基于OBE 理念的“物流設(shè)施布置規(guī)劃”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)探索與實(shí)踐

孫 慧 （山東科技大學(xué)交通學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引 言

“物流設(shè)施布置規(guī)劃”是物流工程、物流管理、工業(yè)工程、交通運(yùn)輸?shù)葘I(yè)《物流系統(tǒng)規(guī)劃》或《設(shè)施規(guī)劃與物流分析》等課程中的核心內(nèi)容，基于理查德·繆瑟的系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)（System Layout Planning，SLP） 和物料搬運(yùn)系統(tǒng)分析（System Handling Analysis，SHA） 兩大理論；主要包括生產(chǎn)系統(tǒng)或服務(wù)系統(tǒng)的物流分析、設(shè)施的布置規(guī)劃、搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容，具有很強(qiáng)的理論分析性、綜合設(shè)計(jì)性和工程實(shí)踐性。

教師課堂講授、學(xué)生聽課記錄的教學(xué)方式，越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，很多教師采用了諸如情景教學(xué)法、案例分析法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、沙盤教學(xué)法、軟件仿真法等教學(xué)方法，但因缺乏實(shí)際的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、掌握、應(yīng)用等方面存在諸多問題。根據(jù)已畢業(yè)學(xué)生的反饋，他們?cè)诿鎸?duì)設(shè)施規(guī)劃實(shí)際問題的時(shí)候，會(huì)無所適從，很難將書本知識(shí)和實(shí)際問題結(jié)合在一起。而實(shí)體實(shí)驗(yàn)室無法進(jìn)行設(shè)施的靈活移動(dòng)來進(jìn)行設(shè)施布置規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，沙盤類實(shí)驗(yàn)設(shè)備又存在失真性和不能根據(jù)布置方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示的問題。

鑒于此，基于OBE 的教學(xué)理念，以智能制造生產(chǎn)車間為背景，結(jié)合行業(yè)發(fā)展前沿知識(shí)，開發(fā)物流設(shè)施布置規(guī)劃虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用虛擬仿真技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的不足，讓學(xué)生浸入虛擬的場(chǎng)景中，真正領(lǐng)會(huì)和掌握物流設(shè)施布置規(guī)劃的知識(shí)；激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決企業(yè)實(shí)際問題的能力。

1 “物流設(shè)施布置規(guī)劃”知識(shí)特點(diǎn)

“物流設(shè)施布置規(guī)劃”以設(shè)施布置和搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為核心問題，規(guī)劃和分析的對(duì)象涵蓋工業(yè)設(shè)施（工廠、車間和生產(chǎn)線）和物流設(shè)施（物流中心、配送中心和倉庫），涉及基本概念、方法工具、分析體系及專題應(yīng)用四個(gè)層次。主要有以下特點(diǎn)：

1.1 知識(shí)點(diǎn)多且更新快

物流設(shè)施布置規(guī)劃緊密聯(lián)系生產(chǎn)運(yùn)作管理、系統(tǒng)工程、運(yùn)籌學(xué)等課程知識(shí)；包含物流、設(shè)施、分析理論、生產(chǎn)理論、規(guī)劃對(duì)象等相關(guān)概念；就方法工具而言，常用的物流設(shè)施布置規(guī)劃與搬運(yùn)系統(tǒng)分析等相關(guān)圖表工具、技術(shù)方法等有20 余種，每種圖表工具都有其不同的應(yīng)用場(chǎng)合及分析指標(biāo)；隨著新設(shè)備、新技術(shù)及新管理理念的層出不窮，還在不斷引入新的概念、理論與技術(shù)，如自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)、精益生產(chǎn)、智能制造等。

1.2 方法體系復(fù)雜且步驟冗長

問題的復(fù)雜性導(dǎo)致方法技術(shù)的復(fù)雜性，以繆瑟的SLP 和SHA 為代表的設(shè)施規(guī)劃方法體系，其理論分析步驟多，相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)和注意事項(xiàng)也比較多。如在設(shè)施布置與搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，均需要對(duì)物料進(jìn)行分析，設(shè)施布置可以按照可運(yùn)性依據(jù)物理特征來分類，分類依據(jù)是外形尺寸、重量、形狀、損壞的可能性、狀態(tài)等七種主要因素；在搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)物料分類又可按物理特征、數(shù)量特征、時(shí)間特征、管理特征等進(jìn)行分類。

1.3 綜合性強(qiáng)且實(shí)踐性要求高

不論是工業(yè)設(shè)施、物流設(shè)施還是服務(wù)設(shè)施，其規(guī)劃與分析都需要綜合應(yīng)用多學(xué)科知識(shí)來設(shè)計(jì)一個(gè)完整、可用的方案；此外相關(guān)的方法、步驟和程序都是與企業(yè)實(shí)際緊密結(jié)合，也只有在實(shí)踐中才能真正領(lǐng)會(huì)和掌握這些知識(shí)。

1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求高

“物流設(shè)施布置規(guī)劃”與實(shí)際聯(lián)系密切，實(shí)驗(yàn)原理為：學(xué)生根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)計(jì)算，設(shè)計(jì)布置方案，對(duì)設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃布置，通過運(yùn)行發(fā)現(xiàn)布置方案的問題，進(jìn)而對(duì)布置方案進(jìn)行優(yōu)化再設(shè)計(jì)。要達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果，需要有場(chǎng)景和設(shè)施可移動(dòng)、布置后的方案可運(yùn)行、數(shù)據(jù)可統(tǒng)計(jì)等條件，實(shí)體實(shí)驗(yàn)室、沙盤模型、Flexsim 等物流仿真軟件等都無法滿足實(shí)驗(yàn)要求。

為達(dá)到良好教學(xué)效果，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，模仿并反復(fù)訓(xùn)練對(duì)實(shí)際技能的掌握，可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)方法體系、軟硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)施和實(shí)驗(yàn)過程管理的有機(jī)結(jié)合，可有效解決學(xué)生實(shí)踐能力較弱，與企業(yè)需求不能有效對(duì)接的問題。

2 “物流設(shè)施布置規(guī)劃”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

基于OBE 教育理念，以產(chǎn)出成果和能力培養(yǎng)為目標(biāo)，確定本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)為掌握系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)（SLP）、物料搬運(yùn)系統(tǒng)分析（SHA） 等的基本概念、基礎(chǔ)理論與方法，能利用SLP 和SHA 的理論與技術(shù)進(jìn)行物流設(shè)施的布置規(guī)劃；培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)遵循“一個(gè)中心、二種互動(dòng)、三個(gè)階段”的教學(xué)理念。

（1） 一個(gè)中心：以學(xué)生為中心。充分發(fā)揮學(xué)生的積極主動(dòng)性，讓學(xué)生主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程，設(shè)置知識(shí)點(diǎn)提示、角色扮演、通關(guān)游戲等環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取興趣和應(yīng)用能力。

（2） 二種互動(dòng)式教學(xué)方法：人機(jī)互動(dòng)，師生互動(dòng)。人機(jī)互動(dòng)：實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置相應(yīng)的任務(wù)，提出對(duì)應(yīng)的問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考并解答問題。學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)生操作錯(cuò)誤后，會(huì)引導(dǎo)學(xué)生積極思考錯(cuò)誤原因，自我提問；通過這種反復(fù)的人機(jī)互動(dòng)，最終完成相應(yīng)的任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題與解決問題的能力。

師生互動(dòng)：教學(xué)過程中，教師通過提問、質(zhì)疑等方式激發(fā)學(xué)生充分發(fā)揮想象，通過師生互動(dòng)，發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，引導(dǎo)學(xué)生提高解決實(shí)際問題的綜合能力。

（3） 兩個(gè)教學(xué)階段：實(shí)—虛相結(jié)合。實(shí)（智能物流技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)習(xí)單位場(chǎng)景） —虛（平臺(tái)訓(xùn)練），螺旋式上升，不斷加深學(xué)生對(duì)于物流設(shè)施布置基礎(chǔ)理論及相關(guān)技術(shù)的認(rèn)識(shí)與理解、記憶與掌握。

智能物流技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備或認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)單位場(chǎng)景為學(xué)生在正式進(jìn)入課堂之前，對(duì)于智能生產(chǎn)物流有一定的現(xiàn)場(chǎng)感性認(rèn)識(shí)，為課堂教學(xué)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)訓(xùn)練提供良好的基礎(chǔ)。如圖1 所示為學(xué)校智能物流技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。

圖1 智能物流技術(shù)實(shí)驗(yàn)室

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)訓(xùn)練，基于智能生產(chǎn)物流相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建高精度的智能生產(chǎn)物流三維虛擬仿真場(chǎng)景，生動(dòng)再現(xiàn)生產(chǎn)物流的場(chǎng)景及全過程；通過沉浸式教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生全面掌握生產(chǎn)物流的環(huán)境、工藝流程、關(guān)鍵步驟及主體設(shè)備，并通過相關(guān)漫游任務(wù)、生產(chǎn)任務(wù)的設(shè)置，幫助學(xué)生全面理解智能生產(chǎn)物流過程、設(shè)施布局以及搬運(yùn)系統(tǒng)路徑優(yōu)化等問題。

2.3 實(shí)驗(yàn)要求

（1） 通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在生產(chǎn)計(jì)劃編制、設(shè)施布置、倉儲(chǔ)管理、搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等4 個(gè)模塊，展示物流設(shè)施布置規(guī)劃的流程及智能制造生產(chǎn)實(shí)施方案的探索，讓學(xué)生在實(shí)際操作過程中理解物流設(shè)施布置規(guī)劃的流程、方法應(yīng)用，提高對(duì)物流系統(tǒng)規(guī)劃的實(shí)踐操作和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營能力。（2） 要求通過三維仿真技術(shù)準(zhǔn)確還原立體倉庫、分揀線、生產(chǎn)線、AGV、機(jī)械手、人員等場(chǎng)景，具有典型性、高度逼真性。根據(jù)學(xué)生的規(guī)劃布置呈現(xiàn)規(guī)劃結(jié)果，能準(zhǔn)確反映智能制造車間環(huán)境，讓學(xué)生有浸入感，提高學(xué)習(xí)效果。（3） 要求各模塊的功能和互動(dòng)設(shè)計(jì)遵循物流經(jīng)典理論，過程完整、嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)、交互性強(qiáng)，符合技術(shù)參數(shù)要求，不得出現(xiàn)專業(yè)性錯(cuò)誤，符合物流系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的過程和操作流程。（4） 實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生扮演不同角色進(jìn)行規(guī)劃互動(dòng)和決策，要求系統(tǒng)能夠記錄學(xué)生的所有操作，并對(duì)其進(jìn)行智能評(píng)分、指導(dǎo)和反饋。（5） 實(shí)驗(yàn)中，要求教師能夠跟蹤班內(nèi)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，完成在線答疑和實(shí)驗(yàn)評(píng)分。（6） 實(shí)驗(yàn)要求包含角色選擇、操作幫助、提示指引等功能，有良好的軟件友好性。

2.4 實(shí)驗(yàn)核心流程

實(shí)驗(yàn)分為4 個(gè)核心模塊：生產(chǎn)計(jì)劃編制模塊、設(shè)施布置模塊、倉儲(chǔ)管理模塊、搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊，為學(xué)生提供一個(gè)開放、靈活、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境；通過項(xiàng)目教學(xué)、情境模擬等教學(xué)方式，推動(dòng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，使“教學(xué)研創(chuàng)”融為一體。

2.4.1 生產(chǎn)計(jì)劃編制模塊

學(xué)生利用所學(xué)生產(chǎn)運(yùn)作知識(shí)或根據(jù)提示，進(jìn)行智能生產(chǎn)計(jì)劃的編制，完成如下數(shù)據(jù)的計(jì)算，如圖2 所示為物料需求計(jì)劃完成界面。

圖2 物料需求計(jì)劃編制界面

（1） 需求量預(yù)測(cè)方法，利用指數(shù)平滑法進(jìn)行成品需求量的預(yù)測(cè)；（2） 主生產(chǎn)計(jì)劃的編制；（3） 物料需求計(jì)劃的編制；（4） 生產(chǎn)線粗能力校核；（5） 混流生產(chǎn)方式的安排。

2.4.2 設(shè)施布置規(guī)劃模塊利用系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)知識(shí)，進(jìn)行物流設(shè)施基礎(chǔ)布置，如圖3 所示生產(chǎn)線模塊布置界面。

圖3 生產(chǎn)線的布置界面

（1） 倉儲(chǔ)模塊的布置；（2） 生產(chǎn)線布置方式的選擇；（3） 生產(chǎn)線的初始布置方案設(shè)計(jì)。

2.4.3 倉儲(chǔ)管理模塊

（1） 采購訂單的確定，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃及安全庫存的要求，確定采購的數(shù)量及時(shí)間；（2） 入庫操作，貼標(biāo)簽、存儲(chǔ)位置確定等；（3） 出庫操作，經(jīng)過分揀設(shè)備，進(jìn)入不同的分揀道口。

2.4.4 搬運(yùn)系統(tǒng)模塊

（1） 出入庫輸送系統(tǒng)的布置；（2） 分揀設(shè)備的布置；（3） AGV 的優(yōu)化調(diào)度；（4） 運(yùn)行中搬運(yùn)設(shè)備數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行布置方案的優(yōu)化。

2.5 考評(píng)機(jī)制

建立“機(jī)評(píng)自評(píng)點(diǎn)評(píng)”相結(jié)合的綜合考評(píng)機(jī)制，學(xué)生在平臺(tái)完成某些任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)分，教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中的點(diǎn)評(píng)及最終評(píng)價(jià)，學(xué)生小組內(nèi)成員間要進(jìn)行自評(píng)與互評(píng)，這樣既確保了學(xué)生間的相互激勵(lì)與監(jiān)督，也鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、持續(xù)改善的意識(shí)。

3 結(jié)束語

“物流設(shè)施布置規(guī)劃”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)與實(shí)踐，解決了設(shè)施布置設(shè)計(jì)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)聯(lián)非常密切以至于在實(shí)驗(yàn)室無法完成的問題，通過仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬智能制造場(chǎng)景模型，達(dá)到進(jìn)行設(shè)施布置規(guī)劃的目的，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠以實(shí)踐為主、討論為輔，改變了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以講解為主、以觀看為輔的形式，能夠更充分地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用。同時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)將“運(yùn)籌學(xué)”、“系統(tǒng)工程”、“設(shè)施規(guī)劃”等多門課程知識(shí)集成，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)物流設(shè)施布置規(guī)劃知識(shí)的理解與掌握，提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程素養(yǎng)，取得了較好的效果。