基于Visual Components的生產(chǎn)線平衡仿真實驗設(shè)計

高彬 王洪峰

摘要：針對工業(yè)智能等新工科專業(yè)開設(shè)的智能生產(chǎn)與物流運作管理選修課程中重要的知識點-生產(chǎn)線平衡問題，基于實驗中心實驗網(wǎng)絡(luò)平臺和Visual Components專業(yè)仿真軟件，結(jié)合實驗背景，從實驗?zāi)康?、實驗環(huán)境、實驗原理、實驗任務(wù)、實驗要求等方面設(shè)計仿真實驗方案。通過仿真實驗不僅可以幫助學(xué)生理解生產(chǎn)線平衡的原理和方法，還可以幫助學(xué)生熟悉掌握Visual Components軟件功能和基本應(yīng)用，從而提高運用現(xiàn)代專業(yè)工具軟件分析解決專業(yè)領(lǐng)域問題的能力。

關(guān)鍵詞： Visual Components; 生產(chǎn)線平衡; 仿真實驗; 生產(chǎn)運作; 工具軟件

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）18-0051-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

東北大學(xué)立足“新一代人工智能”國家科技重點發(fā)展戰(zhàn)略，面向以智能制造為代表的我國科技產(chǎn)業(yè)主戰(zhàn)場，瞄準(zhǔn)我國工業(yè)自動化向智能化轉(zhuǎn)型升級的發(fā)展需求，為國家培養(yǎng)工業(yè)智能及相關(guān)領(lǐng)域高級工程技術(shù)人才，經(jīng)教育部批準(zhǔn)設(shè)立新工科專業(yè)-工業(yè)智能專業(yè)。智能生產(chǎn)與物流運作管理是面向新工科專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門選修課，是在原有生產(chǎn)與物流運作管理課程內(nèi)容基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造的課程。智能生產(chǎn)與物流管理貼近現(xiàn)代制造業(yè)和物流業(yè)，實踐性和操作性要求高。但在原有課程講授過程中，受場地、成本等限制難以在學(xué)校建立真實實驗環(huán)境，同時由于安全性、企業(yè)接待能力和意愿等限制無法去有代表性的企業(yè)進(jìn)行實習(xí)實踐，存在實驗教學(xué)不足，學(xué)生實踐能力培養(yǎng)不夠等問題[1-3]。再者，隨著智能數(shù)字化等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，提高運作管理效率，降低運作管理成本，運用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)與物流運作管理優(yōu)化已成為一種趨勢[4]。因此，在新課程設(shè)置中，基于數(shù)字化工廠仿真軟件搭建虛擬仿真實驗平臺，通過虛擬仿真生產(chǎn)與物流運作管理過程開展實驗教學(xué)，既能提高學(xué)生對生產(chǎn)與物流運作管理知識理解，也能使學(xué)生了解掌握主流虛擬仿真軟件功能，有助于培養(yǎng)能夠在工業(yè)智能及相關(guān)領(lǐng)域從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工程實踐與技術(shù)管理等方面的寬口徑、高素質(zhì)、創(chuàng)新型、復(fù)合型高級工程技術(shù)人才的目標(biāo)實現(xiàn)。

2 實驗背景

2.1 智能生產(chǎn)與物流運作管理選修課程及生產(chǎn)線平衡

《智能生產(chǎn)與物流運作管理》課程是人工智能、工業(yè)智能相關(guān)專業(yè)的選修課。生產(chǎn)與物流運作管理是企業(yè)經(jīng)營管理的基礎(chǔ)，它關(guān)系到企業(yè)運營的成敗與效率[5]。其內(nèi)容主要包括：生產(chǎn)運作戰(zhàn)略規(guī)劃、組織設(shè)計、運行控制和升級維護(hù)等活動。通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生了解智能生產(chǎn)與物流運作管理的概念和理論體系、目標(biāo)和任務(wù)，生產(chǎn)與運作系統(tǒng)的選擇與建設(shè)，生產(chǎn)和服務(wù)選址，生產(chǎn)和服務(wù)系統(tǒng)布置，生產(chǎn)與運作計劃，計劃信息系統(tǒng)，質(zhì)量管理，作業(yè)成本管理，設(shè)備管理，準(zhǔn)時生產(chǎn)方式，智能生產(chǎn)及智能物流等。在職業(yè)素質(zhì)上提高學(xué)生在生產(chǎn)運作管理領(lǐng)域分析問題、解決問題的能力，具備生產(chǎn)管理專員的基本素質(zhì)，培養(yǎng)和提高學(xué)生生產(chǎn)運作管理的能力，達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)提出的要求。

裝配生產(chǎn)是多數(shù)制造業(yè)重要的生產(chǎn)形式。大批量產(chǎn)品裝配生產(chǎn)常常采用連續(xù)傳動流水式生產(chǎn)，裝配件在裝配過程中隨傳送裝置一起處于運動狀態(tài)，工人在各自的工位上在節(jié)拍時間內(nèi)完成該工位所規(guī)定的作業(yè)內(nèi)容，接著完成下一個裝配件的相同作業(yè)內(nèi)容[6]。具有生產(chǎn)連續(xù)性高、工作專業(yè)化程度高、按節(jié)拍進(jìn)行生產(chǎn)等特點。生產(chǎn)線平衡是流水線生產(chǎn)運作管理的重要優(yōu)化問題。生產(chǎn)線平衡是指構(gòu)成流水生產(chǎn)線各道工序所需的時間處于平衡狀態(tài)，作業(yè)人員的作業(yè)時間盡可能地保持一致，使得生產(chǎn)過程順暢進(jìn)行，消除各道工序間的時間浪費，進(jìn)而達(dá)到生產(chǎn)線的平衡運轉(zhuǎn)。

2.2 Visual Components軟件介紹

Visual Components軟件，簡稱VC，是由芬蘭Visual Components公司開發(fā)的一款智能制造3D 數(shù)字化工廠仿真軟件，為自動化設(shè)備制造商、系統(tǒng)整合商、制造型公司提供一種簡單、快速和高效的設(shè)計方式，通過快速制作三維設(shè)備/組件庫，來構(gòu)建工廠內(nèi)部的整體可視化方案。VC將離散事件模擬仿真、人機(jī)協(xié)作仿真、機(jī)器人離線編程開發(fā)和PLC虛擬調(diào)試集于一個平臺。自帶包含各大品牌商的機(jī)器人及豐富的自動化產(chǎn)線元素的網(wǎng)絡(luò)組件庫（eCatalog），可以方便地進(jìn)行布局配置和流程建模。VC在模擬仿真時，可實時采集仿真數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)圖表，讓用戶了解整線的效率、產(chǎn)出率等，便于進(jìn)行自動化產(chǎn)線瓶頸尋找及優(yōu)化。VC軟件支持中文版的操作界面和幫助文件，軟件界面友好，易于學(xué)習(xí)和操作。目前在國內(nèi)高等院校工程大學(xué)覆蓋率達(dá)40%[7]。東北大學(xué)于2020年確定采購該款產(chǎn)品作為工業(yè)智能專業(yè)實驗仿真平臺軟件。

3 實驗方案設(shè)計

3.1 實驗?zāi)康?/p>

1）理解流水線生產(chǎn)的生產(chǎn)線平衡原理，掌握運用生產(chǎn)線平衡方法進(jìn)行生產(chǎn)線優(yōu)化。

2）熟悉掌握作為領(lǐng)域代表性的現(xiàn)代專業(yè)模擬仿真工具軟件Visual Components的原理與使用，基本了解運用該款軟件進(jìn)行工程領(lǐng)域問題的仿真分析計算和優(yōu)化的過程和方法。

3.2 實驗環(huán)境

學(xué)院通過服務(wù)器虛擬化軟件搭建具備高可用性的集群服務(wù)器環(huán)境形成實驗中心桌面云實驗平臺，為學(xué)生新建和開啟虛擬機(jī)，通過虛擬桌面發(fā)布平臺將實驗用工具軟件資源進(jìn)行整合，學(xué)生可通過校園網(wǎng)內(nèi)任意終端設(shè)備隨時隨地進(jìn)行實驗軟件資源授權(quán)使用，從而可以不受時空限制進(jìn)行工具類軟件學(xué)習(xí)實驗。本實驗為學(xué)生搭建的虛擬機(jī)環(huán)境如下：操作系統(tǒng)：Microsoft Windows 10，處理器：Intel i7 9700F，內(nèi)存：16G，顯卡：NVIDIA Quadro P1000，仿真軟件：MloT.VC Premium 4.2 （64-bit）。

3.3 實驗原理

1）生產(chǎn)線平衡的基本概念和評價參數(shù)[8]

工作要素又稱為工序，是完成某項操作所進(jìn)行的最小工作單元，在進(jìn)行生產(chǎn)線平衡時不能再行拆分。

工作站又稱工位，是裝配線中的一個工作地，產(chǎn)品在此工作地要完成一個或幾個工作要素（工序）的操作。

優(yōu)先圖是描述各工作要素加工次序的圖。某些工序只有在前面的工序完成之后才能進(jìn)行。

生產(chǎn)線節(jié)拍是指連續(xù)完成相同的兩個產(chǎn)品之間的間隔時間，即完成一個產(chǎn)品所需的平均時間。整個流水生產(chǎn)線的節(jié)拍是由最長工位時間（瓶頸崗位時間）決定的。

生產(chǎn)線平衡率，是所有工位時間之和與節(jié)拍時間與工位數(shù)之積的比值，生產(chǎn)線平衡損失是1-生產(chǎn)線平衡率，生產(chǎn)線平衡的目標(biāo)就是使生產(chǎn)線平衡率達(dá)到85%以上，換言之，是將生產(chǎn)線平衡損失至少控制在15%以下。

生產(chǎn)線改善分為工序改善和生產(chǎn)線平衡兩個方面，其中工序改善是降低工位操作時間，提高工位效率和質(zhì)量;生產(chǎn)線平衡是在工序改善后，工序工時已定情況下，對生產(chǎn)線進(jìn)行整體重排平衡，達(dá)到工位操作時間平衡（即各工位之間的時間差距要盡可能?。┖蜕a(chǎn)線能夠連續(xù)生產(chǎn)的目標(biāo)，從而提高生產(chǎn)線平衡率。本實驗是針對生產(chǎn)線平衡問題進(jìn)行。

2）生產(chǎn)線平衡的步驟及方法

生產(chǎn)線平衡的基本步驟是收集計算產(chǎn)品所有工序生產(chǎn)時間，畫出工序優(yōu)先圖，決定生產(chǎn)節(jié)拍，確定理論工位數(shù)，按理論工位進(jìn)行生產(chǎn)線平衡，計算并進(jìn)行結(jié)果評價。生產(chǎn)線平衡是典型的組合優(yōu)化問題。實際生產(chǎn)線平衡有很多常規(guī)方法，課堂上講解了霍夫曼方法，即在所有可行的第一工位平衡中，選擇能最大程度減少第一工位窩工時間的一種平衡，然后在最大限度減少第二工位的窩工時間，依次類推。

3.4 實驗任務(wù)

1）任務(wù)背景

以某電子產(chǎn)品配套生產(chǎn)廠商的手持空調(diào)遙控器組裝生產(chǎn)為研究對象，其各工序組成及加工時間、順序要求如表1所示。

現(xiàn)行生產(chǎn)線工序優(yōu)先圖以及工位排程如圖1所示。圖1上部圓圈代表工序，其內(nèi)部標(biāo)識工序編號和工序加工時間，箭頭代表加工順序。虛線框是將一個或多個工序組成加工工位，并進(jìn)行工位編號標(biāo)識。圖1下部是進(jìn)行生產(chǎn)線工位排程后的結(jié)果，方框代表工位，其內(nèi)部標(biāo)識工位所含工序和工位加工時間。

按照現(xiàn)行生產(chǎn)線工序優(yōu)先圖以及工位排程情況，應(yīng)用Visual Components軟件仿真結(jié)果如圖2所示。

2）任務(wù)要求

①根據(jù)任務(wù)背景數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)行生產(chǎn)線仿真布局，對現(xiàn)行生產(chǎn)線進(jìn)行平衡問題分析。

②設(shè)定生產(chǎn)節(jié)拍為10秒，對現(xiàn)行生產(chǎn)線進(jìn)行平衡優(yōu)化，重新進(jìn)行工位排程，通過Visual Components軟件進(jìn)行結(jié)果仿真，就優(yōu)化過程給出解釋說明并進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果評價，完成實驗報告。

3.5 實驗要求及說明

1）課前預(yù)習(xí)

通過向?qū)W生提供Visual Components軟件操作說明書和操作演示視頻，要求學(xué)生自主熟悉實驗環(huán)境，理解軟件的基本命令結(jié)構(gòu)、特點及其使用方法，掌握軟件的各種操作工具的使用、常用命令的特點以及應(yīng)用范圍、規(guī)劃布局的技巧，基本掌握在虛擬環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)線規(guī)劃布局設(shè)計的方法。

2）現(xiàn)行生產(chǎn)線仿真

結(jié)合課前給出的現(xiàn)行生產(chǎn)線工序優(yōu)先圖及工位排程和生產(chǎn)線仿真布局的典型工程樣例，要求學(xué)生在實驗課前或?qū)嶒炚n內(nèi)前半段時間里，基于實驗環(huán)境和Visual Components軟件進(jìn)行案例驗證性重現(xiàn)?？梢远酱賹W(xué)生完成課前預(yù)習(xí)并檢驗預(yù)習(xí)效果，為后續(xù)實驗任務(wù)完成和實驗技能提升提供可能。

3）生產(chǎn)線平衡優(yōu)化

以任務(wù)驅(qū)動形式要求學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)行生產(chǎn)線平衡優(yōu)化，對生產(chǎn)線平衡方法不進(jìn)行限定，鼓勵學(xué)生采用課程內(nèi)未講授的其他方法實現(xiàn)。要求學(xué)生就現(xiàn)行生產(chǎn)線問題進(jìn)行分析，就生產(chǎn)線平衡采用的方法、計算流程、優(yōu)化結(jié)果評價等進(jìn)行論述說明，并通過Visual Components軟件完成優(yōu)化后的生產(chǎn)線布局仿真，將仿真結(jié)果及相關(guān)圖表截圖或?qū)С觥＿@部分內(nèi)容要求學(xué)生以實驗報告形式提交，培養(yǎng)學(xué)生運用專業(yè)理論方法和工具軟件分析解決問題以及技術(shù)文檔撰寫能力。

4 結(jié)論

基于Visual Components軟件進(jìn)行生產(chǎn)線仿真及平衡優(yōu)化可以幫助學(xué)生形象理解企業(yè)生產(chǎn)運作管理的基本知識和方法。對于Visual Components軟件來說，本實驗僅僅是引導(dǎo)性的基礎(chǔ)入門級應(yīng)用，后續(xù)隨著專業(yè)課程的深入開展和仿真軟件的深度應(yīng)用，可以幫助學(xué)生更全面了解現(xiàn)代專業(yè)工具軟件的功能和方法，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自覺運用現(xiàn)代專業(yè)工具軟件分析解決專業(yè)領(lǐng)域問題，培養(yǎng)提高科學(xué)思維、工程實踐和科技創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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[7] 郭鵬.Visual components 是一款怎樣的軟件？[EB/OL]. https：//www.zhihu.com/question/309931216/answer/1174765154.

[8] 姜康青.柔性化生產(chǎn)方式下汽車裝配線平衡調(diào)整方法的研究和實踐[D].上海：上海交通大學(xué)，2003：12-14，22.

【通聯(lián)編輯：王力】