工業工程綜合實驗室建設的研究與實施

郭景霞，蘭建義，閆艷燕

（1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學 機械與工程學院，河南 焦作 454000）

工業工程（industrial engineering，IE）是一門以系統效率和效益為目標的工程技術，兼具工程技術和管理技術的雙重屬性。IE強調利用系統工程的思想，綜合數學、運籌學、自然科學、人文社會科學等多學科領域知識與技術，對由人、設備、物料、信息、能源等組成的系統進行整體規劃、設計、評價和創新，提升企業的生產效率和社會經濟效益［1－2］。因此，工業工程學科受到工業界的高度重視。當今的企業生產經營環境在產品多樣性、生產周期和服務方面發生了很大的變化，工業化時代以剛性自動化技術拉動單一品種大規模的生產方式越來越不能適應市場需求的變化，而采用工業工程現代管理技術植入先進制造技術這種新生產方式的時代已經到來。

1 工業工程實驗室建設目標

工業工程是一個實踐性非常強的專業，以就業為導向，我國高等院校力在培養具備操作能力的基礎性工業工程人才、具備分析能力的研究性工業工程人才和具備管理能力的決策性工業工程人才。這就要求工業工程學生不但要具有扎實的理論基礎，而且應有較強的實踐能力，創新能力和管理能力。但由于我國大多數院校工業工程學科建設還處于探索階段，偏理論、輕實踐的傾向比較嚴重，造成實驗室建設還很薄弱，還有很多亟待討論的問題：

（1）工業工程實驗室體系結構綜合性不夠。忽視各實驗課程間的聯系，單獨設立人因工程實驗、基礎工業工程實驗、物流工程實驗及仿真實驗，致使各課程實驗模塊契合度小，只能夠模擬區域化生產現場，缺乏綜合性［3－4］，學生往往對出現在不同課程中的同一知識點理解不全面。企業生產運作是一個復雜的系統工程，一個問題就涉及到工業工程學科的許多方面，因此，將工業工程各分支的實驗教學綜合為一個有機的整體，可幫助學生構建系統、連續的學科知識體系。

（2）實驗教學模式過于單一。只能應付普通的驗證性實驗教學，很難真實再現企業生產現場并跟上其發展變化的步伐［5］。市場對IE人才有不同層次的需求，實驗教學也應適當調整方向，精煉多元化、多角度的教學培養模式，來適應市場對IE人才的需求。

工業工程實驗室定位要以學生為本，立足于本校專業背景和現有的資源條件，依據經濟性、實用性原則，綜合利用硬件設施規劃和軟性建設方法，落實每個實驗環節，加強各學科間知識體系的聯系性，從而奠定實驗室發展基礎，再逐漸拔高特色培育。

工業工程實驗室采用集約模塊化方式進行管理［6］。重新整合工業工程、人因工程、物流工程、質量管理、系統建模與仿真5個分布式子模塊的實驗教學資源，利用各實驗課程的交叉點構建一個以現代制造與物流系統為主體、融合人因工程技術和質量管理技術、集企業信息化管理與理論研究于一體的模擬微型工廠。在實驗教學中營造一個真實的生產環境，創設生產服務崗位，從角色中培養學生基本動手能力和創新能力，建設一個既能滿足教學實踐要求，又能實現教育培養成果，符合市場發展需要的工業工程實驗室。

2 工業工程實驗室建設情況

2.1 工業工程實驗室構成

2.1.1 硬件設施

實驗室硬件設施主要由生產制造執行系統、貨物存取和傳送系統、生產與物流控制管理系統3部分組成，如圖1平面結構設計圖所示，其中還設有討論區、工具柜、人因測量區、質量管控區等輔助配套設施。實驗運作過程模擬企業生產。自生產計劃任務下達之后，原材料出庫在數控機床生產線進行加工，通過自動立體倉庫系統將組裝流水線的成品進行倉儲，實現子實驗模塊的銜接與一體化管理。

圖1 工業工程實驗室平面結構設計圖

生產計劃管理模塊是在生產與物流控制管理系統平臺上建立的，是利用庫存數據和生產計劃統籌資源需求，包括所有資源庫 （物料、設備、工裝、工人、資料和空間等基本信息）以及替代資源及影響、資源的能力和資源的儲備等，對訂單的生產排產、加工、入庫、交貨進行全面的管理［7－8］，同時給生產管理的各個環節留出可調整的空間。

生產制造執行系統主要由離散型數控機床加工區、產品組裝流水線和滾筒式、倍速鏈式傳送方式3部分構成，形成共計10個工位（4個加工工位、6個流水線工位）的U型布局結構。原材料經過數控機床加工成半成品，傳送至裝配區進行流水線組裝，完成一個成品的加工過程。生產過程中計劃調度分配任務由每個工位的電子看板實現各環節的任務分配、任務進度錄入和工時反饋等工作，達到準時化生產。每個作業單元經過攝像頭監控記錄的操作過程生成視頻文件，傳送至生產與物流控制管理系統進行保存。學生可通過ISE工業工程分析軟件對回放視頻進行程序分析、作業分析和動作分析，對導出的報表利用工業工程的研究方法進行作業改善與優化。此實驗環節可以使學生直觀地了解生產細節，特別是看板管理技能對生產過程的運籌與把控。

人因工程分析系統是建立在生產制造執行系統模塊平臺之上的，分為人體分析、環境分析和人機分析3個單元。在生產線上，通過儀器設備量化人體自身各項機能指標、工作環境分析指標以及人機配合時人體各項生理心理反應。評估在某個工位上由于環境參數溫度、濕度、噪聲和照度的不同，操作人員進行相同操作所表現出來效率與動作的標準程度［9］，再運用人因工程學的原理和方法進行生產要素的合理設計，來實現人—機—環境系統的最優組合。

質量管控系統分為原材料質檢與生產質檢2個環節。這2個質檢環節都是依據圖紙和檢驗規范，利用檢驗儀器對產品進行包括外觀、標志與性能指標的檢驗，并通過SPC軟件分析研究采集的產品質量數據，最終運用質量管理的方法來分析解決質量管理與控制問題，培養學生在工作中的創新能力。

物流倉儲系統硬件主要由自動化倉庫系統、輸送線系統和物流分揀系統構成。立體倉庫作為倉儲系統，采用單立柱巷道式雙排貨架結構，用來存儲各種原材料與產品。物流分揀系統由流力式貨架、電子標簽系統和電子標簽輔助揀選信息管理系統等組成，可進行摘果式、播種式等多種物流分揀系統的實驗設計和分析［10］。該系統配置 Wintness生產與服務系統運作仿真系統，開設自動化立體倉庫訂貨發貨運行模式實驗、庫存管理實驗、物料需求計劃、生產作業計劃、生產過程控制等獨立實驗［11］。學生結合物流仿真軟件對工廠生產系統的方案布局進行分析，找出該方案中的瓶頸所在，運用系統布置設計方法優化設計合理的物流系統。由此加深學生對工廠企業物流分析和設施選址及評價方法的理解，提高開發設計的創新能力。

2.1.2 軟件設施

生產與物流控制管理系統是以軟件集成的生產系統規劃設計、運行優化等仿真與建模的管理平臺，由設備控制軟件、常用管理軟件、實驗數據分析軟件等3種軟件構成。涉及ERP生產管理、工業工程、質量管理、物流管理等實驗課程。軟件管理平臺運行模式主要通過局域網實現對生產過程的操作分析，能及時有效控制流水生產線平衡，從而豐富整個實驗系統的教學與科研內容。

2.1.3 實驗方案流程

圖2為綜合實驗運作流程圖。集成化生產制造系統首先要處理虛擬訂單，根據倉儲情況做出分析處理結果，直接揀選配送、安排生產計劃、原材料采購。原材料在經過質量檢驗合格后才能倉儲，同樣，生產線根據生產計劃加工的成品在質檢合格后通過物流平臺進行倉儲，而殘次品剔除存放。揀貨設備按照訂單將合格成品分類出庫，安排配送。整個實驗過程模擬實際生產管理流程，培養學生熟知企業管理的各個環節，統籌管理生產線流程。

2.2 工業工程實驗室軟性建設

工業工程實驗室配套的軟性建設包括實驗教學體系與教學方法，尤為需要優化提升。依據培養多元化人才的目的來構建多層次、輻射面廣的實驗課程體系，將實驗教學內容系統化、連續化、循環化。通過崗位實踐及改善課堂教學方法，使學生充分融入實驗教學，培養學生專業實踐意識以及創新能力。實驗室軟性實力的提升能深挖硬件設施的潛力，實現實驗教學效能的最大化。

2.2.1 工業工程實驗教學體系

傳統驗證性與綜合性實驗內容已經遠遠不能滿足市場對于工業工程人才的需求，培養基礎性IE人才、提升研究性決策性IE人才水平，是目前市場需求的主流。實驗教學內容改革要在原有的基礎上增加設計性實驗、研究性實驗，構建多層次遞進性的實驗教學體系，提高學生的綜合實踐能力。

（1）基本性實驗。各課程實驗獨立進行，目標是讓學生了解基本的實驗理論、實驗方法以及常規實驗儀器設備的使用，熟悉掌握該學科的基本原理、方法，培養學生實際的操作能力［12］。

（2）綜合性實驗。整合重構各實驗課程內容，以課程交叉知識點為支撐，覆蓋實際工程應用案例，集成綜合性實驗項目。該層次實驗內容目標是培養學生綜合運用知識，獨立分析解決問題的能力。

（3）設計性實驗。教師擬定實驗題目，學生獨立完成從查找資料、擬定實驗方案到系統實現全過程工作。設計性實驗培養學生的發散思維，啟發一定的工程設計能力。

（4）研究性實驗。教學對象更傾向于研究生階段的學生，通過了解學科前沿的動態信息，針對工業工程發展的某一瓶頸問題，利用實驗室平臺的資源不斷深入科學研究，為科研工作打下基礎。

圖2 綜合實驗運作流程圖

2.2.2 實驗教學方法

立足實驗教學內容，采用多渠道、多思路的教學方法優化教學資源。如圖3所示，以教學計劃為核心，圍繞實驗課程體系，分對象、分時段，對體系各環節有針對性地嵌入課程設計、實踐實習、畢業設計及科研項目。課里課外多樣化實驗教學互相拉動、互相滲透，實驗教學指導實踐，實踐問題促進實驗教學改革，形成拉動學科發展的引擎動力。

圖3 IE實驗教學軟性建設

案例教學也是特色教學方法之一。首先，實驗室建設就是典型的案例教學。學生模擬制造工廠生產實踐的場景，去思考、解決生產過程中的突發事件，同時優化調整不合理結構。其次，分析真實生產運作視頻。讓學生到實踐基地或企業的生產現場進行調研和數據采集，收集的數據再拿到實驗室進行仿真和優化。第三，通過網絡平臺定期向學生進行工業工程行業內最新應用成果展示，激發學生的興趣和積極性，加深案例研究和所學知識的結合，領會理論應用的條件和環境，有利于學生分析問題和解決問題能力的培養［13］。

3 工業工程實驗室特色

3.1 充分利用校內資源

工業工程實驗室建設緊密結合校內其他學科建設發展。在校內資源共享的平臺上，可利用機械學院的精密制造技術與工程實驗室、安全學院的人因工程實驗室、經管學院的ERP沙盤模擬實驗室等優質資源。我校優勢學科“采礦專業”的虛擬仿真實驗室，為學生搭建了各種行業的“虛擬工廠”，特別是能夠使學生在不下井的條件下就對井下的物流系統有一個清晰的了解，學生反饋良好。校內優質資源的共享，擴充了IE實驗教學內容，優化了實驗教學資源合理配置，對工業工程實驗教學有很好的助推作用，同時避免了校內教學資源浪費，提高了資源利用率。

3.2 崗位角色培養

工業工程實驗室模擬制造企業運作的真實場景，將企業所處的內外部環境抽象為一系列規則，把學生分配到各個崗位中，其中有生產調度、質量檢測與分析管理崗位和生產、倉儲等技術崗位［14］。完成整個生產流程，需要學生明確自己的崗位職責，體驗真實設備操作，更需要各部門各環節的通力合作。崗位角色體驗式教學模式讓學生零距離對接企業生產實際，及早地提升學生的職業素養。

3.3 為學生提供實驗室設備創新條件

實驗室建設要與時俱進（需要依靠學校的資金投入），同時也要為學生創新發展提供良好的機會。我校工業工程實驗室積極引導學生改造實驗室設備和開發實驗項目，提供寬松的創新實驗環境。學生可參與指導教師對目前實驗設備存在的缺陷與不足進行的改進，也可自發研制高性能實驗設備，同時予以獎勵。引導學生參與實驗室改革，不僅改善了實驗設備的性能，更重要的是培養了學生的創新意識、團隊合作精神，為學生的發展打下堅實的基礎。

3.4 產學研多位一體實驗平臺

IE實驗教學平臺首先保證學校的實驗教學工作，其次還需考慮教師以及研究生的科研需要。根據“研究進行教學”的思想和“教學與研究相統一”的原則［15］，教師在實驗教學中向學生滲透科研的思想，依據本科生與研究生的不同知識層次，把科研項目分解為有難易程度的子課題融合在實驗項目中，調動學生學習的主動性和積極性。

我專業建設的精造研究所，依托實驗室的科研成果，面向企業開展生產模式管理優化、生產環境管理、物流系統規劃與優化等方面的技術服務，構建具有綜合服務能力的企業管理技術服務基地，實現校企的深度合作。以實驗室為中心樞紐，形成以教學、科研、社會技術服務等為一體的多主體互動共贏平臺，對推動實驗教學、科研成果轉化與推廣有良好的增值效果。

4 結束語

工業工程實驗室建設是學科建設的重要組成部分，是建設帶動產學研多方共贏發展的實驗平臺，還需要以工業工程發展的趨勢、人才培養的目標和具體的職業崗位對不同層次人才的動態要求為核心，打破傳統的實驗體系架構，建設與大部分企業生產經營環境相符合的實用型實驗室，向“厚基礎、寬專業、重特色”的培養目標轉變。

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