基于VR技術(shù)的危化品物流虛擬仿真實驗體系設計與實踐研究

摘 要：危化品物流對安全措施有著高等級的要求，其一線場地和設施無法面向師生開放。應用型高校將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于危化品物流實踐教學中，可解決安全壁壘問題、提高實驗設施的投資效益、激發(fā)學生的學習興趣、鼓勵學生參與創(chuàng)新實踐并拓寬社會培訓路徑。文章立足于寧波舟山港和石化園區(qū)對危化品物流的現(xiàn)實需求，系統(tǒng)地分析了應用型高校建設危化品物流虛擬仿真實驗教學體系的設計思路與實踐內(nèi)容，在功能上滿足了專業(yè)實驗、創(chuàng)新研究、學科競賽、社會培訓等多元化需求，既滿足了高素質(zhì)應用型人才的培養(yǎng)要求，也為類似高校實驗體系的構(gòu)建提供了參考。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；危化品物流；虛擬仿真；實驗教學體系

中圖分類號：F259.27 文獻標志碼：A DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.06.043

Abstract： Hazardous chemical logistics has high-level security measures， and its first-line sites and facilities cannot be open for teachers and students to visit or practice. The application of virtual reality technology in the practical teaching of hazardous materials logistics in applied universities can solve the problem of safety barriers， improve the investment efficiency of experimental facilities， stimulate students' interest in learning， encourage students to participate in innovative practices and broaden the path of social training. This paper is based on the realistic demand for dangerous goods logistics in Ningbo Zhoushan Port and Petrochemical Park， and systematically analyzes the design ideas and practical contents of virtual simulation experimental teaching system of applied colleges and universities to build dangerous goods logistics， and functionally meets the diversified needs of professional experiments， innovation and research， disciplinary competitions， and social training， etc.， so as to meet the requirements of high-quality applied personnel training. At the same time， it provides references for the construction of experimental system in similar colleges and universities.

Key words： VR technology; hazardous chemical logistics; virtual simulation; experimental teaching system

近年來，隨著VR技術(shù)的持續(xù)改進，特別是清晰度和沉浸度的優(yōu)化，其在高校實驗實踐教學中的開發(fā)和應用條件已全面具備。同時，VR技術(shù)具有視覺、聽覺、觸覺等特點，與實驗對象進行“沉浸式”互動交流的方式更為改善高校的實驗體驗和實踐質(zhì)量提供了保障。

應用型高校復合型、應用型和實踐型人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)需要加強在實驗實踐環(huán)節(jié)的工作力度、改善實驗的實踐條件。寧波作為我國七大石化產(chǎn)業(yè)基地之一，2022年全市石化工業(yè)總產(chǎn)值首次突破5 000億元，綠色石化更是被列入寧波“十四五”規(guī)劃的重點發(fā)展領(lǐng)域。臨港綠色石化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要大量危化品物流人才。基于以上背景，結(jié)合N學院危化品物流人才培養(yǎng)工作的實踐教學體系進行分析，以期在具備技術(shù)、需求等條件的前提下探索應用型高校專業(yè)化人才實踐能力的培養(yǎng)途徑。

1" " 危化品物流人才培養(yǎng)的現(xiàn)實需求

自1957年現(xiàn)代化工行業(yè)在寧波立足開發(fā)以來，截至2022年，寧波石化行業(yè)已經(jīng)形成了石化區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)和大榭開發(fā)區(qū)“三駕馬車”齊頭并進的高質(zhì)量綠色發(fā)展格局。寧波石化行業(yè)2021年度行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值更是首次超過了4 000億元[1]，2022年度這一指標已超5 000億元。

作為寧波石化行業(yè)的配套產(chǎn)業(yè)——寧波危化品物流產(chǎn)業(yè)也得到了長足的發(fā)展。寧波市現(xiàn)有危險貨物道路運輸企業(yè)128家，登記在冊的一線從業(yè)人員超10 000人，共有注冊車輛6 200輛，年運輸量近4 000噸。除此之外，寧波周邊以鎮(zhèn)海煉化、阿克蘇-諾貝爾化學、LG甬興為代表的眾多化工企業(yè)在經(jīng)營過程中都面臨著原料和產(chǎn)品中危化品高質(zhì)量管理的壓力，需要在保持產(chǎn)能的前提下提升危化品倉儲的管理能力。上述現(xiàn)實問題亟需行業(yè)更新或升級相應的物流設施設備環(huán)境。升級以后，規(guī)范化的物流管理對危化品物流專業(yè)人才的需求將會更加強烈。

2" " 危化品人才培養(yǎng)中實踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)實困境

2.1" " 傳統(tǒng)實驗實踐設施更新頻繁、成本高

危化品物流設施可以分為：場地、室內(nèi)物流設施、室內(nèi)安全設施、室外專用交通工具、儲存和運輸罐體、專用管道、管理系統(tǒng)等。為了構(gòu)建與實際設施一致的實驗實踐設施，傳統(tǒng)意義上高校往往會采用實物、模型等方式建設相應的實驗設備和環(huán)境。這種模式會受到目前物流設施快速發(fā)展的沖擊。以立體倉庫為例，其運輸工具及管理系統(tǒng)都根據(jù)不同時期的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了快速的發(fā)展和升級過程。高校按照現(xiàn)實物流設施的發(fā)展情況不斷更新傳統(tǒng)物流實驗設備，這在成本、技術(shù)和場地上是不可能實現(xiàn)的。

2.2" " 校外實踐基地作用有限

危化品物流校外實踐基地在各校多點開花、普遍存在，但在實際運作過程中基地作用的發(fā)揮受到了多種掣肘。首先，隨著原有的校外實踐基地在現(xiàn)代企業(yè)制度改革過程中被股份化、私有化，對與高校聯(lián)合共建實踐基地工作的支持力度有了較大幅度的下降。其次，校外實踐基地中各項安全管理措施的加強對高校學生在危化品物流一線從事實際操作業(yè)務方面形成了較大的阻礙。最后，高校教師績效考核方案中對教師參與校外實踐基地建設的激勵力度不足，影響了高校教師參與校外實踐基地建設工作的積極性。

2.3" " 課程實驗的實踐性不足

危化品物流人才培養(yǎng)方案中的多數(shù)課程都安排了實踐環(huán)節(jié)的教學內(nèi)容，但在實際教學中多為演示性實驗，有些課程受限于實驗的專業(yè)性甚至會采用播放視頻的方式讓學生熟悉行業(yè)一線的基本要求。這種缺乏設計類的實驗內(nèi)容影響了學生的參與程度，無法滿足目前危化品物流人才培養(yǎng)的現(xiàn)實需求。

2.4" " 實驗課程考核方式過于主觀

目前多數(shù)課程仍以實驗報告為主要考核方式，這種考核結(jié)論是教師的主觀給分，影響了考核結(jié)果的客觀性，使學生沒有認識到實驗的重要性。

3" " 危化品物流虛擬仿真實驗教學體系的設計思路

3.1" " 必要性與重要性

危險化學品物流是物流管理和物流工程等專業(yè)類別課程體系中物流系統(tǒng)規(guī)劃與設計、物流系統(tǒng)仿真、運輸?shù)乩怼}儲與配送管理、貨物包裝技術(shù)等課程的重要教學內(nèi)容，也是危化品物流倉儲企業(yè)實際工作培訓中的重要內(nèi)容。危險化學品物流教學工作是實踐性非常強的教學內(nèi)容，在學校教學中，物流管理和物流工程專業(yè)的學生不僅要學習系統(tǒng)規(guī)劃與設計的內(nèi)容，同時在倉儲與配送管理、貨物包裝技術(shù)等課程中，都有關(guān)于危險化學品物流的實際訓練需求；在社會培訓層面，危化品物流存在廣泛的社會需求，需要更好地適應危化品物流的工作要求。

3.2" " 教學目的

通過仿真交互的方式促使學生掌握危化品相關(guān)設備的工作狀態(tài)、使用范圍和選用依據(jù)，了解其倉儲結(jié)構(gòu)、布局形式方法。學生通過沉浸式虛擬仿真實驗掌握氣液體危化品的管道物流程序與要求，培養(yǎng)獨立設計氣液體危化品的物流規(guī)劃能力；利用“準”實時的信息和數(shù)據(jù)掌握危險化學品配送企業(yè)的全套經(jīng)營管理要求。通過虛擬仿真實驗使學生了解并掌握危險化學品物流的特有要求，如日常安全巡查、應急處理等，為其進入相關(guān)企業(yè)打下扎實的基礎。通過系統(tǒng)的實驗和學習，促使學生利用所學的知識進行設備選型、作業(yè)流程規(guī)劃以及倉儲管理設計等活動，提升學生的綜合素質(zhì)。

3.3" " 實驗體系的原理

危化品物流虛擬仿真實驗體系是N學院借國家產(chǎn)教融合建設工程的東風，緊密結(jié)合寧波地方經(jīng)濟的發(fā)展重點和熱點建設而成的。該實驗體系由危化品倉儲虛擬仿真實驗項目、VR危化品物流實驗平臺、校企合作危化品物流實時實驗平臺、危化品罐體管道及存儲實驗平臺四部分組成。見圖1。

危化品倉儲物流虛擬仿真實驗項目是浙江省2020年省級虛擬仿真實驗教學項目，項目以寧波某物流有限公司的危化品實際倉儲環(huán)境及系統(tǒng)為模擬場景，結(jié)合先進的信息技術(shù)，真實還原了防爆叉車、防爆隔離墻、全方位監(jiān)控安放系統(tǒng)、泡沫聯(lián)用滅火系統(tǒng)、地牛、集液槽等物流設施設備，真實模擬了危化品倉儲管理系統(tǒng)及入庫前準備、入庫、在庫管理和出庫的全流程。

VR危化品物流實驗平臺是國家產(chǎn)教融合工程建設項目，具體包括：后臺管理子系統(tǒng)、倉儲全面學習子系統(tǒng)、倉儲子系統(tǒng)、倉儲運營實操子系統(tǒng)。后臺管理子系統(tǒng)主要用于實驗任務分配與評分任務分配及評分任務；新手教學子系統(tǒng)包含VR環(huán)境的初次體驗、VR環(huán)境的360°全景瀏覽；危化品倉儲全面學習子系統(tǒng)包含危化品倉庫內(nèi)外景瀏覽及設計、安全措施及其全景展現(xiàn)以及危化品入、出庫和在庫管理的各類要求展現(xiàn)；危化品倉儲互動操作子系統(tǒng)：按學習系統(tǒng)內(nèi)容具體安排入庫、在庫和出庫的學生互動實驗，要求按照VR的技術(shù)特點實施互動實驗，包括入庫編輯、條碼編輯、轉(zhuǎn)運編輯、物料盤點、安全巡視、事故安全、危化品出庫這七個互動環(huán)節(jié)。

VR危化品物流實驗平臺擁有200 ㎡的實驗場地，包含主機、頭盔和手柄等VR實驗硬件設施共15套，實驗空間設培訓機位36套，可以同時容納36名學生進行VR沉浸式實驗。

危化品物流實時實驗平臺為校企合作實驗項目，合作方是寧波市最大的專業(yè)危化品物流企業(yè)之一。危化品物流實時實驗平臺基于合作企業(yè)的危化品物流企業(yè)專業(yè)信息化系統(tǒng)，融合ERP（企業(yè)資源計劃）、OA（辦公自動化）、Workflow（工作流）、TMS（運輸管理系統(tǒng)）、WMS（倉儲管理系統(tǒng)）等系統(tǒng)功能，量身打造了一套符合公司開展全面信息化管理需要的系統(tǒng)。在合作企業(yè)專業(yè)化管理系統(tǒng)的基礎上，為了避免干擾企業(yè)系統(tǒng)的運行結(jié)果，危化品物流實時實驗平臺在專業(yè)化管理系統(tǒng)之外另行設立并建立了隔離，手工定期更新實驗平臺的數(shù)據(jù)，以最快實現(xiàn)T+1的數(shù)據(jù)對接。

危化品罐體、管道及存儲實驗平臺是針對危化品物流中管道運輸和罐體儲存的要求，結(jié)合寧波青峙液化碼頭和大榭石化碼頭的實際運作情況委托開發(fā)形成的。實驗平臺包含墻面動態(tài)管道布局、沙盤、專業(yè)實驗軟件系統(tǒng)和環(huán)屏三維投影系統(tǒng)。具體包括：氣體罐體及管道儲運實驗平臺、液體罐體及管道儲運實驗平臺和配套的危化品儲運AR監(jiān)控系統(tǒng)。配套系統(tǒng)中預留了各種專業(yè)接口以滿足實踐過程中對二次開發(fā)和數(shù)據(jù)共享等專業(yè)服務的需要。

4" " 特色及創(chuàng)新

4.1" " 緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新需求

基于VR技術(shù)的危化品物流虛擬仿真實驗體系在危化品配送管理方面采用了合作企業(yè)的“準”實時業(yè)務、信息和數(shù)據(jù)。由于合作企業(yè)背靠華東重要石油化工企業(yè)——鎮(zhèn)海煉化，其業(yè)務、信息和數(shù)據(jù)都居于行業(yè)頭部，這一校企合作模式能為實驗體系提供最新、最接地氣的實驗基礎。在危化品倉儲管理、VR危化品物流實驗平臺的設計過程中立足于寧波周邊的頂尖樣本，其“頂尖”包括規(guī)模“大”、管理“優(yōu)”及流程“新”的特點。該體系的這些特點滿足了緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新需求。

4.2" " 實現(xiàn)“本地化”“沉浸式”的VR場景環(huán)境

基于VR技術(shù)的危化品物流虛擬仿真實驗體系提供了以寧波青峙危化品碼頭為樣本定制的本地化VR實驗軟件，實驗軟件中的場地、罐體、碼頭、液化船舶均是以樣本實際場景為基礎開發(fā)的，很好地體現(xiàn)了“本地化”的創(chuàng)新特色。實驗體系中設有12間半封閉式的VR實驗空間，學生利用VR頭盔、VR手柄、鍵盤、鼠標等計算機設備和VR系統(tǒng)便能沉浸式地在逼真的虛擬仿真場景中進行物流實驗操作，從而更加形象直觀地體驗與熟悉危化品物流作業(yè)。與此同時，實驗體系中還配備了虛擬現(xiàn)實場景人機交互硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實內(nèi)容來控制屏幕并進行屏幕呈現(xiàn)，以實現(xiàn)連接與互動，解決實際教學中虛擬數(shù)據(jù)難于交互、難于理解、難于修改的問題，從而滿足實際教學需要。

4.3" " 二次開發(fā)提供創(chuàng)新設計條件

基于VR技術(shù)的危化品物流虛擬仿真實驗體系中的VR危化品物流實驗平臺和氣液危化品儲運實驗平臺均提供了二次開發(fā)功能。學生可以通過平臺實行對相關(guān)實驗內(nèi)容和流程的二次開發(fā)，并將二次開發(fā)成果導入兩大實驗平臺以驗證二次開發(fā)成果的可行性。其中，氣液危化品儲運實驗平臺更是形成了開放式的氣液體危化品物流中區(qū)內(nèi)管道、閥門、加壓泵、罐體、流量計、長輸管道、槽罐車等設備的外形、尺寸和安全參數(shù)體系，也能為學生提供新設參數(shù)或外形的編輯功能，有利于學生根據(jù)新的氣液體危化品儲運要求進行后續(xù)開發(fā)。二次開發(fā)后平臺能為之形成相應的氣液體危化品儲運情景，并能完成對二次開發(fā)成果的驗證。

4.4" " 滿足產(chǎn)教融合建設的需求

基于VR技術(shù)的危化品物流虛擬仿真實驗體系在設計和建設過程中充分考慮了應用型高校實現(xiàn)產(chǎn)教融合內(nèi)涵建設的需要。危化品物流實時實驗平臺在設計和建設時就可以由高校和地方龍頭企業(yè)精誠合作，開創(chuàng)了利用合作企業(yè)獲取“準”實時數(shù)據(jù)進行實驗的先河。實驗體系中的四個平臺既能為校內(nèi)教師提供接觸實際工作環(huán)境和管理要求的機會，也能為專業(yè)教師、研究生或高年級本科學生開展應用研究和科技服務提供有效支持。實驗體系中的四個平臺利用其高度仿真和符合實際應用的特點開展專業(yè)危化品物流、化工安全等方面的專業(yè)培訓，并發(fā)揮實驗體系回饋社會的作用。

4.5" " 改進實驗教學模式、激勵學習方法創(chuàng)新

基于VR技術(shù)的危化品物流虛擬仿真實驗體系能提供多環(huán)節(jié)、多層次的實驗項目，滿足師生選定的項目符合實驗教學需要，從課前學生預習及教師備課，到實驗中學生及教師與實驗體系的信息溝通，以及師生為實驗平臺提供信息反饋，通過訓練完成一系列實驗項目，不斷改進實驗教學模式。同時實驗系統(tǒng)具有自主性、綜合性和設計專業(yè)等特點，在實驗平臺中建立了危化品固定場地倉儲、室外堆場、氣液化專業(yè)碼頭、危化品配送全流程、危化品專業(yè)碼頭等危化品物流場景，學生可以在實驗中發(fā)現(xiàn)和解決問題，培養(yǎng)探索精神和創(chuàng)新能力[2]。

5" " 結(jié)" " 語

物流技術(shù)的飛速發(fā)展需要高校提供相應的實驗實踐設施，這些設施的頻繁更新需要大額投入，有限的財力導致高校實驗設施與行業(yè)實際應用脫節(jié)。而智能化、信息化水平的提升則為危化品物流實驗體系的創(chuàng)新提供了新的思路。基于VR技術(shù)的危化品物流虛擬仿真實驗體系提供了具有創(chuàng)新性的實驗平臺，VR技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)的應用能及時應對行業(yè)實際應用快速更新的要求，網(wǎng)絡化、虛擬化和沉浸式的實驗條件也提升了師生開展危化品物流實驗的積極性。可以預見的是，隨著時間的推移和社會需求的變化，危化品物流實驗體系將繼續(xù)變革和進步，不斷探索新的教學模式并將其應用于實踐能夠為經(jīng)濟社會的發(fā)展做出應有的貢獻[3]。

參考文獻：

[1] 陳士舟．寧波石化業(yè)規(guī)模首破4000億[EB/OL]．（2022-03-29）[2022-10-25]．http：//www.ccin.com.cn/detail/6e4e1952087c512b26796b8247b1672f.

[2] 黃永福，季六祥．基于VR技術(shù)的物流管理虛擬仿真實驗教學中心建設探索[J]．實驗技術(shù)與管理，2020，37（8）：238-242.

[3] 朱豐．“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高校的物流管理專業(yè)實踐應用研究[J]．江蘇理工學院學報，2018，24（4）：123-128.