高建雄 袁逸萍 阿地蘭木?斯塔洪

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

摘? 要? 在高校教學(xué)研究中，F(xiàn)lexsim等仿真軟件的融入有效提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。生產(chǎn)物流系統(tǒng)在企業(yè)運(yùn)行過程中具有關(guān)鍵性作用，為使學(xué)生直觀地理解物流中所涉及的設(shè)施，提高學(xué)習(xí)的積極性，基于Flexsim軟件對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。學(xué)生通過學(xué)習(xí)該軟件的具體操作與應(yīng)用，可為物流相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定

基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞? 生產(chǎn)系統(tǒng)建模；Flexsim；物流系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.423? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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

實(shí)踐是教學(xué)的手段，更是教學(xué)的內(nèi)容。實(shí)踐教學(xué)不僅可以幫助學(xué)生掌握科學(xué)的方法，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐更好地結(jié)合起來。在教育教學(xué)活動(dòng)中，有些課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求較高，尤其是工科專業(yè)的課程[1]。然而，大部分學(xué)校存在缺乏實(shí)踐操作場(chǎng)地的問題。在缺乏實(shí)踐條件的情況下，部分實(shí)踐教學(xué)可用一些仿真軟件來輔助教學(xué)，教學(xué)過程以學(xué)生為中心[2]，這樣不僅可以保證實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行，而且可以讓學(xué)生能夠通過另外一種方式直觀

學(xué)習(xí)[3]。

現(xiàn)代物流系統(tǒng)是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)，含有多個(gè)子系統(tǒng)。其中，生產(chǎn)物流系統(tǒng)是指在正常情況下，支持單位日常業(yè)務(wù)運(yùn)作的信息系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)是企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的制訂、實(shí)施和控制的綜合系統(tǒng)。大多數(shù)高校缺乏物流系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)條件，為讓學(xué)生更深層次地了解該系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真是學(xué)習(xí)該系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。因此，運(yùn)用Flexsim仿真軟件對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行分析，不僅可以讓學(xué)生深刻了解生產(chǎn)物流系統(tǒng)，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的仿真能力。

1? 仿真軟件在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

物流相關(guān)知識(shí)涉及面廣，僅僅依靠書本，學(xué)生理解起來難度較大，還會(huì)影響學(xué)習(xí)的積極、主動(dòng)性。因此，如果沒有實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，教師可以運(yùn)用虛擬仿真軟件來進(jìn)行模擬。系統(tǒng)仿真可以利用人為控制的環(huán)境條件，改變某些特定的參數(shù)，觀察模型的反應(yīng)，研究真實(shí)系統(tǒng)的現(xiàn)象或過程。模擬仿真具有以下三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）可以讓學(xué)生觀察并分析模型的優(yōu)缺點(diǎn)，然后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化；

2）仿真教學(xué)可以改變現(xiàn)實(shí)教學(xué)方式單一、理論與實(shí)際結(jié)合不緊密的現(xiàn)狀；

3）可以讓學(xué)生通過親自動(dòng)手建模及其過程分析，可以加深對(duì)物流系統(tǒng)的了解，同時(shí)提高對(duì)物流系統(tǒng)的應(yīng)用和分析能力。

2? Flexsim仿真軟件介紹

Flexsim仿真軟件是一款具有強(qiáng)大三維顯示功能的軟件，且可以對(duì)商業(yè)化離散事件系統(tǒng)進(jìn)行仿真[5]，可用于構(gòu)建各種經(jīng)營(yíng)、管理、生產(chǎn)模型。Flexsim軟件在建模時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可以更直觀地進(jìn)行觀察分析，就如在車間或者是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室一樣。該軟件建模和調(diào)試方便，可給使用者提供一個(gè)簡(jiǎn)潔的編排方式。使用者可以通過拖曳的方式輕松構(gòu)建出圖形化模式，而且用戶通過設(shè)計(jì)和運(yùn)行系統(tǒng)，可以作出優(yōu)質(zhì)的選擇；最重要的是，軟件中的對(duì)象參數(shù)可以表示暫存區(qū)、處理器、發(fā)生器、吸收器、操作人員、輸送機(jī)、叉車、倉(cāng)庫(kù)等多種實(shí)物對(duì)象，當(dāng)用戶需要的時(shí)候，只需要將它拖出即可。當(dāng)然優(yōu)化過程也特別方便，通過實(shí)際意義來修改參數(shù)及設(shè)備，然后運(yùn)行，即可得到仿真結(jié)果，可據(jù)此對(duì)比結(jié)果是否優(yōu)化。

3? 生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化

3.1? 建模仿真的目標(biāo)

通過對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模，學(xué)生應(yīng)掌握和學(xué)習(xí)以下幾點(diǎn)：

首先，應(yīng)該學(xué)習(xí)物流系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)知識(shí)，以及掌握生產(chǎn)系統(tǒng)的概念和功能結(jié)構(gòu)；

其次，應(yīng)該掌握生產(chǎn)工序時(shí)間的設(shè)置；

再次，應(yīng)學(xué)習(xí)如何進(jìn)行批量處理、物料顏色的設(shè)置，學(xué)習(xí)三種加工組織方法，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)；

最后，通過對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真，掌握Flexsim

有關(guān)建模的相關(guān)功能，以模擬生產(chǎn)系統(tǒng)建模為例，模擬其他的物流系統(tǒng)。

3.2? 建模仿真的內(nèi)容

3.2.1? 問題描述

按照規(guī)劃設(shè)計(jì)，某企業(yè)生產(chǎn)車間要加工相同的

5個(gè)零件，該零件的生產(chǎn)過程需要經(jīng)過7道工序。在

Flexsim仿真軟件中，工序用處理器來表示，分別表

示為處理器A、B、C、D、E、F、G。七道工序加工的

時(shí)間依次為10 min、6 min、14 min、8 min、10 min、

15 min、25 min。因此，零件的生產(chǎn)流程如圖1所示。

生產(chǎn)零件的組織方式有三種，分別為：順序移動(dòng)方式、平行移動(dòng)方式和平行順序移動(dòng)方式。本文分別用三種不同的組織方式建模，來觀察不同生產(chǎn)方式的差異性，并將其結(jié)果進(jìn)行分析比較。接下來按照三種生產(chǎn)方式分別建模。

順序移動(dòng)方式：顧名思義，同一批零件在上一個(gè)機(jī)床全部加工完成后，將其全部運(yùn)輸?shù)较乱粋€(gè)機(jī)床，然后由該機(jī)床進(jìn)行加工。就本文案例而言，就是指5個(gè)零件在A道工序加工完成后，再到B道工序加工，以此類推，直到加工到G道工序?yàn)橹?。則總的加工時(shí)間ts1為：

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

此方法設(shè)備沒有空運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，因此，設(shè)備的總等待時(shí)間ts2為0 min。設(shè)備的總閑置時(shí)間ts3為前

6個(gè)設(shè)備的閑置時(shí)間。因此，先計(jì)算每個(gè)設(shè)備的閑置

時(shí)間。閑置時(shí)間依次分別為：

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）

平行移動(dòng)方式：其與上一種加工零件方式的區(qū)別在于，當(dāng)上一個(gè)機(jī)床加工完成一個(gè)零件時(shí)，立刻運(yùn)輸?shù)较乱粋€(gè)機(jī)床，然后該機(jī)床緊接著對(duì)第一個(gè)零件進(jìn)行加工，不需要等待其他零件。即第一個(gè)零件在A處理器完成以后，立即到B處理器繼續(xù)處理，由此可見，設(shè)備有了閑置時(shí)間。同時(shí)第二個(gè)零件開始在A處理器加工，以此類推，直到第5個(gè)零件完成處理器G的加工。則總的加工時(shí)間tp1為：

tp1=10+6+14+8+10+15+25×5=188 min? （9）

設(shè)備的總等待時(shí)間tp2為：

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

設(shè)備的總閑置時(shí)間tp3為：

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

平行順序移動(dòng)方式：是把前兩種方式結(jié)合起

來，綜合加工的一種方式。即在所有零件沒有完全被處理器A加工完成時(shí)，就將一些已經(jīng)完成A這一道工序的零件轉(zhuǎn)到B處理器進(jìn)行處理，依此類推。而可以轉(zhuǎn)移到下道工序的具體時(shí)間，是要保證下道處理器對(duì)該零件的連續(xù)加工，保證設(shè)備不會(huì)等待?？偧庸r(shí)間tps1為：

tps1=228 min? ? ? ? ? ? （12）

設(shè)備的總等待時(shí)間tps2為0 min；設(shè)備的總閑置時(shí)間tps3為：

tps3=26+32+70+78+88+103=397 min? （13）

3.2.2? 運(yùn)用Flexsim對(duì)該加工問題進(jìn)行仿真

根據(jù)上述的描述，現(xiàn)在利用Flexsim對(duì)此問題進(jìn)行建模仿真，布置圖如圖2所示。

3.2.3? 參數(shù)設(shè)定

在模擬仿真時(shí)，三種組織方式的參數(shù)設(shè)定有所不同，根據(jù)本文案例情況，參數(shù)設(shè)定如下。

1）相同參數(shù)設(shè)定：雙擊打開發(fā)生器，按照到達(dá)序列的方式設(shè)置零件，因?yàn)楸疚陌咐偣采a(chǎn)5個(gè)零件，所以數(shù)量設(shè)置為5；暫存區(qū)1設(shè)定：將目標(biāo)數(shù)量設(shè)置為5，實(shí)體堆放設(shè)置為垂直堆放；處理器的加工時(shí)間根據(jù)案例中工序加工的時(shí)間依次設(shè)為10 min、6 min、14 min、8 min、10 min、15 min、25 min。零件顏色默認(rèn)為灰色，可以隨意設(shè)置顏色。因?yàn)樯a(chǎn)方式不同，所以其他參數(shù)設(shè)置不同。

2）不同組織方式的參數(shù)設(shè)置不同之處為：若為順序移動(dòng)方式，暫存區(qū)參數(shù)設(shè)置除了暫存區(qū)1，其余暫存區(qū)的參數(shù)相同，設(shè)置為成批量操作，目標(biāo)變量設(shè)置為5，然后選擇垂直堆放。若為平行移動(dòng)方式，其余暫存區(qū)的實(shí)體堆放形式設(shè)置為垂直堆放，不需要設(shè)置批量。若為平行順序移動(dòng)方式，暫存區(qū)2、4、6、7、8不需要設(shè)置批量，實(shí)體堆放形式選擇垂直實(shí)體堆放；而對(duì)于暫存區(qū)3，目標(biāo)變量設(shè)置為3，最大等待時(shí)間設(shè)置為16 min，選擇垂直堆放；對(duì)于暫存區(qū)5，最大等待時(shí)間設(shè)置為24 min，其余參數(shù)設(shè)置與暫存區(qū)3相同。

3.3? 仿真結(jié)果與分析

通過Flexsim仿真軟件模擬該案例，將順序移動(dòng)方式加工的所有實(shí)體的運(yùn)行結(jié)果全部整理出來，繪成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告表，如表1所示。

將平行移動(dòng)方式加工的所有實(shí)體的運(yùn)行結(jié)果全部整理出來，繪成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告表，如表2所示。

將平行順序移動(dòng)方式加工的所有實(shí)體的運(yùn)行結(jié)果全部整理出來，繪成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告表，如表3所示。

根據(jù)三個(gè)仿真結(jié)果繪制表，觀察暫存區(qū)的平均停留時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，順序移動(dòng)方式加工的最大，平行順序移動(dòng)方式的次之，平行移動(dòng)方式的最小，這表示的是零件在加工時(shí)的等待時(shí)間。

觀察計(jì)算結(jié)果和三個(gè)仿真結(jié)果表，可以發(fā)現(xiàn)三種加工方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體分析如下。

順序移動(dòng)方式加工的優(yōu)點(diǎn)是工件的加工次序有條不紊，容易直觀觀察，同時(shí)各個(gè)工序的布置較為簡(jiǎn)單，且是整批零件在同一個(gè)工序加工完成后才轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工序，所以運(yùn)輸次數(shù)少。缺點(diǎn)是因?yàn)槊總€(gè)設(shè)備都要等待前面工序加工，設(shè)備的閑置時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)周期較長(zhǎng)；在制品數(shù)量較大時(shí)，該方法沒能充分利用設(shè)備資源。

平行移動(dòng)方式加工的優(yōu)點(diǎn)是加工的在制品減到最少，而且縮短了加工周期。缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)設(shè)備等待情況；在加工過程中，上一道工序每完成一個(gè)零件的加工，這個(gè)零件就要搬運(yùn)到下一道工序，因此搬運(yùn)次數(shù)較多，使公司消耗了不必要的資源。

平行順序移動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是周期相對(duì)較短，搬運(yùn)次數(shù)少，充分利用設(shè)備資源；缺點(diǎn)是每個(gè)工件都有不同的加工路線，生產(chǎn)組織安排比較復(fù)雜，總設(shè)備閑置時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

4? 結(jié)束語(yǔ)

本文通過Flexsim軟件，運(yùn)用三種不同的組織模式對(duì)生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)順序移動(dòng)方式?jīng)]能充分利用設(shè)備資源，平行移動(dòng)方式在加工過程中，設(shè)備有空運(yùn)作現(xiàn)象，而平行順序移動(dòng)方式的加工時(shí)間和設(shè)備閑置時(shí)間處于兩者之間。所以，以上三種方法中，平行順序移動(dòng)方式是最優(yōu)方案。

通過對(duì)生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模，可以讓學(xué)生直觀地了解生產(chǎn)物流系統(tǒng)，深入了解不同的加工方式，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，為以后的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，教師邊講解理論知識(shí)和演示建模，學(xué)生邊在軟件中操作，遇到問題可以及時(shí)反饋，可以在有限的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的教學(xué)目標(biāo)。

因此，基于Flexsim的生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使其更深層次地了解物流系統(tǒng)。

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項(xiàng)目信息：新疆大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“面向區(qū)域產(chǎn)業(yè)需求的智能制造創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索”（編號(hào)：XJU-2021JG18）。

作者簡(jiǎn)介：高建雄，副教授；袁逸萍，教授；阿地蘭木·斯塔洪，講師。