工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)建研究

王文軻 張偉 張燕 魏芳 卓澤悅 熊梓言 徐夢(mèng)穎

（四川師范大學(xué) 商學(xué)院，四川 成都 610101）

摘 要：隨著制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略“中國(guó)制造2025”的提出，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)飛速發(fā)展，對(duì)于工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)人才的實(shí)踐與創(chuàng)新能力有了更高的要求。文章以培養(yǎng)、提高學(xué)生的綜合實(shí)踐與創(chuàng)新能力為目標(biāo)，為使專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)與基礎(chǔ)實(shí)踐相結(jié)合，以規(guī)范性、綜合性、開(kāi)放性、延展性作為基本原則，設(shè)計(jì)與構(gòu)建了工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)工程；實(shí)踐教學(xué)；仿真實(shí)驗(yàn)；教學(xué)平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）15-0074-03

Abstract： "Made in China 2025" strategy promotes the development of domestic manufacturing enterprise and puts forward higher requirement of practical and innovative abilities for industrial engineering talents. Aiming at cultivating students' abilities of comprehensive practice and innovation， this paper designs and constructs simulation experiment practice platform for industrial engineering so as to integrate theory with practice in the light of principles of normativity， integrity， openness and malleability.

Keywords： industrial engineering； practice teaching； simulation experiment； teaching platform

引言

工業(yè)工程（Industrial Engineering，IE）是將管理與工程技術(shù)結(jié)合為一體的綜合性、實(shí)踐性的一門(mén)新興學(xué)科[1]。企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)作過(guò)程是工業(yè)工程的研究對(duì)象之一，通過(guò)工程技術(shù)與管理科學(xué)的原理及方法可提高生產(chǎn)系統(tǒng)的效率[2]。隨著“中國(guó)制造2025”制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的提出與實(shí)施，國(guó)內(nèi)諸多制造企業(yè)已設(shè)立工業(yè)工程部門(mén)，并取得了大量卓有成效的成果，由此推動(dòng)了工業(yè)工程在制造業(yè)中的快速發(fā)展[3]。但隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)日益柔性化、數(shù)字化、智能化、集成化，因此對(duì)工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)人才的綜合實(shí)踐能力以及創(chuàng)新能力有較高的要求。實(shí)踐教學(xué)對(duì)于工業(yè)工程人才綜合創(chuàng)新能力以及實(shí)踐能力的培養(yǎng)是至關(guān)重要的，要使高校實(shí)踐教學(xué)跟上實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，對(duì)其的規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理也變得越來(lái)越復(fù)雜。因此，工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建研究，顯得尤為重要。

一、工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

面對(duì)國(guó)內(nèi)高等教育以及企業(yè)對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力的新要求，在理論教學(xué)基礎(chǔ)之上應(yīng)更重視開(kāi)展開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力的實(shí)踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，對(duì)多種方案進(jìn)行決策以培養(yǎng)工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、決策能力以及創(chuàng)新意識(shí)。為保證實(shí)踐教學(xué)效果，工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（一）規(guī)范性

工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要以工業(yè)工程本科專(zhuān)業(yè)教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，并嚴(yán)格服務(wù)于教學(xué)大綱內(nèi)容范疇[4]。在此基礎(chǔ)上，充分考慮各種實(shí)驗(yàn)實(shí)例，進(jìn)而延展和加深相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。

（二）綜合性

工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮將課堂中所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)（包括基礎(chǔ)工業(yè)工程、運(yùn)籌學(xué)、系統(tǒng)工程等）用于解決生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)各門(mén)專(zhuān)業(yè)課程的綜合理解與應(yīng)用。

（三）開(kāi)放性

工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)必須遵循開(kāi)放性原則，平臺(tái)需要具有快速吸收和容納外界不斷變化的新鮮事物的能力，以適應(yīng)正在快速成長(zhǎng)壯大的工業(yè)工程教育規(guī)模以及飛速發(fā)展的生產(chǎn)與管理技術(shù)。

（四）延展性

針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)與差異性，工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)應(yīng)該自成體系，并建立相互獨(dú)立的模塊，使其可在后繼開(kāi)發(fā)中不斷補(bǔ)充新的相關(guān)內(nèi)容。

二、工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)框架

工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)主要由生產(chǎn)計(jì)劃控制系統(tǒng)，生產(chǎn)制造系統(tǒng)，質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)以及倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)組成，如圖1所示。首先，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行隨機(jī)的訂單分配，學(xué)生根據(jù)以往市場(chǎng)需求或?qū)κ袌?chǎng)的預(yù)測(cè)來(lái)制定生產(chǎn)計(jì)劃。之后，按照生產(chǎn)計(jì)劃對(duì)不同類(lèi)別的產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)，零部件通過(guò)加工為成品后通過(guò)質(zhì)量檢測(cè)進(jìn)入倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)存。倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)根據(jù)訂單種類(lèi)的要求進(jìn)行交貨，由于訂單是有時(shí)間限制的且需要的產(chǎn)品類(lèi)別是不同的，根據(jù)倉(cāng)庫(kù)是否按時(shí)交貨將交貨分為按時(shí)交貨、延時(shí)交貨和未交貨。其中未交貨反應(yīng)了生產(chǎn)計(jì)劃的制定不完善和生產(chǎn)效率不高等問(wèn)題，學(xué)生需要通過(guò)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃以及改善作業(yè)中的不足來(lái)不斷提高交貨率，從而找到最佳的生產(chǎn)方式。

三、工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

以樂(lè)高汽車(chē)玩具代替實(shí)際汽車(chē)，進(jìn)行汽車(chē)的生產(chǎn)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)實(shí)施方案如圖2所示，包含5個(gè)步驟。

步驟一：結(jié)合《基礎(chǔ)工業(yè)工程》的相關(guān)知識(shí)，向?qū)W生教授汽車(chē)生產(chǎn)的工藝流程。在該階段中，認(rèn)識(shí)生產(chǎn)工藝流程并且對(duì)每一個(gè)工藝的主要任務(wù)以及方法步驟進(jìn)行初步的了解。汽車(chē)的生產(chǎn)工藝流程如圖3所示，共包含6個(gè)工藝過(guò)程。首先，各生產(chǎn)車(chē)間在備置好工藝汽車(chē)生產(chǎn)所需的工藝零件后，車(chē)間一進(jìn)行車(chē)身的組裝。車(chē)身組裝好之后，交由車(chē)間二進(jìn)行車(chē)身模具機(jī)加工，該過(guò)程需要固定時(shí)間8s，且一次只能加工1輛。接著，車(chē)間三完成汽車(chē)總組裝。然后，再交給車(chē)間四對(duì)汽車(chē)進(jìn)行熱加工，該車(chē)間一次性最多熱處理4輛車(chē)，需固定時(shí)間80s。最后，車(chē)間五完成汽車(chē)的質(zhì)檢。

步驟二：組織學(xué)生進(jìn)行汽車(chē)生產(chǎn)的模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)將學(xué)生分為多組，每組包含A、B、C、D、E5位學(xué)生，分別充當(dāng)汽車(chē)生產(chǎn)的5個(gè)工藝車(chē)間。另外，學(xué)生F進(jìn)行汽車(chē)零件的拆卸和備置，為下一批汽車(chē)的生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。在組員之間分配工序后，將生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行試運(yùn)行，熟悉整體的運(yùn)行程序。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，每個(gè)生產(chǎn)車(chē)間配置高清攝像頭，對(duì)整條生產(chǎn)線(xiàn)的工藝過(guò)程和工人的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

以便對(duì)每一工序進(jìn)行視頻的采集并統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)資料。

步驟三：將攝像頭拍攝到的生產(chǎn)過(guò)程導(dǎo)出并保存，進(jìn)行各車(chē)間汽車(chē)加工時(shí)間的測(cè)定。利用Flexsim軟件進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)的仿真和運(yùn)行，確定瓶頸工序；同時(shí)，將視頻導(dǎo)入達(dá)寶易軟件，對(duì)各個(gè)車(chē)間中工人的動(dòng)作進(jìn)行分析。綜合運(yùn)用《系統(tǒng)仿真》、《設(shè)施規(guī)劃與物流分析》等相關(guān)課程的理論知識(shí)和方法，對(duì)流水線(xiàn)的設(shè)計(jì)、各個(gè)車(chē)間設(shè)施的布置、機(jī)器性能（加工時(shí)間）等進(jìn)行分析和優(yōu)化。優(yōu)化的思路從資源利用、生產(chǎn)線(xiàn)效率、質(zhì)量水平、在線(xiàn)庫(kù)存、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理等方面進(jìn)行參考。

步驟四：根據(jù)Flexsim仿真和達(dá)寶易視頻分析和優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果，提出合理的設(shè)施布置方案，并運(yùn)用改進(jìn)方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布置進(jìn)行調(diào)整且對(duì)操作者的雙手動(dòng)作進(jìn)行規(guī)范。重新模擬生產(chǎn)試驗(yàn)，搜集相關(guān)數(shù)據(jù)、視頻資料，根據(jù)搜集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理，反應(yīng)存在的問(wèn)題，對(duì)于存在的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化，提出改善方法，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。如此反復(fù)循環(huán)，直至生產(chǎn)線(xiàn)達(dá)到最優(yōu)。

步驟五：待各小組生產(chǎn)線(xiàn)達(dá)到最優(yōu)化之后，進(jìn)行小組間的實(shí)戰(zhàn)對(duì)抗賽。實(shí)驗(yàn)最終成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)由各組在最終完成優(yōu)化后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成績(jī)以及報(bào)告作為評(píng)價(jià)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)對(duì)抗部分占70%，實(shí)習(xí)報(bào)告占30%。

其中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)對(duì)抗的基本條件設(shè)定為：測(cè)試工作節(jié)拍（交貨）：<= 15秒，工作時(shí)長(zhǎng)：20分鐘。評(píng)價(jià)因素如表1所示。實(shí)習(xí)報(bào)告包含3個(gè)，分別是：現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化分析報(bào)告、達(dá)寶易分析報(bào)告和FlexSim報(bào)告。

四、結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)工程仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了工業(yè)工程各門(mén)專(zhuān)業(yè)課程的綜合理解與應(yīng)用，使理論知識(shí)與社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合，完善了工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。不僅能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性，同時(shí)也夠滿(mǎn)足學(xué)生基本實(shí)踐技能的培養(yǎng)以及綜合創(chuàng)新能力發(fā)展的需要，對(duì)于工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)高質(zhì)量人才的培養(yǎng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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