基于Visual Components的生产线平衡仿真实验设计

高彬 王洪峰

摘要：针对工业智能等新工科专业开设的智能生产与物流运作管理选修课程中重要的知识点-生产线平衡问题，基于实验中心实验网络平台和Visual Components专业仿真软件，结合实验背景，从实验目的、实验环境、实验原理、实验任务、实验要求等方面设计仿真实验方案。通过仿真实验不仅可以帮助学生理解生产线平衡的原理和方法，还可以帮助学生熟悉掌握Visual Components软件功能和基本应用，从而提高运用现代专业工具软件分析解决专业领域问题的能力。

关键词： Visual Components; 生产线平衡; 仿真实验; 生产运作; 工具软件

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）18-0051-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

东北大学立足“新一代人工智能”国家科技重点发展战略，面向以智能制造为代表的我国科技产业主战场，瞄准我国工业自动化向智能化转型升级的发展需求，为国家培养工业智能及相关领域高级工程技术人才，经教育部批准设立新工科专业-工业智能专业。智能生产与物流运作管理是面向新工科专业学生开设的一门选修课，是在原有生产与物流运作管理课程内容基础上进行升级改造的课程。智能生产与物流管理贴近现代制造业和物流业，实践性和操作性要求高。但在原有课程讲授过程中，受场地、成本等限制难以在学校建立真实实验环境，同时由于安全性、企业接待能力和意愿等限制无法去有代表性的企业进行实习实践，存在实验教学不足，学生实践能力培养不够等问题[1-3]。再者，随着智能数字化等先进技术的发展，提高运作管理效率，降低运作管理成本，运用虚拟仿真技术进行生产与物流运作管理优化已成为一种趋势[4]。因此，在新课程设置中，基于数字化工厂仿真软件搭建虚拟仿真实验平台，通过虚拟仿真生产与物流运作管理过程开展实验教学，既能提高学生对生产与物流运作管理知识理解，也能使学生了解掌握主流虚拟仿真软件功能，有助于培养能够在工业智能及相关领域从事科学研究、技术开发、工程实践与技术管理等方面的宽口径、高素质、创新型、复合型高级工程技术人才的目标实现。

2 实验背景

2.1 智能生产与物流运作管理选修课程及生产线平衡

《智能生产与物流运作管理》课程是人工智能、工业智能相关专业的选修课。生产与物流运作管理是企业经营管理的基础，它关系到企业运营的成败与效率[5]。其内容主要包括：生产运作战略规划、组织设计、运行控制和升级维护等活动。通过本课程的教学，使学生了解智能生产与物流运作管理的概念和理论体系、目标和任务，生产与运作系统的选择与建设，生产和服务选址，生产和服务系统布置，生产与运作计划，计划信息系统，质量管理，作业成本管理，设备管理，准时生产方式，智能生产及智能物流等。在职业素质上提高学生在生产运作管理领域分析问题、解决问题的能力，具备生产管理专员的基本素质，培养和提高学生生产运作管理的能力，达到专业培养目标提出的要求。

装配生产是多数制造业重要的生产形式。大批量产品装配生产常常采用连续传动流水式生产，装配件在装配过程中随传送装置一起处于运动状态，工人在各自的工位上在节拍时间内完成该工位所规定的作业内容，接着完成下一个装配件的相同作业内容[6]。具有生产连续性高、工作专业化程度高、按节拍进行生产等特点。生产线平衡是流水线生产运作管理的重要优化问题。生产线平衡是指构成流水生产线各道工序所需的时间处于平衡状态，作业人员的作业时间尽可能地保持一致，使得生产过程顺畅进行，消除各道工序间的时间浪费，进而达到生产线的平衡运转。

2.2 Visual Components软件介绍

Visual Components软件，简称VC，是由芬兰Visual Components公司开发的一款智能制造3D 数字化工厂仿真软件，为自动化设备制造商、系统整合商、制造型公司提供一种简单、快速和高效的设计方式，通过快速制作三维设备/组件库，来构建工厂内部的整体可视化方案。VC将离散事件模拟仿真、人机协作仿真、机器人离线编程开发和PLC虚拟调试集于一个平台。自带包含各大品牌商的机器人及丰富的自动化产线元素的网络组件库（eCatalog），可以方便地进行布局配置和流程建模。VC在模拟仿真时，可实时采集仿真数据生成数据图表，让用户了解整线的效率、产出率等，便于进行自动化产線瓶颈寻找及优化。VC软件支持中文版的操作界面和帮助文件，软件界面友好，易于学习和操作。目前在国内高等院校工程大学覆盖率达40%[7]。东北大学于2020年确定采购该款产品作为工业智能专业实验仿真平台软件。

3 实验方案设计

3.1 实验目的

1）理解流水线生产的生产线平衡原理，掌握运用生产线平衡方法进行生产线优化。

2）熟悉掌握作为领域代表性的现代专业模拟仿真工具软件Visual Components的原理与使用，基本了解运用该款软件进行工程领域问题的仿真分析计算和优化的过程和方法。

3.2 实验环境

学院通过服务器虚拟化软件搭建具备高可用性的集群服务器环境形成实验中心桌面云实验平台，为学生新建和开启虚拟机，通过虚拟桌面发布平台将实验用工具软件资源进行整合，学生可通过校园网内任意终端设备随时随地进行实验软件资源授权使用，从而可以不受时空限制进行工具类软件学习实验。本实验为学生搭建的虚拟机环境如下：操作系统：Microsoft Windows 10，处理器：Intel i7 9700F，内存：16G，显卡：NVIDIA Quadro P1000，仿真软件：MloT.VC Premium 4.2 （64-bit）。

3.3 实验原理

1）生产线平衡的基本概念和评价参数[8]

工作要素又称为工序，是完成某项操作所进行的最小工作单元，在进行生产线平衡时不能再行拆分。

工作站又称工位，是装配线中的一个工作地，产品在此工作地要完成一个或几个工作要素（工序）的操作。

优先图是描述各工作要素加工次序的图。某些工序只有在前面的工序完成之后才能进行。

生产线节拍是指连续完成相同的两个产品之间的间隔时间，即完成一个产品所需的平均时间。整个流水生产线的节拍是由最长工位时间（瓶颈岗位时间）决定的。

生产线平衡率，是所有工位时间之和与节拍时间与工位数之积的比值，生产线平衡损失是1-生产线平衡率，生产线平衡的目标就是使生产线平衡率达到85%以上，换言之，是将生产线平衡损失至少控制在15%以下。

生产线改善分为工序改善和生产线平衡两个方面，其中工序改善是降低工位操作时间，提高工位效率和质量;生产线平衡是在工序改善后，工序工时已定情况下，对生产线进行整体重排平衡，达到工位操作时间平衡（即各工位之间的时间差距要尽可能小）和生产线能够连续生产的目标，从而提高生产线平衡率。本实验是针对生产线平衡问题进行。

2）生产线平衡的步骤及方法

生产线平衡的基本步骤是收集计算产品所有工序生产时间，画出工序优先图，决定生产节拍，确定理论工位数，按理论工位进行生产线平衡，计算并进行结果评价。生产线平衡是典型的组合优化问题。实际生产线平衡有很多常规方法，课堂上讲解了霍夫曼方法，即在所有可行的第一工位平衡中，选择能最大程度减少第一工位窝工时间的一种平衡，然后在最大限度减少第二工位的窝工时间，依次类推。

3.4 实验任务

1）任务背景

以某电子产品配套生产厂商的手持空调遥控器组装生产为研究对象，其各工序组成及加工时间、顺序要求如表1所示。

现行生产线工序优先图以及工位排程如图1所示。图1上部圆圈代表工序，其内部标识工序编号和工序加工时间，箭头代表加工顺序。虚线框是将一个或多个工序组成加工工位，并进行工位编号标识。图1下部是进行生产线工位排程后的结果，方框代表工位，其内部标识工位所含工序和工位加工时间。

按照现行生产线工序优先图以及工位排程情况，应用Visual Components软件仿真结果如图2所示。

2）任务要求

①根据任务背景数据，结合现行生产线仿真布局，对现行生产线进行平衡问题分析。

②设定生产节拍为10秒，对现行生产线进行平衡优化，重新进行工位排程，通过Visual Components软件进行结果仿真，就优化过程给出解释说明并进行优化结果评价，完成实验报告。

3.5 实验要求及说明

1）课前预习

通过向学生提供Visual Components软件操作说明书和操作演示视频，要求学生自主熟悉实验环境，理解软件的基本命令结构、特点及其使用方法，掌握软件的各种操作工具的使用、常用命令的特点以及应用范围、规划布局的技巧，基本掌握在虚拟环境中进行生产线规划布局设计的方法。

2）现行生产线仿真

结合课前给出的现行生产线工序优先图及工位排程和生产线仿真布局的典型工程样例，要求学生在实验课前或实验课内前半段时间里，基于实验环境和Visual Components软件进行案例验证性重现。可以督促学生完成課前预习并检验预习效果，为后续实验任务完成和实验技能提升提供可能。

3）生产线平衡优化

以任务驱动形式要求学生进行现行生产线平衡优化，对生产线平衡方法不进行限定，鼓励学生采用课程内未讲授的其他方法实现。要求学生就现行生产线问题进行分析，就生产线平衡采用的方法、计算流程、优化结果评价等进行论述说明，并通过Visual Components软件完成优化后的生产线布局仿真，将仿真结果及相关图表截图或导出。这部分内容要求学生以实验报告形式提交，培养学生运用专业理论方法和工具软件分析解决问题以及技术文档撰写能力。

4 结论

基于Visual Components软件进行生产线仿真及平衡优化可以帮助学生形象理解企业生产运作管理的基本知识和方法。对于Visual Components软件来说，本实验仅仅是引导性的基础入门级应用，后续随着专业课程的深入开展和仿真软件的深度应用，可以帮助学生更全面了解现代专业工具软件的功能和方法，启发引导学生自觉运用现代专业工具软件分析解决专业领域问题，培养提高科学思维、工程实践和科技创新能力。

参考文献：

[1] 白瑞峰，韩洪洪，于赫洋，等.智能制造虚拟实验系统设计与集成[J].实验技术与管理，2016，33（6）：129-131，149.

[2] 万卫红，谢学军，张予川.汽车生产运作与管理虚拟仿真实验教学系统研究[J].实验技术与管理，2020，37（12）：230-232，236.

[3] 张金鑫，张予川，谢学军.智能制造背景下生产与运作管理虚拟仿真实验设计与探索[J].新营销，2019，12： 122-124.

[4] 周艳聪，黎屹杰，张波，等.基于Maya的智能制造仿真系统研究[J].科学技术创新，2020（21）：79-80.

[5] 马士华，林勇.企业生产与物流管理[M].2版.北京：清华大学出版社，2015.

[6] 陈荣秋，马士华.生产与运作管理[M].4版.北京：高等教育出版社，2016.

[7] 郭鹏.Visual components 是一款怎样的软件？[EB/OL]. https：//www.zhihu.com/question/309931216/answer/1174765154.

[8] 姜康青.柔性化生产方式下汽车装配线平衡调整方法的研究和实践[D].上海：上海交通大学，2003：12-14，22.

【通联编辑：王力】