基于WITNESS仿真軟件的《生產運作管理》課程實驗教學

摘要：針對《生產運作管理》課程的特點，分析了傳統教學方法的不足，指出了在《生產運作管理》課程教學過程中利用WITNESS仿真軟件進行實驗教學的必要性。設計了基于WITNESS仿真軟件的《生產運作管理》課程實驗教學方案，詳細地介紹了多品種小批量生產系統仿真實驗教學實例。實踐證明，基于WITNESS仿真軟件的實驗教學在《生產運作管理》課程教學過程中取得了良好的教學效果。

關鍵詞：實驗教學;WITNESS仿真軟件;生產運作管理

中圖分類號：G642.4 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2014）42-0142-03

《生產運作管理》是一門是以制造業為背景的綜合性和實踐性較強的管理類專業基礎課，與企業生產實踐有著緊密的聯系，是具有鮮明的工程與管理特色的多學科交叉課程。世界各國大學的管理學院（商學院）都將《生產運作管理》、《財務管理》和《市場營銷》列為三大主要核心課程，由此可見本門課程在管理學科體系中占據非常重要的地位。

《生產運作管理》具有實踐性較強、與企業的生產實際聯系緊密的特點，因此對課程的教學內容，有一定實踐經驗的人會比較容易理解，而缺乏社會實踐和工作實踐的大學生卻常常視其為空洞的教條。傳統教學中沒有考慮到大學生普遍缺乏對企業生產運作過程的感性認識和實踐經驗，另外由于教學條件的限制，使得該課程的學習效果受到一定的影響。顯然僅僅通過課堂的理論介紹，學生很難體會到課程的重要性，很難達到課程的教學目標。因此，在這門課程的講授過程中有必要通過引入WITNESS仿真實驗教學來有效地提高學生的學習興趣和學習效果，以達到課程的教學目標。

一、基于WITNESS軟件的實驗教學設計

WITNESS是由總部位于英國奧克斯的Lanner公司開發的仿真軟件，采用面向對象的建模方法，用于制造業、服務業仿真領域。目前在全球范圍內已成功應用于3500多家企業的業務流程的仿真與優化，如大眾汽車、殼牌石油、福特汽車、通用汽車。國內的企業如中海油氣電集團技術研發中心、北汽福田康明斯發動機有限公司、煙臺通用東岳發動機有限公司、徐工集團徐工科技股份有限公司等也相繼引進了WITNESS仿真軟件進行企業業務流程的仿真與優化。與同類軟件相比，WITNESS仿真軟件的用戶界面比較友好，且能夠實時顯示系統仿真的整個過程，用戶可以清楚地了解到生產過程中可能發生的問題，能隨時地對模型的參數進行調整，實現對系統的優化。

WITNESS軟件為生產系統中各種類型的資源設計了相應的可視化元素，從而能夠逼真地模擬實際的生產系統。利用WITNESS軟件將《生產運作管理》課程涉及的各類生產系統制作成相應的WITNESS仿真模型，在教學過程中演示這些仿真模型可使學生能夠非常直觀地了解生產系統的運作過程、存在的問題以及應該如何解決出現的問題，從而激發學生學習的主動性和積極性，在學習的過程中能夠深刻體會到生產運作管理的相關知識和理論。

因此在《生產運作管理》課程的教學過程中利用WITNESS仿真軟件進行實驗教學，有利于學生理解實際生產系統的運作規律，提高學習本課程理論知識的興趣，同時可以使學到的理論能夠有效地聯系實際，提高學生規劃生產系統的能力。目前國內已有上海交通大學工業工程系、北京理工大學管理學院、天津工業大學管理學院等數十所高校購買了WITNESS仿真軟件用于相關課程的實驗教學。

為了使基于WITNESS仿真軟件的實驗教學能夠獲得更好的教學效果，作者設計并完善了符合大學本科管理類專業培養要求的WITNESS仿真實驗項目以及相應的實驗教學大綱和實驗指導書，供《生產運作管理》課程教學使用，具體的實驗內容與要求如表1所示。本文提出的這些實驗內容稍加調整之后也可以用于其他相關課程的實驗教學。

二、WITNESS仿真軟件實驗教學實例

下面以多品種小批量生產系統仿真實驗為例來說明WITNESS仿真軟件在生產運作管理中的應用，該實例已用于本課程的實驗教學，并取得了較好的教學效果。

（一）實驗素材

有一個生產車間有5組機器組，加工三種不同類型的產品甲、乙、丙。第1、2、3、4、5組機器分別有3、2、4，3、1臺相同的機器，三種待加工產品到達車間的間隔時間分別服從均值為35、25、45分鐘的負指數分布。甲產品首先在第2組機器上加工，接著在第5組，然后在第3組機器上加工，最后在第1組機器上完成最后工序，加工時間分別服從均值為20、15、25、20分鐘的二階愛爾朗分布。乙產品首先在第4組機器上加工，接著在第5組，最后在第2組機器上完成最后工序，加工時間分別服從均值為48、34、31分鐘的二階愛爾朗分布。丙產品首先在第3組機器上加工，接著在第1組，最后在第4組機器上完成最后工序，加工時間分別服從均值為48、15、36分鐘的二階愛爾朗分布。

如果一項作業在特定時間到達車間，發現該組機器全都正在進行加工工作，該作業就在該組機器處進入一個先來先服務（First Come First Service，FCFS）規則的緩沖區隊列等待加工。

要求建立該多品種小批量生產系統的仿真模型，進行365個工作日的仿真，并對實驗數據進行分析，找出當前生產系統的瓶頸環節，并提出相應的改善方案。

（二）實驗步驟

（1）建立多品種小批量生產系統仿真模型

首先，在WITNESS仿真軟件的布局窗口定義3個part元素分別表示三種產品、5個machine元素分別表示5組機器組和5個buffers元素分別表示機器組前的緩沖區，接著利用WITNESS系統元素ROUTE定義三種產品的加工過程，最后確定模型中各個元素的工作參數以及元素之間的邏輯關系，從而得到多品種小批量生產系統的仿真模型如圖1所示。

（2）仿真模型的運行及結果分析

運行多品種小批量生產系統仿真模型365個工作日，使用WITNESS的report工具，得到關于各組機器的利用率，如圖2所示。

從圖2中的仿真結果可看出，目前生產系統的各個生產環節的生產能力不平衡，第1組和第3組機器組的空閑率較高，生產能力過剩，而第2、4、5組機器組的空閑率較低，特別是第5組機器組的空閑率小于1%，生產能力嚴重不足，因此應適當調整各機器組中機器的數量使得各機器組的生產能力盡量一致。

（3）多品種小批量生產系統的改進

通過前面的分析，為了使該生產系統的各個生產環節的生產能力達到平衡，將第1、2、3、4、5組機器組的機器數量分別調整為1、2、2、3、2臺。運行改進后的仿真模型，使用WITNESS的report工具，得到關于各機器組的生產能力利用率如圖3所示。

從圖3中的統計報表可看出調整了機器數量之后，生產系統中各機器組的繁忙率均在87%～88%左右，從而使得多品種小批量生產系統各機器組的生產能力得到了大致的平衡。

三、結束語

作者從2009年開始在《生產運作管理》課程教學中采用了基于WITNESS仿真軟件的實驗教學方案。實踐證明，在生產運作管理課程的教學過程中運用WITNESS仿真軟件開展實驗教學可以使學生增加對生產運作課程的興趣，對企業生產運作過程的計劃、組織與控制機理有進一步的理解，能夠進一步調動學生學習這門課程的積極性，使學到的理論能夠有效地聯系實際，從而提高學生的綜合能力，滿足社會對創新型、復合型人才的需求。

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基金項目：北京市屬高等學校高層次人才引進與培養計劃項目（CIT&TCD201304118）;北京信息科技大學2012年度《生產運作管理》課程建設項目。

作者簡介：蔣洪偉（1972-），男，錫伯族，遼寧省沈陽市人，工學博士，北京信息科技大學信息管理學院副教授，碩士生導師，研究方向：生產運作管理、物流與供應鏈管理。