工业工程实验系统设计探究精品资料.docx

1、工业工程实验系统设计探究精品资料 工业工程实验系统设计探究引言随着国内设立工业工程(IndustrialEngineering，IE)专业的高校数量日益增长，对于IE专业实验室的建设受到越来越多的重视。根据IE学科特点，国内较早设立IE专业的学校在进行专业实验室的规划与建设时，一般设置了基础IE实验室和现代IE实验室两个模块1-3。基础IE实验，或称经典IE实验主要研究劳动者同劳动对象和周围环境之间的内在联系，以及人的心理、体力、能力与岗位作业要求、作业环境、疲劳状态之间的关系;以及以生产系统的微观基础作业或操作为研究对象，对工作过程中的程序、操作、动作进行诊断分析。通过实验让学生对工业工程产

2、生直观、综合性的认识，启发学生探索适宜的操作环境和高效的操作方法，掌握工作研究这一专门的IE诊断技术和有效的人因测试分析方法2。可开设的实验非常多，基本涵盖工业工程基础、人因工程学和工程心理学(研究生课程)三门课程，大部分为一般性的验证性实验，涉及程序分析、操作分析等内容的实验有些是建立在录像分析的基础上进行的。现代IE实验，主要是利用现代高科技手段与计算机，采集、分析并优化产供销一体化企业中人、财、物、设备、方法、信息等资源的运行状况，充分挖掘企业人财物的利用潜力，进行整体分解并实现系统优化。主要建设内容体现在(各高校在名称上有所不同，但主要实验类型基本一致):(1)先进制造及数字化企业实验

3、室2。与制造、生产系统有关课程。如清华大学的微型CIMS、自建的“微型工厂”3和购置商品化“微型工厂”再开发4，目的是营造一个类似真实的生产环境，来从事CAD/CAM技术、CNC技术、NC编程、物流系统控制、FMS技术、CIMS技术、设施规划及物料搬运和运作研究、作业研究、系统工程与分析和工效学等等实验与研究。(2)企业资源规划实验室。生产计划与控制，管理信息系统，现代质量管理等课程。主要通过软件模拟企业生产、销售、供应链中所涉及的一切活动，实时跟踪控制和管理所涉及的信息流、资金流和物流运行状况;如上海交通大学的基于WWW的ERP系统WelcomeSoft，用友企业资源计划ERP系统(很多高校

4、均有使用)1。(3)系统仿真与设施规划实验室。设施规划与物流分析，运筹学，系统仿真和试验设计等课程，如在线仿真系统6、柔性制造系统仿真平台7。(4)物流工程实验室。与物流、供应链相关课程，如混流装配实验软件平台5。相对于基础IE实验而言，现代IE实验更注重在设计性、综合性实验，以及少部分的研究创新型实验，以培养学生的科学实验能力和创新能力8。1工业工程研究型实验的开发基础现代IE实验完全体现了工业工程专业突出的设计性、综合性要求，但是在创新性和研究型实验方面表现一般，本人认为原因在于:不管实验室的硬件营建起点多高，由于IE与生产实际的关联度高过很多其他专业，不可能将IE面临的各种系统及其运行状

5、态在实验室展示出来，因而必须有其他方法和技术来补充IE实验室的内涵，例如信息技术、虚拟现实技术等等，而所有这一切必须建立在IE的基石工业工程基础上。11基于生产实习的实验开发1998年，经广东省教育厅批准，我校工业工程专业于1999年招收本科生。IE实验室经过10多年的建设，已经建成了工作设计与时间研究实验室和人因工程实验室(经典IE)和企业资源规划实验室和系统仿真与设施规划实验室(现代IE实验室)，为IE专业本科生和研究生教学实验服务。实际教学中注重专业特色，率先在国内实施生产实习到珠三角的台资、港资及外资开展IE比较早和比较成功的企业进行生产实习和毕业设计9-10，在企业中担当实习IE工程

6、师的角色。生产实习的时间安排非常灵活，从大二结束的暑假、大三的寒假到大三的暑假，以老师联系为主学生联系实习单位为辅，企业将实习学生完全看成是自己的员工，工资福利与实习生一致。而学生则必须帮助企业解决生产实际问题，一般以小组形式成立各种IE专案改善小组，实习结束面向企业高中层进行成果汇报，并由企业给出实习成绩及评定。实习优秀和改善效果显著的，有些可以获得企业提供的奖励，同时也可以为毕业就业奠定基础。我校是较早在IE专业开设“试验设计(DesignofExperiment，DOE)”课程教学的学校之一，上机实验基本上是使用Minitab软件进行相关的数据分析处理，这些数据大部分是从其他教材中摘取的

7、，与生产实际的关联不大，学生认为该课程非常有用，但是不知道应该如何与生产实际过程相关联，从而定量分析解决生产实际问题。从2004年起开始，我们尝试要求学生完成正常实习要求及企业IE专案外，增加用DOE方法定量解决一个具体问题，要求从发现问题入手，进行DOE指标确定、因子确定、数据采集、方法分析、因子设计等工作，并写出报告，而非一般实验室报告。将实验内容中与生产实际关联密切的部分移出到工厂企业进行真正的DOE的尝试是成功的，启发了我们在后续的广东省质量工程项目建设和广东省特色专业的建设中，重新审视IE专业教学体系构成，在2011版的工业工程“3+1”教学大纲中已经完全体现了这种方法。由此，我校工

8、业工程专业实验室体系构成为“基础IE实验+现代IE实验+实习基地生产实验”的模式。12研究型实验的开发校外实习穿插生产实验可能会碰到的一个最大问题是有些实习工厂难于提供合适的工作环境与条件，因此这类实验必须是多向可选型，即教师必须从众多的课程教学与实验教学中提取相关的适宜在工厂企业进行的实验项目供学生选择，同时也供实习单位选择。同样地，有些实习单位也提供了一些与企业自身产品相关的实验项目，这样一来就可以保证学生在13次实习过程中完成至少一项综合性的实验过程。以往的实习过程中，有些同学3个假期均在工厂实习，完成了几项IE专案改善的同时，也进行了几次综合性、设计性实验。这些同学在三年级下学期、四年

9、级上学期的“设施规划与物流分析”及“生产计划与控制”等专业课程学习时给我们提出了一个问题:在已经完成基础IE等实验情况下，能否进行一些研究型的实验?以“生产计划与控制”的“生产作业计划”教学为例，涵盖的内容有主要讲解作业排序及排队论的基础知识，流水车间作业排序主要介绍几个经典的启发式求解排序的方法，对于作业车间排序问题则只讲解能动计划的生成。相应地，对于该章节教学是不安排实验教学环节的。研究生的教学中则增加优化算法求解排序问题的相关内容，并且很多研究生的多少与生产系统的优化相关。例如有IE专业本科生毕业后到纺织印染企业从事生产调度与排产工作，凸显了实际生产系统对于系统优化知识的需求。因此在工业

10、工程本科教学中，除了通过教学与实验实践使学生具有运用工业工程理论与方法、面向实际生产/服务系统进行开发、改进、管理的基本能力外，有条件的情况下，可以培养学生对系统进行优化的能力和进行研究的能力。研究型实验教学注重实验教学中的研究性，故又称研究性实验教学，研究性表现在实验的内容、方法、技术和过程上面12。浙江大学国家力学实验教学示范中心采用了“自助式实验教学模式”11，特别强调学生的自主性，即以科研模式进行实验，鼓励学生自立课题，并依托实验室资源由学生自己设计实验装置并自主指导工人制作，自己构思实验方案、独立完成实验并提交实验报告，学校则必须为学生提供放式(宽口径)研究型实验教学平台13-14。

11、鉴于IE专业的特点，研究型实验的开发应该是在已有硬件设施的前提下，充分运用信息技术、系统仿真技术、虚拟现实技术等等，面向生产/服务系统的优化而进行的。应该即能为本科高年级提供研究型实验，也能为研究生提供相关实验，同时为教学科研服务。2工业工程研究型仿真实验系统的开发2008年，我校正式成为Siemens数字化工厂软件的客户，主要是工厂设计和优化相关的软件系统，包括ProcessDesigner/ProcessSimulate/PlantSimulation/FactoryCAD。其中PlantSimulation主要面向本科研究生教学和相关科研项目，其他模块则主要为科研项目服务。作为拟成立的“

12、西门子广东工业大学生产系统仿真实验室”的一个主要内容，面向工业工程领域的经典问题的优化仿真模型的建立其实从2005年就开始了。从研究型实验教学的需求出发，我们从运筹学、试验设计、设施规划与物流分析、生产计划与控制等几门课程中提取了一些经典IE优化问题，并结合系统仿真课程，于2006年的教学改革中将这5门课程的实验单独成2门独立的实验课程，实现了实验的课程化建设。2010年广东省质量工程项目建设、特色专业建设和校质量工程项目中，又提出了工业工程研究型仿真实验系统的建设。我们的初衷非常朴实:与其让部分学生大量课外时间花在网络及网络游戏上，不如让他们参与到一些同样是在电脑上完成的有意思的研究型仿真建

13、模上面来。经过近1年的努力，已经初步建设完成。21工业工程研究型仿真实验系统基本框架本仿真试验系统涵盖5门IE专业主干课程:运筹学、试验设计、设施规划与物流分析、生产计划与控制和系统仿真，基本构成框架如下(部分仿真模型界面见图1)。(1)运用DOE技术和仿真技术研究变动性对生产系统产出效率的影响的相关优化实验;(2)一般装配及混流装配系统中的物流配送系统的设计，装载小车的优化及线边暂存区在JIT生产方式下的最佳容量大小设置;(3)设施规划中的布置设计优化，包括工艺原则布置设计和产品原则布置设计的优化;(4)流水生产排产问题的优化求解;(5)作业车间排产问题的优化求解。对于研究型仿真试验系统，在

14、设计时应遵循的一些基本原则有:(1)系统为工业工程的每类经典问题提供一个基本框架，由研究实验者自己动手构建模型中的物流对象、信息流对象、用户接口对象等等;(2)系统提供一些优化算法，由研究实验者根据问题的特征进行选取。同时提供这些优化算法的说明，研究实验者自己编写相应的程序;(3)系统应具有良好的用户界面，模型简单易懂，便于研究实验者进行多方面的扩充开发;(4)仿真系统内的模型应该是可重用的，如标准HFS模型应该是对标准FSP模型重用，变异性HFS模型则是标准HFS模型的重用等等;(5)系统的发展应该朝网络化、实时化方向开发，以便实现“何时何地”均能进行，甚至学生在宿舍、在实习单位等等都可以方

15、便登陆系统。22变动性对生产系统产出效率的影响生产系统的变动包括:加工时间波动、机器故障的波动及故障修复时间的波动、供料的波动、生产切换(换模/换型)及返工(重工)等等，在DOE中属于影响因子，而系统指标为生产系统的产出率，因此本研究型实验就是要求学生通过仿真试验方法，通过方差分析、回归分析、因子设计和正交试验设计等方法，找出变动性对系统产出效率的影响规律来，然后从IE的角度提出提高效率的方法。其中，在加工系统的工站之间设立暂存区是一个不错的选择，而暂存区在系统的什么位置设置比较合适?暂存区的容量设置为多大可以使系统整体最优?等等这些问题预先提出给学生，让学生自己提出仿真模型构建的方案并且自己

16、编程搭建模型，然后再运行优化求解。23混流装配系统物料配送优化对于面向订单的制造企业，当生产计划与排产已经优化，即假设对于不同类型产品的装配序列已经确定的情况下的物料配送，混流装配线为保证已有装配任务的及时完成，如何在正确的条件下，将正确的物料按正确的数量在正确的时刻从物料中转区正确地运送到混装线的各个备料暂存区。及时制生产方式下，物料配送采用拉动方式，在装配线工站旁边设立有物料暂存区，暂存区的最小最大库存的设置与优化以及物料搬运小车的优化等等是本仿真实验研究的两个主要目标。24布置设计的优化设施规划中关于布置设计这一节的教学，主要面向本科学生讲述新建法、改建法和图论法，研究生教学中讲述常见的

17、智能优化算法:模拟退火算法和遗传算法。由于实际工作中对于车间级的布置设计与布置改善有较多的需求，这一点在学生的生产实习和毕业设计中已经反映了很多年了，而国内有关“设施规划与物流分析”的教材对于车间级的布置设计基本没有讲述，更没有相应的实验教学内容了。鉴于PlantSimulation提供了很好的遗传算法工具库，对于高年级本科生可以开设一些基本的遗传算法应用研究，用于进行布置设计中等面积设置布置中二次分配问题(Quadraticassignmentproblem，QAP)的优化求解，不等面积的多行布置设计的优化求解。已知作业单位的物料搬运量及布置工作地之间的位置关系，以此构造工作地之间的距离，要

18、求得到一个最小物流量的优化布置方案，这是本实验的基本要求。变异型的布置设计研究则可以考虑部分设备之间的工艺约束、环境约束等等。不等面积的布置设计问题是指已知作业单位间的物料搬运量，以及各作业单位的面积需求、布置场所的总面积大小，进行多行布置得优化求解。25生产排产问题的优化求解生产排产优化对于本科生教学只做启发式算法的仿真实验设计，个别学生要求可以进行标准的流水车间调度(FlowshopSchedulingProblem，FSP)的仿真模型构建及优化求解，而对研究生则要求在标准FSP基础上，对于混合流水车间调度(HybridFlow-shopScheduling，HFS)及并行流水车间调度问题做一定的要求，而对于作业车间调度问题的研究实验仅限于研究生开设。3结语