虚拟仿真实验在制造与物流系统仿真教学中的应用

王秋莲，王鑫龙，易梓璇，王紫怡

（南昌大学 经济管理学院，江西 南昌）

一 引言

虚拟仿真实验与高校课程的结合是高等教育现代化建设和实验教学信息化建设的重要内容，是学科专业与信息技术交叉融合的产物[1]。制造与物流系统仿真课程主要讲述如何将制造业、物流业中各种模型在仿真软件中再现出来，并进行分析和改善。随着制造与物流行业的快速发展，产品研发周期越来越短，种类越来越丰富，学生需要了解的制造设备和制造工艺也越来越多，生产和物流系统的规划、设计与优化问题变得更为复杂。而且，在如今的形势下，创新应用实践能力是新时代背景下工业工程专业学生的重要素养。开展工业工程虚拟仿真实验教学对地方高校工业工程专业研究生创新应用实践能力的培养具有显著的意义，能够改善研究生课程的教学质量、提高毕业生质量、丰富课堂教学内容、提升教师教学水平，达到创新应用型研究生培养目标。

因此，仅靠传统的实验设备和教学模式，已经无法达到现代教学的要求，通过虚拟仿真实验来解决传统实验教学的缺点势在必行[2]。虚拟仿真实验是工业工程专业创新应用实践能力培养的重要手段。将虚拟仿真实验课程与传统课程相结合，做到“虚实结合”的教学方法，以学生为主体，在虚拟实验过程中通过不断推演的方法教授实验方法，学生学完方法后可以进行自主练习，做到以学生为主体的教学方式，培养学生的创新应用实践能力。制造与物流系统仿真课程虚拟仿真实验教学的内容是全方位多层次的。

二 虚拟仿真实验教学项目建设意义

虚拟仿真实验具有投资少、周期短、真实、可控、安全无破坏性、极易修改结构及参数、易于考虑多种因素的综合作用等优点[3]。它可以避免传统教学模式由于难以考虑各种因素相互间的影响，造成研究结果与实际情况相距甚远的缺点，而且可以降低实验风险，避免造成人力、物力和财力的浪费。

制造与物流系统仿真课程的教学存在以下难点：

1.高成本：制造与物流系统中设备较多，学校难以承担建设完整系统的高昂费用。

2.制造系统的作业车间布局不能改变：企业的设备的布局不能随意更改，因此不能在不同车间布局下探索柔性作业车间的调度方案的决策。

3.实验难以操作：数据收集较难，操作一些机械设备对于学生来说较难且不安全。

4.综合实训困难：企业因担心设备损坏、耽误生产任务等问题而不愿接收学生线下实训，导致学生很难有机会参与到柔性作业车间调度决策优化实践中。

对于制造与物流系统，生产调度、组织执行生产计划是重要的内容，同时，现代工业企业有着生产环节多、协作关系复杂、生产连续性强和情况变化快等特点[4]。所以，利用虚拟仿真实验进行生产调度工作，根据不同情况采取相应对策，使差距缩小或恢复正常是非常重要的[5]。首先，虚拟仿真实验平台可以再现车间生产情景，实现工件实时加工轨迹的可视化、车间生产调度任务的动态仿真，有效突破教学重难点；其次，通过对实际生产任务的模拟，帮助学生形成对车间资源合理配置的理性认识，深化学生的系统优化意识，帮助学生形成对车间的感性认识；另外，可以利用仿真去试验不同的设计方案，有利于学生深入观察不同配置、结构和参数之间的相互作用，发现和分析影响系统性能的关键因素；最后，仿真技术可以发现和解决系统中的瓶颈工序、部位和设备，实现制造系统设计或运营过程的优化。

三 虚拟仿真实验平台设计

车间调度问题（Job Shop Scheduling Problem,JSP）是指在一定的约束条件下，事先指定各工件工序的加工机器，然后确定各机器上工件的加工顺序，以达到理想的调度目标。柔性作业车间调度问题（Flexible Job Shop Scheduling Problem, FJSP）在JSP的基础上，增加了机器柔性，即工件工序的加工机器可选，需要同时确定加工机器和加工顺序。主要决策内容是对机器上的工序进行排序以优化指定的性能指标。本实验平台以柔性作业车间为背景，搭建了一个虚拟仿真实验教学平台。

实验平台分为单目标优化和多目标优化，单目标优化即只针对一个目标进行机器的选择、工序的排序，使工件的完工时间最小。而多目标的柔性车间调度需同时考虑最大完工时间、机器负载、拖期、加工成本等经济指标，还需考虑能耗、碳排放等绿色指标。这些指标通常相互冲突，需合理安排以实现多个目标共同优化[6]。多目标优化的求解方法通常可以分为先验法和后验法。其中，先验法是指通过聚合函数将多目标问题转化为单目标，然后再进行求解的方法。先验法最终只能求取少数甚至一种解，并且它无法解决真实Pareto前沿为非凸的优化问题。后验法则采用Pareto支配关系来判断解的优劣，最终得到一组近似Pareto前沿解。目前，本实验平台处理多目标问题采用的是后验法。

（一） 柔性作业车间调度决策优化虚拟仿真实验平台功能模块

1.设备选型选数模块：根据待加工工件信息和车间配备设备信息，在满足工件工艺路线和可选机器的约束下，系统随机生成调度方案。用户可以根据生成的柔性作业车间的调度方案，设置车间各种工件的加工数量，从既有的对象库中选择执行生产任务所需的机器。

2.车间布局模块：在车间布局模块中，学生可以将机器拖放到建模界面，进行车间布局。根据生产方案中工件的工艺路线，建立对象之间的逻辑联系。设置完工件的工艺路线后，系统后台会调用生产任务中的工件各道工序在对应设备上的加工时间、机器的功率参数信息，还原实际的生产调度方案，构建调度方案的仿真模型。

3.仿真模型运行模块：根据前面对柔性作业车间的设置，运行仿真模型，模型运行的过程中，可以观察系统运行时每个工件加工时的工艺路线和机器的利用情况。根据输出的仿真报告图表记录实验结果，如设备实时的利用率、机器在不同状态下的功率变化和能量消耗以及整个系统能量效率情况。学生可以根据不同优化目标的仿真结果，结合仿真输出的图表，对比不同方案的生产效率和能量效率指标，分析仿真结果。

（二） 柔性作业车间调度决策优化虚拟仿真实验平台操作流程

首先仿真系统随机生成生产任务，学生根据生产任务自主设定操作参数，并且根据加工工件数量和种类的不同，选择合适的加工设备，完成调度方案的建模，实现工件工艺路线和能量流的仿真；在设定完初始的操作参数并选择合适的加工设备之后，学生可以根据不同加工机器的特点进行加工车间的布局，并根据调度方案，安排它们的加工顺序，生成虚拟仿真加工车间，并运行仿真模型；最后通过查看仿真结果，可以对比不同调度方案在不同评价指标下的性能。另外，柔性作业车间调度决策优化虚拟仿真实验平台分为教学模块和考核模块，教师可先通过教学模块进行该平台的操作演示，再利用考核模块对学生进行考核[7]。

柔性作业车间调度决策优化虚拟仿真实验平台操作流程如图1所示。

图1 柔性作业车间调度决策优化虚拟仿真实验平台操作流程图

四 虚拟仿真实验教学项目特色和实施效果

（一） 教学方法特色

本实验教学团队通过对课堂讲授、虚拟仿真、实验汇报、课堂讨论等多种教学方法的混合运用，在仿真实验中应用归纳法、推演法和比较法等实验方法，实现对生产系统建模与仿真教学内容的具体化、简单化、模块化、体验化，进而大大提高教学效果。项目贯彻以学生为中心，秉持实践加深理解的理念，采用案例教学法和个人学习模式，将学生带入特定的柔性作业车间调度决策优化教学实验情境中，通过学校网络教学平台、各种网络访问方式进行线上交流，采用定期汇报、课堂研讨等方式，加深对柔性作业车间、作业调度两个抽象概念的理解，培养学生的分析能力、工程能力和创新能力。

将虚拟实验课程与传统课程相结合，做到“虚实结合”的教学方法，以学生为主体，在虚拟仿真实验过程中通过不断推演的方法教授实验方法，学生学完方法后可以进行自主练习，做到以学生为主体的教学方式，培养学生的自主学习能力。在虚拟仿真环境下，教师可以通过专业软件设定初始数据，然后学生通过虚拟仿真软件操作端可以在线、连贯、快速地进行决策模拟。

与传统教学相比，在连贯性、节能性、结果保存方面存在着极大的优势，“以虚补实”，节约成本，方便教学。同时坚持持续改进、逐步优化的方法引导学生对柔性作业车间生产调度的深度掌握。采用互动教学模式与学生进行交互。首先提交随机的初步调度方案及结果，然后由教师进行在线审核与评价，给出评价建议；接着学生根据评价意见进行修改，进入考核模式，选择不同的优化指标对生产调度方案进行改进，提交仿真运行结果，由老师评定最终成绩。

（二） 评价体系特色

本实验项目纳入制造与物流系统仿真、生产与运作管理、运营管理、物流与供应链管理、生产系统建模与仿真等课程的实验教学中。针对本实验设计课程评价系统，评价内容包括实验操作难度、理论与实际相结合程度、课下使用次数、实验完成度、实验满意度等评价指标等，以及实验校外访问的次数。教师端能够从全局视角看到学生进行仿真实验的全部数据，并且可以将每次仿真实验的生产调度方案的甘特图、设备利用率、能量效率等数据导出并生成图表，对比分析选择不同的优化目标对应的仿真结果。同时针对虚拟仿真实验，采用过程累加方式进行评价，对实验准备、实验参数设置、初步试验方案和最终实验方案进行分别评价，最终采用加权的方式计算总成绩，过程控制更强调学生的参与性[8]。

（三） 实施效果

从2017年开始，《制造与物流系统仿真》课程成为我校工业工程硕士的必修专业课。2020年工业工程学科调整为工程管理一级学科下的二级学科，我校2021年修订研究生培养方案，《制造与物流系统仿真》课程名称更新为《工程系统建模与仿真》。目前，该课程总共已培养141名研究生。该课程显著提升了工业工程研究生的创新实践能力，从2017年开始，每年均有硕士生参加工业工程领域的全国性赛事并取得名次。2020年，所开发的“柔性作业车间调度建模与优化虚拟仿真实验”被评为江西省虚拟仿真实验教学项目。同时，学生利用课堂上学习的仿真理论和工具，到实习基地和企业完成专案研究，为企业工业工程应用和精益管理提供专业支持，取得显著效果。多名同学在企业进行工业工程专案研究，获得企业工程师和管理员的一致好评。

五 结语

虚拟仿真实验教学有助于整合教学资源，开发多种多样的虚拟仿真教学项目，充分发挥现有虚拟仿真实验项目在人才培养中的作用。通过柔性作业车间调度决策优化虚拟仿真教学，学生可以更加深刻地理解制造与物流系统的基本知识，掌握柔性作业车间、生产调度、生产系统建模、单目标优化、多目标优化、生产效率、能量效率、生产系统仿真、批量等知识点；学生能够更加真实地认识柔性作业车间，掌握柔性作业车间调度多目标优化的技能。