《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程設(shè)計(jì)的建設(shè)與實(shí)踐

張思奇ZHANG Si-qi；劉陽(yáng)LIU Yang；張?jiān)气PZHANG Yun-feng；王婉娟WANG Wan-juan

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)，沈陽(yáng) 110168）

（Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

0 引言

課程設(shè)計(jì)不僅是高等學(xué)校實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，更是強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)之前，大學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)理論、廣泛的專業(yè)知識(shí)以及基本的實(shí)驗(yàn)方法，不僅對(duì)培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以及初步形成科學(xué)研究的綜合能力具有重要作用，更是增強(qiáng)學(xué)生職業(yè)意識(shí)以及鞏固所學(xué)理論知識(shí)的重要途徑。

《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程之所以被列為高校物流工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，那是因?yàn)槠渚哂袑?shí)踐性強(qiáng)以及緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際的特點(diǎn)。但是目前的國(guó)內(nèi)高校受到各種限制已經(jīng)形成了紙上談兵的教學(xué)形式，并且對(duì)學(xué)生掌握生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法的要求隨著企業(yè)信息化的發(fā)展提出了較高的實(shí)踐操作能力要求。由于在目前的教學(xué)體系中缺乏能力培養(yǎng)的環(huán)節(jié)，從而達(dá)不到企業(yè)的用人要求。

本文重點(diǎn)從提高《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容角度對(duì)實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用情況進(jìn)行研究，旨在提高該課程的教學(xué)效果。在生產(chǎn)物流課程設(shè)計(jì)方面主要分為解析方法和仿真方法兩種。雖然解析法具有悠久的歷史、應(yīng)用廣泛且是一種成功的方法，但是由于其過(guò)于強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)抽象，因此，此方法可以求得最優(yōu)解但是卻不便于分析實(shí)際的系統(tǒng)，并且隨著不斷擴(kuò)大的現(xiàn)代物流系統(tǒng)規(guī)模，使得這種方法在求得最優(yōu)解過(guò)程中變得十分復(fù)雜甚至求不出最優(yōu)解。而仿真法則是根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和組成利用已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)調(diào)研分析獲得的數(shù)據(jù)建立的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行分析，由于此模型不僅對(duì)物理特性和邏輯特性進(jìn)行了很好的表達(dá)且貼近實(shí)際，因此便于分析系統(tǒng)。因此，運(yùn)行一次仿真模型只是對(duì)系統(tǒng)的一次抽樣的模擬，因此，仿真方法不是一種優(yōu)化方法并不求出最優(yōu)解，但是可以根據(jù)模型的運(yùn)行效果進(jìn)行參數(shù)修改，經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真以求得最優(yōu)解。因此，隨著我國(guó)制造業(yè)信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，仿真規(guī)劃將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用。

1 基于eM-Plant 仿真的《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程設(shè)計(jì)方案研究

1.1 《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程設(shè)計(jì)建設(shè)目標(biāo) 當(dāng)學(xué)生完成一門或多門專業(yè)課程教學(xué)后，綜合利用所學(xué)知識(shí)以及查閱相關(guān)資料從而完成方案構(gòu)思或方案設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)踐性環(huán)節(jié)即《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造能力，并且還為學(xué)生提供了一個(gè)既動(dòng)手又動(dòng)腦且理論結(jié)合實(shí)際的機(jī)會(huì)。本文的目標(biāo)是：解決課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式單一且缺乏仿真模擬實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的問(wèn)題，從而充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

1.2 基于eM-Plant 仿真的《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 本課設(shè)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及生產(chǎn)流程的分析，運(yùn)用所學(xué)的先進(jìn)生產(chǎn)物流管理模式，對(duì)其進(jìn)行總體規(guī)劃，以滿足柔性生產(chǎn)的要求。

①首先以生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出生產(chǎn)線平衡理論與系統(tǒng)仿真技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線的調(diào)查，收集整理生產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要包括產(chǎn)品的BOM（物料清單），年產(chǎn)量，每種產(chǎn)品的工藝流程，每個(gè)工序的加工時(shí)間以及工人的人數(shù)，生產(chǎn)物料的種類、重量和尺寸等信息。物流工程專業(yè)開設(shè)了物流裝備和一些機(jī)械相關(guān)的課程，學(xué)生可以根據(jù)生產(chǎn)物料的種類、重量和尺寸確定物料搬運(yùn)的設(shè)備及生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)產(chǎn)出量指標(biāo)確定生產(chǎn)的規(guī)模，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的生產(chǎn)目標(biāo)。根據(jù)產(chǎn)成品的種類來(lái)設(shè)計(jì)柔性生產(chǎn)線（也叫混合生產(chǎn)線），能夠成批生產(chǎn)彼此不相關(guān)的產(chǎn)品，使得多品種、小批量生產(chǎn)成為一種高效率的生產(chǎn)。要求學(xué)生繪制生產(chǎn)線的工藝流程圖。

②然后，對(duì)混合生產(chǎn)線進(jìn)行啟發(fā)式平衡設(shè)計(jì)，采用JIT技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的控制從而達(dá)到生產(chǎn)平衡。JIT 準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)方式作為一種獨(dú)特的生產(chǎn)管理技術(shù)，即通過(guò)生產(chǎn)流程化、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)均衡化、資源配置合理化。JIT 準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)系統(tǒng)是只在需要的時(shí)候，按需要的產(chǎn)品生產(chǎn)的需要，通過(guò)程序控制、庫(kù)存管理和生產(chǎn)，使生產(chǎn)庫(kù)存系統(tǒng)達(dá)到最小。

③在此基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)流程的種類和生產(chǎn)工藝對(duì)總體生產(chǎn)設(shè)施應(yīng)用原則布置方法進(jìn)行設(shè)施布局，主要采用產(chǎn)品原則布置（生產(chǎn)線布置），工藝原則布置（機(jī)群式布置）和成組單元布置。對(duì)于廠區(qū)物流單元布局可采用SLP（系統(tǒng)設(shè)施布置）方法設(shè)計(jì)，最終達(dá)到節(jié)約物流量搬運(yùn)成本盡可能低的目地，使生產(chǎn)效率最高，并且要求繪制出生產(chǎn)流程的物流布局圖和裝配工位設(shè)計(jì)圖。

④再應(yīng)用Johnson 啟發(fā)式算法（兩臺(tái)機(jī)器）、Palmer 算法（三臺(tái)及以上機(jī)器）、遺傳算法或其他算法進(jìn)行車間的生產(chǎn)排程。這部分設(shè)計(jì)內(nèi)容如果課程設(shè)計(jì)的時(shí)間不夠，可以不做。

⑤最后，在對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真實(shí)體抽象的基礎(chǔ)上，利用面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真軟件eM-Plant，建立能夠滿足柔性生產(chǎn)要求的仿真模型。仿真模型與物理車間的區(qū)別在結(jié)構(gòu)上是相似的，在功能上是同等的，區(qū)別在于它并不消耗真實(shí)的物質(zhì)和能源。3D 可視化地展現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行效果，驗(yàn)證方案的可行性，并分析仿真結(jié)果。這部分與前面工作的工作量各占一半。

1）仿真內(nèi)容包括生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型的建立，人機(jī)作業(yè)分析的仿真，設(shè)施布置仿真，生產(chǎn)排程的仿真，設(shè)備數(shù)量的仿真，設(shè)備調(diào)度的仿真，暫存區(qū)的仿真，生產(chǎn)系統(tǒng)仿真的輸出，仿真結(jié)果分析及優(yōu)化，最終提供優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2）參數(shù)設(shè)定包括決定設(shè)計(jì)的決策變量（如機(jī)床失效率、設(shè)備布局、零件加工工序）、工作負(fù)荷（如原材料到達(dá)規(guī)律）和運(yùn)行規(guī)則（如先進(jìn)先出）等內(nèi)容。仿真軟件將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成制造系統(tǒng)模型，這個(gè)模型包含制造系統(tǒng)中各模塊的相互關(guān)系，并且是系統(tǒng)內(nèi)隨機(jī)現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)模型。用戶仿真時(shí)，首先確定初始狀態(tài)（如暫存區(qū)容量、設(shè)備加工時(shí)間），從初始狀態(tài)，仿真軟件以時(shí)間為自變量按照模型的規(guī)則運(yùn)行，跟蹤所發(fā)生的各種事件（如零件傳送、設(shè)備故障）。

3）最后設(shè)置多次運(yùn)行設(shè)定不同的仿真情形、仿真運(yùn)行時(shí)間和仿真前的熱身時(shí)間等信息，仿真軟件會(huì)輸出仿真結(jié)果，包括產(chǎn)出量，仿真時(shí)間，空閑時(shí)間，加工時(shí)間，設(shè)備利用率，零件通過(guò)率等統(tǒng)計(jì)性能參數(shù)。仿真結(jié)果分析包括加工時(shí)間波動(dòng)、故障率和暫存區(qū)容量變化對(duì)產(chǎn)出率的影響，對(duì)象參數(shù)優(yōu)化，瓶頸分析，對(duì)生產(chǎn)線平衡前后的重要指標(biāo)進(jìn)行比較，以達(dá)到生產(chǎn)線的平衡得到了極大的改善，生產(chǎn)率得到較大提高的目的。

通過(guò)計(jì)劃和控制生產(chǎn)物流從而對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)物流系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而使得企業(yè)的物流暢通無(wú)阻，不僅可以保證生產(chǎn)過(guò)程的物料需求，又可以保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。具體方案如圖1 所示。

圖1 《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)

1.3 基于eM-Plant 仿真的《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程設(shè)計(jì)的實(shí)施 在課設(shè)過(guò)程中，學(xué)生每人一題，每人上交一份研究報(bào)告和仿真模型。為了使得生產(chǎn)系統(tǒng)能夠滿足制定生產(chǎn)率的要求，學(xué)生應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析建模并給出生產(chǎn)綱領(lǐng)，對(duì)構(gòu)建生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行合理選擇，從而優(yōu)化各種參數(shù)以及平衡負(fù)荷，此外，還要對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理布局。研究目標(biāo)是使生產(chǎn)線布局合理，物流順暢，生產(chǎn)線平衡率在85%以上，且具有較高的柔性。不僅滿足現(xiàn)有生產(chǎn)線的需要，為未來(lái)的擴(kuò)展留有足夠的空間。

課設(shè)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（包括課設(shè)答疑情況，設(shè)計(jì)進(jìn)度），研究報(bào)告（包括內(nèi)容全面），仿真模型（包括復(fù)雜程度，與實(shí)際系統(tǒng)接近程度等），答辯成績(jī)（包括自述，回答問(wèn)題）四部分組成。研究報(bào)告內(nèi)容包括背景描述，仿真研究的目標(biāo)，收集數(shù)據(jù)定義模型（包括精確數(shù)據(jù)、來(lái)自客戶或建模者的推斷），建模過(guò)程，對(duì)象的參數(shù)設(shè)置，編寫控制程序，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)（說(shuō)明每種設(shè)計(jì)所需要的仿真次數(shù)、每次仿真的時(shí)間長(zhǎng)度和初始狀態(tài)等），運(yùn)行仿真程序，輸出仿真數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果分析，模型優(yōu)化分析。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程設(shè)計(jì)是生產(chǎn)管理模式與仿真技術(shù)在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本課設(shè)內(nèi)容涉及到《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程和《物流系統(tǒng)仿真技術(shù)》課程的主要知識(shí)點(diǎn)，以及《物流裝備》課程和《系統(tǒng)設(shè)施布置》課程的相關(guān)內(nèi)容，這種以《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程為主體綜合四門課的理論知識(shí)應(yīng)用實(shí)踐，有更重要的意義，使學(xué)生對(duì)這四門專業(yè)課融會(huì)貫通。課設(shè)應(yīng)用了《生產(chǎn)計(jì)劃與控制》課程的一些重要的知識(shí)點(diǎn)——生產(chǎn)線平衡、生產(chǎn)排程、設(shè)施布置、柔性生產(chǎn)線，解決實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中典型問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合。針對(duì)獲得的生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃方案運(yùn)用物流仿真軟件eM-Plant 建模驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)在工程數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。3D 動(dòng)畫顯示，給用戶直觀展現(xiàn)生產(chǎn)線的工作過(guò)程，以更直覺、更生動(dòng)、更精確的方式給出生產(chǎn)車間的生產(chǎn)過(guò)程仿真結(jié)果，形成對(duì)生產(chǎn)線特征的準(zhǔn)確理解與直觀評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造力。

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