《生產計劃與控制》課程設計的建設與實踐

張思奇ZHANG Si-qi；劉陽LIU Yang；張云鳳ZHANG Yun-feng；王婉娟WANG Wan-juan

（沈陽建筑大學，沈陽 110168）

（Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

0 引言

課程設計不僅是高等學校實踐教學環節的重要組成部分，更是強化學生實踐能力的重要環節。在進行課程設計之前，大學生應當掌握堅實的專業基礎理論、廣泛的專業知識以及基本的實驗方法，不僅對培養學生提出問題、分析問題、解決問題以及初步形成科學研究的綜合能力具有重要作用，更是增強學生職業意識以及鞏固所學理論知識的重要途徑。

《生產計劃與控制》課程之所以被列為高校物流工程專業的核心專業課程，那是因為其具有實踐性強以及緊密聯系生產實際的特點。但是目前的國內高校受到各種限制已經形成了紙上談兵的教學形式，并且對學生掌握生產系統規劃設計方法的要求隨著企業信息化的發展提出了較高的實踐操作能力要求。由于在目前的教學體系中缺乏能力培養的環節，從而達不到企業的用人要求。

本文重點從提高《生產計劃與控制》課程設計教學內容角度對實踐教學系統的建設和應用情況進行研究，旨在提高該課程的教學效果。在生產物流課程設計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、應用廣泛且是一種成功的方法，但是由于其過于強調數學抽象，因此，此方法可以求得最優解但是卻不便于分析實際的系統，并且隨著不斷擴大的現代物流系統規模，使得這種方法在求得最優解過程中變得十分復雜甚至求不出最優解。而仿真法則是根據系統的實際結構和組成利用已經對系統調研分析獲得的數據建立的動態模型進行分析，由于此模型不僅對物理特性和邏輯特性進行了很好的表達且貼近實際，因此便于分析系統。因此，運行一次仿真模型只是對系統的一次抽樣的模擬，因此，仿真方法不是一種優化方法并不求出最優解，但是可以根據模型的運行效果進行參數修改，經過反復仿真以求得最優解。因此，隨著我國制造業信息化進程的不斷推進，仿真規劃將會得到越來越廣泛的研究和應用。

1 基于eM-Plant 仿真的《生產計劃與控制》課程設計方案研究

1.1 《生產計劃與控制》課程設計建設目標 當學生完成一門或多門專業課程教學后，綜合利用所學知識以及查閱相關資料從而完成方案構思或方案設計計算實踐性環節即《生產計劃與控制》課程設計。此設計不僅有利于培養學生的動手能力和創造能力，并且還為學生提供了一個既動手又動腦且理論結合實際的機會。本文的目標是：解決課程設計教學模式單一且缺乏仿真模擬實踐教學環節的問題，從而充分發揮學生的主動性和創造性。

1.2 基于eM-Plant 仿真的《生產計劃與控制》課程設計的內容 本課設根據企業生產現狀及生產流程的分析，運用所學的先進生產物流管理模式，對其進行總體規劃，以滿足柔性生產的要求。

①首先以生產系統為研究對象，提出生產線平衡理論與系統仿真技術相結合，通過對生產線的調查，收集整理生產線的相關數據。數據主要包括產品的BOM（物料清單），年產量，每種產品的工藝流程，每個工序的加工時間以及工人的人數，生產物料的種類、重量和尺寸等信息。物流工程專業開設了物流裝備和一些機械相關的課程，學生可以根據生產物料的種類、重量和尺寸確定物料搬運的設備及生產設備。根據產出量指標確定生產的規模，實現預期的生產目標。根據產成品的種類來設計柔性生產線（也叫混合生產線），能夠成批生產彼此不相關的產品，使得多品種、小批量生產成為一種高效率的生產。要求學生繪制生產線的工藝流程圖。

②然后，對混合生產線進行啟發式平衡設計，采用JIT技術實現對生產節拍的控制從而達到生產平衡。JIT 準時制生產方式作為一種獨特的生產管理技術，即通過生產流程化、作業標準化、生產均衡化、資源配置合理化。JIT 準時化生產系統是只在需要的時候，按需要的產品生產的需要，通過程序控制、庫存管理和生產，使生產庫存系統達到最小。

③在此基礎上，根據生產流程的種類和生產工藝對總體生產設施應用原則布置方法進行設施布局，主要采用產品原則布置（生產線布置），工藝原則布置（機群式布置）和成組單元布置。對于廠區物流單元布局可采用SLP（系統設施布置）方法設計，最終達到節約物流量搬運成本盡可能低的目地，使生產效率最高，并且要求繪制出生產流程的物流布局圖和裝配工位設計圖。

④再應用Johnson 啟發式算法（兩臺機器）、Palmer 算法（三臺及以上機器）、遺傳算法或其他算法進行車間的生產排程。這部分設計內容如果課程設計的時間不夠，可以不做。

⑤最后，在對生產線進行仿真實體抽象的基礎上，利用面向對象的離散事件仿真軟件eM-Plant，建立能夠滿足柔性生產要求的仿真模型。仿真模型與物理車間的區別在結構上是相似的，在功能上是同等的，區別在于它并不消耗真實的物質和能源。3D 可視化地展現生產系統運行效果，驗證方案的可行性，并分析仿真結果。這部分與前面工作的工作量各占一半。

1）仿真內容包括生產系統仿真模型的建立，人機作業分析的仿真，設施布置仿真，生產排程的仿真，設備數量的仿真，設備調度的仿真，暫存區的仿真，生產系統仿真的輸出，仿真結果分析及優化，最終提供優化設計方案。

2）參數設定包括決定設計的決策變量（如機床失效率、設備布局、零件加工工序）、工作負荷（如原材料到達規律）和運行規則（如先進先出）等內容。仿真軟件將這些數據轉換成制造系統模型，這個模型包含制造系統中各模塊的相互關系，并且是系統內隨機現象的統計模型。用戶仿真時，首先確定初始狀態（如暫存區容量、設備加工時間），從初始狀態，仿真軟件以時間為自變量按照模型的規則運行，跟蹤所發生的各種事件（如零件傳送、設備故障）。

3）最后設置多次運行設定不同的仿真情形、仿真運行時間和仿真前的熱身時間等信息，仿真軟件會輸出仿真結果，包括產出量，仿真時間，空閑時間，加工時間，設備利用率，零件通過率等統計性能參數。仿真結果分析包括加工時間波動、故障率和暫存區容量變化對產出率的影響，對象參數優化，瓶頸分析，對生產線平衡前后的重要指標進行比較，以達到生產線的平衡得到了極大的改善，生產率得到較大提高的目的。

通過計劃和控制生產物流從而對企業的生產物流系統進行優化，從而使得企業的物流暢通無阻，不僅可以保證生產過程的物料需求，又可以保證生產的正常運行。具體方案如圖1 所示。

圖1 《生產計劃與控制》課程設計方案設計

1.3 基于eM-Plant 仿真的《生產計劃與控制》課程設計的實施 在課設過程中，學生每人一題，每人上交一份研究報告和仿真模型。為了使得生產系統能夠滿足制定生產率的要求，學生應當通過對實際生產系統進行分析建模并給出生產綱領，對構建生產系統的設備進行合理選擇，從而優化各種參數以及平衡負荷，此外，還要對設備進行合理布局。研究目標是使生產線布局合理，物流順暢，生產線平衡率在85%以上，且具有較高的柔性。不僅滿足現有生產線的需要，為未來的擴展留有足夠的空間。

課設成績由平時成績（包括課設答疑情況，設計進度），研究報告（包括內容全面），仿真模型（包括復雜程度，與實際系統接近程度等），答辯成績（包括自述，回答問題）四部分組成。研究報告內容包括背景描述，仿真研究的目標，收集數據定義模型（包括精確數據、來自客戶或建模者的推斷），建模過程，對象的參數設置，編寫控制程序，設計仿真實驗（說明每種設計所需要的仿真次數、每次仿真的時間長度和初始狀態等），運行仿真程序，輸出仿真數據，仿真結果分析，模型優化分析。

2 結束語

本文研究的《生產計劃與控制》課程設計是生產管理模式與仿真技術在生產系統規劃設計中的應用。本課設內容涉及到《生產計劃與控制》課程和《物流系統仿真技術》課程的主要知識點，以及《物流裝備》課程和《系統設施布置》課程的相關內容，這種以《生產計劃與控制》課程為主體綜合四門課的理論知識應用實踐，有更重要的意義，使學生對這四門專業課融會貫通。課設應用了《生產計劃與控制》課程的一些重要的知識點——生產線平衡、生產排程、設施布置、柔性生產線，解決實際生產系統中典型問題，培養學生理論與實踐相結合。針對獲得的生產系統的規劃方案運用物流仿真軟件eM-Plant 建模驗證，實現在工程數據的驅動下，優化設計方案。3D 動畫顯示，給用戶直觀展現生產線的工作過程，以更直覺、更生動、更精確的方式給出生產車間的生產過程仿真結果，形成對生產線特征的準確理解與直觀評價，培養學生的動手能力和創造力。

[1]蔣祖華，苗瑞，陳友玲.工業工程專業課程設計指導[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]陳榮秋等.生產運作管理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]劉陽等.基于學生職業能力培養的“物流和供應鏈管理”課程教改研究[J].價值工程,2013，32：198-200.

[4]劉莉，賈世龍，許偉.土木工程專業預算課程設計的教學現狀與改進措施——以沈陽建筑大學為例[J].沈陽建筑大學學報(社會科學版)，2012，1：114-116.