工业工程虚拟仿真分布式实训方式探索

杨 琴, 陈金铭, 王文轲, 郝婷婷, 魏 芳

(四川师范大学 商学院, 四川 成都 610101)

1 工业工程实验实训教学

工业工程(industrial engineering,IE)学是集管理与工程技术于一体的综合性、实践性学科。在工业工程课程教学中涉及实验、实训、课程设计和实习环节,但是在实际教学体系中仍然存在实训教学与理论教学分离、实训教学各环节联系不紧密等问题，不利于推动学生实用技能和综合创新能力的培养。

虚拟仿真实训具备对现实的模拟性和操作性,有利于激发学生的学习兴趣、培养学生的创新精神和实践能力。以往仿真实训环节大多在实验室集中进行。由于实验室条件和资源有限,教师无法在理论授课时及时插入仿真实训内容。

针对实验室虚拟仿真实训教学方法的应用问题已有许多深入的研究。例如汽车构造原理与虚拟拆装、汽车性能虚拟仿真等实验教学平台的设计[1]；新能源分布式发电虚拟仿真实践教学平台的构建[2]；高度仿真的地球科学虚拟实验环境和实验对象的构建[3]；矿山测量虚拟仿真实验教学系统的构建[4]。许多学者在专业领域的实验方面融入了采用互联网技术的虚拟仿真研究,在实验室研究方面迈出了一大步[5-7]。

随着信息技术和互联网技术的突飞猛进,互联网思维和数据化逐渐嵌入教育教学过程。现在绝大多数虚拟仿真实训是搭建在计算机信息网络技术之上,具备随时、随地开展的条件。本文以实现实训内容和课堂教学紧密结合、加强实训教学各环节的联系为目标,结合四川师范大学工业工程专业的实训教学情况,探索如何充分运用云平台为实验教学开拓分布式虚拟仿真实训的方式方法。

2 虚拟仿真分布式实训构建思路

2.1 构建云平台

云平台系统由云平台管理服务器、客户端、网络设备等组成,它将实验室的计算机桌面统一部署于实验室中心服务器上,学生在实训中采集的数据也集中存储在服务器内,通过Web(局域网或广域网)将个人桌面系统快速交付给学生。学生可以通过不同类型的客户端设备,如台式计算机、笔记本电脑、手机及平板电脑等随时随地登录云平台。这是一种新型的实验室桌面使用模式。

四川师范大学为云平台建设提供了充足的基础条件,主要包括3部分。

(1) 云平台管理服务器。校内所有的服务器已实现虚拟化,将现有软件部署在实验室中心服务器上,学生可以随时随地利用互联网访问相关资源。此外,可访问的资源还包括SPSS、综合仿真、奥派、中国科学网工具软件教学视频库等资源。

(2) 客户端虚拟化(云桌面)。学生使用云终端软件或者PC安装终端软件即可实现所有资源直接访问,无需再单独安装软件,并且全网可用。

(3) 网络设备。已全面覆盖了校园网、WiFi及4G网络,学生可以流畅地通过网络传输信息。

2.2 虚拟仿真分布式实训的建设内容

2.2.1 整合虚拟仿真实验资源

以培养学生创新能力为出发点,整合已有的虚拟仿真实验教学资源,开展基础实验、综合实验、探索创新实验三大模块的开发与建设[8]。通过建立虚拟仿真事件案例资源库,为分布式实训奠定基础。通过规范化、标准化工业工程专业已有的仿真实训案例,充实实训内容,构建基于人因工程、生产系统、物流系统等模块的综合实训案例。通过已建成的虚拟仿真实训项目,服务于工业工程领域的多个专业的虚拟仿真实训教学,提高学生解决实际问题的能力和创新能力,培养具有创新能力的高素质工业工程技术人才[9]。

2.2.2 搭建“基础—综合—创新”递进式的实训体系

通过工业工程学的教学,学生需要深刻理解、能在实践中应用专业知识,提高解决工程问题的能力和创新思维能力。根据对清华大学和上海交通大学等高校工业工程专业实践教学开展情况的前期调研,总结出实训教学体系3个层次的递进实验:基础型实验、综合型实验和探索创新型实验,如图1所示。

图1 虚拟仿真分布式实训的建设图

(1) 基础型实验是专业课程中的基本实验。学生通过基础型实验,深入理论知识和实验方法的学习和运用(例如方法研究理论的实际应用、作业测定的方法使用、曲线的绘制与分析、设施规划仿真模拟等),学习相关软件知识(如“达宝易”软件、SPSS软件)。基础型实验有针对性地锻炼学生的实践能力。

(2) 综合型实验以能力训练为主,是在基础实验的基础上的模块化、综合性虚拟仿真实验。结合已有虚拟仿真教学资源,构建生产运作虚拟仿真(如Witness的装配线生产节拍平衡研究模块)、物流系统规划与设计仿真(如Flexsim的建模优化仿真模块)、工业工程动作分析仿真(如运用达宝易进行动作分析优化模块)综合实训。

(3) 探索创新型实验是以分布式虚拟仿真实训平台为基础,结合企业实习和教师的科研项目,指导学生针对现实问题设计工业工程虚拟仿真场景,创建虚拟仿真实训教学内容体系和实训教学资源共享平台。将教师现场指导学生实验的模式转变为网络化学生自主探索、教师辅助的开放式的实训教学模式,加强课外实训教学活动,给有兴趣进行探索创新型实验的学生提供网上自助式实训教学环境和条件,培养学生自主解决实际问题的能力，形成“以现实问题为驱动、团队协作开发设计实训、探索解决问题方案”的探索创新型实训机制。

通过搭建“基础—综合—创新”递进式的实训体系,为分布式实训的开展创造条件。

2.3 基础工业工程虚拟仿真分布式实训特色

工业工程的研究方向涉及生产管理、人因工程、物流工程、服务运作、系统优化等领域。针对上述领域,有重点地设计虚拟仿真实训项目,使学生深入学习不同研究方向的工作重点及工作范式。开发基础型实验、综合型实验、探索创新型实验的分层次、模块化实训教学体系,可以帮助学生更全面地了解工业工程的各个研究领域,可以从全局统筹角度优化决策行为,培养工业工程专业学生的创新能力。

现实事件具有不可重复性、偶发性和不确定性等特征,对事件的处理需要综合运用多个领域的知识。通过理论知识和专业实训的综合培养,使学生在掌握一定理论知识后，通过实训教学更直观了解工业工程的理论方法,再结合虚拟现实、多媒体、人机互动、数据库和网络通信等信息化技术,为学生构建高度仿真的虚拟实训环境和实训对象的虚拟仿真实训,可以实现真实实训不具备的实训功能,弥补了真实实训在这方面的不足。通过校内实训和校外实践的综合培养,使学生了解实训的工业背景,做到理论联系实际。建立政府、企业实际管理事件库,并与实际处理镜像联动,让学生使用真实数据模拟管理事件,虚拟仿真实训和实体实训相结合,强化虚实结合,更扎实地掌握理论知识。

3 虚拟仿真分布式实训方案

工业工程虚拟仿真分布式实训方案是在对基础实验熟练操作的基础上,综合运用生产运作、物流规划、调度等多方面的专业知识,在现有虚拟仿真实训的基础上,以云平台技术和分布式思想开发的、以通用能力训练为主体的实训课程,为工业工程专业学生提供模块化的综合性虚拟仿真实训,其系统结构如图2所示。

图2 虚拟仿真分布式实训系统结构

以模型汽车代替实际汽车进行汽车的生产优化实训,实训方案包含4个阶段和7个步骤。

3.1 阶段一——熟悉生产操作,采集实训数据

步骤1:熟悉生产操作,进行角色分工。实训将分为多组,每组10～11人。学生在操作工人、质检员、物料员3种角色中熟悉产品的工艺流程,然后进行3次模拟生产。分布式虚拟仿真实验室工作过程[10-12]如下：

(1) 学生在每个工位上的电子平板(客户端)上登录虚拟实验室,选择相应的实训和工位,完成实训仪器的连接。

(2) 实训开始后,利用网络通信技术将工位上配备的高清USB摄像头实时采集的视频信号和通过点击电子平板(客户端)记录下的作业时间转化成TCP/IP信息，然后将嵌入式计算机系统与云平台(分布式服务器)对接,使暂存在电子平板(客户端)的视频信息数据通过Internet实时上传至云管理服务器的储存设备内。

(3) 基于云平台的数据传送具有实时性,实训结束后，实训数据也随之传送完毕。

(4) 云平台对学生操作的实训数据进行审查,审查通过后,服务器对该实训进行仿真并得出实训数据,再通过Internet将该实训数据传回学生客户端。该仿真结果会与学生后期的自主优化结果进行比对。

(5) 为保证多人合作的同步性,学生可通过Web或其他途径进行联系。

3.2 阶段二——优化改善

步骤2:运用IE方法进行优化改进。从客户端登录云平台,选择相应的实训,从中调取该实训的视频和生产数据,然后结合“基础工业工程”课程中学习的IE方法,研究运用云桌面上相应的IE软件(例如达宝易软件)进行动作分析和优化。此外,结合生产数据的统计分析还可以进行曲线等基础实验的研究学习。

步骤3:现场布置优化。综合运用“设施规划与物流分析”等相关课程的理论知识和方法,利用SLP法从物流和非物流两方面重新分析布置生产设施,主要是装配线工作台及操作人员的位置安排，目的是使传送距离及物流成本最小,避免迂回、十字交叉等现象的出现,以提高生产效率。

步骤4:人员调整。

(1) 利用SPSS软件对导出的生产数据进行统计分析；

(2) 运用Flexsim软件,结合实际场地布置和数据分析结果进行仿真分析,找出瓶颈工序,进行工序拆分、人员调整和装配线的平衡优化；

(3) 反复仿真优化,直至消除瓶颈工序,使装配线生产达到相对平衡。

3.3 阶段三——成果检验

步骤5:制订作业计划,使生产效益最大化。结合前4个步骤的反复生产模拟与优化,每个小组已产生较优的生产方案。计算机会随机生成订单,根据各组的生产能力制订作业计划。由于订单是有时间限制的，且需要的产品类别是不同的,学生需要结合生产运作与管理、调度原理与算法等相关专业知识制订最优的生产工序,以实现生产效率和生产效益最大化。生产开始后,仓储系统根据小组选择的订单的交货时间要求进行交货,根据仓库是否按时交货,将交货分为按时交货、延时交货和未交货。延时交货和未交货都会受到相应的惩罚。

步骤6:对抗比赛。在规定时间内,各小组根据制定的作业计划和优化方案进行生产；生产结束后,根据实际生产量和总生产收益同等重要原则评出最终比赛成绩。

3.4 阶段四——实训总结

步骤7：经过为期1周的实训,要求学生总结实训内容、实训过程以及实训过程中运用到的知识，并写出实训总结报告。该实训过程将被储存至云平台的虚拟仿真事件案例资源库,丰富虚拟仿真事件案例资源库的内容,为未来课堂教学环节的调用提供方便。

4 结语

在分层次、模块化的工业工程虚拟仿真分布式实训教学体系中,阶段一的基础型实验使学生熟悉了生产流程,学习了曲线绘制等基本技能；阶段二以数据分析处理等基础实验为基础,结合达宝易软件、FlexSim软件以及Witness软件完成了综合实验；阶段三为该实训的探索创新阶段,结合企业实际情况,指导学生针对现实问题,设计工业工程虚拟仿真或者现实场景,实现了基于混合订单调度的流水生产研究。

该实训教学体系是在现有仿真实训的基础上,基于云平台技术和分布式思想,对工业工程虚拟仿真分布式实训的方式方法进行的探索。该体系不仅可以帮助学生了解工业工程的主要研究领域,还可以从全局统筹优化决策行为,培养学生的创新能力；不仅提高了实训的效率、拓展了实训内容,还加强了实训与课堂理论学习的联系。虚拟仿真技术在工业工程专业实训教学方面的应用前景广泛,还需要进行更深入的研究。

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