生产物流系统建模与仿真课程实践教学方法研究

2022-09-11

在全球化不断发展的今天, 企业间的竞争不仅仅是产品功能上的比拼, 更是组织运营效率、质量水平、对需求满足能力的综合竞争。为有效改善系统运作效率, 专业技术人员在多领域开展了深入研究, 如排队论、离散系统分析、计算机建模、优化方法、仿真技术等, 同时, 结合以设施规划、物流分析、作业调度、人因工程、生产计划控制为代表的工业工程专业知识体系的发展, 工程技术人员可以使用越来越丰富的工具来解决效率低下、质量不佳等问题[1]。

一、设立生产物流系统建模与仿真课程实践环节的意义

工业工程专业教学过程, 不仅要理论知识的讲解, 更要注重实践能力的培养。作为专业主干课程之一, 生产物流系统建模仿真技术尤其适合在工程实践中体现实用价值。

一方面, 该课程对理论要求较高, 除排队论、概率统计、系统优化等知识外, 学生还需要掌握基本的编程语言;另一方面, 想要把建模仿真知识应用到生产或物流系统中, 就需要对生产及物流体系有一个全面而直观的认识。

随着系统优化需求不断提升, 计算机仿真软件也日趋多样化, 系统建模与仿真应用领域更加广泛。仅依赖传统的课堂教学方式, 并不能达到学以致用的基本目标。而相关专业软件成本较高、学习资料较匮乏, 也是制约学生课下自学活动的客观因素。因此, 通过为期一周的课程设计环节, 集中指导并训练学生掌握一项系统仿真工具, 方可达到生产物流系统建模与仿真课程应用于实践领域的需要[2]。

二、生产物流系统建模与仿真实践环节的目标

通过生产物流系统建模与仿真的前期理论课程, 完成了对离散事件系统、排队论、系统建模方法、概率统计基础、随机变量的产生与检验, 以及仿真模型设计等内容的讲解和练习, 使学生完成应用所需的知识体系储备。

在本课程的实践环节中, 重点对于生产物流系统的建模和仿真优化过程加以实现。通过对一个完整的生产流程进行分析, 了解并熟悉该生产流程的各项工艺工序特点, 结合具体的软件平台工具, 将生产过程中各项工序加以分析、建模、仿真运行, 最终对仿真结果加以优化, 提出优化方案, 并对方案的可行性加以检验。通过对系统各组成构件的输入条件进行调整, 达成预期的优化效果[3]。

三、课程设计环节的内容

(一) 课程设计的条件

本课程设计环节采用的是Witness仿真软件平台, 此软件是由英国Lanner公司开发, 具有较为丰富的离散系统实体元素, 同时也可以满足部分连续系统的仿真需要。Witness软件操作简单, 界面简洁, 经多年教学实践检验, 学生普遍反映该软件较易掌握, 同时, 对生产、物流系统的常见组成部件均有较好支持。

(二) 课程设计的流程

1. 模型描述

有一拖拉机总装线为地面输送链, 车架总成在别的生产单元完成装配以后, 依照节拍时间 (3分钟) 送至总装线。若车架运至时总装线正常运行, 则直接将车架送至地面输送链的起始点;若总装线出现等待, 则将车架置于输送链起点旁边的缓存区域。在总装线上各装配工位 (安装部件A、B、C) 的物料由其他生产单元供应, 送达条件如下: (1) A部件:到达时间间隔服从uniform (7, 9) 的均匀分布, 每次送达4件; (2) B部件:到达时间间隔服从uniform (4, 9) 的均匀分布, 每次送达3件; (3) C部件:到达时间间隔服从uniform (3, 6) 的均匀分布, 每次送达2件。

上述部件不缺货时, 总装线正常运行, 如有任一部件发生缺货, 则总装线总体停线。总装完成后, 对拖拉机进行检测, 检测合格后停放于成车库。

假设所有的装配工位作业时间均为2.2分钟, 利用Witness软件, 建立相应模型并仿真运行, 仿真时间为10天 (以每天工作8小时计算, 共4800分钟) , 结果输出如下数据:

(1) 总装线的停线率; (2) A、B和C分别导致总装线停线所占比率; (3) 拖拉机车架以及A、B、C三大部件的库存状态情况; (4) 总装线的产量; (5) 保持各关键组件的到达批量和时间间隔条件不变, 仅改变其均匀随机分布的参数, 观察其结果有何变化。

2. 模型设计

在这一阶段, 主要需完成三方面工作:

(1) 建模元素的定义

确定系统中所需元素的类型、数量、在系统中起到的作用, 以及每个元素的名称等信息[4]。

(2) 模型布局及显示设计

优化模型布局及元素显示方式, 使之清晰易懂。总装线模型界面 (如图1所示) 。

(3) 模型细节设计

将建模要求的各项参数、随机分布、到达时间间隔、加工时间、工位间联系等信息在元素细节设定中加以体现, 并在各个建模元素间建立逻辑关系, 使之尽可能真实的再现实际生产过程。

3. 仿真运行及结果分析

按课程设计要求, 运行系统 (4800分钟) , 根据仿真模型的运行结果, 分析各工位的忙闲状态及比例, 以及分析系统平均线边库存水平, 同时, 对系统产能加以衡量和分析。

4. 改变随机参数实验

通过检验随机参数改变后对总装线加工效率及停线率的影响, 使学生理解生产节拍及准时制生产的重要性。可根据课程设计进度情况, 进一步启发学生利用惩罚函数对停线损失进行估计。

(三) 课程设计要求及考核评价

根据任务书中所给的系统描述和系统参数, 应用Witness仿真软件建立仿真模型并运行, 查看仿真结果, 分析各种设备的利用情况, 发现加工系统中的生产能力不平衡问题, 改变加工系统的加工能力配置, 查看结果的变化情况, 确定系统设备的最优配置。

课程设计说明书需包括必要的文字描述、模型流程图、系统建立与运行过程中各环节的截图、模型代码和Excel格式的标准报告。其中截图主要包括模型建立、主要参数设置、系统运行、统计数据的截图;课程设计说明书的装订顺序依次为封面、设计任务书、目录、正文、参考文献。

考核标准以学生独立建立模型的完成度 (占40%) 为主, 结合仿真结果分析和优化 (占30%) 及课程设计报告写作规范性 (占30%) 的评价, 最终得出每位学生在课程设计过程中的综合成绩。

四、结论

实践环节对于以工程应用能力培养为主的工业工程专业具有十分重要的意义。工业工程专业主要培养以工程技术知识为基础, 以不断改进、优化的思想为目标, 以多领域动手能力为依托的高层次复合创新型工程技术人才。在专业教学中, 应重视并加强培养专业知识的应用能力, 结合信息、资源共享, 使学生充分理解所学知识技术与市场需求间的紧密联系, 从而明确学习目标, 激发学习兴趣。

摘要：本文针对工业工程专业知识实用性强、应用范围广的特点, 以生产物流系统建模与仿真课程为例, 探索应用型课程实践教学特点, 通过课程设计的方式, 增强学生动手能力的培养, 对系统仿真类课程课堂教学的局限性提出了有效的改进方案。以期取得提高学生实践应用水平, 促进教师增强专业技能的良好效果。

关键词：生产物流系统,建模仿真,课程设计,实践教学