基于运筹学的乡村道路规划虚拟仿真实验

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基于运筹学的乡村道路规划效能分析虚拟仿真实验

《管理运筹学》是一门研究各类社会系统和工程系统在内外环境的约束条件下，合理分配人力、物力、财力等有限资源，使实际系统高效运行的定量分析理论、方法和技术的学科，是现代管理科学的重要基础性学科。《管理运筹学》以定量分析为主来研究管理问题，将工程思想和管理思想相结合，应用系统的、科学的、数学分析的方法，求解经济管理和工程领域的复杂性决策问题。

由于现实环境中的管理决策问题存在复杂性、综合性和不可复现性等特点，传统的运筹学教学多数停留在知识点概念讲解和理论公式推演计算层面。在教学过程中，学生对问题的理解、数学建模及求解等环节存在诸多困难，亟需采用现代信息化技术，围绕运筹学教学中的重点和难点展开虚拟仿真实验，实现能够培养学生面向复杂环境的现实问题理解到理论抽象及问题求解的关键性教学环节。

“基于运筹学的乡村道路规划效能分析虚拟仿真实验”在中央实施乡村振兴战略的大背景下，围绕美丽乡村建设中乡村空间布局、乡村人居环境改善等现实问题，通过虚拟可视化实验平台，使学生身临其境的掌握运筹学中的关键概念及知识难点，帮助学生灵活的应用运筹学思想进行优化决策，培养学生在未来对抗性更强、竞争更激烈的市场活动中，开阔思路，减少决策错误，提升活动效率的能力。

学生交互性操作步骤说明：

本实验项目包括四大实验模块，分别为：乡村道路规划学习、乡村道路路径规划、最短路径规划、紧急撤离规划，包含16个知识点，通过12个交互性操作步骤完成。

下面结合虚拟仿真界面，详细介绍本项目的实验方法、操作步骤和实验要求：

首先访问实验项目。在浏览器中输入本虚拟仿真实验项目的网址（http://xnfz.nwu.edu.cn/course/details-expe/4.html），可远程访问并直接在浏览器中打开本实验项目，进行所有实验操作。

步骤1 点击开始实验，进入实验介绍模块。

如图2.11所示，了解实验目的、实验原理、实验内容及操作步骤，实验要求等内容。学生需要查阅相关文献或联系在线服务教师进行咨询。做好充分的实验准备，以保证实验效果。

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一、乡村道路规划学习

通过虚拟仿真交互可视化的方式，浏览乡村环境，并学习相对应的网络图概念，完成现实问题到理论建模的实现

了解网络图相关概念、疏散相关概念、最小生成树、最短路问题以及运筹学相关知识点。如图2.12所示。

在这一步骤中，通过切换右边的概念按钮，结合主视图中的虚拟仿真可视化内容进行概念的学习。抽象后的乡村道路连通图模型中顶点V1-V5为人群聚集位置（农户房屋/公共场所等），边为连接各顶点之间的道路，边上的权代表各顶点之间道路连通的代价（主要指距离或时间）。

该步骤将完成该实验涉及到的所有基础概念，包括网络图相关概念、疏散相关概念、最小生成树问题及最短路径问题相关概念，如上图左侧的步骤引导中部分所示。

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二、乡村道路路径规划

进入乡村道路规划模块，系统将提示：现在政府决定出资为该村修建一条大路，该路应该能够连接村里所有的住户，但因资金有限不能改善所有的道路，请帮助政府规划一下怎么修建这样的路，即找出X村网络图的最小生成树，如图2.13所示，学生点击“确定”进入下一步。

点击打开Kruskal算法文字描述展示界面，学生点击“确定”进入算法动态展示。如图2.14所示。

进入虚拟仿真环境进行实地调研。如图2.15所示。

该步骤中，系统将提示：“今天我们将要去X村开展实地调研工作啦，但出门在外请一定注意安全，到达目的地后记得及时观察周边环境并留心应急避难所的位置哦”。学生开始调研。

系统提示：请首先完成对X村内部环境的观察，通过鼠标点击目标住户/位置（主要指应急避难所位置）前往或获取相关信息（始点到该点的距离）。学生点击“确定”：学生点击视野范围内的某目标农户/位置，系统给出两个选项“查看相关信息”和“前往该农户/位置”。学生若点击“查看相关信息”，则系统给出始点到该点的距离信息，若始点不能直达该点则提示不能直接到达该农户/位置；学生若点击“前往该农户/位置”，如果存在直达路则系统操作虚拟角色走到该农户/位置，否则提示不能直接到达该农户/位置。系统在展示虚拟环境的同时以小窗展示网络图绘制窗口，该窗口应有“完成网络图构建”按钮；学生每到达一个顶点，则系统显示该顶点；角色每移动一次，则系统显示对应的边；在学生查看相关信息时地图窗口提示给网络图的边赋权（该权重即对应的时间=距离/速度）。学生点击“完成网络图构建”，系统匹配是否正确（包括顶点、边，主要是权重是否计算正确），如果正确显示“网络构建正确”学生确定进入下一步；如果有误则显示“网络构建有误”学生确定后返回网络构建页面。如图2.16所示。

对抽象出的网络图进行边赋值，并通过计算完成最小生成树，操作完成后系统匹配结果。

边赋值结束，系统提示：“开始为X村规划大路吧”。切换到网络结构图，提示：请通过点击边完成操作。学生点击任意一条边，系统弹窗“删除”和“取消”。点击“删除”则系统隐去该边；点击“取消”回到正常页面；对于已经被删掉的边，当学生点击该边有“恢复”和“取消”两项选择。

学生点击“最小生成树完成”后，系统匹配结果，生成树的权重应为234，正确则提示“正确”，学生点击“确定”进入下一步；错误则提示“最小生成树有误，请检查”，学生点击“确定”回到网络结构图的编辑页面。如图2.17所示。

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三、最短路径规划

进入最短路径规划学习模块，首先在场景中漫游，并牢记村庄的布局和应急避难所的位置。

该步骤中，学生点击“确认”进入虚拟系统环境，系统由远及近呈现村子全景，最后定格在X村入口，提示信息：是否现在进入X村并开始游览？——学生点击“是”进入下一步，点击“否”停留在当前页面，并于15s后再次提示。如图2.18所示。

随机前往某农户，到达农户后15s系统发出警报提示发生紧急情况，学生需在t 分钟内前往应急避难所。系统根据学生的路径规划进行判定是否撤离成功。

如图2.19所示，学生首先规划逃生路径，之后点击“撤离”开始撤离。点击“确认”，系统切换至地图模式，显示整个网络图，标明当前所在位置和应急避难所位置，提示：请由初始位置开始依次点击顶点确定逃生路径。学生点击“确认”后开始操作，一旦某个应急避难所被点击则系统提示：是否完成路径规划？——学生点击“否”返回当前页面，点击“是”进入下一步。

学习Dijkstra算法，算法标号动态展示，系统展示网络结构图，学生需要使用Dijkstra算法由初始位置开始依次点击顶点确定最短路径。系统判定最短路径规划方案是否成功。

如图2.20所示，进入该模块，学生点击“确定”进入Dijkstra算法文字描述及标号展示：算法标号动态展示，展示完成后系统提示：再给你一次机会，试试你可以成功逃生吗？学生点击“再学习一次”返回算法文字描述页面；点击“确认”进入最短路径规划。系统判定学生是否正确掌握Dijkstra实现最短路径规划，系统后台将结合学生前台操作的内容，根据表1给出正确与否的判定结果。