《生产计划与控制》课程设计的建设与实践

张思奇ZHANG Si-qi；刘阳LIU Yang；张云凤ZHANG Yun-feng；王婉娟WANG Wan-juan

（沈阳建筑大学，沈阳 110168）

（Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

0 引言

课程设计不仅是高等学校实践教学环节的重要组成部分，更是强化学生实践能力的重要环节。在进行课程设计之前，大学生应当掌握坚实的专业基础理论、广泛的专业知识以及基本的实验方法，不仅对培养学生提出问题、分析问题、解决问题以及初步形成科学研究的综合能力具有重要作用，更是增强学生职业意识以及巩固所学理论知识的重要途径。

《生产计划与控制》课程之所以被列为高校物流工程专业的核心专业课程，那是因为其具有实践性强以及紧密联系生产实际的特点。但是目前的国内高校受到各种限制已经形成了纸上谈兵的教学形式，并且对学生掌握生产系统规划设计方法的要求随着企业信息化的发展提出了较高的实践操作能力要求。由于在目前的教学体系中缺乏能力培养的环节，从而达不到企业的用人要求。

本文重点从提高《生产计划与控制》课程设计教学内容角度对实践教学系统的建设和应用情况进行研究，旨在提高该课程的教学效果。在生产物流课程设计方面主要分为解析方法和仿真方法两种。虽然解析法具有悠久的历史、应用广泛且是一种成功的方法，但是由于其过于强调数学抽象，因此，此方法可以求得最优解但是却不便于分析实际的系统，并且随着不断扩大的现代物流系统规模，使得这种方法在求得最优解过程中变得十分复杂甚至求不出最优解。而仿真法则是根据系统的实际结构和组成利用已经对系统调研分析获得的数据建立的动态模型进行分析，由于此模型不仅对物理特性和逻辑特性进行了很好的表达且贴近实际，因此便于分析系统。因此，运行一次仿真模型只是对系统的一次抽样的模拟，因此，仿真方法不是一种优化方法并不求出最优解，但是可以根据模型的运行效果进行参数修改，经过反复仿真以求得最优解。因此，随着我国制造业信息化进程的不断推进，仿真规划将会得到越来越广泛的研究和应用。

1 基于eM-Plant 仿真的《生产计划与控制》课程设计方案研究

1.1 《生产计划与控制》课程设计建设目标 当学生完成一门或多门专业课程教学后，综合利用所学知识以及查阅相关资料从而完成方案构思或方案设计计算实践性环节即《生产计划与控制》课程设计。此设计不仅有利于培养学生的动手能力和创造能力，并且还为学生提供了一个既动手又动脑且理论结合实际的机会。本文的目标是：解决课程设计教学模式单一且缺乏仿真模拟实践教学环节的问题，从而充分发挥学生的主动性和创造性。

1.2 基于eM-Plant 仿真的《生产计划与控制》课程设计的内容 本课设根据企业生产现状及生产流程的分析，运用所学的先进生产物流管理模式，对其进行总体规划，以满足柔性生产的要求。

①首先以生产系统为研究对象，提出生产线平衡理论与系统仿真技术相结合，通过对生产线的调查，收集整理生产线的相关数据。数据主要包括产品的BOM（物料清单），年产量，每种产品的工艺流程，每个工序的加工时间以及工人的人数，生产物料的种类、重量和尺寸等信息。物流工程专业开设了物流装备和一些机械相关的课程，学生可以根据生产物料的种类、重量和尺寸确定物料搬运的设备及生产设备。根据产出量指标确定生产的规模，实现预期的生产目标。根据产成品的种类来设计柔性生产线（也叫混合生产线），能够成批生产彼此不相关的产品，使得多品种、小批量生产成为一种高效率的生产。要求学生绘制生产线的工艺流程图。

②然后，对混合生产线进行启发式平衡设计，采用JIT技术实现对生产节拍的控制从而达到生产平衡。JIT 准时制生产方式作为一种独特的生产管理技术，即通过生产流程化、作业标准化、生产均衡化、资源配置合理化。JIT 准时化生产系统是只在需要的时候，按需要的产品生产的需要，通过程序控制、库存管理和生产，使生产库存系统达到最小。

③在此基础上，根据生产流程的种类和生产工艺对总体生产设施应用原则布置方法进行设施布局，主要采用产品原则布置（生产线布置），工艺原则布置（机群式布置）和成组单元布置。对于厂区物流单元布局可采用SLP（系统设施布置）方法设计，最终达到节约物流量搬运成本尽可能低的目地，使生产效率最高，并且要求绘制出生产流程的物流布局图和装配工位设计图。

④再应用Johnson 启发式算法（两台机器）、Palmer 算法（三台及以上机器）、遗传算法或其他算法进行车间的生产排程。这部分设计内容如果课程设计的时间不够，可以不做。

⑤最后，在对生产线进行仿真实体抽象的基础上，利用面向对象的离散事件仿真软件eM-Plant，建立能够满足柔性生产要求的仿真模型。仿真模型与物理车间的区别在结构上是相似的，在功能上是同等的，区别在于它并不消耗真实的物质和能源。3D 可视化地展现生产系统运行效果，验证方案的可行性，并分析仿真结果。这部分与前面工作的工作量各占一半。

1）仿真内容包括生产系统仿真模型的建立，人机作业分析的仿真，设施布置仿真，生产排程的仿真，设备数量的仿真，设备调度的仿真，暂存区的仿真，生产系统仿真的输出，仿真结果分析及优化，最终提供优化设计方案。

2）参数设定包括决定设计的决策变量（如机床失效率、设备布局、零件加工工序）、工作负荷（如原材料到达规律）和运行规则（如先进先出）等内容。仿真软件将这些数据转换成制造系统模型，这个模型包含制造系统中各模块的相互关系，并且是系统内随机现象的统计模型。用户仿真时，首先确定初始状态（如暂存区容量、设备加工时间），从初始状态，仿真软件以时间为自变量按照模型的规则运行，跟踪所发生的各种事件（如零件传送、设备故障）。

3）最后设置多次运行设定不同的仿真情形、仿真运行时间和仿真前的热身时间等信息，仿真软件会输出仿真结果，包括产出量，仿真时间，空闲时间，加工时间，设备利用率，零件通过率等统计性能参数。仿真结果分析包括加工时间波动、故障率和暂存区容量变化对产出率的影响，对象参数优化，瓶颈分析，对生产线平衡前后的重要指标进行比较，以达到生产线的平衡得到了极大的改善，生产率得到较大提高的目的。

通过计划和控制生产物流从而对企业的生产物流系统进行优化，从而使得企业的物流畅通无阻，不仅可以保证生产过程的物料需求，又可以保证生产的正常运行。具体方案如图1 所示。

图1 《生产计划与控制》课程设计方案设计

1.3 基于eM-Plant 仿真的《生产计划与控制》课程设计的实施 在课设过程中，学生每人一题，每人上交一份研究报告和仿真模型。为了使得生产系统能够满足制定生产率的要求，学生应当通过对实际生产系统进行分析建模并给出生产纲领，对构建生产系统的设备进行合理选择，从而优化各种参数以及平衡负荷，此外，还要对设备进行合理布局。研究目标是使生产线布局合理，物流顺畅，生产线平衡率在85%以上，且具有较高的柔性。不仅满足现有生产线的需要，为未来的扩展留有足够的空间。

课设成绩由平时成绩（包括课设答疑情况，设计进度），研究报告（包括内容全面），仿真模型（包括复杂程度，与实际系统接近程度等），答辩成绩（包括自述，回答问题）四部分组成。研究报告内容包括背景描述，仿真研究的目标，收集数据定义模型（包括精确数据、来自客户或建模者的推断），建模过程，对象的参数设置，编写控制程序，设计仿真实验（说明每种设计所需要的仿真次数、每次仿真的时间长度和初始状态等），运行仿真程序，输出仿真数据，仿真结果分析，模型优化分析。

2 结束语

本文研究的《生产计划与控制》课程设计是生产管理模式与仿真技术在生产系统规划设计中的应用。本课设内容涉及到《生产计划与控制》课程和《物流系统仿真技术》课程的主要知识点，以及《物流装备》课程和《系统设施布置》课程的相关内容，这种以《生产计划与控制》课程为主体综合四门课的理论知识应用实践，有更重要的意义，使学生对这四门专业课融会贯通。课设应用了《生产计划与控制》课程的一些重要的知识点——生产线平衡、生产排程、设施布置、柔性生产线，解决实际生产系统中典型问题，培养学生理论与实践相结合。针对获得的生产系统的规划方案运用物流仿真软件eM-Plant 建模验证，实现在工程数据的驱动下，优化设计方案。3D 动画显示，给用户直观展现生产线的工作过程，以更直觉、更生动、更精确的方式给出生产车间的生产过程仿真结果，形成对生产线特征的准确理解与直观评价，培养学生的动手能力和创造力。

[1]蒋祖华，苗瑞，陈友玲.工业工程专业课程设计指导[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]陈荣秋等.生产运作管理（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]刘阳等.基于学生职业能力培养的“物流和供应链管理”课程教改研究[J].价值工程,2013，32：198-200.

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