工业工程专业生产系统建模与仿真课程教学探究

刘云　田斌　龚小军　王亚民

[摘 要]生产系统建模与仿真是工业工程专业的一门专业基础课。应该从课程的教学目标、教学体系结构、教学方法与教学手段、课程考核等方面总结，进一步提高课程的教学效果。生产系统建模与仿真技术目前在生产、管理、物流、服务等领域已得到了广泛应用。希望通过对该课程教学体系的探讨使其在学生今后的科研和工作中发挥越来越大的作用。

[关键词]工业工程 建模 仿真 课程教学

[中图分类号] G642.3[文献标识码] A[文章编号] 2095-3437（2015）06-0141-03

一、引言

工业工程（IE）是以人、物料、设备、资金、信息等组成的综合系统为对象，以合理利用资源提高生产率和经济效益为目的，应用自然科学和社会科学的知识，运用系统分析、系统设计等工程方法，对上述系统进行优化的管理科学，因此它是一门工程技术与经济、管理等学科相结合的交叉学科。我国于1993年正式开始招IE专业本科生。目前的办学模式主要有两种：一种是开设在机械学院的四年制本科教育，另一种是开设在管理学院的四年制本科教育。不同的培养模式下，其培养目标、培养计划、课程体系设置等方面也不尽相同。我校的工业工程专业于1998年开始招收，开设在经济与管理学院。由于我校在通信电子等学科具有明显的优势，因此我校工业工程专业定位在于培养以电子信息技术作为专业支撑，面向电子制造业，掌握工业工程的基本理论与知识，具有从事生产、经营、服务等管理系统的规划、设计、优化、评价和创新工作能力的高等人才。[1]生产系统建模与仿真课程是我校工业工程专业的一门专业基础课，该课程以系统理论、随机过程与统计学理论和优化理论为基础，以计算机和仿真系统软件为工具，通过对系统的分析，建立系统模型和仿真模型，最终达到对现实系统或未来系统进行动态实验研究的目的。我校工业工程专业开设生产系统建模与仿真课程已有十多年，笔者根据自己多年的课程教学中的一些体会，给出了该课程应设置的教学目标、教学体系结构、教学方法与教学手段、课程考核等内容，希望对该课程的教学有所借鉴和帮助。

二、课程教学目标

系统建模与仿真技术是研究复杂系统的一种重要理论方法和技术手段。本课程虽然名称为“生产系统建模与仿真”，但这里的“生产系统”是一个广义的概念，即生产系统是由人、机器设备、生产物料、生产信息和能源等实体组成的集合，其任务是完成一定的产品生产或提供某种服务。[2]鉴于实际中大多数生产系统都属于离散事件系统，所以本课程主要介绍离散事件系统建模与仿真的基本原理与方法。基于此，生产系统建模与仿真课程的教学目标为：通过本课程的学习，使学生理解离散事件系统的有关概念，掌握离散事件系统建模与仿真的基本原理以及基本方法。在此基础上，进一步掌握对生产管理系统包括库存系统、排队系统、物流系统等仿真的基本思想，同时，学习掌握相关的离散事件系统建模仿真软件，能够运用建模与仿真技术以及仿真软件发现生产管理过程中存在的主要问题，并提出具体的改进措施。

三、课程教学体系结构

生产系统建模与仿真课程的教学体系结构分为三大部分：理论教学、实验教学、实践环节，各部分主要内容如图1所示。

图1   生产系统建模与仿真课程体系结构

（一）理论教学

理论教学是生产系统建模与仿真这门课的基础。我校该课程的理论教学为40学时，理论教学部分的内容包括以下九大部分：

1.概述。主要介绍有关系统仿真的基本概念、系统仿真的分类、离散事件系统仿真的基本概念，如仿真钟、时间、活动、进程等。

2.仿真输入数据的收集与分析。主要介绍系统仿真输入数据的收集方法、分布的识别、参数估计方法、拟合度的检验等。

3.伪随机数的产生及其统计检验。主要介绍伪随机数及其产生方法、伪随机数的统计检验（包括均匀性检验、独立性检验、数字特征检验等）。

4.随机变量与随机过程的仿真。包括离散型随机变量的仿真方法、连续型随机变量的仿真方法并介绍随机过程中关于泊松过程的仿真。

5.离散事件系统的建模方法。包括实体流图法及其应用举例、活动周期法及其应用举例以及Petri网建模方法。

6.离散事件系统的计算机仿真策略。主要介绍事件调度法、活动扫描法、进程交互法以及三种仿真策略的比较。

7.排队系统的计算机仿真。介绍排队系统的基本概念、分类、排队系统仿真举例。

8.库存系统的计算机仿真。介绍库存系统的基本概念及库存系统仿真举例。

9.仿真结果分析。主要介绍终态仿真、稳态仿真的基本概念，终态仿真的结果分析，稳态仿真的结果分析，多个系统性能的比较分析以及方差缩减技术等。

但理论部分涉及的概率论与数理统计的内容较多，如何将枯燥的仿真理论与实际问题联系起来，以提高学生的学习兴趣呢？笔者认为可以从以下两个方面入手：

首先，在每次有新的理论介绍之前先以一个背景问题引入，从而提出解决该问题的理论知识。例如生产系统常常会受到市场需求、原料供应、生产环境、生产状态等多方面随机因素的影响，那么在具体仿真时，这些随机因素如何体现出来？从而引入随机数的产生、随机变量的产生、随机过程的仿真等内容。又如在对一个系统具体仿真时，提问：当采用不同的随机数流，仿真结果会随之发生变化，那么实际中如何对仿真结果进行分析，从而得到科学的结论？从而引入数理统计的内容，将其应用于仿真结果的分析。

其次，鉴于工业工程专业的性质，有些复杂的数学推导过程可以适当删减，力求学生理解原理，达到能够灵活应用相应理论的目的即可。

这里有一点需要强调的是，在多年的教学中，笔者认为第一次课尤为重要，其实这不仅仅是对生产系统建模与仿真这门课，对任何一门专业课都是如此。在第一次课中虽然不能涉及太多的课程内容，但在第一次课首先要告诉学生这门课是研究什么问题的，在什么情况下我们可以借助这门课的理论来解决问题，最好举与实际问题相关联的例子。例如，我在第一次上课时会介绍什么是系统仿真、系统仿真的应用领域、应用系统仿真时应注意的一些问题等等，同时课堂上演示几个可视化的仿真模型，如流水生产线加工系统仿真、服务系统仿真等，通过一些感性认识，使学生对这门课有一个初步的了解，以提高学生对该门课程的兴趣。

（二）实验教学

实验教学是对理论知识进一步理解和深化的有效方式，通过实验教学，一方面可以加深学生对理论知识的理解，另一方面有利于培养学生分析和解决实际问题的综合能力。目前关于离散事件系统仿真的流行软件也有很多，比如：Extend、Flexsim、Gpss、Arena、Witness、 eM-plant、Auto-Mod等等。我们在教学过程中采用了Witness和GPSSWorld软件。这两款软件在使用上有较大区别。GPSSWorld属于第二代仿真语言，是基于进程交互的仿真编程语言，特别适用于排队系统的仿真。当然这里的排队系统范围也很广泛，比如，订单的到达可以抽象为排队系统的顾客，订单的处理过程可以抽象为排队等待过程，订单处理完成可以抽象为顾客服务完后离开系统等等。通过此软件的学习，一方面可以加深对离散事件系统仿真的理解，另一方面也可以提高学生调试程序的能力。因为目前即使是可视化的仿真软件要仿真一些复杂的系统，有时也需要编制相应的程序才可以完成，所以通过GPSSWorld仿真软件的学习和应用，对于应用其他的仿真软件也有帮助。Witness是由英国lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。它既可用于离散事件系统的仿真，又可用于连续流体（如液压、化工、水力）系统的仿真，可视化效果好，通过Witness开发的系统仿真模型易于理解和控制，为加强学生在学习期间深入理解实际运作系统提供了直观的、可行的实验场景。目前在国内有近60所设有IE专业的高校引进了Witness仿真平台。[3]

我校的生产系统建模与仿真课程的实验部分为16机时，如果把Witness和GPSSWorld软件的使用连同学生上机实验都放在这16机时完成，很显然时间是不够的，所以我们目前的做法是：在理论课的40学时课堂讲授时，安排部分时间讲授软件，边讲解边演示（约8学时），同时将Witness和GPSSWorld软件的学习版先拷贝给学生，这样学生就可以在自己的个人电脑上安装使用，课下学生自己先练习，同时给学生布置相关的上机大作业，具体上机时，教师主要是解决学生在练习或完成作业时遇到的困难和问题。由于学习版的部分软件功能受限（其实对大多数的仿真已够用），所以我校建立了软件网络互联环境，学生也可以通过校园网在宿舍就可以使用正式版练习，满足了部分学生进一步学习的需要。[4]

（三）实践环节

生产系统建模与仿真这门课的教学目标就是培养学生将仿真技术应用于实践，并解决生产、管理等领域的实际问题。因此，实践环节我们主要从三方面入手：1.在1周的课程设计中，提供有关生产加工、物流、服务管理等方面的素材，启发学生利用仿真技术完成系统的分析和改善;2.在大四的毕业设计题目中，设计一些应用仿真技术的相关题目，如关于企业生产流水线的改善;3.鼓励学生积极参加校大学生创业大赛、工业工程改善大赛等竞赛活动，利用仿真技术结合具体的问题进行分析，我校在这一方面已取得了一些成绩，达到了学以致用的目的。

四、课程教学方法设计与教学手段

本课程采用以课堂讲授为主，其他方法为辅的教学方法。通过课堂讲授，可以使学生理解掌握系统仿真的基本原理和基本方法。但纯粹采用课堂讲授对于理论教学有时会显得有些枯燥，因此在教学过程中适当增加了实验法、演示法、讨论法等。如在介绍系统仿真软件时，一边讲解软件一边进行演示，同时将相关的仿真理论穿插于仿真软件的介绍之中，这样更便于学生理解和体会仿真的基本理论和原理，也便于学生掌握仿真软件的使用和操作方法。课程的教学手段采用以多媒体教学为主，板书为辅（个别时用到的数学理论）的方式。另外，教师在第一次上课时就将联系方式包括E-mail、QQ号、电话等告诉学生，学生可以通过以上方式随时咨询学习中遇到的问题。

五、课程考核

本课程的考核方式采用“期末闭卷考试+大作业”模式，其中大作业包括上机报告和英文文献翻译两部分。上机报告是关于Witness和GPSSWorld仿真软件布置的上机大作业，要求对具体问题建立适当的仿真模型，运行后对结果进行分析，必要时进一步提出改进措施或建议。英文文献翻译要求查找一篇关于仿真技术发展或应用的英文资料，将其翻译成中文，这样做的目的有两个：一方面可以使学生进一步了解仿真技术的发展动态及应用领域，另一方面也可以适当的加深、熟悉一些关于仿真的专业英语词汇，便于以后工作和科研的需要。

目前期末闭卷考试成绩占80%，大作业占20%，可考虑加大平时作业成绩的比例到30%，以加强学生对实验环节的重视程度及仿真技术动态的关注程度。

六、课程教材的选取

关于生产系统建模与仿真这门课，目前还没有非常适合我校工业工程专业实际情况的教材，原因是有的教材中所介绍的软件不是Witness和GPSSWorld，而介绍Witness和GPSSWorld的教材关于仿真理论部分又介绍得较少，所以笔者给学生推荐的两本关于理论部分的教材为：肖田元等主编的《离散事件系统建模与仿真》以及周泓等主编的《生产系统建模与仿真》;关于仿真软件部分的教材为：王亚超等主编的《生产物流系统建模与仿真-witness系统及应用》以及谢毅等主编的《离散事件系统建模仿真与GPSSWorld教程》。

七、结束语

生产系统建模与仿真作为工业工程专业的一门专业基础课，其技术目前在生产、管理、物流、服务等领域已得到了广泛应用，我们希望，通过对该课程教学体系的探讨使其在学生今后的科研和工作中发挥越来越大的作用。

[ 注 释 ]

[1] 刘云，龚小军，李华.我校工业工程专业人才培养研究[J].西安电子科技大学学报（社科版），2004（1）：62-65.

[2] 孙小明.生产系统建模与仿真[M].上海：上海交通大学出版社，2006：3.

[3] 王建华，黄贤凤.WITNESS仿真在工业工程专业实验教学中的应用[J].科技信息，2010（18）：224-225.

[4] 刘云，龚小军，田斌，王亚民.工业工程专业《生产系统建模与仿真》课程实验教学探究[J].教育教学论坛，2014（8）：237-238.

[责任编辑：钟 岚]

[收稿时间]2014-12-25

[作者简介]刘云（1973-），女，陕西西安人，硕士，西安电子科技大学经济与管理学院副教授，研究方向：系统仿真、系统可靠性。