工业工程综合实验室建设的研究与实施

2015-05-03郭景霞兰建义闫艳燕

实验技术与管理 2015年11期

郭景霞，兰建义，闫艳燕

（1.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000；2.河南理工大学机械与工程学院，河南焦作 454000）

工业工程（industrial engineering，IE）是一门以系统效率和效益为目标的工程技术，兼具工程技术和管理技术的双重属性。IE强调利用系统工程的思想，综合数学、运筹学、自然科学、人文社会科学等多学科领域知识与技术，对由人、设备、物料、信息、能源等组成的系统进行整体规划、设计、评价和创新，提升企业的生产效率和社会经济效益［1－2］。因此，工业工程学科受到工业界的高度重视。当今的企业生产经营环境在产品多样性、生产周期和服务方面发生了很大的变化，工业化时代以刚性自动化技术拉动单一品种大规模的生产方式越来越不能适应市场需求的变化，而采用工业工程现代管理技术植入先进制造技术这种新生产方式的时代已经到来。

1 工业工程实验室建设目标

工业工程是一个实践性非常强的专业，以就业为导向，我国高等院校力在培养具备操作能力的基础性工业工程人才、具备分析能力的研究性工业工程人才和具备管理能力的决策性工业工程人才。这就要求工业工程学生不但要具有扎实的理论基础，而且应有较强的实践能力，创新能力和管理能力。但由于我国大多数院校工业工程学科建设还处于探索阶段，偏理论、轻实践的倾向比较严重，造成实验室建设还很薄弱，还有很多亟待讨论的问题：

（1）工业工程实验室体系结构综合性不够。忽视各实验课程间的联系，单独设立人因工程实验、基础工业工程实验、物流工程实验及仿真实验，致使各课程实验模块契合度小，只能够模拟区域化生产现场，缺乏综合性［3－4］，学生往往对出现在不同课程中的同一知识点理解不全面。企业生产运作是一个复杂的系统工程，一个问题就涉及到工业工程学科的许多方面，因此，将工业工程各分支的实验教学综合为一个有机的整体，可帮助学生构建系统、连续的学科知识体系。

（2）实验教学模式过于单一。只能应付普通的验证性实验教学，很难真实再现企业生产现场并跟上其发展变化的步伐［5］。市场对IE人才有不同层次的需求，实验教学也应适当调整方向，精炼多元化、多角度的教学培养模式，来适应市场对IE人才的需求。

工业工程实验室定位要以学生为本，立足于本校专业背景和现有的资源条件，依据经济性、实用性原则，综合利用硬件设施规划和软性建设方法，落实每个实验环节，加强各学科间知识体系的联系性，从而奠定实验室发展基础，再逐渐拔高特色培育。

工业工程实验室采用集约模块化方式进行管理［6］。重新整合工业工程、人因工程、物流工程、质量管理、系统建模与仿真5个分布式子模块的实验教学资源，利用各实验课程的交叉点构建一个以现代制造与物流系统为主体、融合人因工程技术和质量管理技术、集企业信息化管理与理论研究于一体的模拟微型工厂。在实验教学中营造一个真实的生产环境，创设生产服务岗位，从角色中培养学生基本动手能力和创新能力，建设一个既能满足教学实践要求，又能实现教育培养成果，符合市场发展需要的工业工程实验室。

2 工业工程实验室建设情况

2.1 工业工程实验室构成

2.1.1 硬件设施

实验室硬件设施主要由生产制造执行系统、货物存取和传送系统、生产与物流控制管理系统3部分组成，如图1平面结构设计图所示，其中还设有讨论区、工具柜、人因测量区、质量管控区等辅助配套设施。实验运作过程模拟企业生产。自生产计划任务下达之后，原材料出库在数控机床生产线进行加工，通过自动立体仓库系统将组装流水线的成品进行仓储，实现子实验模块的衔接与一体化管理。

图1 工业工程实验室平面结构设计图

生产计划管理模块是在生产与物流控制管理系统平台上建立的，是利用库存数据和生产计划统筹资源需求，包括所有资源库（物料、设备、工装、工人、资料和空间等基本信息）以及替代资源及影响、资源的能力和资源的储备等，对订单的生产排产、加工、入库、交货进行全面的管理［7－8］，同时给生产管理的各个环节留出可调整的空间。

生产制造执行系统主要由离散型数控机床加工区、产品组装流水线和滚筒式、倍速链式传送方式3部分构成，形成共计10个工位（4个加工工位、6个流水线工位）的U型布局结构。原材料经过数控机床加工成半成品，传送至装配区进行流水线组装，完成一个成品的加工过程。生产过程中计划调度分配任务由每个工位的电子看板实现各环节的任务分配、任务进度录入和工时反馈等工作，达到准时化生产。每个作业单元经过摄像头监控记录的操作过程生成视频文件，传送至生产与物流控制管理系统进行保存。学生可通过ISE工业工程分析软件对回放视频进行程序分析、作业分析和动作分析，对导出的报表利用工业工程的研究方法进行作业改善与优化。此实验环节可以使学生直观地了解生产细节，特别是看板管理技能对生产过程的运筹与把控。

人因工程分析系统是建立在生产制造执行系统模块平台之上的，分为人体分析、环境分析和人机分析3个单元。在生产线上，通过仪器设备量化人体自身各项机能指标、工作环境分析指标以及人机配合时人体各项生理心理反应。评估在某个工位上由于环境参数温度、湿度、噪声和照度的不同，操作人员进行相同操作所表现出来效率与动作的标准程度［9］，再运用人因工程学的原理和方法进行生产要素的合理设计，来实现人—机—环境系统的最优组合。

质量管控系统分为原材料质检与生产质检2个环节。这2个质检环节都是依据图纸和检验规范，利用检验仪器对产品进行包括外观、标志与性能指标的检验，并通过SPC软件分析研究采集的产品质量数据，最终运用质量管理的方法来分析解决质量管理与控制问题，培养学生在工作中的创新能力。

物流仓储系统硬件主要由自动化仓库系统、输送线系统和物流分拣系统构成。立体仓库作为仓储系统，采用单立柱巷道式双排货架结构，用来存储各种原材料与产品。物流分拣系统由流力式货架、电子标签系统和电子标签辅助拣选信息管理系统等组成，可进行摘果式、播种式等多种物流分拣系统的实验设计和分析［10］。该系统配置 Wintness生产与服务系统运作仿真系统，开设自动化立体仓库订货发货运行模式实验、库存管理实验、物料需求计划、生产作业计划、生产过程控制等独立实验［11］。学生结合物流仿真软件对工厂生产系统的方案布局进行分析，找出该方案中的瓶颈所在，运用系统布置设计方法优化设计合理的物流系统。由此加深学生对工厂企业物流分析和设施选址及评价方法的理解，提高开发设计的创新能力。

2.1.2 软件设施

生产与物流控制管理系统是以软件集成的生产系统规划设计、运行优化等仿真与建模的管理平台，由设备控制软件、常用管理软件、实验数据分析软件等3种软件构成。涉及ERP生产管理、工业工程、质量管理、物流管理等实验课程。软件管理平台运行模式主要通过局域网实现对生产过程的操作分析，能及时有效控制流水生产线平衡，从而丰富整个实验系统的教学与科研内容。

2.1.3 实验方案流程

图2为综合实验运作流程图。集成化生产制造系统首先要处理虚拟订单，根据仓储情况做出分析处理结果，直接拣选配送、安排生产计划、原材料采购。原材料在经过质量检验合格后才能仓储，同样，生产线根据生产计划加工的成品在质检合格后通过物流平台进行仓储，而残次品剔除存放。拣货设备按照订单将合格成品分类出库，安排配送。整个实验过程模拟实际生产管理流程，培养学生熟知企业管理的各个环节，统筹管理生产线流程。

2.2 工业工程实验室软性建设

工业工程实验室配套的软性建设包括实验教学体系与教学方法，尤为需要优化提升。依据培养多元化人才的目的来构建多层次、辐射面广的实验课程体系，将实验教学内容系统化、连续化、循环化。通过岗位实践及改善课堂教学方法，使学生充分融入实验教学，培养学生专业实践意识以及创新能力。实验室软性实力的提升能深挖硬件设施的潜力，实现实验教学效能的最大化。

2.2.1 工业工程实验教学体系

传统验证性与综合性实验内容已经远远不能满足市场对于工业工程人才的需求，培养基础性IE人才、提升研究性决策性IE人才水平，是目前市场需求的主流。实验教学内容改革要在原有的基础上增加设计性实验、研究性实验，构建多层次递进性的实验教学体系，提高学生的综合实践能力。

（1）基本性实验。各课程实验独立进行，目标是让学生了解基本的实验理论、实验方法以及常规实验仪器设备的使用，熟悉掌握该学科的基本原理、方法，培养学生实际的操作能力［12］。

（2）综合性实验。整合重构各实验课程内容，以课程交叉知识点为支撑，覆盖实际工程应用案例，集成综合性实验项目。该层次实验内容目标是培养学生综合运用知识，独立分析解决问题的能力。

（3）设计性实验。教师拟定实验题目，学生独立完成从查找资料、拟定实验方案到系统实现全过程工作。设计性实验培养学生的发散思维，启发一定的工程设计能力。

（4）研究性实验。教学对象更倾向于研究生阶段的学生，通过了解学科前沿的动态信息，针对工业工程发展的某一瓶颈问题，利用实验室平台的资源不断深入科学研究，为科研工作打下基础。

图2 综合实验运作流程图

2.2.2 实验教学方法

立足实验教学内容，采用多渠道、多思路的教学方法优化教学资源。如图3所示，以教学计划为核心，围绕实验课程体系，分对象、分时段，对体系各环节有针对性地嵌入课程设计、实践实习、毕业设计及科研项目。课里课外多样化实验教学互相拉动、互相渗透，实验教学指导实践，实践问题促进实验教学改革，形成拉动学科发展的引擎动力。

图3 IE实验教学软性建设

案例教学也是特色教学方法之一。首先，实验室建设就是典型的案例教学。学生模拟制造工厂生产实践的场景，去思考、解决生产过程中的突发事件，同时优化调整不合理结构。其次，分析真实生产运作视频。让学生到实践基地或企业的生产现场进行调研和数据采集，收集的数据再拿到实验室进行仿真和优化。第三，通过网络平台定期向学生进行工业工程行业内最新应用成果展示，激发学生的兴趣和积极性，加深案例研究和所学知识的结合，领会理论应用的条件和环境，有利于学生分析问题和解决问题能力的培养［13］。

3 工业工程实验室特色

3.1 充分利用校内资源

工业工程实验室建设紧密结合校内其他学科建设发展。在校内资源共享的平台上，可利用机械学院的精密制造技术与工程实验室、安全学院的人因工程实验室、经管学院的ERP沙盘模拟实验室等优质资源。我校优势学科“采矿专业”的虚拟仿真实验室，为学生搭建了各种行业的“虚拟工厂”，特别是能够使学生在不下井的条件下就对井下的物流系统有一个清晰的了解，学生反馈良好。校内优质资源的共享，扩充了IE实验教学内容，优化了实验教学资源合理配置，对工业工程实验教学有很好的助推作用，同时避免了校内教学资源浪费，提高了资源利用率。

3.2 岗位角色培养

工业工程实验室模拟制造企业运作的真实场景，将企业所处的内外部环境抽象为一系列规则，把学生分配到各个岗位中，其中有生产调度、质量检测与分析管理岗位和生产、仓储等技术岗位［14］。完成整个生产流程，需要学生明确自己的岗位职责，体验真实设备操作，更需要各部门各环节的通力合作。岗位角色体验式教学模式让学生零距离对接企业生产实际，及早地提升学生的职业素养。

3.3 为学生提供实验室设备创新条件

实验室建设要与时俱进（需要依靠学校的资金投入），同时也要为学生创新发展提供良好的机会。我校工业工程实验室积极引导学生改造实验室设备和开发实验项目，提供宽松的创新实验环境。学生可参与指导教师对目前实验设备存在的缺陷与不足进行的改进，也可自发研制高性能实验设备，同时予以奖励。引导学生参与实验室改革，不仅改善了实验设备的性能，更重要的是培养了学生的创新意识、团队合作精神，为学生的发展打下坚实的基础。

3.4 产学研多位一体实验平台

IE实验教学平台首先保证学校的实验教学工作，其次还需考虑教师以及研究生的科研需要。根据“研究进行教学”的思想和“教学与研究相统一”的原则［15］，教师在实验教学中向学生渗透科研的思想，依据本科生与研究生的不同知识层次，把科研项目分解为有难易程度的子课题融合在实验项目中，调动学生学习的主动性和积极性。

我专业建设的精造研究所，依托实验室的科研成果，面向企业开展生产模式管理优化、生产环境管理、物流系统规划与优化等方面的技术服务，构建具有综合服务能力的企业管理技术服务基地，实现校企的深度合作。以实验室为中心枢纽，形成以教学、科研、社会技术服务等为一体的多主体互动共赢平台，对推动实验教学、科研成果转化与推广有良好的增值效果。