虛擬仿真實驗在制造與物流系統仿真教學中的應用

王秋蓮，王鑫龍，易梓璇，王紫怡

（南昌大學 經濟管理學院，江西 南昌）

一 引言

虛擬仿真實驗與高校課程的結合是高等教育現代化建設和實驗教學信息化建設的重要內容，是學科專業與信息技術交叉融合的產物[1]。制造與物流系統仿真課程主要講述如何將制造業、物流業中各種模型在仿真軟件中再現出來，并進行分析和改善。隨著制造與物流行業的快速發展，產品研發周期越來越短，種類越來越豐富，學生需要了解的制造設備和制造工藝也越來越多，生產和物流系統的規劃、設計與優化問題變得更為復雜。而且，在如今的形勢下，創新應用實踐能力是新時代背景下工業工程專業學生的重要素養。開展工業工程虛擬仿真實驗教學對地方高校工業工程專業研究生創新應用實踐能力的培養具有顯著的意義，能夠改善研究生課程的教學質量、提高畢業生質量、豐富課堂教學內容、提升教師教學水平，達到創新應用型研究生培養目標。

因此，僅靠傳統的實驗設備和教學模式，已經無法達到現代教學的要求，通過虛擬仿真實驗來解決傳統實驗教學的缺點勢在必行[2]。虛擬仿真實驗是工業工程專業創新應用實踐能力培養的重要手段。將虛擬仿真實驗課程與傳統課程相結合，做到“虛實結合”的教學方法，以學生為主體，在虛擬實驗過程中通過不斷推演的方法教授實驗方法，學生學完方法后可以進行自主練習，做到以學生為主體的教學方式，培養學生的創新應用實踐能力。制造與物流系統仿真課程虛擬仿真實驗教學的內容是全方位多層次的。

二 虛擬仿真實驗教學項目建設意義

虛擬仿真實驗具有投資少、周期短、真實、可控、安全無破壞性、極易修改結構及參數、易于考慮多種因素的綜合作用等優點[3]。它可以避免傳統教學模式由于難以考慮各種因素相互間的影響，造成研究結果與實際情況相距甚遠的缺點，而且可以降低實驗風險，避免造成人力、物力和財力的浪費。

制造與物流系統仿真課程的教學存在以下難點：

1.高成本：制造與物流系統中設備較多，學校難以承擔建設完整系統的高昂費用。

2.制造系統的作業車間布局不能改變：企業的設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車間的調度方案的決策。

3.實驗難以操作：數據收集較難，操作一些機械設備對于學生來說較難且不安全。

4.綜合實訓困難：企業因擔心設備損壞、耽誤生產任務等問題而不愿接收學生線下實訓，導致學生很難有機會參與到柔性作業車間調度決策優化實踐中。

對于制造與物流系統，生產調度、組織執行生產計劃是重要的內容，同時，現代工業企業有著生產環節多、協作關系復雜、生產連續性強和情況變化快等特點[4]。所以，利用虛擬仿真實驗進行生產調度工作，根據不同情況采取相應對策，使差距縮小或恢復正常是非常重要的[5]。首先，虛擬仿真實驗平臺可以再現車間生產情景，實現工件實時加工軌跡的可視化、車間生產調度任務的動態仿真，有效突破教學重難點；其次，通過對實際生產任務的模擬，幫助學生形成對車間資源合理配置的理性認識，深化學生的系統優化意識，幫助學生形成對車間的感性認識；另外，可以利用仿真去試驗不同的設計方案，有利于學生深入觀察不同配置、結構和參數之間的相互作用，發現和分析影響系統性能的關鍵因素；最后，仿真技術可以發現和解決系統中的瓶頸工序、部位和設備，實現制造系統設計或運營過程的優化。

三 虛擬仿真實驗平臺設計

車間調度問題（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器，然后確定各機器上工件的加工順序，以達到理想的調度目標。柔性作業車間調度問題（Flexible Job Shop Scheduling Problem, FJSP）在JSP的基礎上，增加了機器柔性，即工件工序的加工機器可選，需要同時確定加工機器和加工順序。主要決策內容是對機器上的工序進行排序以優化指定的性能指標。本實驗平臺以柔性作業車間為背景，搭建了一個虛擬仿真實驗教學平臺。

實驗平臺分為單目標優化和多目標優化，單目標優化即只針對一個目標進行機器的選擇、工序的排序，使工件的完工時間最小。而多目標的柔性車間調度需同時考慮最大完工時間、機器負載、拖期、加工成本等經濟指標，還需考慮能耗、碳排放等綠色指標。這些指標通常相互沖突，需合理安排以實現多個目標共同優化[6]。多目標優化的求解方法通常可以分為先驗法和后驗法。其中，先驗法是指通過聚合函數將多目標問題轉化為單目標，然后再進行求解的方法。先驗法最終只能求取少數甚至一種解，并且它無法解決真實Pareto前沿為非凸的優化問題。后驗法則采用Pareto支配關系來判斷解的優劣，最終得到一組近似Pareto前沿解。目前，本實驗平臺處理多目標問題采用的是后驗法。

（一） 柔性作業車間調度決策優化虛擬仿真實驗平臺功能模塊

1.設備選型選數模塊：根據待加工工件信息和車間配備設備信息，在滿足工件工藝路線和可選機器的約束下，系統隨機生成調度方案。用戶可以根據生成的柔性作業車間的調度方案，設置車間各種工件的加工數量，從既有的對象庫中選擇執行生產任務所需的機器。

2.車間布局模塊：在車間布局模塊中，學生可以將機器拖放到建模界面，進行車間布局。根據生產方案中工件的工藝路線，建立對象之間的邏輯聯系。設置完工件的工藝路線后，系統后臺會調用生產任務中的工件各道工序在對應設備上的加工時間、機器的功率參數信息，還原實際的生產調度方案，構建調度方案的仿真模型。

3.仿真模型運行模塊：根據前面對柔性作業車間的設置，運行仿真模型，模型運行的過程中，可以觀察系統運行時每個工件加工時的工藝路線和機器的利用情況。根據輸出的仿真報告圖表記錄實驗結果，如設備實時的利用率、機器在不同狀態下的功率變化和能量消耗以及整個系統能量效率情況。學生可以根據不同優化目標的仿真結果，結合仿真輸出的圖表，對比不同方案的生產效率和能量效率指標，分析仿真結果。

（二） 柔性作業車間調度決策優化虛擬仿真實驗平臺操作流程

首先仿真系統隨機生成生產任務，學生根據生產任務自主設定操作參數，并且根據加工工件數量和種類的不同，選擇合適的加工設備，完成調度方案的建模，實現工件工藝路線和能量流的仿真；在設定完初始的操作參數并選擇合適的加工設備之后，學生可以根據不同加工機器的特點進行加工車間的布局，并根據調度方案，安排它們的加工順序，生成虛擬仿真加工車間，并運行仿真模型；最后通過查看仿真結果，可以對比不同調度方案在不同評價指標下的性能。另外，柔性作業車間調度決策優化虛擬仿真實驗平臺分為教學模塊和考核模塊，教師可先通過教學模塊進行該平臺的操作演示，再利用考核模塊對學生進行考核[7]。

柔性作業車間調度決策優化虛擬仿真實驗平臺操作流程如圖1所示。

圖1 柔性作業車間調度決策優化虛擬仿真實驗平臺操作流程圖

四 虛擬仿真實驗教學項目特色和實施效果

（一） 教學方法特色

本實驗教學團隊通過對課堂講授、虛擬仿真、實驗匯報、課堂討論等多種教學方法的混合運用，在仿真實驗中應用歸納法、推演法和比較法等實驗方法，實現對生產系統建模與仿真教學內容的具體化、簡單化、模塊化、體驗化，進而大大提高教學效果。項目貫徹以學生為中心，秉持實踐加深理解的理念，采用案例教學法和個人學習模式，將學生帶入特定的柔性作業車間調度決策優化教學實驗情境中，通過學校網絡教學平臺、各種網絡訪問方式進行線上交流，采用定期匯報、課堂研討等方式，加深對柔性作業車間、作業調度兩個抽象概念的理解，培養學生的分析能力、工程能力和創新能力。

將虛擬實驗課程與傳統課程相結合，做到“虛實結合”的教學方法，以學生為主體，在虛擬仿真實驗過程中通過不斷推演的方法教授實驗方法，學生學完方法后可以進行自主練習，做到以學生為主體的教學方式，培養學生的自主學習能力。在虛擬仿真環境下，教師可以通過專業軟件設定初始數據，然后學生通過虛擬仿真軟件操作端可以在線、連貫、快速地進行決策模擬。

與傳統教學相比，在連貫性、節能性、結果保存方面存在著極大的優勢，“以虛補實”，節約成本，方便教學。同時堅持持續改進、逐步優化的方法引導學生對柔性作業車間生產調度的深度掌握。采用互動教學模式與學生進行交互。首先提交隨機的初步調度方案及結果，然后由教師進行在線審核與評價，給出評價建議；接著學生根據評價意見進行修改，進入考核模式，選擇不同的優化指標對生產調度方案進行改進，提交仿真運行結果，由老師評定最終成績。

（二） 評價體系特色

本實驗項目納入制造與物流系統仿真、生產與運作管理、運營管理、物流與供應鏈管理、生產系統建模與仿真等課程的實驗教學中。針對本實驗設計課程評價系統，評價內容包括實驗操作難度、理論與實際相結合程度、課下使用次數、實驗完成度、實驗滿意度等評價指標等，以及實驗校外訪問的次數。教師端能夠從全局視角看到學生進行仿真實驗的全部數據，并且可以將每次仿真實驗的生產調度方案的甘特圖、設備利用率、能量效率等數據導出并生成圖表，對比分析選擇不同的優化目標對應的仿真結果。同時針對虛擬仿真實驗，采用過程累加方式進行評價，對實驗準備、實驗參數設置、初步試驗方案和最終實驗方案進行分別評價，最終采用加權的方式計算總成績，過程控制更強調學生的參與性[8]。

（三） 實施效果

從2017年開始，《制造與物流系統仿真》課程成為我校工業工程碩士的必修專業課。2020年工業工程學科調整為工程管理一級學科下的二級學科，我校2021年修訂研究生培養方案，《制造與物流系統仿真》課程名稱更新為《工程系統建模與仿真》。目前，該課程總共已培養141名研究生。該課程顯著提升了工業工程研究生的創新實踐能力，從2017年開始，每年均有碩士生參加工業工程領域的全國性賽事并取得名次。2020年，所開發的“柔性作業車間調度建模與優化虛擬仿真實驗”被評為江西省虛擬仿真實驗教學項目。同時，學生利用課堂上學習的仿真理論和工具，到實習基地和企業完成專案研究，為企業工業工程應用和精益管理提供專業支持，取得顯著效果。多名同學在企業進行工業工程專案研究，獲得企業工程師和管理員的一致好評。

五 結語

虛擬仿真實驗教學有助于整合教學資源，開發多種多樣的虛擬仿真教學項目，充分發揮現有虛擬仿真實驗項目在人才培養中的作用。通過柔性作業車間調度決策優化虛擬仿真教學，學生可以更加深刻地理解制造與物流系統的基本知識，掌握柔性作業車間、生產調度、生產系統建模、單目標優化、多目標優化、生產效率、能量效率、生產系統仿真、批量等知識點；學生能夠更加真實地認識柔性作業車間，掌握柔性作業車間調度多目標優化的技能。