工業工程虛擬仿真分布式實訓方式探索

楊 琴, 陳金銘, 王文軻, 郝婷婷, 魏 芳

(四川師范大學 商學院, 四川 成都 610101)

1 工業工程實驗實訓教學

工業工程(industrial engineering,IE)學是集管理與工程技術于一體的綜合性、實踐性學科。在工業工程課程教學中涉及實驗、實訓、課程設計和實習環節,但是在實際教學體系中仍然存在實訓教學與理論教學分離、實訓教學各環節聯系不緊密等問題，不利于推動學生實用技能和綜合創新能力的培養。

虛擬仿真實訓具備對現實的模擬性和操作性,有利于激發學生的學習興趣、培養學生的創新精神和實踐能力。以往仿真實訓環節大多在實驗室集中進行。由于實驗室條件和資源有限,教師無法在理論授課時及時插入仿真實訓內容。

針對實驗室虛擬仿真實訓教學方法的應用問題已有許多深入的研究。例如汽車構造原理與虛擬拆裝、汽車性能虛擬仿真等實驗教學平臺的設計[1]；新能源分布式發電虛擬仿真實踐教學平臺的構建[2]；高度仿真的地球科學虛擬實驗環境和實驗對象的構建[3]；礦山測量虛擬仿真實驗教學系統的構建[4]。許多學者在專業領域的實驗方面融入了采用互聯網技術的虛擬仿真研究,在實驗室研究方面邁出了一大步[5-7]。

隨著信息技術和互聯網技術的突飛猛進,互聯網思維和數據化逐漸嵌入教育教學過程。現在絕大多數虛擬仿真實訓是搭建在計算機信息網絡技術之上,具備隨時、隨地開展的條件。本文以實現實訓內容和課堂教學緊密結合、加強實訓教學各環節的聯系為目標,結合四川師范大學工業工程專業的實訓教學情況,探索如何充分運用云平臺為實驗教學開拓分布式虛擬仿真實訓的方式方法。

2 虛擬仿真分布式實訓構建思路

2.1 構建云平臺

云平臺系統由云平臺管理服務器、客戶端、網絡設備等組成,它將實驗室的計算機桌面統一部署于實驗室中心服務器上,學生在實訓中采集的數據也集中存儲在服務器內,通過Web(局域網或廣域網)將個人桌面系統快速交付給學生。學生可以通過不同類型的客戶端設備,如臺式計算機、筆記本電腦、手機及平板電腦等隨時隨地登錄云平臺。這是一種新型的實驗室桌面使用模式。

四川師范大學為云平臺建設提供了充足的基礎條件,主要包括3部分。

(1) 云平臺管理服務器。校內所有的服務器已實現虛擬化,將現有軟件部署在實驗室中心服務器上,學生可以隨時隨地利用互聯網訪問相關資源。此外,可訪問的資源還包括SPSS、綜合仿真、奧派、中國科學網工具軟件教學視頻庫等資源。

(2) 客戶端虛擬化(云桌面)。學生使用云終端軟件或者PC安裝終端軟件即可實現所有資源直接訪問,無需再單獨安裝軟件,并且全網可用。

(3) 網絡設備。已全面覆蓋了校園網、WiFi及4G網絡,學生可以流暢地通過網絡傳輸信息。

2.2 虛擬仿真分布式實訓的建設內容

2.2.1 整合虛擬仿真實驗資源

以培養學生創新能力為出發點,整合已有的虛擬仿真實驗教學資源,開展基礎實驗、綜合實驗、探索創新實驗三大模塊的開發與建設[8]。通過建立虛擬仿真事件案例資源庫,為分布式實訓奠定基礎。通過規范化、標準化工業工程專業已有的仿真實訓案例,充實實訓內容,構建基于人因工程、生產系統、物流系統等模塊的綜合實訓案例。通過已建成的虛擬仿真實訓項目,服務于工業工程領域的多個專業的虛擬仿真實訓教學,提高學生解決實際問題的能力和創新能力,培養具有創新能力的高素質工業工程技術人才[9]。

2.2.2 搭建“基礎—綜合—創新”遞進式的實訓體系

通過工業工程學的教學,學生需要深刻理解、能在實踐中應用專業知識,提高解決工程問題的能力和創新思維能力。根據對清華大學和上海交通大學等高校工業工程專業實踐教學開展情況的前期調研,總結出實訓教學體系3個層次的遞進實驗:基礎型實驗、綜合型實驗和探索創新型實驗,如圖1所示。

圖1 虛擬仿真分布式實訓的建設圖

(1) 基礎型實驗是專業課程中的基本實驗。學生通過基礎型實驗,深入理論知識和實驗方法的學習和運用(例如方法研究理論的實際應用、作業測定的方法使用、曲線的繪制與分析、設施規劃仿真模擬等),學習相關軟件知識(如“達寶易”軟件、SPSS軟件)。基礎型實驗有針對性地鍛煉學生的實踐能力。

(2) 綜合型實驗以能力訓練為主,是在基礎實驗的基礎上的模塊化、綜合性虛擬仿真實驗。結合已有虛擬仿真教學資源,構建生產運作虛擬仿真(如Witness的裝配線生產節拍平衡研究模塊)、物流系統規劃與設計仿真(如Flexsim的建模優化仿真模塊)、工業工程動作分析仿真(如運用達寶易進行動作分析優化模塊)綜合實訓。

(3) 探索創新型實驗是以分布式虛擬仿真實訓平臺為基礎,結合企業實習和教師的科研項目,指導學生針對現實問題設計工業工程虛擬仿真場景,創建虛擬仿真實訓教學內容體系和實訓教學資源共享平臺。將教師現場指導學生實驗的模式轉變為網絡化學生自主探索、教師輔助的開放式的實訓教學模式,加強課外實訓教學活動,給有興趣進行探索創新型實驗的學生提供網上自助式實訓教學環境和條件,培養學生自主解決實際問題的能力，形成“以現實問題為驅動、團隊協作開發設計實訓、探索解決問題方案”的探索創新型實訓機制。

通過搭建“基礎—綜合—創新”遞進式的實訓體系,為分布式實訓的開展創造條件。

2.3 基礎工業工程虛擬仿真分布式實訓特色

工業工程的研究方向涉及生產管理、人因工程、物流工程、服務運作、系統優化等領域。針對上述領域,有重點地設計虛擬仿真實訓項目,使學生深入學習不同研究方向的工作重點及工作范式。開發基礎型實驗、綜合型實驗、探索創新型實驗的分層次、模塊化實訓教學體系,可以幫助學生更全面地了解工業工程的各個研究領域,可以從全局統籌角度優化決策行為,培養工業工程專業學生的創新能力。

現實事件具有不可重復性、偶發性和不確定性等特征,對事件的處理需要綜合運用多個領域的知識。通過理論知識和專業實訓的綜合培養,使學生在掌握一定理論知識后，通過實訓教學更直觀了解工業工程的理論方法,再結合虛擬現實、多媒體、人機互動、數據庫和網絡通信等信息化技術,為學生構建高度仿真的虛擬實訓環境和實訓對象的虛擬仿真實訓,可以實現真實實訓不具備的實訓功能,彌補了真實實訓在這方面的不足。通過校內實訓和校外實踐的綜合培養,使學生了解實訓的工業背景,做到理論聯系實際。建立政府、企業實際管理事件庫,并與實際處理鏡像聯動,讓學生使用真實數據模擬管理事件,虛擬仿真實訓和實體實訓相結合,強化虛實結合,更扎實地掌握理論知識。

3 虛擬仿真分布式實訓方案

工業工程虛擬仿真分布式實訓方案是在對基礎實驗熟練操作的基礎上,綜合運用生產運作、物流規劃、調度等多方面的專業知識,在現有虛擬仿真實訓的基礎上,以云平臺技術和分布式思想開發的、以通用能力訓練為主體的實訓課程,為工業工程專業學生提供模塊化的綜合性虛擬仿真實訓,其系統結構如圖2所示。

圖2 虛擬仿真分布式實訓系統結構

以模型汽車代替實際汽車進行汽車的生產優化實訓,實訓方案包含4個階段和7個步驟。

3.1 階段一——熟悉生產操作,采集實訓數據

步驟1:熟悉生產操作,進行角色分工。實訓將分為多組,每組10～11人。學生在操作工人、質檢員、物料員3種角色中熟悉產品的工藝流程,然后進行3次模擬生產。分布式虛擬仿真實驗室工作過程[10-12]如下：

(1) 學生在每個工位上的電子平板(客戶端)上登錄虛擬實驗室,選擇相應的實訓和工位,完成實訓儀器的連接。

(2) 實訓開始后,利用網絡通信技術將工位上配備的高清USB攝像頭實時采集的視頻信號和通過點擊電子平板(客戶端)記錄下的作業時間轉化成TCP/IP信息，然后將嵌入式計算機系統與云平臺(分布式服務器)對接,使暫存在電子平板(客戶端)的視頻信息數據通過Internet實時上傳至云管理服務器的儲存設備內。

(3) 基于云平臺的數據傳送具有實時性,實訓結束后，實訓數據也隨之傳送完畢。

(4) 云平臺對學生操作的實訓數據進行審查,審查通過后,服務器對該實訓進行仿真并得出實訓數據,再通過Internet將該實訓數據傳回學生客戶端。該仿真結果會與學生后期的自主優化結果進行比對。

(5) 為保證多人合作的同步性,學生可通過Web或其他途徑進行聯系。

3.2 階段二——優化改善

步驟2:運用IE方法進行優化改進。從客戶端登錄云平臺,選擇相應的實訓,從中調取該實訓的視頻和生產數據,然后結合“基礎工業工程”課程中學習的IE方法,研究運用云桌面上相應的IE軟件(例如達寶易軟件)進行動作分析和優化。此外,結合生產數據的統計分析還可以進行曲線等基礎實驗的研究學習。

步驟3:現場布置優化。綜合運用“設施規劃與物流分析”等相關課程的理論知識和方法,利用SLP法從物流和非物流兩方面重新分析布置生產設施,主要是裝配線工作臺及操作人員的位置安排，目的是使傳送距離及物流成本最小,避免迂回、十字交叉等現象的出現,以提高生產效率。

步驟4:人員調整。

(1) 利用SPSS軟件對導出的生產數據進行統計分析；

(2) 運用Flexsim軟件,結合實際場地布置和數據分析結果進行仿真分析,找出瓶頸工序,進行工序拆分、人員調整和裝配線的平衡優化；

(3) 反復仿真優化,直至消除瓶頸工序,使裝配線生產達到相對平衡。

3.3 階段三——成果檢驗

步驟5:制訂作業計劃,使生產效益最大化。結合前4個步驟的反復生產模擬與優化,每個小組已產生較優的生產方案。計算機會隨機生成訂單,根據各組的生產能力制訂作業計劃。由于訂單是有時間限制的，且需要的產品類別是不同的,學生需要結合生產運作與管理、調度原理與算法等相關專業知識制訂最優的生產工序,以實現生產效率和生產效益最大化。生產開始后,倉儲系統根據小組選擇的訂單的交貨時間要求進行交貨,根據倉庫是否按時交貨,將交貨分為按時交貨、延時交貨和未交貨。延時交貨和未交貨都會受到相應的懲罰。

步驟6:對抗比賽。在規定時間內,各小組根據制定的作業計劃和優化方案進行生產；生產結束后,根據實際生產量和總生產收益同等重要原則評出最終比賽成績。

3.4 階段四——實訓總結

步驟7：經過為期1周的實訓,要求學生總結實訓內容、實訓過程以及實訓過程中運用到的知識，并寫出實訓總結報告。該實訓過程將被儲存至云平臺的虛擬仿真事件案例資源庫,豐富虛擬仿真事件案例資源庫的內容,為未來課堂教學環節的調用提供方便。

4 結語

在分層次、模塊化的工業工程虛擬仿真分布式實訓教學體系中,階段一的基礎型實驗使學生熟悉了生產流程,學習了曲線繪制等基本技能；階段二以數據分析處理等基礎實驗為基礎,結合達寶易軟件、FlexSim軟件以及Witness軟件完成了綜合實驗；階段三為該實訓的探索創新階段,結合企業實際情況,指導學生針對現實問題,設計工業工程虛擬仿真或者現實場景,實現了基于混合訂單調度的流水生產研究。

該實訓教學體系是在現有仿真實訓的基礎上,基于云平臺技術和分布式思想,對工業工程虛擬仿真分布式實訓的方式方法進行的探索。該體系不僅可以幫助學生了解工業工程的主要研究領域,還可以從全局統籌優化決策行為,培養學生的創新能力；不僅提高了實訓的效率、拓展了實訓內容,還加強了實訓與課堂理論學習的聯系。虛擬仿真技術在工業工程專業實訓教學方面的應用前景廣泛,還需要進行更深入的研究。

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