工業工程實驗系統設計探究范文

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引言

隨著國內設立工業工程(IndustrialEngineering，IE)專業的高校數量日益增長，對于IE專業實驗室的建設受到越來越多的重視。根據IE學科特點，國內較早設立IE專業的學校在進行專業實驗室的規劃與建設時，一般設置了基礎IE實驗室和現代IE實驗室兩個模塊［1-3］。

基礎IE實驗，或稱經典IE實驗主要研究勞動者同勞動對象和周圍環境之間的內在聯系，以及人的心理、體力、能力與崗位作業要求、作業環境、疲勞狀態之間的關系;以及以生產系統的微觀基礎———作業或操作為研究對象，對工作過程中的程序、操作、動作進行診斷分析。通過實驗讓學生對工業工程產生直觀、綜合性的認識，啟發學生探索適宜的操作環境和高效的操作方法，掌握工作研究這一專門的IE診斷技術和有效的人因測試分析方法［2］。可開設的實驗非常多，基本涵蓋工業工程基礎、人因工程學和工程心理學(研究生課程)三門課程，大部分為一般性的驗證性實驗，涉及程序分析、操作分析等內容的實驗有些是建立在錄像分析的基礎上進行的。

現代IE實驗，主要是利用現代高科技手段與計算機，采集、分析并優化產供銷一體化企業中人、財、物、設備、方法、信息等資源的運行狀況，充分挖掘企業人財物的利用潛力，進行整體分解并實現系統優化。主要建設內容體現在(各高校在名稱上有所不同，但主要實驗類型基本一致):

(1)先進制造及數字化企業實驗室［2］。與制造、生產系統有關課程。如清華大學的微型CIMS、自建的“微型工廠”［3］和購置商品化“微型工廠”再開發［4］，目的是營造一個類似真實的生產環境，來從事CAD/CAM技術、CNC技術、NC編程、物流系統控制、FMS技術、CIMS技術、設施規劃及物料搬運和運作研究、作業研究、系統工程與分析和工效學等等實驗與研究。

(2)企業資源規劃實驗室。生產計劃與控制，管理信息系統，現代質量管理等課程。主要通過軟件模擬企業生產、銷售、供應鏈中所涉及的一切活動，實時跟蹤控制和管理所涉及的信息流、資金流和物流運行狀況;如上海交通大學的基于WWW的ERP系統WelcomeSoft，用友企業資源計劃ERP系統(很多高校均有使用)［1］。

(3)系統仿真與設施規劃實驗室。設施規劃與物流分析，運籌學，系統仿真和試驗設計等課程，如在線仿真系統［6］、柔性制造系統仿真平臺［7］。

(4)物流工程實驗室。與物流、供應鏈相關課程，如混流裝配實驗軟件平臺［5］。相對于基礎IE實驗而言，現代IE實驗更注重在設計性、綜合性實驗，以及少部分的研究創新型實驗，以培養學生的科學實驗能力和創新能力［8］。

1工業工程研究型實驗的開發基礎

現代IE實驗完全體現了工業工程專業突出的設計性、綜合性要求，但是在創新性和研究型實驗方面表現一般，本人認為原因在于:不管實驗室的硬件營建起點多高，由于IE與生產實際的關聯度高過很多其他專業，不可能將IE面臨的各種系統及其運行狀態在實驗室展示出來，因而必須有其他方法和技術來補充IE實驗室的內涵，例如信息技術、虛擬現實技術等等，而所有這一切必須建立在IE的基石———工業工程基礎上。

1．1基于生產實習的實驗開發

1998年，經廣東省教育廳批準，我校工業工程專業于1999年招收本科生。IE實驗室經過10多年的建設，已經建成了工作設計與時間研究實驗室和人因工程實驗室(經典IE)和企業資源規劃實驗室和系統仿真與設施規劃實驗室(現代IE實驗室)，為IE專業本科生和研究生教學實驗服務。實際教學中注重專業特色，率先在國內實施生產實習到珠三角的臺資、港資及外資開展IE比較早和比較成功的企業進行生產實習和畢業設計［9-10］，在企業中擔當實習IE工程師的角色。生產實習的時間安排非常靈活，從大二結束的暑假、大三的寒假到大三的暑假，以老師聯系為主學生聯系實習單位為輔，企業將實習學生完全看成是自己的員工，工資福利與實習生一致。而學生則必須幫助企業解決生產實際問題，一般以小組形式成立各種IE專案改善小組，實習結束面向企業高中層進行成果匯報，并由企業給出實習成績及評定。實習優秀和改善效果顯著的，有些可以獲得企業提供的獎勵，同時也可以為畢業就業奠定基礎。

我校是較早在IE專業開設“試驗設計(DesignofExperiment，DOE)”課程教學的學校之一，上機實驗基本上是使用Minitab軟件進行相關的數據分析處理，這些數據大部分是從其他教材中摘取的，與生產實際的關聯不大，學生認為該課程非常有用，但是不知道應該如何與生產實際過程相關聯，從而定量分析解決生產實際問題。從2004年起開始，我們嘗試要求學生完成正常實習要求及企業IE專案外，增加用DOE方法定量解決一個具體問題，要求從發現問題入手，進行DOE指標確定、因子確定、數據采集、方法分析、因子設計等工作，并寫出報告，而非一般實驗室報告。將實驗內容中與生產實際關聯密切的部分移出到工廠企業進行真正的DOE的嘗試是成功的，啟發了我們在后續的廣東省質量工程項目建設和廣東省特色專業的建設中，重新審視IE專業教學體系構成，在2011版的工業工程“3+1”教學大綱中已經完全體現了這種方法。由此，我校工業工程專業實驗室體系構成為“基礎IE實驗+現代IE實驗+實習基地生產實驗”的模式。

1．2研究型實驗的開發

校外實習穿插生產實驗可能會碰到的一個最大問題是有些實習工廠難于提供合適的工作環境與條件，因此這類實驗必須是多向可選型，即教師必須從眾多的課程教學與實驗教學中提取相關的適宜在工廠企業進行的實驗項目供學生選擇，同時也供實習單位選擇。同樣地，有些實習單位也提供了一些與企業自身產品相關的實驗項目，這樣一來就可以保證學生在1～3次實習過程中完成至少一項綜合性的實驗過程。以往的實習過程中，有些同學3個假期均在工廠實習，完成了幾項IE專案改善的同時，也進行了幾次綜合性、設計性實驗。這些同學在三年級下學期、四年級上學期的“設施規劃與物流分析”及“生產計劃與控制”等專業課程學習時給我們提出了一個問題:在已經完成基礎IE等實驗情況下，能否進行一些研究型的實驗?

以“生產計劃與控制”的“生產作業計劃”教學為例，涵蓋的內容有主要講解作業排序及排隊論的基礎知識，流水車間作業排序主要介紹幾個經典的啟發式求解排序的方法，對于作業車間排序問題則只講解能動計劃的生成。相應地，對于該章節教學是不安排實驗教學環節的。研究生的教學中則增加優化算法求解排序問題的相關內容，并且很多研究生的畢業論文多少與生產系統的優化相關。例如有IE專業本科生畢業后到紡織印染企業從事生產調度與排產工作，凸顯了實際生產系統對于系統優化知識的需求。因此在工業工程本科教學中，除了通過教學與實驗實踐使學生具有運用工業工程理論與方法、面向實際生產/服務系統進行開發、改進、管理的基本能力外，有條件的情況下，可以培養學生對系統進行優化的能力和進行研究的能力。

研究型實驗教學注重實驗教學中的研究性，故又稱研究性實驗教學，研究性表現在實驗的內容、方法、技術和過程上面［12］。浙江大學國家力學實驗教學示范中心采用了“自助式實驗教學模式”［11］，特別強調學生的自主性，即以科研模式進行實驗，鼓勵學生自立課題，并依托實驗室資源由學生自己設計實驗裝置并自主指導工人制作，自己構思實驗方案、獨立完成實驗并提交實驗報告，學校則必須為學生提供放式(寬口徑)研究型實驗教學平臺［13-14］。

鑒于IE專業的特點，研究型實驗的開發應該是在已有硬件設施的前提下，充分運用信息技術、系統仿真技術、虛擬現實技術等等，面向生產/服務系統的優化而進行的。應該即能為本科高年級提供研究型實驗，也能為研究生提供相關實驗，同時為教學科研服務。

2工業工程研究型仿真實驗系統的開發

2008年，我校正式成為Siemens數字化工廠軟件的客戶，主要是工廠設計和優化相關的軟件系統，包括ProcessDesigner/ProcessSimulate/PlantSimulation/FactoryCAD。其中PlantSimulation主要面向本科研究生教學和相關科研項目，其他模塊則主要為科研項目服務。作為擬成立的“西門子廣東工業大學生產系統仿真實驗室”的一個主要內容，面向工業工程領域的經典問題的優化仿真模型的建立其實從2005年就開始了。從研究型實驗教學的需求出發，我們從運籌學、試驗設計、設施規劃與物流分析、生產計劃與控制等幾門課程中提取了一些經典IE優化問題，并結合系統仿真課程，于2006年的教學改革中將這5門課程的實驗單獨成2門獨立的實驗課程，實現了實驗的課程化建設。2010年廣東省質量工程項目建設、特色專業建設和校質量工程項目中，又提出了工業工程研究型仿真實驗系統的建設。我們的初衷非常樸實:與其讓部分學生大量課外時間花在網絡及網絡游戲上，不如讓他們參與到一些同樣是在電腦上完成的有意思的研究型仿真建模上面來。經過近1年的努力，已經初步建設完成。

2．1工業工程研究型仿真實驗系統基本框架

本仿真試驗系統涵蓋5門IE專業主干課程:運籌學、試驗設計、設施規劃與物流分析、生產計劃與控制和系統仿真，基本構成框架如下(部分仿真模型界面見圖1)。

(1)運用DOE技術和仿真技術研究變動性對生產系統產出效率的影響的相關優化實驗;

(2)一般裝配及混流裝配系統中的物流配送系統的設計，裝載小車的優化及線邊暫存區在JIT生產方式下的最佳容量大小設置;

(3)設施規劃中的布置設計優化，包括工藝原則布置設計和產品原則布置設計的優化;

(4)流水生產排產問題的優化求解;

(5)作業車間排產問題的優化求解。

對于研究型仿真試驗系統，在設計時應遵循的一些基本原則有:

(1)系統為工業工程的每類經典問題提供一個基本框架，由研究實驗者自己動手構建模型中的物流對象、信息流對象、用戶接口對象等等;

(2)系統提供一些優化算法，由研究實驗者根據問題的特征進行選取。同時提供這些優化算法的說明，研究實驗者自己編寫相應的程序;

(3)系統應具有良好的用戶界面，模型簡單易懂，便于研究實驗者進行多方面的擴充開發;

(4)仿真系統內的模型應該是可重用的，如標準HFS模型應該是對標準FSP模型重用，變異性HFS模型則是標準HFS模型的重用等等;

(5)系統的發展應該朝網絡化、實時化方向開發，以便實現“何時何地”均能進行，甚至學生在宿舍、在實習單位等等都可以方便登陸系統。

2．2變動性對生產系統產出效率的影響

生產系統的變動包括:加工時間波動、機器故障的波動及故障修復時間的波動、供料的波動、生產切換(換模/換型)及返工(重工)等等，在DOE中屬于影響因子，而系統指標為生產系統的產出率，因此本研究型實驗就是要求學生通過仿真試驗方法，通過方差分析、回歸分析、因子設計和正交試驗設計等方法，找出變動性對系統產出效率的影響規律來，然后從IE的角度提出提高效率的方法。其中，在加工系統的工站之間設立暫存區是一個不錯的選擇，而暫存區在系統的什么位置設置比較合適?暫存區的容量設置為多大可以使系統整體最優?等等這些問題預先提出給學生，讓學生自己提出仿真模型構建的方案并且自己編程搭建模型，然后再運行優化求解。

2．3混流裝配系統物料配送優化

對于面向訂單的制造企業，當生產計劃與排產已經優化，即假設對于不同類型產品的裝配序列已經確定的情況下的物料配送，混流裝配線為保證已有裝配任務的及時完成，如何在正確的條件下，將正確的物料按正確的數量在正確的時刻從物料中轉區正確地運送到混裝線的各個備料暫存區。及時制生產方式下，物料配送采用拉動方式，在裝配線工站旁邊設立有物料暫存區，暫存區的最小最大庫存的設置與優化以及物料搬運小車的優化等等是本仿真實驗研究的兩個主要目標。

2．4布置設計的優化

設施規劃中關于布置設計這一節的教學，主要面向本科學生講述新建法、改建法和圖論法，研究生教學中講述常見的智能優化算法:模擬退火算法和遺傳算法。由于實際工作中對于車間級的布置設計與布置改善有較多的需求，這一點在學生的生產實習和畢業設計中已經反映了很多年了，而國內有關“設施規劃與物流分析”的教材對于車間級的布置設計基本沒有講述，更沒有相應的實驗教學內容了。鑒于PlantSimulation提供了很好的遺傳算法工具庫，對于高年級本科生可以開設一些基本的遺傳算法應用研究，用于進行布置設計中等面積設置布置中二次分配問題(Quadraticassignmentproblem，QAP)的優化求解，不等面積的多行布置設計的優化求解。

已知作業單位的物料搬運量及布置工作地之間的位置關系，以此構造工作地之間的距離，要求得到一個最小物流量的優化布置方案，這是本實驗的基本要求。變異型的布置設計研究則可以考慮部分設備之間的工藝約束、環境約束等等。不等面積的布置設計問題是指已知作業單位間的物料搬運量，以及各作業單位的面積需求、布置場所的總面積大小，進行多行布置得優化求解。

2．5生產排產問題的優化求解

生產排產優化對于本科生教學只做啟發式算法的仿真實驗設計，個別學生要求可以進行標準的流水車間調度(Flow－shopSchedulingProblem，FSP)的仿真模型構建及優化求解，而對研究生則要求在標準FSP基礎上，對于混合流水車間調度(HybridFlow-shopScheduling，HFS)及并行流水車間調度問題做一定的要求，而對于作業車間調度問題的研究實驗僅限于研究生開設。

3結語

通過在PlantSimulation上實現工業工程經典問題的仿真模型構建，基本實現在本科高年級與研究生中開設研究型實驗的目標，從而實現了對工業工程專業實驗室建設體系的完善和補充，由此形成了專業課程實驗教學、設計性綜合性實驗教學和創新研究型實驗教學的逐步遞進的三層級體系。不僅能強化學生的專業基本技能和專業綜合技能，加深學生對整個學科體系全面而又深入的理解，而且能為學生提供創新研發與實踐拓展的平臺。近2年，工業工程專業學生基于本仿真系統已經申報了如“廣東省高等學校大學生創新性實驗項目”、廣東工業大學學生課外學術科技立項和“合生珠江大學生創新性實驗”項目等多個項目，并已開展了相關的研究工作。