基于OBE 理念的“物流设施布置规划”虚拟仿真实验探索与实践

孙 慧 （山东科技大学交通学院，山东 青岛 266590）

0 引 言

“物流设施布置规划”是物流工程、物流管理、工业工程、交通运输等专业《物流系统规划》或《设施规划与物流分析》等课程中的核心内容，基于理查德·缪瑟的系统布置设计（System Layout Planning，SLP） 和物料搬运系统分析（System Handling Analysis，SHA） 两大理论；主要包括生产系统或服务系统的物流分析、设施的布置规划、搬运系统的设计等内容，具有很强的理论分析性、综合设计性和工程实践性。

教师课堂讲授、学生听课记录的教学方式，越来越不能适应现代学生的学习特点，很多教师采用了诸如情景教学法、案例分析法、任务驱动法、沙盘教学法、软件仿真法等教学方法，但因缺乏实际的训练，学生对知识的理解、掌握、应用等方面存在诸多问题。根据已毕业学生的反馈，他们在面对设施规划实际问题的时候，会无所适从，很难将书本知识和实际问题结合在一起。而实体实验室无法进行设施的灵活移动来进行设施布置规划实验，沙盘类实验设备又存在失真性和不能根据布置方案进行动态演示的问题。

鉴于此，基于OBE 的教学理念，以智能制造生产车间为背景，结合行业发展前沿知识，开发物流设施布置规划虚拟仿真实验平台，利用虚拟仿真技术弥补传统实验方法的不足，让学生浸入虚拟的场景中，真正领会和掌握物流设施布置规划的知识；激发学生的学习兴趣，培养学生综合应用所学知识解决企业实际问题的能力。

1 “物流设施布置规划”知识特点

“物流设施布置规划”以设施布置和搬运系统设计为核心问题，规划和分析的对象涵盖工业设施（工厂、车间和生产线）和物流设施（物流中心、配送中心和仓库），涉及基本概念、方法工具、分析体系及专题应用四个层次。主要有以下特点：

1.1 知识点多且更新快

物流设施布置规划紧密联系生产运作管理、系统工程、运筹学等课程知识；包含物流、设施、分析理论、生产理论、规划对象等相关概念；就方法工具而言，常用的物流设施布置规划与搬运系统分析等相关图表工具、技术方法等有20 余种，每种图表工具都有其不同的应用场合及分析指标；随着新设备、新技术及新管理理念的层出不穷，还在不断引入新的概念、理论与技术，如自动导引车系统、精益生产、智能制造等。

1.2 方法体系复杂且步骤冗长

问题的复杂性导致方法技术的复杂性，以缪瑟的SLP 和SHA 为代表的设施规划方法体系，其理论分析步骤多，相关的知识点和注意事项也比较多。如在设施布置与搬运系统设计时，均需要对物料进行分析，设施布置可以按照可运性依据物理特征来分类，分类依据是外形尺寸、重量、形状、损坏的可能性、状态等七种主要因素；在搬运系统设计时物料分类又可按物理特征、数量特征、时间特征、管理特征等进行分类。

1.3 综合性强且实践性要求高

不论是工业设施、物流设施还是服务设施，其规划与分析都需要综合应用多学科知识来设计一个完整、可用的方案；此外相关的方法、步骤和程序都是与企业实际紧密结合，也只有在实践中才能真正领会和掌握这些知识。

1.4 实验教学要求高

“物流设施布置规划”与实际联系密切，实验原理为：学生根据实际场景进行必要的数据计算，设计布置方案，对设施进行规划布置，通过运行发现布置方案的问题，进而对布置方案进行优化再设计。要达到较好的实验效果，需要有场景和设施可移动、布置后的方案可运行、数据可统计等条件，实体实验室、沙盘模型、Flexsim 等物流仿真软件等都无法满足实验要求。

为达到良好教学效果，开发虚拟仿真实验教学平台，可以让学生在虚拟现实的实验环境中，模仿并反复训练对实际技能的掌握，可以实现知识方法体系、软硬件实验设施和实验过程管理的有机结合，可有效解决学生实践能力较弱，与企业需求不能有效对接的问题。

2 “物流设施布置规划”虚拟仿真实验设计

2.1 实验教学目标

基于OBE 教育理念，以产出成果和能力培养为目标，确定本实验的教学目标为掌握系统布置设计（SLP）、物料搬运系统分析（SHA） 等的基本概念、基础理论与方法，能利用SLP 和SHA 的理论与技术进行物流设施的布置规划；培养学生的工程素养和创新能力。

2.2 实验教学理念

本实验教学遵循“一个中心、二种互动、三个阶段”的教学理念。

（1） 一个中心：以学生为中心。充分发挥学生的积极主动性，让学生主导实验过程，设置知识点提示、角色扮演、通关游戏等环节，增强学生对知识的获取兴趣和应用能力。

（2） 二种互动式教学方法：人机互动，师生互动。人机互动：实验过程中，设置相应的任务，提出对应的问题，引导学生积极思考并解答问题。学生参与实验过程中，发生操作错误后，会引导学生积极思考错误原因，自我提问；通过这种反复的人机互动，最终完成相应的任务，培养学生独立思考、分析问题与解决问题的能力。

师生互动：教学过程中，教师通过提问、质疑等方式激发学生充分发挥想象，通过师生互动，发掘学生的创造潜能，引导学生提高解决实际问题的综合能力。

（3） 两个教学阶段：实—虚相结合。实（智能物流技术实验室、实习单位场景） —虚（平台训练），螺旋式上升，不断加深学生对于物流设施布置基础理论及相关技术的认识与理解、记忆与掌握。

智能物流技术实验室设备或认识实习单位场景为学生在正式进入课堂之前，对于智能生产物流有一定的现场感性认识，为课堂教学及虚拟仿真实验平台训练提供良好的基础。如图1 所示为学校智能物流技术实验室。

图1 智能物流技术实验室

虚拟仿真实验平台训练，基于智能生产物流相关参数，构建高精度的智能生产物流三维虚拟仿真场景，生动再现生产物流的场景及全过程；通过沉浸式教学环境，使学生全面掌握生产物流的环境、工艺流程、关键步骤及主体设备，并通过相关漫游任务、生产任务的设置，帮助学生全面理解智能生产物流过程、设施布局以及搬运系统路径优化等问题。

2.3 实验要求

（1） 通过虚拟仿真实验，在生产计划编制、设施布置、仓储管理、搬运系统设计等4 个模块，展示物流设施布置规划的流程及智能制造生产实施方案的探索，让学生在实际操作过程中理解物流设施布置规划的流程、方法应用，提高对物流系统规划的实践操作和现场运营能力。（2） 要求通过三维仿真技术准确还原立体仓库、分拣线、生产线、AGV、机械手、人员等场景，具有典型性、高度逼真性。根据学生的规划布置呈现规划结果，能准确反映智能制造车间环境，让学生有浸入感，提高学习效果。（3） 要求各模块的功能和互动设计遵循物流经典理论，过程完整、严谨科学、交互性强，符合技术参数要求，不得出现专业性错误，符合物流系统规划设计的过程和操作流程。（4） 实验中，学生扮演不同角色进行规划互动和决策，要求系统能够记录学生的所有操作，并对其进行智能评分、指导和反馈。（5） 实验中，要求教师能够跟踪班内学生的实验进度，完成在线答疑和实验评分。（6） 实验要求包含角色选择、操作帮助、提示指引等功能，有良好的软件友好性。

2.4 实验核心流程

实验分为4 个核心模块：生产计划编制模块、设施布置模块、仓储管理模块、搬运系统设计模块，为学生提供一个开放、灵活、逼真的学习环境；通过项目教学、情境模拟等教学方式，推动理论教学与实践教学的有机结合，使“教学研创”融为一体。

2.4.1 生产计划编制模块

学生利用所学生产运作知识或根据提示，进行智能生产计划的编制，完成如下数据的计算，如图2 所示为物料需求计划完成界面。

图2 物料需求计划编制界面

（1） 需求量预测方法，利用指数平滑法进行成品需求量的预测；（2） 主生产计划的编制；（3） 物料需求计划的编制；（4） 生产线粗能力校核；（5） 混流生产方式的安排。

2.4.2 设施布置规划模块利用系统布置设计知识，进行物流设施基础布置，如图3 所示生产线模块布置界面。

图3 生产线的布置界面

（1） 仓储模块的布置；（2） 生产线布置方式的选择；（3） 生产线的初始布置方案设计。

2.4.3 仓储管理模块

（1） 采购订单的确定，根据生产计划及安全库存的要求，确定采购的数量及时间；（2） 入库操作，贴标签、存储位置确定等；（3） 出库操作，经过分拣设备，进入不同的分拣道口。

2.4.4 搬运系统模块

（1） 出入库输送系统的布置；（2） 分拣设备的布置；（3） AGV 的优化调度；（4） 运行中搬运设备数据的统计，进行布置方案的优化。

2.5 考评机制

建立“机评自评点评”相结合的综合考评机制，学生在平台完成某些任务时，系统会自动根据评分标准进行评分，教师进行实验过程中的点评及最终评价，学生小组内成员间要进行自评与互评，这样既确保了学生间的相互激励与监督，也锻炼了学生发现问题、持续改善的意识。

3 结束语

“物流设施布置规划”虚拟仿真实验平台的开发与实践，解决了设施布置设计与生产现场的关联非常密切以至于在实验室无法完成的问题，通过仿真技术构建虚拟智能制造场景模型，达到进行设施布置规划的目的，使得实验教学能够以实践为主、讨论为辅，改变了传统实验教学以讲解为主、以观看为辅的形式，能够更充分地发挥实验教学的作用。同时仿真实验将“运筹学”、“系统工程”、“设施规划”等多门课程知识集成，将理论教学与实践教学紧密结合，加深学生对物流设施布置规划知识的理解与掌握，提升学生解决实际问题的能力，培养学生的创新意识和工程素养，取得了较好的效果。