基于Visual Components的生產線平衡仿真實驗設計

高彬 王洪峰

摘要：針對工業智能等新工科專業開設的智能生產與物流運作管理選修課程中重要的知識點-生產線平衡問題，基于實驗中心實驗網絡平臺和Visual Components專業仿真軟件，結合實驗背景，從實驗目的、實驗環境、實驗原理、實驗任務、實驗要求等方面設計仿真實驗方案。通過仿真實驗不僅可以幫助學生理解生產線平衡的原理和方法，還可以幫助學生熟悉掌握Visual Components軟件功能和基本應用，從而提高運用現代專業工具軟件分析解決專業領域問題的能力。

關鍵詞： Visual Components; 生產線平衡; 仿真實驗; 生產運作; 工具軟件

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）18-0051-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

東北大學立足“新一代人工智能”國家科技重點發展戰略，面向以智能制造為代表的我國科技產業主戰場，瞄準我國工業自動化向智能化轉型升級的發展需求，為國家培養工業智能及相關領域高級工程技術人才，經教育部批準設立新工科專業-工業智能專業。智能生產與物流運作管理是面向新工科專業學生開設的一門選修課，是在原有生產與物流運作管理課程內容基礎上進行升級改造的課程。智能生產與物流管理貼近現代制造業和物流業，實踐性和操作性要求高。但在原有課程講授過程中，受場地、成本等限制難以在學校建立真實實驗環境，同時由于安全性、企業接待能力和意愿等限制無法去有代表性的企業進行實習實踐，存在實驗教學不足，學生實踐能力培養不夠等問題[1-3]。再者，隨著智能數字化等先進技術的發展，提高運作管理效率，降低運作管理成本，運用虛擬仿真技術進行生產與物流運作管理優化已成為一種趨勢[4]。因此，在新課程設置中，基于數字化工廠仿真軟件搭建虛擬仿真實驗平臺，通過虛擬仿真生產與物流運作管理過程開展實驗教學，既能提高學生對生產與物流運作管理知識理解，也能使學生了解掌握主流虛擬仿真軟件功能，有助于培養能夠在工業智能及相關領域從事科學研究、技術開發、工程實踐與技術管理等方面的寬口徑、高素質、創新型、復合型高級工程技術人才的目標實現。

2 實驗背景

2.1 智能生產與物流運作管理選修課程及生產線平衡

《智能生產與物流運作管理》課程是人工智能、工業智能相關專業的選修課。生產與物流運作管理是企業經營管理的基礎，它關系到企業運營的成敗與效率[5]。其內容主要包括：生產運作戰略規劃、組織設計、運行控制和升級維護等活動。通過本課程的教學，使學生了解智能生產與物流運作管理的概念和理論體系、目標和任務，生產與運作系統的選擇與建設，生產和服務選址，生產和服務系統布置，生產與運作計劃，計劃信息系統，質量管理，作業成本管理，設備管理，準時生產方式，智能生產及智能物流等。在職業素質上提高學生在生產運作管理領域分析問題、解決問題的能力，具備生產管理專員的基本素質，培養和提高學生生產運作管理的能力，達到專業培養目標提出的要求。

裝配生產是多數制造業重要的生產形式。大批量產品裝配生產常常采用連續傳動流水式生產，裝配件在裝配過程中隨傳送裝置一起處于運動狀態，工人在各自的工位上在節拍時間內完成該工位所規定的作業內容，接著完成下一個裝配件的相同作業內容[6]。具有生產連續性高、工作專業化程度高、按節拍進行生產等特點。生產線平衡是流水線生產運作管理的重要優化問題。生產線平衡是指構成流水生產線各道工序所需的時間處于平衡狀態，作業人員的作業時間盡可能地保持一致，使得生產過程順暢進行，消除各道工序間的時間浪費，進而達到生產線的平衡運轉。

2.2 Visual Components軟件介紹

Visual Components軟件，簡稱VC，是由芬蘭Visual Components公司開發的一款智能制造3D 數字化工廠仿真軟件，為自動化設備制造商、系統整合商、制造型公司提供一種簡單、快速和高效的設計方式，通過快速制作三維設備/組件庫，來構建工廠內部的整體可視化方案。VC將離散事件模擬仿真、人機協作仿真、機器人離線編程開發和PLC虛擬調試集于一個平臺。自帶包含各大品牌商的機器人及豐富的自動化產線元素的網絡組件庫（eCatalog），可以方便地進行布局配置和流程建模。VC在模擬仿真時，可實時采集仿真數據生成數據圖表，讓用戶了解整線的效率、產出率等，便于進行自動化產線瓶頸尋找及優化。VC軟件支持中文版的操作界面和幫助文件，軟件界面友好，易于學習和操作。目前在國內高等院校工程大學覆蓋率達40%[7]。東北大學于2020年確定采購該款產品作為工業智能專業實驗仿真平臺軟件。

3 實驗方案設計

3.1 實驗目的

1）理解流水線生產的生產線平衡原理，掌握運用生產線平衡方法進行生產線優化。

2）熟悉掌握作為領域代表性的現代專業模擬仿真工具軟件Visual Components的原理與使用，基本了解運用該款軟件進行工程領域問題的仿真分析計算和優化的過程和方法。

3.2 實驗環境

學院通過服務器虛擬化軟件搭建具備高可用性的集群服務器環境形成實驗中心桌面云實驗平臺，為學生新建和開啟虛擬機，通過虛擬桌面發布平臺將實驗用工具軟件資源進行整合，學生可通過校園網內任意終端設備隨時隨地進行實驗軟件資源授權使用，從而可以不受時空限制進行工具類軟件學習實驗。本實驗為學生搭建的虛擬機環境如下：操作系統：Microsoft Windows 10，處理器：Intel i7 9700F，內存：16G，顯卡：NVIDIA Quadro P1000，仿真軟件：MloT.VC Premium 4.2 （64-bit）。

3.3 實驗原理

1）生產線平衡的基本概念和評價參數[8]

工作要素又稱為工序，是完成某項操作所進行的最小工作單元，在進行生產線平衡時不能再行拆分。

工作站又稱工位，是裝配線中的一個工作地，產品在此工作地要完成一個或幾個工作要素（工序）的操作。

優先圖是描述各工作要素加工次序的圖。某些工序只有在前面的工序完成之后才能進行。

生產線節拍是指連續完成相同的兩個產品之間的間隔時間，即完成一個產品所需的平均時間。整個流水生產線的節拍是由最長工位時間（瓶頸崗位時間）決定的。

生產線平衡率，是所有工位時間之和與節拍時間與工位數之積的比值，生產線平衡損失是1-生產線平衡率，生產線平衡的目標就是使生產線平衡率達到85%以上，換言之，是將生產線平衡損失至少控制在15%以下。

生產線改善分為工序改善和生產線平衡兩個方面，其中工序改善是降低工位操作時間，提高工位效率和質量;生產線平衡是在工序改善后，工序工時已定情況下，對生產線進行整體重排平衡，達到工位操作時間平衡（即各工位之間的時間差距要盡可能小）和生產線能夠連續生產的目標，從而提高生產線平衡率。本實驗是針對生產線平衡問題進行。

2）生產線平衡的步驟及方法

生產線平衡的基本步驟是收集計算產品所有工序生產時間，畫出工序優先圖，決定生產節拍，確定理論工位數，按理論工位進行生產線平衡，計算并進行結果評價。生產線平衡是典型的組合優化問題。實際生產線平衡有很多常規方法，課堂上講解了霍夫曼方法，即在所有可行的第一工位平衡中，選擇能最大程度減少第一工位窩工時間的一種平衡，然后在最大限度減少第二工位的窩工時間，依次類推。

3.4 實驗任務

1）任務背景

以某電子產品配套生產廠商的手持空調遙控器組裝生產為研究對象，其各工序組成及加工時間、順序要求如表1所示。

現行生產線工序優先圖以及工位排程如圖1所示。圖1上部圓圈代表工序，其內部標識工序編號和工序加工時間，箭頭代表加工順序。虛線框是將一個或多個工序組成加工工位，并進行工位編號標識。圖1下部是進行生產線工位排程后的結果，方框代表工位，其內部標識工位所含工序和工位加工時間。

按照現行生產線工序優先圖以及工位排程情況，應用Visual Components軟件仿真結果如圖2所示。

2）任務要求

①根據任務背景數據，結合現行生產線仿真布局，對現行生產線進行平衡問題分析。

②設定生產節拍為10秒，對現行生產線進行平衡優化，重新進行工位排程，通過Visual Components軟件進行結果仿真，就優化過程給出解釋說明并進行優化結果評價，完成實驗報告。

3.5 實驗要求及說明

1）課前預習

通過向學生提供Visual Components軟件操作說明書和操作演示視頻，要求學生自主熟悉實驗環境，理解軟件的基本命令結構、特點及其使用方法，掌握軟件的各種操作工具的使用、常用命令的特點以及應用范圍、規劃布局的技巧，基本掌握在虛擬環境中進行生產線規劃布局設計的方法。

2）現行生產線仿真

結合課前給出的現行生產線工序優先圖及工位排程和生產線仿真布局的典型工程樣例，要求學生在實驗課前或實驗課內前半段時間里，基于實驗環境和Visual Components軟件進行案例驗證性重現。可以督促學生完成課前預習并檢驗預習效果，為后續實驗任務完成和實驗技能提升提供可能。

3）生產線平衡優化

以任務驅動形式要求學生進行現行生產線平衡優化，對生產線平衡方法不進行限定，鼓勵學生采用課程內未講授的其他方法實現。要求學生就現行生產線問題進行分析，就生產線平衡采用的方法、計算流程、優化結果評價等進行論述說明，并通過Visual Components軟件完成優化后的生產線布局仿真，將仿真結果及相關圖表截圖或導出。這部分內容要求學生以實驗報告形式提交，培養學生運用專業理論方法和工具軟件分析解決問題以及技術文檔撰寫能力。

4 結論

基于Visual Components軟件進行生產線仿真及平衡優化可以幫助學生形象理解企業生產運作管理的基本知識和方法。對于Visual Components軟件來說，本實驗僅僅是引導性的基礎入門級應用，后續隨著專業課程的深入開展和仿真軟件的深度應用，可以幫助學生更全面了解現代專業工具軟件的功能和方法，啟發引導學生自覺運用現代專業工具軟件分析解決專業領域問題，培養提高科學思維、工程實踐和科技創新能力。

參考文獻：

[1] 白瑞峰，韓洪洪，于赫洋，等.智能制造虛擬實驗系統設計與集成[J].實驗技術與管理，2016，33（6）：129-131，149.

[2] 萬衛紅，謝學軍，張予川.汽車生產運作與管理虛擬仿真實驗教學系統研究[J].實驗技術與管理，2020，37（12）：230-232，236.

[3] 張金鑫，張予川，謝學軍.智能制造背景下生產與運作管理虛擬仿真實驗設計與探索[J].新營銷，2019，12： 122-124.

[4] 周艷聰，黎屹杰，張波，等.基于Maya的智能制造仿真系統研究[J].科學技術創新，2020（21）：79-80.

[5] 馬士華，林勇.企業生產與物流管理[M].2版.北京：清華大學出版社，2015.

[6] 陳榮秋，馬士華.生產與運作管理[M].4版.北京：高等教育出版社，2016.

[7] 郭鵬.Visual components 是一款怎樣的軟件？[EB/OL]. https：//www.zhihu.com/question/309931216/answer/1174765154.

[8] 姜康青.柔性化生產方式下汽車裝配線平衡調整方法的研究和實踐[D].上海：上海交通大學，2003：12-14，22.

【通聯編輯：王力】