工業(yè)工程專業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程教學探究

劉云　田斌　龔小軍　王亞民

[摘 要]生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真是工業(yè)工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。應該從課程的教學目標、教學體系結(jié)構(gòu)、教學方法與教學手段、課程考核等方面總結(jié)，進一步提高課程的教學效果。生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)目前在生產(chǎn)、管理、物流、服務等領(lǐng)域已得到了廣泛應用。希望通過對該課程教學體系的探討使其在學生今后的科研和工作中發(fā)揮越來越大的作用。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)工程 建模 仿真 課程教學

[中圖分類號] G642.3[文獻標識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）06-0141-03

一、引言

工業(yè)工程（IE）是以人、物料、設備、資金、信息等組成的綜合系統(tǒng)為對象，以合理利用資源提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益為目的，應用自然科學和社會科學的知識，運用系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計等工程方法，對上述系統(tǒng)進行優(yōu)化的管理科學，因此它是一門工程技術(shù)與經(jīng)濟、管理等學科相結(jié)合的交叉學科。我國于1993年正式開始招IE專業(yè)本科生。目前的辦學模式主要有兩種：一種是開設在機械學院的四年制本科教育，另一種是開設在管理學院的四年制本科教育。不同的培養(yǎng)模式下，其培養(yǎng)目標、培養(yǎng)計劃、課程體系設置等方面也不盡相同。我校的工業(yè)工程專業(yè)于1998年開始招收，開設在經(jīng)濟與管理學院。由于我校在通信電子等學科具有明顯的優(yōu)勢，因此我校工業(yè)工程專業(yè)定位在于培養(yǎng)以電子信息技術(shù)作為專業(yè)支撐，面向電子制造業(yè)，掌握工業(yè)工程的基本理論與知識，具有從事生產(chǎn)、經(jīng)營、服務等管理系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、優(yōu)化、評價和創(chuàng)新工作能力的高等人才。[1]生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程是我校工業(yè)工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，該課程以系統(tǒng)理論、隨機過程與統(tǒng)計學理論和優(yōu)化理論為基礎，以計算機和仿真系統(tǒng)軟件為工具，通過對系統(tǒng)的分析，建立系統(tǒng)模型和仿真模型，最終達到對現(xiàn)實系統(tǒng)或未來系統(tǒng)進行動態(tài)實驗研究的目的。我校工業(yè)工程專業(yè)開設生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程已有十多年，筆者根據(jù)自己多年的課程教學中的一些體會，給出了該課程應設置的教學目標、教學體系結(jié)構(gòu)、教學方法與教學手段、課程考核等內(nèi)容，希望對該課程的教學有所借鑒和幫助。

二、課程教學目標

系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)是研究復雜系統(tǒng)的一種重要理論方法和技術(shù)手段。本課程雖然名稱為“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”，但這里的“生產(chǎn)系統(tǒng)”是一個廣義的概念，即生產(chǎn)系統(tǒng)是由人、機器設備、生產(chǎn)物料、生產(chǎn)信息和能源等實體組成的集合，其任務是完成一定的產(chǎn)品生產(chǎn)或提供某種服務。[2]鑒于實際中大多數(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)都屬于離散事件系統(tǒng)，所以本課程主要介紹離散事件系統(tǒng)建模與仿真的基本原理與方法。基于此，生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學目標為：通過本課程的學習，使學生理解離散事件系統(tǒng)的有關(guān)概念，掌握離散事件系統(tǒng)建模與仿真的基本原理以及基本方法。在此基礎上，進一步掌握對生產(chǎn)管理系統(tǒng)包括庫存系統(tǒng)、排隊系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等仿真的基本思想，同時，學習掌握相關(guān)的離散事件系統(tǒng)建模仿真軟件，能夠運用建模與仿真技術(shù)以及仿真軟件發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)管理過程中存在的主要問題，并提出具體的改進措施。

三、課程教學體系結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學體系結(jié)構(gòu)分為三大部分：理論教學、實驗教學、實踐環(huán)節(jié)，各部分主要內(nèi)容如圖1所示。

圖1 ? 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程體系結(jié)構(gòu)

（一）理論教學

理論教學是生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門課的基礎。我校該課程的理論教學為40學時，理論教學部分的內(nèi)容包括以下九大部分：

1.概述。主要介紹有關(guān)系統(tǒng)仿真的基本概念、系統(tǒng)仿真的分類、離散事件系統(tǒng)仿真的基本概念，如仿真鐘、時間、活動、進程等。

2.仿真輸入數(shù)據(jù)的收集與分析。主要介紹系統(tǒng)仿真輸入數(shù)據(jù)的收集方法、分布的識別、參數(shù)估計方法、擬合度的檢驗等。

3.偽隨機數(shù)的產(chǎn)生及其統(tǒng)計檢驗。主要介紹偽隨機數(shù)及其產(chǎn)生方法、偽隨機數(shù)的統(tǒng)計檢驗（包括均勻性檢驗、獨立性檢驗、數(shù)字特征檢驗等）。

4.隨機變量與隨機過程的仿真。包括離散型隨機變量的仿真方法、連續(xù)型隨機變量的仿真方法并介紹隨機過程中關(guān)于泊松過程的仿真。

5.離散事件系統(tǒng)的建模方法。包括實體流圖法及其應用舉例、活動周期法及其應用舉例以及Petri網(wǎng)建模方法。

6.離散事件系統(tǒng)的計算機仿真策略。主要介紹事件調(diào)度法、活動掃描法、進程交互法以及三種仿真策略的比較。

7.排隊系統(tǒng)的計算機仿真。介紹排隊系統(tǒng)的基本概念、分類、排隊系統(tǒng)仿真舉例。

8.庫存系統(tǒng)的計算機仿真。介紹庫存系統(tǒng)的基本概念及庫存系統(tǒng)仿真舉例。

9.仿真結(jié)果分析。主要介紹終態(tài)仿真、穩(wěn)態(tài)仿真的基本概念，終態(tài)仿真的結(jié)果分析，穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果分析，多個系統(tǒng)性能的比較分析以及方差縮減技術(shù)等。

但理論部分涉及的概率論與數(shù)理統(tǒng)計的內(nèi)容較多，如何將枯燥的仿真理論與實際問題聯(lián)系起來，以提高學生的學習興趣呢？筆者認為可以從以下兩個方面入手：

首先，在每次有新的理論介紹之前先以一個背景問題引入，從而提出解決該問題的理論知識。例如生產(chǎn)系統(tǒng)常常會受到市場需求、原料供應、生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)狀態(tài)等多方面隨機因素的影響，那么在具體仿真時，這些隨機因素如何體現(xiàn)出來？從而引入隨機數(shù)的產(chǎn)生、隨機變量的產(chǎn)生、隨機過程的仿真等內(nèi)容。又如在對一個系統(tǒng)具體仿真時，提問：當采用不同的隨機數(shù)流，仿真結(jié)果會隨之發(fā)生變化，那么實際中如何對仿真結(jié)果進行分析，從而得到科學的結(jié)論？從而引入數(shù)理統(tǒng)計的內(nèi)容，將其應用于仿真結(jié)果的分析。

其次，鑒于工業(yè)工程專業(yè)的性質(zhì)，有些復雜的數(shù)學推導過程可以適當刪減，力求學生理解原理，達到能夠靈活應用相應理論的目的即可。

這里有一點需要強調(diào)的是，在多年的教學中，筆者認為第一次課尤為重要，其實這不僅僅是對生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門課，對任何一門專業(yè)課都是如此。在第一次課中雖然不能涉及太多的課程內(nèi)容，但在第一次課首先要告訴學生這門課是研究什么問題的，在什么情況下我們可以借助這門課的理論來解決問題，最好舉與實際問題相關(guān)聯(lián)的例子。例如，我在第一次上課時會介紹什么是系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)仿真的應用領(lǐng)域、應用系統(tǒng)仿真時應注意的一些問題等等，同時課堂上演示幾個可視化的仿真模型，如流水生產(chǎn)線加工系統(tǒng)仿真、服務系統(tǒng)仿真等，通過一些感性認識，使學生對這門課有一個初步的了解，以提高學生對該門課程的興趣。

（二）實驗教學

實驗教學是對理論知識進一步理解和深化的有效方式，通過實驗教學，一方面可以加深學生對理論知識的理解，另一方面有利于培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的綜合能力。目前關(guān)于離散事件系統(tǒng)仿真的流行軟件也有很多，比如：Extend、Flexsim、Gpss、Arena、Witness、 eM-plant、Auto-Mod等等。我們在教學過程中采用了Witness和GPSSWorld軟件。這兩款軟件在使用上有較大區(qū)別。GPSSWorld屬于第二代仿真語言，是基于進程交互的仿真編程語言，特別適用于排隊系統(tǒng)的仿真。當然這里的排隊系統(tǒng)范圍也很廣泛，比如，訂單的到達可以抽象為排隊系統(tǒng)的顧客，訂單的處理過程可以抽象為排隊等待過程，訂單處理完成可以抽象為顧客服務完后離開系統(tǒng)等等。通過此軟件的學習，一方面可以加深對離散事件系統(tǒng)仿真的理解，另一方面也可以提高學生調(diào)試程序的能力。因為目前即使是可視化的仿真軟件要仿真一些復雜的系統(tǒng)，有時也需要編制相應的程序才可以完成，所以通過GPSSWorld仿真軟件的學習和應用，對于應用其他的仿真軟件也有幫助。Witness是由英國lanner公司推出的功能強大的仿真軟件系統(tǒng)。它既可用于離散事件系統(tǒng)的仿真，又可用于連續(xù)流體（如液壓、化工、水力）系統(tǒng)的仿真，可視化效果好，通過Witness開發(fā)的系統(tǒng)仿真模型易于理解和控制，為加強學生在學習期間深入理解實際運作系統(tǒng)提供了直觀的、可行的實驗場景。目前在國內(nèi)有近60所設有IE專業(yè)的高校引進了Witness仿真平臺。[3]

我校的生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的實驗部分為16機時，如果把Witness和GPSSWorld軟件的使用連同學生上機實驗都放在這16機時完成，很顯然時間是不夠的，所以我們目前的做法是：在理論課的40學時課堂講授時，安排部分時間講授軟件，邊講解邊演示（約8學時），同時將Witness和GPSSWorld軟件的學習版先拷貝給學生，這樣學生就可以在自己的個人電腦上安裝使用，課下學生自己先練習，同時給學生布置相關(guān)的上機大作業(yè)，具體上機時，教師主要是解決學生在練習或完成作業(yè)時遇到的困難和問題。由于學習版的部分軟件功能受限（其實對大多數(shù)的仿真已夠用），所以我校建立了軟件網(wǎng)絡互聯(lián)環(huán)境，學生也可以通過校園網(wǎng)在宿舍就可以使用正式版練習，滿足了部分學生進一步學習的需要。[4]

（三）實踐環(huán)節(jié)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門課的教學目標就是培養(yǎng)學生將仿真技術(shù)應用于實踐，并解決生產(chǎn)、管理等領(lǐng)域的實際問題。因此，實踐環(huán)節(jié)我們主要從三方面入手：1.在1周的課程設計中，提供有關(guān)生產(chǎn)加工、物流、服務管理等方面的素材，啟發(fā)學生利用仿真技術(shù)完成系統(tǒng)的分析和改善;2.在大四的畢業(yè)設計題目中，設計一些應用仿真技術(shù)的相關(guān)題目，如關(guān)于企業(yè)生產(chǎn)流水線的改善;3.鼓勵學生積極參加校大學生創(chuàng)業(yè)大賽、工業(yè)工程改善大賽等競賽活動，利用仿真技術(shù)結(jié)合具體的問題進行分析，我校在這一方面已取得了一些成績，達到了學以致用的目的。

四、課程教學方法設計與教學手段

本課程采用以課堂講授為主，其他方法為輔的教學方法。通過課堂講授，可以使學生理解掌握系統(tǒng)仿真的基本原理和基本方法。但純粹采用課堂講授對于理論教學有時會顯得有些枯燥，因此在教學過程中適當增加了實驗法、演示法、討論法等。如在介紹系統(tǒng)仿真軟件時，一邊講解軟件一邊進行演示，同時將相關(guān)的仿真理論穿插于仿真軟件的介紹之中，這樣更便于學生理解和體會仿真的基本理論和原理，也便于學生掌握仿真軟件的使用和操作方法。課程的教學手段采用以多媒體教學為主，板書為輔（個別時用到的數(shù)學理論）的方式。另外，教師在第一次上課時就將聯(lián)系方式包括E-mail、QQ號、電話等告訴學生，學生可以通過以上方式隨時咨詢學習中遇到的問題。

五、課程考核

本課程的考核方式采用“期末閉卷考試+大作業(yè)”模式，其中大作業(yè)包括上機報告和英文文獻翻譯兩部分。上機報告是關(guān)于Witness和GPSSWorld仿真軟件布置的上機大作業(yè)，要求對具體問題建立適當?shù)姆抡婺Ｐ?，運行后對結(jié)果進行分析，必要時進一步提出改進措施或建議。英文文獻翻譯要求查找一篇關(guān)于仿真技術(shù)發(fā)展或應用的英文資料，將其翻譯成中文，這樣做的目的有兩個：一方面可以使學生進一步了解仿真技術(shù)的發(fā)展動態(tài)及應用領(lǐng)域，另一方面也可以適當?shù)募由?、熟悉一些關(guān)于仿真的專業(yè)英語詞匯，便于以后工作和科研的需要。

目前期末閉卷考試成績占80%，大作業(yè)占20%，可考慮加大平時作業(yè)成績的比例到30%，以加強學生對實驗環(huán)節(jié)的重視程度及仿真技術(shù)動態(tài)的關(guān)注程度。

六、課程教材的選取

關(guān)于生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門課，目前還沒有非常適合我校工業(yè)工程專業(yè)實際情況的教材，原因是有的教材中所介紹的軟件不是Witness和GPSSWorld，而介紹Witness和GPSSWorld的教材關(guān)于仿真理論部分又介紹得較少，所以筆者給學生推薦的兩本關(guān)于理論部分的教材為：肖田元等主編的《離散事件系統(tǒng)建模與仿真》以及周泓等主編的《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》;關(guān)于仿真軟件部分的教材為：王亞超等主編的《生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真-witness系統(tǒng)及應用》以及謝毅等主編的《離散事件系統(tǒng)建模仿真與GPSSWorld教程》。

七、結(jié)束語

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真作為工業(yè)工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，其技術(shù)目前在生產(chǎn)、管理、物流、服務等領(lǐng)域已得到了廣泛應用，我們希望，通過對該課程教學體系的探討使其在學生今后的科研和工作中發(fā)揮越來越大的作用。

[ 注 釋 ]

[1] 劉云，龔小軍，李華.我校工業(yè)工程專業(yè)人才培養(yǎng)研究[J].西安電子科技大學學報（社科版），2004（1）：62-65.

[2] 孫小明.生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真[M].上海：上海交通大學出版社，2006：3.

[3] 王建華，黃賢鳳.WITNESS仿真在工業(yè)工程專業(yè)實驗教學中的應用[J].科技信息，2010（18）：224-225.

[4] 劉云，龔小軍，田斌，王亞民.工業(yè)工程專業(yè)《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》課程實驗教學探究[J].教育教學論壇，2014（8）：237-238.

[責任編輯：鐘 嵐]

[收稿時間]2014-12-25

[作者簡介]劉云（1973-），女，陜西西安人，碩士，西安電子科技大學經(jīng)濟與管理學院副教授，研究方向：系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)可靠性。