虛擬仿真實(shí)驗在制造與物流系統(tǒng)仿真教學(xué)中的應(yīng)用

王秋蓮，王鑫龍，易梓璇，王紫怡

（南昌大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江西 南昌）

一 引言

虛擬仿真實(shí)驗與高校課程的結(jié)合是高等教育現(xiàn)代化建設(shè)和實(shí)驗教學(xué)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)交叉融合的產(chǎn)物[1]。制造與物流系統(tǒng)仿真課程主要講述如何將制造業(yè)、物流業(yè)中各種模型在仿真軟件中再現(xiàn)出來，并進(jìn)行分析和改善。隨著制造與物流行業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)品研發(fā)周期越來越短，種類越來越豐富，學(xué)生需要了解的制造設(shè)備和制造工藝也越來越多，生產(chǎn)和物流系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計與優(yōu)化問題變得更為復(fù)雜。而且，在如今的形勢下，創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)踐能力是新時代背景下工業(yè)工程專業(yè)學(xué)生的重要素養(yǎng)。開展工業(yè)工程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)對地方高校工業(yè)工程專業(yè)研究生創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有顯著的意義，能夠改善研究生課程的教學(xué)質(zhì)量、提高畢業(yè)生質(zhì)量、豐富課堂教學(xué)內(nèi)容、提升教師教學(xué)水平，達(dá)到創(chuàng)新應(yīng)用型研究生培養(yǎng)目標(biāo)。

因此，僅靠傳統(tǒng)的實(shí)驗設(shè)備和教學(xué)模式，已經(jīng)無法達(dá)到現(xiàn)代教學(xué)的要求，通過虛擬仿真實(shí)驗來解決傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)的缺點(diǎn)勢在必行[2]。虛擬仿真實(shí)驗是工業(yè)工程專業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要手段。將虛擬仿真實(shí)驗課程與傳統(tǒng)課程相結(jié)合，做到“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)方法，以學(xué)生為主體，在虛擬實(shí)驗過程中通過不斷推演的方法教授實(shí)驗方法，學(xué)生學(xué)完方法后可以進(jìn)行自主練習(xí)，做到以學(xué)生為主體的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)踐能力。制造與物流系統(tǒng)仿真課程虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的內(nèi)容是全方位多層次的。

二 虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目建設(shè)意義

虛擬仿真實(shí)驗具有投資少、周期短、真實(shí)、可控、安全無破壞性、極易修改結(jié)構(gòu)及參數(shù)、易于考慮多種因素的綜合作用等優(yōu)點(diǎn)[3]。它可以避免傳統(tǒng)教學(xué)模式由于難以考慮各種因素相互間的影響，造成研究結(jié)果與實(shí)際情況相距甚遠(yuǎn)的缺點(diǎn)，而且可以降低實(shí)驗風(fēng)險，避免造成人力、物力和財力的浪費(fèi)。

制造與物流系統(tǒng)仿真課程的教學(xué)存在以下難點(diǎn)：

1.高成本：制造與物流系統(tǒng)中設(shè)備較多，學(xué)校難以承擔(dān)建設(shè)完整系統(tǒng)的高昂費(fèi)用。

2.制造系統(tǒng)的作業(yè)車間布局不能改變：企業(yè)的設(shè)備的布局不能隨意更改，因此不能在不同車間布局下探索柔性作業(yè)車間的調(diào)度方案的決策。

3.實(shí)驗難以操作：數(shù)據(jù)收集較難，操作一些機(jī)械設(shè)備對于學(xué)生來說較難且不安全。

4.綜合實(shí)訓(xùn)困難：企業(yè)因擔(dān)心設(shè)備損壞、耽誤生產(chǎn)任務(wù)等問題而不愿接收學(xué)生線下實(shí)訓(xùn)，導(dǎo)致學(xué)生很難有機(jī)會參與到柔性作業(yè)車間調(diào)度決策優(yōu)化實(shí)踐中。

對于制造與物流系統(tǒng)，生產(chǎn)調(diào)度、組織執(zhí)行生產(chǎn)計劃是重要的內(nèi)容，同時，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)有著生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、協(xié)作關(guān)系復(fù)雜、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)和情況變化快等特點(diǎn)[4]。所以，利用虛擬仿真實(shí)驗進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度工作，根據(jù)不同情況采取相應(yīng)對策，使差距縮小或恢復(fù)正常是非常重要的[5]。首先，虛擬仿真實(shí)驗平臺可以再現(xiàn)車間生產(chǎn)情景，實(shí)現(xiàn)工件實(shí)時加工軌跡的可視化、車間生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)的動態(tài)仿真，有效突破教學(xué)重難點(diǎn)；其次，通過對實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)的模擬，幫助學(xué)生形成對車間資源合理配置的理性認(rèn)識，深化學(xué)生的系統(tǒng)優(yōu)化意識，幫助學(xué)生形成對車間的感性認(rèn)識；另外，可以利用仿真去試驗不同的設(shè)計方案，有利于學(xué)生深入觀察不同配置、結(jié)構(gòu)和參數(shù)之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)和分析影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素；最后，仿真技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)中的瓶頸工序、部位和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)設(shè)計或運(yùn)營過程的優(yōu)化。

三 虛擬仿真實(shí)驗平臺設(shè)計

車間調(diào)度問題（Job Shop Scheduling Problem,JSP）是指在一定的約束條件下，事先指定各工件工序的加工機(jī)器，然后確定各機(jī)器上工件的加工順序，以達(dá)到理想的調(diào)度目標(biāo)。柔性作業(yè)車間調(diào)度問題（Flexible Job Shop Scheduling Problem, FJSP）在JSP的基礎(chǔ)上，增加了機(jī)器柔性，即工件工序的加工機(jī)器可選，需要同時確定加工機(jī)器和加工順序。主要決策內(nèi)容是對機(jī)器上的工序進(jìn)行排序以優(yōu)化指定的性能指標(biāo)。本實(shí)驗平臺以柔性作業(yè)車間為背景，搭建了一個虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)平臺。

實(shí)驗平臺分為單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化，單目標(biāo)優(yōu)化即只針對一個目標(biāo)進(jìn)行機(jī)器的選擇、工序的排序，使工件的完工時間最小。而多目標(biāo)的柔性車間調(diào)度需同時考慮最大完工時間、機(jī)器負(fù)載、拖期、加工成本等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，還需考慮能耗、碳排放等綠色指標(biāo)。這些指標(biāo)通常相互沖突，需合理安排以實(shí)現(xiàn)多個目標(biāo)共同優(yōu)化[6]。多目標(biāo)優(yōu)化的求解方法通?？梢苑譃橄闰灧ê秃篁灧?。其中，先驗法是指通過聚合函數(shù)將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)，然后再進(jìn)行求解的方法。先驗法最終只能求取少數(shù)甚至一種解，并且它無法解決真實(shí)Pareto前沿為非凸的優(yōu)化問題。后驗法則采用Pareto支配關(guān)系來判斷解的優(yōu)劣，最終得到一組近似Pareto前沿解。目前，本實(shí)驗平臺處理多目標(biāo)問題采用的是后驗法。

（一） 柔性作業(yè)車間調(diào)度決策優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗平臺功能模塊

1.設(shè)備選型選數(shù)模塊：根據(jù)待加工工件信息和車間配備設(shè)備信息，在滿足工件工藝路線和可選機(jī)器的約束下，系統(tǒng)隨機(jī)生成調(diào)度方案。用戶可以根據(jù)生成的柔性作業(yè)車間的調(diào)度方案，設(shè)置車間各種工件的加工數(shù)量，從既有的對象庫中選擇執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)所需的機(jī)器。

2.車間布局模塊：在車間布局模塊中，學(xué)生可以將機(jī)器拖放到建模界面，進(jìn)行車間布局。根據(jù)生產(chǎn)方案中工件的工藝路線，建立對象之間的邏輯聯(lián)系。設(shè)置完工件的工藝路線后，系統(tǒng)后臺會調(diào)用生產(chǎn)任務(wù)中的工件各道工序在對應(yīng)設(shè)備上的加工時間、機(jī)器的功率參數(shù)信息，還原實(shí)際的生產(chǎn)調(diào)度方案，構(gòu)建調(diào)度方案的仿真模型。

3.仿真模型運(yùn)行模塊：根據(jù)前面對柔性作業(yè)車間的設(shè)置，運(yùn)行仿真模型，模型運(yùn)行的過程中，可以觀察系統(tǒng)運(yùn)行時每個工件加工時的工藝路線和機(jī)器的利用情況。根據(jù)輸出的仿真報告圖表記錄實(shí)驗結(jié)果，如設(shè)備實(shí)時的利用率、機(jī)器在不同狀態(tài)下的功率變化和能量消耗以及整個系統(tǒng)能量效率情況。學(xué)生可以根據(jù)不同優(yōu)化目標(biāo)的仿真結(jié)果，結(jié)合仿真輸出的圖表，對比不同方案的生產(chǎn)效率和能量效率指標(biāo)，分析仿真結(jié)果。

（二） 柔性作業(yè)車間調(diào)度決策優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗平臺操作流程

首先仿真系統(tǒng)隨機(jī)生成生產(chǎn)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)自主設(shè)定操作參數(shù)，并且根據(jù)加工工件數(shù)量和種類的不同，選擇合適的加工設(shè)備，完成調(diào)度方案的建模，實(shí)現(xiàn)工件工藝路線和能量流的仿真；在設(shè)定完初始的操作參數(shù)并選擇合適的加工設(shè)備之后，學(xué)生可以根據(jù)不同加工機(jī)器的特點(diǎn)進(jìn)行加工車間的布局，并根據(jù)調(diào)度方案，安排它們的加工順序，生成虛擬仿真加工車間，并運(yùn)行仿真模型；最后通過查看仿真結(jié)果，可以對比不同調(diào)度方案在不同評價指標(biāo)下的性能。另外，柔性作業(yè)車間調(diào)度決策優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗平臺分為教學(xué)模塊和考核模塊，教師可先通過教學(xué)模塊進(jìn)行該平臺的操作演示，再利用考核模塊對學(xué)生進(jìn)行考核[7]。

柔性作業(yè)車間調(diào)度決策優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗平臺操作流程如圖1所示。

圖1 柔性作業(yè)車間調(diào)度決策優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗平臺操作流程圖

四 虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目特色和實(shí)施效果

（一） 教學(xué)方法特色

本實(shí)驗教學(xué)團(tuán)隊通過對課堂講授、虛擬仿真、實(shí)驗匯報、課堂討論等多種教學(xué)方法的混合運(yùn)用，在仿真實(shí)驗中應(yīng)用歸納法、推演法和比較法等實(shí)驗方法，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真教學(xué)內(nèi)容的具體化、簡單化、模塊化、體驗化，進(jìn)而大大提高教學(xué)效果。項目貫徹以學(xué)生為中心，秉持實(shí)踐加深理解的理念，采用案例教學(xué)法和個人學(xué)習(xí)模式，將學(xué)生帶入特定的柔性作業(yè)車間調(diào)度決策優(yōu)化教學(xué)實(shí)驗情境中，通過學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、各種網(wǎng)絡(luò)訪問方式進(jìn)行線上交流，采用定期匯報、課堂研討等方式，加深對柔性作業(yè)車間、作業(yè)調(diào)度兩個抽象概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、工程能力和創(chuàng)新能力。

將虛擬實(shí)驗課程與傳統(tǒng)課程相結(jié)合，做到“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)方法，以學(xué)生為主體，在虛擬仿真實(shí)驗過程中通過不斷推演的方法教授實(shí)驗方法，學(xué)生學(xué)完方法后可以進(jìn)行自主練習(xí)，做到以學(xué)生為主體的教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在虛擬仿真環(huán)境下，教師可以通過專業(yè)軟件設(shè)定初始數(shù)據(jù)，然后學(xué)生通過虛擬仿真軟件操作端可以在線、連貫、快速地進(jìn)行決策模擬。

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，在連貫性、節(jié)能性、結(jié)果保存方面存在著極大的優(yōu)勢，“以虛補(bǔ)實(shí)”，節(jié)約成本，方便教學(xué)。同時堅持持續(xù)改進(jìn)、逐步優(yōu)化的方法引導(dǎo)學(xué)生對柔性作業(yè)車間生產(chǎn)調(diào)度的深度掌握。采用互動教學(xué)模式與學(xué)生進(jìn)行交互。首先提交隨機(jī)的初步調(diào)度方案及結(jié)果，然后由教師進(jìn)行在線審核與評價，給出評價建議；接著學(xué)生根據(jù)評價意見進(jìn)行修改，進(jìn)入考核模式，選擇不同的優(yōu)化指標(biāo)對生產(chǎn)調(diào)度方案進(jìn)行改進(jìn)，提交仿真運(yùn)行結(jié)果，由老師評定最終成績。

（二） 評價體系特色

本實(shí)驗項目納入制造與物流系統(tǒng)仿真、生產(chǎn)與運(yùn)作管理、運(yùn)營管理、物流與供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真等課程的實(shí)驗教學(xué)中。針對本實(shí)驗設(shè)計課程評價系統(tǒng)，評價內(nèi)容包括實(shí)驗操作難度、理論與實(shí)際相結(jié)合程度、課下使用次數(shù)、實(shí)驗完成度、實(shí)驗滿意度等評價指標(biāo)等，以及實(shí)驗校外訪問的次數(shù)。教師端能夠從全局視角看到學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗的全部數(shù)據(jù)，并且可以將每次仿真實(shí)驗的生產(chǎn)調(diào)度方案的甘特圖、設(shè)備利用率、能量效率等數(shù)據(jù)導(dǎo)出并生成圖表，對比分析選擇不同的優(yōu)化目標(biāo)對應(yīng)的仿真結(jié)果。同時針對虛擬仿真實(shí)驗，采用過程累加方式進(jìn)行評價，對實(shí)驗準(zhǔn)備、實(shí)驗參數(shù)設(shè)置、初步試驗方案和最終實(shí)驗方案進(jìn)行分別評價，最終采用加權(quán)的方式計算總成績，過程控制更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的參與性[8]。

（三） 實(shí)施效果

從2017年開始，《制造與物流系統(tǒng)仿真》課程成為我校工業(yè)工程碩士的必修專業(yè)課。2020年工業(yè)工程學(xué)科調(diào)整為工程管理一級學(xué)科下的二級學(xué)科，我校2021年修訂研究生培養(yǎng)方案，《制造與物流系統(tǒng)仿真》課程名稱更新為《工程系統(tǒng)建模與仿真》。目前，該課程總共已培養(yǎng)141名研究生。該課程顯著提升了工業(yè)工程研究生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，從2017年開始，每年均有碩士生參加工業(yè)工程領(lǐng)域的全國性賽事并取得名次。2020年，所開發(fā)的“柔性作業(yè)車間調(diào)度建模與優(yōu)化虛擬仿真實(shí)驗”被評為江西省虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)項目。同時，學(xué)生利用課堂上學(xué)習(xí)的仿真理論和工具，到實(shí)習(xí)基地和企業(yè)完成專案研究，為企業(yè)工業(yè)工程應(yīng)用和精益管理提供專業(yè)支持，取得顯著效果。多名同學(xué)在企業(yè)進(jìn)行工業(yè)工程專案研究，獲得企業(yè)工程師和管理員的一致好評。

五 結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)有助于整合教學(xué)資源，開發(fā)多種多樣的虛擬仿真教學(xué)項目，充分發(fā)揮現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗項目在人才培養(yǎng)中的作用。通過柔性作業(yè)車間調(diào)度決策優(yōu)化虛擬仿真教學(xué)，學(xué)生可以更加深刻地理解制造與物流系統(tǒng)的基本知識，掌握柔性作業(yè)車間、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)系統(tǒng)建模、單目標(biāo)優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化、生產(chǎn)效率、能量效率、生產(chǎn)系統(tǒng)仿真、批量等知識點(diǎn)；學(xué)生能夠更加真實(shí)地認(rèn)識柔性作業(yè)車間，掌握柔性作業(yè)車間調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化的技能。