基于Flexsim的生产系统建模与仿真实验教学研究

2023-10-26高建雄袁逸萍阿地兰木斯塔洪

中国教育技术装备 2023年14期

高建雄袁逸萍阿地兰木?斯塔洪

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2023.14.053

摘要在高校教学研究中，Flexsim等仿真软件的融入有效提高了学生分析问题和解决问题的能力。生产物流系统在企业运行过程中具有关键性作用，为使学生直观地理解物流中所涉及的设施，提高学习的积极性，基于Flexsim软件对生产系统进行仿真实验教学研究。学生通过学习该软件的具体操作与应用，可为物流相关的实验教学奠定

基础。

关键词生产系统建模；Flexsim；物流系统；实验教学

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）14-0053-05

Experimental Teaching Research on Modeling

and Simulation of Production System Based on

Flexsim//GAO Jianxiong， YUAN Yiping， Adilanmu

Sitahong

0 引言

实践是教学的手段，更是教学的内容。实践教学不仅可以帮助学生掌握科学的方法，而且可以培养学生的操作能力、创新意识，同时可以提高学生的学习兴趣，让学生将理论知识与实践更好地结合起来。在教育教学活动中，有些课程的实践环节对场地及实验设备的要求较高，尤其是工科专业的课程[1]。然而，大部分学校存在缺乏实践操作场地的问题。在缺乏实践条件的情况下，部分实践教学可用一些仿真软件来辅助教学，教学过程以学生为中心[2]，这样不仅可以保证实验正常进行，而且可以让学生能够通过另外一种方式直观

学习[3]。

现代物流系统是一个高度复杂的系统，含有多个子系统。其中，生产物流系统是指在正常情况下，支持单位日常业务运作的信息系统[4]，该系统是企业生产计划的制订、实施和控制的综合系统。大多数高校缺乏物流系统的实验条件，为让学生更深层次地了解该系统，对生产物流系统仿真是学习该系统必不可少的环节。因此，运用Flexsim仿真软件对此系统进行分析，不仅可以让学生深刻了解生产物流系统，而且可以培养学生的仿真能力。

1 仿真软件在教学中的优势

物流相关知识涉及面广，仅仅依靠书本，学生理解起来难度较大，还会影响学习的积极、主动性。因此，如果没有实验场所，教师可以运用虚拟仿真软件来进行模拟。系统仿真可以利用人为控制的环境条件，改变某些特定的参数，观察模型的反应，研究真实系统的现象或过程。模拟仿真具有以下三点优势：

1）可以让学生观察并分析模型的优缺点，然后对其结果进行优化；

2）仿真教学可以改变现实教学方式单一、理论与实际结合不紧密的现状；

3）可以让学生通过亲自动手建模及其过程分析，可以加深对物流系统的了解，同时提高对物流系统的应用和分析能力。

2 Flexsim仿真软件介绍

Flexsim仿真软件是一款具有强大三维显示功能的软件，且可以对商业化离散事件系统进行仿真[5]，可用于构建各种经营、管理、生产模型。Flexsim软件在建模时有很多优点，比如可以更直观地进行观察分析，就如在車间或者是真实的实验室一样。该软件建模和调试方便，可给使用者提供一个简洁的编排方式。使用者可以通过拖曳的方式轻松构建出图形化模式，而且用户通过设计和运行系统，可以作出优质的选择；最重要的是，软件中的对象参数可以表示暂存区、处理器、发生器、吸收器、操作人员、输送机、叉车、仓库等多种实物对象，当用户需要的时候，只需要将它拖出即可。当然优化过程也特别方便，通过实际意义来修改参数及设备，然后运行，即可得到仿真结果，可据此对比结果是否优化。

3 生产系统建模仿真与优化

3.1 建模仿真的目标

通过对生产系统建模，学生应掌握和学习以下几点：

首先，应该学习物流系统的一些基础知识，以及掌握生产系统的概念和功能结构；

其次，应该掌握生产工序时间的设置；

再次，应学习如何进行批量处理、物料颜色的设置，学习三种加工组织方法，并分析其优缺点；

最后，通过对生产系统建模仿真，掌握Flexsim

有关建模的相关功能，以模拟生产系统建模为例，模拟其他的物流系统。

3.2 建模仿真的内容

3.2.1 问题描述

按照规划设计，某企业生产车间要加工相同的

5个零件，该零件的生产过程需要经过7道工序。在

Flexsim仿真软件中，工序用处理器来表示，分别表

示为处理器A、B、C、D、E、F、G。七道工序加工的

时间依次为10 min、6 min、14 min、8 min、10 min、

15 min、25 min。因此，零件的生产流程如图1所示。

生产零件的组织方式有三种，分别为：顺序移动方式、平行移动方式和平行顺序移动方式。本文分别用三种不同的组织方式建模，来观察不同生产方式的差异性，并将其结果进行分析比较。接下来按照三种生产方式分别建模。

顺序移动方式：顾名思义，同一批零件在上一个机床全部加工完成后，将其全部运输到下一个机床，然后由该机床进行加工。就本文案例而言，就是指5个零件在A道工序加工完成后，再到B道工序加工，以此类推，直到加工到G道工序为止。则总的加工时间ts1为：

ts1=（10+6+14+8+10+15+25）×5=440 min （1）

此方法设备没有空运转的情况，因此，设备的总等待时间ts2为0 min。设备的总闲置时间ts3为前

6个设备的闲置时间。因此，先计算每个设备的闲置

时间。闲置时间依次分别为：

ts3A=10×5=50 min （2）

ts3B=ts3A+6×5=80 min （3）

ts3C=ts3B+14×5=150 min （4）

ts3D=ts3C+8×5=190 min （5）

ts3E=ts3D+10×5=240 min （6）

ts3F=ts3E+15×5=315 min （7）

ts3=ts3A+ts3B+ts3C+ts3D+ts3E+ts3F=1 025 min （8）

平行移动方式：其与上一种加工零件方式的区别在于，当上一个机床加工完成一个零件时，立刻运输到下一个机床，然后该机床紧接着对第一个零件进行加工，不需要等待其他零件。即第一个零件在A处理器完成以后，立即到B处理器继续处理，由此可见，设备有了闲置时间。同时第二个零件开始在A处理器加工，以此类推，直到第5个零件完成处理器G的加工。则总的加工时间tp1为：

tp1=10+6+14+8+10+15+25×5=188 min （9）

設备的总等待时间tp2为：

tp2=4×[（10-6）+（14-8）+（6+8-10）]=56 min（10）

设备的总闲置时间tp3为：

tp3=tp3A+tp3B+tp3C+tp3D+tp3E+tp3F=205 min （11）

平行顺序移动方式：是把前两种方式结合起

来，综合加工的一种方式。即在所有零件没有完全被处理器A加工完成时，就将一些已经完成A这一道工序的零件转到B处理器进行处理，依此类推。而可以转移到下道工序的具体时间，是要保证下道处理器对该零件的连续加工，保证设备不会等待。总加工时间tps1为：

tps1=228 min （12）

设备的总等待时间tps2为0 min；设备的总闲置时间tps3为：

tps3=26+32+70+78+88+103=397 min （13）

3.2.2 运用Flexsim对该加工问题进行仿真

根据上述的描述，现在利用Flexsim对此问题进行建模仿真，布置图如图2所示。

3.2.3 参数设定

在模拟仿真时，三种组织方式的参数设定有所不同，根据本文案例情况，参数设定如下。

1）相同参数设定：双击打开发生器，按照到达序列的方式设置零件，因为本文案例总共生产5个零件，所以数量设置为5；暂存区1设定：将目标数量设置为5，实体堆放设置为垂直堆放；处理器的加工时间根据案例中工序加工的时间依次设为10 min、6 min、14 min、8 min、10 min、15 min、25 min。零件颜色默认为灰色，可以随意设置颜色。因为生产方式不同，所以其他参数设置不同。

2）不同组织方式的参数设置不同之处为：若为顺序移动方式，暂存区参数设置除了暂存区1，其余暂存区的参数相同，设置为成批量操作，目标变量设置为5，然后选择垂直堆放。若为平行移动方式，其余暂存区的实体堆放形式设置为垂直堆放，不需要设置批量。若为平行顺序移动方式，暂存区2、4、6、7、8不需要设置批量，实体堆放形式选择垂直实体堆放；而对于暂存区3，目标变量设置为3，最大等待时间设置为16 min，选择垂直堆放；对于暂存区5，最大等待时间设置为24 min，其余参数设置与暂存区3相同。

3.3 仿真结果与分析

通过Flexsim仿真软件模拟该案例，将顺序移动方式加工的所有实体的运行结果全部整理出来，绘成标准报告表，如表1所示。

将平行移动方式加工的所有实体的运行结果全部整理出来，绘成标准报告表，如表2所示。

将平行顺序移动方式加工的所有实体的运行结果全部整理出来，绘成标准报告表，如表3所示。

根据三个仿真结果绘制表，观察暂存区的平均停留时间可以发现，顺序移动方式加工的最大，平行顺序移动方式的次之，平行移动方式的最小，这表示的是零件在加工时的等待时间。

观察计算结果和三个仿真结果表，可以发现三种加工方式各有优缺点，具体分析如下。

顺序移动方式加工的优点是工件的加工次序有条不紊，容易直观观察，同时各个工序的布置较为简单，且是整批零件在同一个工序加工完成后才转移到下一个工序，所以运输次数少。缺点是因为每个设备都要等待前面工序加工，设备的闲置时间较长，导致生产周期较长；在制品数量较大时，该方法没能充分利用设备资源。

平行移动方式加工的优点是加工的在制品减到最少，而且缩短了加工周期。缺点是容易出现设备等待情况；在加工过程中，上一道工序每完成一个零件的加工，这个零件就要搬运到下一道工序，因此搬运次数较多，使公司消耗了不必要的资源。

平行顺序移动方式的优点是周期相对较短，搬运次数少，充分利用设备资源；缺点是每个工件都有不同的加工路线，生产组织安排比较复杂，总设备闲置时间相对较长。

4 结束语

本文通过Flexsim软件，运用三种不同的组织模式对生产物流系统建模，对其优缺点进行分析。通过对比分析，发现顺序移动方式没能充分利用设备资源，平行移动方式在加工过程中，设备有空运作现象，而平行顺序移动方式的加工时间和设备闲置时间处于两者之间。所以，以上三种方法中，平行顺序移动方式是最优方案。

通过对生产物流系统建模，可以让学生直观地了解生产物流系统，深入了解不同的加工方式，并分析其优缺点，为以后的学习奠定基础。在教学过程中，教师边讲解理论知识和演示建模，学生边在软件中操作，遇到问题可以及时反馈，可以在有限的时间内实现高质量的教学目标。