劉云　田斌　龔小軍　王亞民

[摘 要]生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真是工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。應(yīng)該從課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)體系結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法與教學(xué)手段、課程考核等方面總結(jié)，進(jìn)一步提高課程的教學(xué)效果。生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)目前在生產(chǎn)、管理、物流、服務(wù)等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用。希望通過(guò)對(duì)該課程教學(xué)體系的探討使其在學(xué)生今后的科研和工作中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)工程 建模 仿真 課程教學(xué)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.3[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 2095-3437（2015）06-0141-03

一、引言

工業(yè)工程（IE）是以人、物料、設(shè)備、資金、信息等組成的綜合系統(tǒng)為對(duì)象，以合理利用資源提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益為目的，應(yīng)用自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的知識(shí)，運(yùn)用系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工程方法，對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的管理科學(xué)，因此它是一門(mén)工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)、管理等學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科。我國(guó)于1993年正式開(kāi)始招IE專(zhuān)業(yè)本科生。目前的辦學(xué)模式主要有兩種：一種是開(kāi)設(shè)在機(jī)械學(xué)院的四年制本科教育，另一種是開(kāi)設(shè)在管理學(xué)院的四年制本科教育。不同的培養(yǎng)模式下，其培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)計(jì)劃、課程體系設(shè)置等方面也不盡相同。我校的工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)于1998年開(kāi)始招收，開(kāi)設(shè)在經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院。由于我校在通信電子等學(xué)科具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此我校工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)定位在于培養(yǎng)以電子信息技術(shù)作為專(zhuān)業(yè)支撐，面向電子制造業(yè)，掌握工業(yè)工程的基本理論與知識(shí)，具有從事生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、服務(wù)等管理系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、優(yōu)化、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新工作能力的高等人才。[1]生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程是我校工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，該課程以系統(tǒng)理論、隨機(jī)過(guò)程與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和仿真系統(tǒng)軟件為工具，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析，建立系統(tǒng)模型和仿真模型，最終達(dá)到對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或未來(lái)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的目的。我校工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程已有十多年，筆者根據(jù)自己多年的課程教學(xué)中的一些體會(huì)，給出了該課程應(yīng)設(shè)置的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)體系結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法與教學(xué)手段、課程考核等內(nèi)容，希望對(duì)該課程的教學(xué)有所借鑒和幫助。

二、課程教學(xué)目標(biāo)

系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)是研究復(fù)雜系統(tǒng)的一種重要理論方法和技術(shù)手段。本課程雖然名稱(chēng)為“生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真”，但這里的“生產(chǎn)系統(tǒng)”是一個(gè)廣義的概念，即生產(chǎn)系統(tǒng)是由人、機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)物料、生產(chǎn)信息和能源等實(shí)體組成的集合，其任務(wù)是完成一定的產(chǎn)品生產(chǎn)或提供某種服務(wù)。[2]鑒于實(shí)際中大多數(shù)生產(chǎn)系統(tǒng)都屬于離散事件系統(tǒng)，所以本課程主要介紹離散事件系統(tǒng)建模與仿真的基本原理與方法?；诖?，生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)目標(biāo)為：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解離散事件系統(tǒng)的有關(guān)概念，掌握離散事件系統(tǒng)建模與仿真的基本原理以及基本方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步掌握對(duì)生產(chǎn)管理系統(tǒng)包括庫(kù)存系統(tǒng)、排隊(duì)系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等仿真的基本思想，同時(shí)，學(xué)習(xí)掌握相關(guān)的離散事件系統(tǒng)建模仿真軟件，能夠運(yùn)用建模與仿真技術(shù)以及仿真軟件發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)管理過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，并提出具體的改進(jìn)措施。

三、課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)體系結(jié)構(gòu)分為三大部分：理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐環(huán)節(jié)，各部分主要內(nèi)容如圖1所示。

圖1 ? 生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程體系結(jié)構(gòu)

（一）理論教學(xué)

理論教學(xué)是生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門(mén)課的基礎(chǔ)。我校該課程的理論教學(xué)為40學(xué)時(shí)，理論教學(xué)部分的內(nèi)容包括以下九大部分：

1.概述。主要介紹有關(guān)系統(tǒng)仿真的基本概念、系統(tǒng)仿真的分類(lèi)、離散事件系統(tǒng)仿真的基本概念，如仿真鐘、時(shí)間、活動(dòng)、進(jìn)程等。

2.仿真輸入數(shù)據(jù)的收集與分析。主要介紹系統(tǒng)仿真輸入數(shù)據(jù)的收集方法、分布的識(shí)別、參數(shù)估計(jì)方法、擬合度的檢驗(yàn)等。

3.偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生及其統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。主要介紹偽隨機(jī)數(shù)及其產(chǎn)生方法、偽隨機(jī)數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（包括均勻性檢驗(yàn)、獨(dú)立性檢驗(yàn)、數(shù)字特征檢驗(yàn)等）。

4.隨機(jī)變量與隨機(jī)過(guò)程的仿真。包括離散型隨機(jī)變量的仿真方法、連續(xù)型隨機(jī)變量的仿真方法并介紹隨機(jī)過(guò)程中關(guān)于泊松過(guò)程的仿真。

5.離散事件系統(tǒng)的建模方法。包括實(shí)體流圖法及其應(yīng)用舉例、活動(dòng)周期法及其應(yīng)用舉例以及Petri網(wǎng)建模方法。

6.離散事件系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真策略。主要介紹事件調(diào)度法、活動(dòng)掃描法、進(jìn)程交互法以及三種仿真策略的比較。

7.排隊(duì)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真。介紹排隊(duì)系統(tǒng)的基本概念、分類(lèi)、排隊(duì)系統(tǒng)仿真舉例。

8.庫(kù)存系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真。介紹庫(kù)存系統(tǒng)的基本概念及庫(kù)存系統(tǒng)仿真舉例。

9.仿真結(jié)果分析。主要介紹終態(tài)仿真、穩(wěn)態(tài)仿真的基本概念，終態(tài)仿真的結(jié)果分析，穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果分析，多個(gè)系統(tǒng)性能的比較分析以及方差縮減技術(shù)等。

但理論部分涉及的概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容較多，如何將枯燥的仿真理論與實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣呢？筆者認(rèn)為可以從以下兩個(gè)方面入手：

首先，在每次有新的理論介紹之前先以一個(gè)背景問(wèn)題引入，從而提出解決該問(wèn)題的理論知識(shí)。例如生產(chǎn)系統(tǒng)常常會(huì)受到市場(chǎng)需求、原料供應(yīng)、生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)狀態(tài)等多方面隨機(jī)因素的影響，那么在具體仿真時(shí)，這些隨機(jī)因素如何體現(xiàn)出來(lái)？從而引入隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生、隨機(jī)變量的產(chǎn)生、隨機(jī)過(guò)程的仿真等內(nèi)容。又如在對(duì)一個(gè)系統(tǒng)具體仿真時(shí)，提問(wèn)：當(dāng)采用不同的隨機(jī)數(shù)流，仿真結(jié)果會(huì)隨之發(fā)生變化，那么實(shí)際中如何對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從而得到科學(xué)的結(jié)論？從而引入數(shù)理統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容，將其應(yīng)用于仿真結(jié)果的分析。

其次，鑒于工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的性質(zhì)，有些復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程可以適當(dāng)刪減，力求學(xué)生理解原理，達(dá)到能夠靈活應(yīng)用相應(yīng)理論的目的即可。

這里有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)的是，在多年的教學(xué)中，筆者認(rèn)為第一次課尤為重要，其實(shí)這不僅僅是對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門(mén)課，對(duì)任何一門(mén)專(zhuān)業(yè)課都是如此。在第一次課中雖然不能涉及太多的課程內(nèi)容，但在第一次課首先要告訴學(xué)生這門(mén)課是研究什么問(wèn)題的，在什么情況下我們可以借助這門(mén)課的理論來(lái)解決問(wèn)題，最好舉與實(shí)際問(wèn)題相關(guān)聯(lián)的例子。例如，我在第一次上課時(shí)會(huì)介紹什么是系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)仿真的應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用系統(tǒng)仿真時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題等等，同時(shí)課堂上演示幾個(gè)可視化的仿真模型，如流水生產(chǎn)線加工系統(tǒng)仿真、服務(wù)系統(tǒng)仿真等，通過(guò)一些感性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生對(duì)這門(mén)課有一個(gè)初步的了解，以提高學(xué)生對(duì)該門(mén)課程的興趣。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是對(duì)理論知識(shí)進(jìn)一步理解和深化的有效方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一方面可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，另一方面有利于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。目前關(guān)于離散事件系統(tǒng)仿真的流行軟件也有很多，比如：Extend、Flexsim、Gpss、Arena、Witness、 eM-plant、Auto-Mod等等。我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中采用了Witness和GPSSWorld軟件。這兩款軟件在使用上有較大區(qū)別。GPSSWorld屬于第二代仿真語(yǔ)言，是基于進(jìn)程交互的仿真編程語(yǔ)言，特別適用于排隊(duì)系統(tǒng)的仿真。當(dāng)然這里的排隊(duì)系統(tǒng)范圍也很廣泛，比如，訂單的到達(dá)可以抽象為排隊(duì)系統(tǒng)的顧客，訂單的處理過(guò)程可以抽象為排隊(duì)等待過(guò)程，訂單處理完成可以抽象為顧客服務(wù)完后離開(kāi)系統(tǒng)等等。通過(guò)此軟件的學(xué)習(xí)，一方面可以加深對(duì)離散事件系統(tǒng)仿真的理解，另一方面也可以提高學(xué)生調(diào)試程序的能力。因?yàn)槟壳凹词故强梢暬姆抡孳浖抡嬉恍?fù)雜的系統(tǒng)，有時(shí)也需要編制相應(yīng)的程序才可以完成，所以通過(guò)GPSSWorld仿真軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，對(duì)于應(yīng)用其他的仿真軟件也有幫助。Witness是由英國(guó)lanner公司推出的功能強(qiáng)大的仿真軟件系統(tǒng)。它既可用于離散事件系統(tǒng)的仿真，又可用于連續(xù)流體（如液壓、化工、水力）系統(tǒng)的仿真，可視化效果好，通過(guò)Witness開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)仿真模型易于理解和控制，為加強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)期間深入理解實(shí)際運(yùn)作系統(tǒng)提供了直觀的、可行的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。目前在國(guó)內(nèi)有近60所設(shè)有IE專(zhuān)業(yè)的高校引進(jìn)了Witness仿真平臺(tái)。[3]

我校的生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真課程的實(shí)驗(yàn)部分為16機(jī)時(shí)，如果把Witness和GPSSWorld軟件的使用連同學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)都放在這16機(jī)時(shí)完成，很顯然時(shí)間是不夠的，所以我們目前的做法是：在理論課的40學(xué)時(shí)課堂講授時(shí)，安排部分時(shí)間講授軟件，邊講解邊演示（約8學(xué)時(shí)），同時(shí)將Witness和GPSSWorld軟件的學(xué)習(xí)版先拷貝給學(xué)生，這樣學(xué)生就可以在自己的個(gè)人電腦上安裝使用，課下學(xué)生自己先練習(xí)，同時(shí)給學(xué)生布置相關(guān)的上機(jī)大作業(yè)，具體上機(jī)時(shí)，教師主要是解決學(xué)生在練習(xí)或完成作業(yè)時(shí)遇到的困難和問(wèn)題。由于學(xué)習(xí)版的部分軟件功能受限（其實(shí)對(duì)大多數(shù)的仿真已夠用），所以我校建立了軟件網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境，學(xué)生也可以通過(guò)校園網(wǎng)在宿舍就可以使用正式版練習(xí)，滿(mǎn)足了部分學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的需要。[4]

（三）實(shí)踐環(huán)節(jié)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門(mén)課的教學(xué)目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生將仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐，并解決生產(chǎn)、管理等領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。因此，實(shí)踐環(huán)節(jié)我們主要從三方面入手：1.在1周的課程設(shè)計(jì)中，提供有關(guān)生產(chǎn)加工、物流、服務(wù)管理等方面的素材，啟發(fā)學(xué)生利用仿真技術(shù)完成系統(tǒng)的分析和改善;2.在大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目中，設(shè)計(jì)一些應(yīng)用仿真技術(shù)的相關(guān)題目，如關(guān)于企業(yè)生產(chǎn)流水線的改善;3.鼓勵(lì)學(xué)生積極參加校大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽、工業(yè)工程改善大賽等競(jìng)賽活動(dòng)，利用仿真技術(shù)結(jié)合具體的問(wèn)題進(jìn)行分析，我校在這一方面已取得了一些成績(jī)，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。

四、課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)與教學(xué)手段

本課程采用以課堂講授為主，其他方法為輔的教學(xué)方法。通過(guò)課堂講授，可以使學(xué)生理解掌握系統(tǒng)仿真的基本原理和基本方法。但純粹采用課堂講授對(duì)于理論教學(xué)有時(shí)會(huì)顯得有些枯燥，因此在教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)增加了實(shí)驗(yàn)法、演示法、討論法等。如在介紹系統(tǒng)仿真軟件時(shí)，一邊講解軟件一邊進(jìn)行演示，同時(shí)將相關(guān)的仿真理論穿插于仿真軟件的介紹之中，這樣更便于學(xué)生理解和體會(huì)仿真的基本理論和原理，也便于學(xué)生掌握仿真軟件的使用和操作方法。課程的教學(xué)手段采用以多媒體教學(xué)為主，板書(shū)為輔（個(gè)別時(shí)用到的數(shù)學(xué)理論）的方式。另外，教師在第一次上課時(shí)就將聯(lián)系方式包括E-mail、QQ號(hào)、電話等告訴學(xué)生，學(xué)生可以通過(guò)以上方式隨時(shí)咨詢(xún)學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題。

五、課程考核

本課程的考核方式采用“期末閉卷考試+大作業(yè)”模式，其中大作業(yè)包括上機(jī)報(bào)告和英文文獻(xiàn)翻譯兩部分。上機(jī)報(bào)告是關(guān)于Witness和GPSSWorld仿真軟件布置的上機(jī)大作業(yè)，要求對(duì)具體問(wèn)題建立適當(dāng)?shù)姆抡婺Ｐ停\(yùn)行后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，必要時(shí)進(jìn)一步提出改進(jìn)措施或建議。英文文獻(xiàn)翻譯要求查找一篇關(guān)于仿真技術(shù)發(fā)展或應(yīng)用的英文資料，將其翻譯成中文，這樣做的目的有兩個(gè)：一方面可以使學(xué)生進(jìn)一步了解仿真技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及應(yīng)用領(lǐng)域，另一方面也可以適當(dāng)?shù)募由?、熟悉一些關(guān)于仿真的專(zhuān)業(yè)英語(yǔ)詞匯，便于以后工作和科研的需要。

目前期末閉卷考試成績(jī)占80%，大作業(yè)占20%，可考慮加大平時(shí)作業(yè)成績(jī)的比例到30%，以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重視程度及仿真技術(shù)動(dòng)態(tài)的關(guān)注程度。

六、課程教材的選取

關(guān)于生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真這門(mén)課，目前還沒(méi)有非常適合我校工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)際情況的教材，原因是有的教材中所介紹的軟件不是Witness和GPSSWorld，而介紹Witness和GPSSWorld的教材關(guān)于仿真理論部分又介紹得較少，所以筆者給學(xué)生推薦的兩本關(guān)于理論部分的教材為：肖田元等主編的《離散事件系統(tǒng)建模與仿真》以及周泓等主編的《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》;關(guān)于仿真軟件部分的教材為：王亞超等主編的《生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真-witness系統(tǒng)及應(yīng)用》以及謝毅等主編的《離散事件系統(tǒng)建模仿真與GPSSWorld教程》。

七、結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真作為工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其技術(shù)目前在生產(chǎn)、管理、物流、服務(wù)等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，我們希望，通過(guò)對(duì)該課程教學(xué)體系的探討使其在學(xué)生今后的科研和工作中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

[ 注 釋 ]

[1] 劉云，龔小軍，李華.我校工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)（社科版），2004（1）：62-65.

[2] 孫小明.生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2006：3.

[3] 王建華，黃賢鳳.WITNESS仿真在工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技信息，2010（18）：224-225.

[4] 劉云，龔小軍，田斌，王亞民.工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究[J].教育教學(xué)論壇，2014（8）：237-238.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]

[收稿時(shí)間]2014-12-25

[作者簡(jiǎn)介]劉云（1973-），女，陜西西安人，碩士，西安電子科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院副教授，研究方向：系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)可靠性。