生建立码头装卸工艺等相关问题的知识体系；

能力目标：探索码头装卸工艺成熟技术与新技术的融合，培养学生能够在实际工程中提出有效解决方案，并体现追求创新意识的能力；

素养目标：树立港口安全合理布局、码头装卸工艺可持续发展的设计理念，将“国之重器、责任担当”根植入码头装卸工艺课程体系，培养学生强烈的民族自豪感和国家荣誉感。

建设矿石码头装卸工艺优化设计虚拟仿真实验课程，将实验课程与工程实际紧密结合，旨在培养具有家国情怀的复合型港航专业人才，促进港口航道相关学科建设。不仅能增进社会各界对港口的认识，更是在高等教育层面对海洋强国战略的重要落实。实验的主要教学目标简述如下：

（1）了解矿石码头装卸工艺的全流程，促进学生对港口相关专业知识的融会贯通

利用虚拟现实技术，结合各课程及规范中实际装卸工艺设计参数，依托既有工程实例，将矿石码头装卸工艺设计分为“码头前沿装卸作业、水平输送系统设计、库场通过能力分析和装卸工艺综合设计”四个模块，帮助学生对港口工程课程群中的《港口规划与布置》、《港口装卸工艺》、《港口水工建筑物》等课程相关知识点融会贯通。

（2）掌握矿石码头装卸工艺设计的基本方法，培养学生探索式学习的能力

在装卸工艺综合设计模块中，培养学生根据前三个模块掌握的矿石装卸工艺卸船阶段、水平运输阶段和库场作业阶段的基础认知，通过自主探索不同的设计参数与其对应的港口通过能力，并从经济、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，激发学生创新思维和全局意识，不仅可以将理论和实践紧密地关联起来，也能将课堂知识与行业需求紧密结合起来。

（3）增强学生专业技能，激发专业认同感，培养德才兼备的优秀人才

将课程思政融入实验课程的各个模块，例如通过实验的开场视频，让学生认识到矿石码头建设在海洋强国战略中的重要地位，结合连云港港25万吨级矿石码头的实体支撑，将思政教育潜移默化地融入到实验教学过程。在装卸工艺综合设计模块，学生通过设置各个参数模拟货物入港的流程，强调模拟的结果实时反应货物的运输情况，学生亲历货物运输堵塞或不连续的场景，感受实际工程矿石装卸工艺的完整性与重要性，培养其树立认真、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。

我国80%以上的铁矿石需依赖进口，通过海运运至国内沿海码头，铁矿石码头的建设、生产和运营已成为极为重要的环节。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在大型专业化码头中应用较广，机械技术参数设计产生的偏差会直接关系到港口从业人员的生命财产安全，如装卸船机抗倾覆能力不足而直接倾覆、跳轨或坠海，带式输送机皮带撕裂导致托辊变形或损坏等。因此，采用虚拟仿真实验模拟矿石码头装卸工艺流程能有效降低这些潜在风险。本实验依据矿石装卸工艺的三个阶段，设计了既独立又依次衔接的四个实验环节：

码头前沿装卸作业模块。码头前沿装卸作业设计是开展矿石装卸工艺设计的前提，包括码头区域认知、装卸机械认知和机械设备选型。根据《港口规划与布置》和《港口水工建筑物》课程知识将码头区域划分为前沿作业地带、后方堆场、生产生活辅助设施等区域。根据《港口装卸工艺》课程知识对矿石装卸工艺涉及的主要卸船机械进行了详细的介绍和卸料的演示。在此基础上，又将卸船机械的选型与船型、橡胶护舷联系起来，通过调整卸船机械的外伸距和起升高度，获取其与船型、水位、橡胶护舷等相关关系，从而了解卸船机械选型的依据。

水平输送系统设计模块。水平输送系统设计主要包括带式输送机技术参数规律探究和输送带力学性能校核。技术参数规律探究中主要探究带式输送机的带宽、带速和槽角对输送能力的影响，输送带力学性能校核主要探究槽角和托辊间距的变化对输送带张紧力的影响。从单参数到多参数通过控制变量法绘制探究目标与技术各参数的二维、三维曲线图，便于学生直观地感受参数的变化规律，在此基础上进行择优设计，选择更好的设计方案。

库场通过能力分析模块。这一模块针对库场作业阶段，对堆取料机的选型提供依据，进行效能指标规律探究。堆取料机采用悬臂式斗轮堆取料机，其臂架回转半径和高度与堆场宽度、堆料高度息息相关，本环节为堆取料机的选型提供了定量的分析及依据。而效能指标规律探究则对堆垛形式、堆高、堆场面积等多个影响因素通过控制变量法进行了从单参数到多参数的分析，基于多个参数规律曲线图，使学生认识到其与库场通过能力的关系，并选择较优方案。

装卸工艺综合设计模块。本模块将矿石装卸工艺落实到实际工程中，依托连云港港25万吨级矿石码头，通过设计卸船阶段、水平运输阶段和库场作业阶段的各参数进行整体矿石装卸工艺方案的制定，并从经济、环保、社会、安全、时效、能耗等六个维度对方案评估，最终在能力协调的基础上确定造价较低、效益较高的方案，做到资源最优化利用。经济、环保、社会、安全、时效、能耗六个指标计算后结果归一化为[0,100]。基于云模型的基本运算和综合运算，采用云模型标度替代层次分析法中的传统标度，并利用黄金分割法来确定各云模型的熵。构建加权决策矩阵B=(b_ij)_mn=w_i r_ij获得最终评分，其中w_i为各指标权重值，由云模型层次分析法计算可得，r_ij为标准化后的矩阵。

实验内容：

虚拟仿真实验将矿石码头装卸工艺设计拆解为“码头前沿装卸作业、水平输送系统设计、库场通过能力分析和装卸工艺综合设计”等4个串并联式模块，采用链条式设计，各模块任务难度任务层层递进。

学生通过漫游，获取矿石装卸工艺涉及的场景、主要卸船机械的知识介绍，在此基础上通过调整卸船机械的外伸距和起升高度，获取其与船型、水位、橡胶护舷等的关系，进行卸船机械的选型。完成后进行环节考核。

其后，学生进行带式输送机的带宽、带速和槽角对输送能力的影响规律实验，槽角和托辊间距的变化对输送带张紧力的影响规律实验；完成堆取料机的选型研究，进行效能指标与库场通过能力规律探究。

依托连云港港25万吨矿石码头工程，独立设计矿石装卸工艺方案并进行优化，掌握多维度进行方案评价的方法，最终在能力协调的基础上确定造价较低、效益较高的方案。

实验步骤：

实验包括四个主要模块，每个模块设计多个子环节并配有任务书及操作引导说明，采取任务驱动，引导学生逐步完成实验。实验共4学时，12个实验操作步骤。具体操作步骤如下：

（1）项目初始化

输入课程网址（http://xnfzgx.hhu.edu.cn/exp/50.html），进入虚拟仿真实验平台，输入用户名密码，点击登录，进入系统加载界面，见图1。

图1 实验加载界面

公测用户可点击“公测账号”按钮进入，专家评审可点击“专家账号”按钮进入。建议使用Firefox、Chrome等浏览器加载虚拟仿真实验。第一次登陆时，将首先从云端加载必要场景数据，需等待约半分钟，具体与网速和电脑配置等有关。

加载完成后，进入欢迎界面。点击确定后进入实验大厅，出现是否需要新手引导界面，帮助学生学习场景基本按钮和操作方式。实验大厅可通过点击左上方按钮随时返回，大厅左上方设置有实验简介、步骤引导、知识提示按钮。用户可随时点击查看，了解实验的基本介绍、实验目标、实验步骤，以及实验需要的基本知识。

（2）第一模块：码头前沿装卸作业

步骤1：实验课课程思政

由开场视频进入实验，学生观看视频了解矿石码头建设在海洋强国战略中的重要地位（图2）。

图2 实验开场视频

步骤2：船舶靠泊认知

根据左侧弹开的步骤引导完成相关操作。点击码头前沿装卸作业按钮，出现船舶靠泊认知、装卸机械认知、机械设备选型三个子环节，点击船舶靠泊认知按钮进入场景，系统弹出任务面板。学生进入场景后，场景预设漫游路线，通过不断变换视角帮助学生熟悉设计场景，最后视角停止在场景上方，码头各区域高亮闪动，学生一一点击查看区域介绍（图3），点击过的区域不再闪动，学生点击完所有区域后进入下一步实验。

图3 码头基本组成介绍

学生点击靠泊按钮观看靠泊动画，动画播放完毕后散货船、拖轮、橡胶护舷高亮闪动，学生依次点击查看介绍，点击过的设备不再闪动，学生点击完所有设备后进入下一步实验。

步骤3：装卸机械认知

点击码头前沿装卸作业按钮，出现船舶靠泊认知、装卸机械认知、机械设备选型三个子环节，点击装卸机械认知按钮进入场景。场景内有三种装卸机械，分别为带斗门机、桥式抓斗卸船机和链斗式卸船机（图4）。

图4 装卸机械

学生依次点击查看机械介绍，在介绍面板上学生点击装卸作业按钮观看此机械装卸作业的动画。学生学习完所有机械认知后进入下一步实验。

步骤4：机械设备选型

点击码头前沿装卸作业按钮，出现船舶靠泊认知、装卸机械认知、机械设备选型三个子环节，点击机械设备选型按钮进入场景。场景中给出了三种船型，鼠标放置在图片上可查看船型具体参数，学生选择一种船型点击确定。系统给出四种橡胶护舷，学生选择一种点击确定，系统计算其撞击力，学生点击详细数据按钮可查看选择的船型与橡胶护舷组合情况下的撞击力大小（图5）。

图5 撞击力计算

若船型与橡胶护舷的组合不匹配，系统提示“撞击能量超过橡胶护舷性能极限”并播放船撞击橡胶护舷撞坏的动画，动画播放后返回船型选择界面重新选择。若撞击力计算成功，则进入下一步。

场景给出三种装卸机械，学生选择一种点击确定，同时场景跳转到此种机械的装卸场景，学生输入外伸距和起升高度点击确定，系统分别判断外伸距与起升高度是否与场景匹配。若外伸距过大，卸船机械将向海中倾倒，系统提示重新输入数据；若外伸距过小，系统提示舱外侧物料无法卸船，请重新选择卸船机械；若起升高度不满足要求，系统提示卸船机械起升高度过小，舱底物料无法卸船，请重新选择卸船机械。当外伸距与起升高度都满足要求后才能进入下一步。

装卸机械选型完毕后，进入下一场景，学生输入船时效率和机械台数，系统计算泊位通过能力。若系统算得的泊位通过能力满足要求，则卸船机械选型成功；若不满足，则系统提示泊位通过能力过小，不满足此港口年货运量要求，并重新输入参数计算，直至满足要求。点击屏幕下方环节考核按钮完成题目并提交

（3）第二模块：水平输送系统设计

步骤5：平面尺度探究

根据左侧弹开的步骤引导完成相关操作。点击水平输送系统设计按钮，出现平面尺度探究、驱动速度探究、空间槽角探究、输送带力学性能校核四个子环节，点击平面尺度探究按钮进入场景，系统弹出任务面板。学生进入场景后，系统随机给定一个带宽，学生输入3～5次带速和槽角，点击运行后屏幕右侧出现输送能力带速、槽角曲面图、输送能力与带速曲线图、输送能力与槽角曲线图，学生点击保存可将获取的图保存至下一步实验中。学生点击择优进入择优界面，择优界面中保存有之前输入的各组数据，学生选择自认为最优的一组数据提交。

步骤6：驱动速度探究

操作步骤：点击水平输送系统设计按钮，出现平面尺度探究、驱动速度探究、空间槽角探究、输送带力学性能校核四个子环节，点击驱动速度探究按钮进入场景。学生进入场景后，系统随机给定一个带速，学生输入3～5次带宽和槽角，点击运行后屏幕右侧出现输送能力带宽、槽角曲面图、输送能力与带宽曲线图、输送能力与槽角曲线图，学生点击保存可将获取的图保存至下一步实验中。学生点击择优进入择优界面，择优界面中保存有之前输入的各组数据，学生选择自认为最优的一组数据提交。

步骤7：空间槽角探究

操作步骤：点击水平输送系统设计按钮，出现平面尺度探究、驱动速度探究、空间槽角探究、输送带力学性能校核四个子环节，点击空间槽角探究按钮进入场景。学生进入场景后，系统随机给定一个槽角，学生输入3～5次带宽和带速，点击运行后屏幕右侧出现输送能力带宽、带速曲面图、输送能力与带宽曲线图、输送能力与带速曲线图，学生点击保存可将获取的图保存至下一步实验中。学生点击择优进入择优界面，择优界面中保存有之前输入的各组数据，学生选择自认为最优的一组数据提交。

步骤8：输送带力学性能校核

操作步骤：点击水平输送系统设计按钮，出现平面尺度探究、驱动速度探究、空间槽角探究、输送带力学性能校核四个子环节，点击输送带力学性能校核按钮进入场景，系统弹出任务面板（图6）。

图6 输送带力学性能校核任务面板界面

学生进入场景后，可点击右下角的知识角学习带式输送机张紧力的计算方法和过程。学生输入3～5次托辊间距和槽角，点击运行后屏幕右侧出现皮带的应力云图、圆周驱动力与托辊间距曲线图、圆周驱动力与槽角曲线图，学生点击保存可将获取的图保存至下一步实验中。若学生输入的数据不满足皮带不打滑要求，系统给出提示，并要求学生重新进行不打滑条件校核 。学生点击择优进入择优界面，择优界面中保存有之前输入的各组数据，学生选择自认为最优的一组数据提交（图7）。

图7 皮带张力探究参数优化界面

（4）第三模块：库场通过能力分析

步骤9：堆取料机选型

操作过程：点击库场通过能力分析按钮，出现堆取料机选型、效能指标规律探究两个子环节，点击堆取料机选型按钮进入场景，系统弹出任务面板。学生进入场景后，首先根据给出的三种堆取料机参数选择一种进行实验，系统根据学生选择的堆取料机跳转至相应的场景，学生输入堆场宽度和堆垛高度点击提交，系统分别判断学生输入的数据与选择的堆取料机是否协调。若堆场宽度不协调，则提示“堆场两侧均布置悬臂式斗轮堆取料机，其臂架回转半径过小，无法堆取整个堆场的物料，请重新设计。”若堆垛高度不协调，则提示“物料堆高与堆取料机不协调，无法进行堆取料，请重新设计。”（图8）。

图8 堆垛高度校核失败界面

当堆场宽度和堆垛高度都满足要求后才能进入下一步。

步骤10：效能指标规律探究

操作步骤：点击库场通过能力分析按钮，出现堆取料机选型、效能指标规律探究两个子环节，点击效能指标规律探究按钮进入场景。学生进入场景后，选择一种堆垛形式，输入3～5次货物平均堆存期、堆高和堆场面积，点击运行后屏幕右侧出现库场通过能力与堆高、堆场面积的曲面图、库场通过能力与堆高曲线图、库场通过能力与平均堆存期曲线图，学生点击保存可将获取的图保存至下一步实验中。

学生点击择优进入择优界面，择优界面中保存有之前输入的各组数据，学生选择自认为最优的一组数据提交。

（5）第四模块：装卸工艺综合设计

步骤11：方案制定与优化

操作过程：点击装卸工艺综合设计按钮，出现方案制定与优化、效果评价两个子环节，击方案制定与优化按钮进入场景，系统弹出工程背景。学生进入场景后，选择一种船型进行装卸工艺方案的制定。系统给出三种卸船机械，学生选择一种并输入船时效率，系统自动计算所需的机械台数。学生依据第三模块的学习，选择一种堆取料机进行设计。在方案设计界面左上方给出了常态数据，包括学生之前输入的船时效率、系统算得的机械台数、工程造价、矿石密度、槽角、托辊间距和堆场面积，并且工程造价实时动态变化。学生输入带宽、带速、堆垛形式、货物平均堆存期、堆高进行方案设计。系统首先判断带宽带速是否匹配，若不匹配，提示学生重新输入参数进行设计。若匹配则系统自动计算设计方案的P_卸船、P_水平运输、P_库场。系统算得的结果若不满足P_{卸船水平运输库场}，则提示“方案卸船能力与水平运输能力不协调，请重新设计”，且界面货物运输的实时动态画面会根据算得数据在相应的位置出现堆积或不连续（图9）。

图9 设计失败界面

若满足P_{卸船水平运输库场}，则方案设计成功，且界面货物运输的实时动态画面流畅，货物成功运输至堆场。学生在提交方案时可点击方案详情按钮查看具体设计参数，以便调整优化设计方案。

在这一步骤中，学生可调整参数，反复设计，选择最满意的一种方案提交进行后续的效果评价。

步骤12：效果评价

操作过程：点击装卸工艺综合设计按钮，出现方案制定与优化、效果评价两个子环节，点击效果评价按钮进入场景，系统弹出任务面板。学生进入场景后，依次进行选择、提交，系统根据学生的选择计算每个评价的得分，以柱状图的形式呈现。最后将六个得分汇总成六芒星图，即是方案最终的效果评价（图10）。

图10 方案评价六芒星图

实验结束后，学生可点击实验报告查看实验得分。学生首先需要点击提交按钮，提交实验数据到后台，供授课教师查阅、评定。实验报告包括方案设计报告、方案评价报告及各环节得分，便于学生回顾实验全过程。