《生產系統(tǒng)建模與仿真》教學大綱

（理論課程）

開課系（部）：工程學院

課程編號：010396

課程類型：專業(yè)課

總學時：48

學分：3

適用專業(yè)：工業(yè)工程

開課學期：2014-2015學年第一學期

先修課程：概率論與數理統(tǒng)計、C語言程序設計、系統(tǒng)工程導論

一、課程簡述

《生產系統(tǒng)建模與仿真》是面向工程實際的應用型課程，是工業(yè)工程系的主導課程之一。學生通過本課程的學習能夠初步運用仿真技術來發(fā)現(xiàn)生產系統(tǒng)中的關鍵問題，并通過改進措施的實現(xiàn)，提高生產能力和生產效率。

本課程具有較強的理論性，同時具有較強的實踐性和應用性，能夠有效增強學生的系統(tǒng)仿真理論基礎，提高學生對系統(tǒng)仿真、分析工作的適應性，培養(yǎng)其開發(fā)創(chuàng)新能力。

本課程的教學目標是培養(yǎng)學生的設計能力、創(chuàng)新能力和工程意識。課程以制造型生產企業(yè)為核心，通過理論教學和實踐環(huán)節(jié)相結合，闡述了離散事件系統(tǒng)建模與仿真技術在生產企業(yè)分析中的基本原理和方法。其容涉及計算機仿真技術在生產系統(tǒng)分析中的作用和原理、仿真軟件的介紹，重點介紹排隊系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)、加工系統(tǒng)以及輸入、輸出數據分析。本課程的目的是要求學生通過學習、課堂教育和上機訓練，能了解如何運用計算機仿真技術模擬生產系統(tǒng)的布置和調度管理；并熟悉和掌握計算機仿真軟件的基本操作和能夠實現(xiàn)的功能；使學生了解計算機仿真的基本步驟。

二、課程要求

（一）教學方法

1、啟發(fā)式課堂討論

針對關鍵知識點、典型題和難題，通過教師提問，鼓勵學生回答問題或請到講臺前做題，并請其他學生評判或提出不同的答案或不同的解決方法。目的是加強學生自主學習的能力和判斷能力，培養(yǎng)主動思考的習慣，啟發(fā)學生的探索精神。

2、重視在教學中加強知識演進的邏輯規(guī)律的講解

提高學生的邏輯思維能力，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。

3、加強計算機輔助設計、分析

將Flexsim仿真軟件引入教學中。應用計算機輔助設計、分析，能方便的改變系統(tǒng)結構參數，認識復雜系統(tǒng)的動態(tài)響應。

4、把工程背景和科技發(fā)展史引入教學

使學生了解工程實際應考慮的復雜因素，充分考慮使用與維護，經濟和安全，效率與效益對實際系統(tǒng)進行建模。

5、理論與實踐相輔相成《生產系統(tǒng)建模與仿真》既是基礎理論課，又是一門實用技術課。教學的最終目的是培養(yǎng)學生的設計能力、創(chuàng)新能力和工程意識，通過理論與實踐相結合，使學生切實掌握系統(tǒng)建模、仿真與分析技術。

（二）教學手段

結合現(xiàn)有教學設備和實驗條件，本課程采用以下教學手段：

1、多媒體教學

根據多媒體課堂教學信息量大、節(jié)省時間的特點，開發(fā)研制了《生產系統(tǒng)建模與仿真》課程多媒體課件，增加課堂信息量，開闊學生的視野，使教學形式更加生動形象

2、上機實踐

通過開展上機實踐操作課程，增強學生對理論知識的感性認知，提高學生實踐動手能力，進一步激發(fā)學生對學科的學習興趣。

（三）課外作業(yè)

課外作業(yè)主要涵蓋系統(tǒng)仿真基本知識、隨機數與隨機變量、輸入數據建模、系統(tǒng)仿真算法、輸出數據分析、Flexsim建模與仿真關鍵技術等容。

按類型分，課外作業(yè)包括預習作業(yè)和課后作業(yè)。

按形式分，課外作業(yè)包括設計型、驗證型、認知型和創(chuàng)新型作業(yè)。

按容分，課外作業(yè)包括教材課后習題、綜合性上機大作業(yè)。

（四）輔導答疑

每節(jié)新課前對上節(jié)容進行總結，并對新課所涉及的先修知識進行回顧。每章課程結束后，及時對章節(jié)的練習、作業(yè)進行講解。相關知識模塊學習完成后，布置綜合性大作業(yè)并安排相應的課時進行講解。學習完學期課程后，設置課時總結回顧所有知識。

（五）考核方式及成績評定

采用考試形式進行考核，最終成績?yōu)槠綍r成績×30%+期末考試成績×70%。

其中，平時成績包括考勤成績、作業(yè)成績、上機成績和隨堂測驗成績。

三、教材或者主要教學參考資料

1.曉萍,石偉,玉坤.物流系統(tǒng)仿真.:清華大學,2008.2.天保.實用系統(tǒng)仿真建模與分析:使用Flexsim.:

清華大學,2013.3.Flexsim幫助文檔和用戶手冊

4.創(chuàng)時能提供的輔助學習資料

四、各教學環(huán)節(jié)學時分配

篇章

章

節(jié)

章

節(jié)

名

稱

學

時

小結

理論

知識

部分

一

概論

二

系統(tǒng)仿真基本知識

三

隨機數與隨機變量

四

輸入數據建模

五

系統(tǒng)仿真算法

六

輸出數據分析

上機

實踐

部分

一

Flexsim入門

二

Flexsim初級培訓

三

Flexsim實戰(zhàn)演練

四

Flexim進階

合計

五、課程容

第一部分

理論知識部分

第一章

概論（2課時）

教學目的：了解系統(tǒng)仿真技術的發(fā)展歷史；掌握系統(tǒng)仿真技術的特點；理解系統(tǒng)仿真的應用；掌握系統(tǒng)仿真的優(yōu)勢與局限性；熟悉系統(tǒng)仿真的相關技術；了解系統(tǒng)仿真的研究熱點和發(fā)展方向；

教學重點：系統(tǒng)仿真的應用；系統(tǒng)仿真的優(yōu)勢與局限性；系統(tǒng)仿真的相關技術；

教學難點：系統(tǒng)仿真的應用；

第二章

系統(tǒng)仿真基本知識（6課時）

教學目的：了解生產系統(tǒng)的基本特征；理解掌握系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真等建模與仿真相關的基本概念；了解系統(tǒng)仿真的類型；理解離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別；熟悉生產系統(tǒng)建模的方法與仿真研究的步驟；深入理解排隊論的基本概念，熟悉排隊系統(tǒng)的組成與排隊模型的分類，掌握到達模式與服務機構刻畫的參數，熟悉排隊規(guī)則與隊列的度量；熟悉幾種常用的到達時間間隔和服務實踐的理論分布（定長分布、泊松分布、埃爾朗分布、正態(tài)分布等）；掌握M/M/1排隊系統(tǒng)與M/M/C排隊系統(tǒng)的分析；掌握庫存系統(tǒng)模型；熟悉庫存系統(tǒng)；掌握庫存系統(tǒng)模型；熟悉庫存系統(tǒng)仿真及仿真結果分析；

教學重點：系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真等建模與仿真相關的基本概念；離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別；生產系統(tǒng)建模的方法與仿真研究的步驟；排隊論的基本概念，排隊系統(tǒng)的組成與排隊模型的分類；幾種常用的到達時間間隔和服務實踐的理論分布（定長分布、泊松分布、埃爾朗分布、正態(tài)分布等）；

M/M/1排隊系統(tǒng)與M/M/C排隊系統(tǒng)的分析；庫存系統(tǒng)仿真方法；

教學難點：系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、系統(tǒng)仿真等建模與仿真相關的基本概念；離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的區(qū)別；排隊論的基本概念；M/M/1排隊系統(tǒng)與M/M/C排隊系統(tǒng)的分析；庫存系統(tǒng)仿真；

第三章

隨機數與隨機變量（3課時）

教學目的：理解掌握隨機變量（離散、連續(xù)），以及連續(xù)隨機變量的密度函數的概念；掌握隨機變量的數字特征；理解掌握隨機數的概念，熟悉產生連續(xù)均勻分布隨機數的幾種方法，掌握計算機產生隨機數的方法；熟悉隨機數的統(tǒng)計檢驗；掌握各種離散分布隨機數的產生方法；熟悉非均勻連續(xù)分布隨機數及其產生方法。

教學重點：隨機變量的數字特征；產生連續(xù)均勻分布隨機數的幾種方法；計算機產生隨機數的方法；隨機數的統(tǒng)計檢驗；各種離散分布隨機數的產生方法；非均勻連續(xù)分布隨機數產生方法。

教學難點：各種隨機數的產生方法。

第四章

輸入數據建模（4課時）

教學目的：熟悉數據分析的步驟；掌握數據分布的識別方法；掌握數據分布參數的估計方法；掌握數據擬合度的檢驗方法；掌握數據相關性分析方法。

教學重點：數據分布的識別方法；數據分布參數的估計方法；數據擬合度的檢驗方法；數據相關性分析方法。

教學難點：數據分布的識別方法；數據分布參數的估計方法；數據擬合度的檢驗方法；數據相關性分析方法。

第五章

系統(tǒng)仿真算法（3課時）

教學目的：掌握系統(tǒng)仿真算法的概念；理解事件調度法的基本概念及仿真流程；理解活動掃描法的基本概念及仿真流程；理解進程交互法的基本概念及仿真流程；掌握面向事件調度的仿真方法與手工仿真；

教學重點：面向事件調度的仿真方法與手工仿真；

教學難點：面向事件調度的仿真方法與手工仿真；

第六章

輸出數據分析（6課時）

教學目的：了解輸出分析的目的，理解瞬態(tài)（終態(tài)）與穩(wěn)態(tài)（非終態(tài)）仿真的區(qū)別；掌握點估計與區(qū)間估計的方法；掌握終態(tài)仿真的輸出分析方法；掌握穩(wěn)態(tài)仿真的輸出分析。

教學重點：點估計與區(qū)間估計的方法；終態(tài)與穩(wěn)態(tài)仿真的輸出分析。

教學難點：點估計與區(qū)間估計的方法；終態(tài)與穩(wěn)態(tài)仿真的輸出分析。

第二篇

上機實踐部分

第一章

Flexsim入門

教學目的：了解仿真使用的軟件工具；熟悉常用的仿真軟件包；掌握仿真項目研究主要步驟；掌握Flexsim軟件的基本操作和概念；

教學重點：掌握Flexsim軟件的基本操作和概念；

教學難點：掌握Flexsim軟件的基本操作和概念；

第二章

Flexsim操作培訓

教學目的：熟悉常用實體的操作；掌握常用命令、函數與邏輯表達的使用；理解Flexsim模型邏輯流程；掌握基本Flexsim

Script代碼的編寫、調試；掌握發(fā)生器、吸收器、處理器、傳送帶、暫存區(qū)、記錄器、可視化工具、貨架、分揀傳送帶、標簽、全局表、合成器、網絡節(jié)點等基本實體的應用；掌握實體輸入輸出控制的應用；掌握消息機制的應用；

教學重點：掌握基本Flexsim

Script代碼的編寫、調試；掌握發(fā)生器、吸收器、處理器、傳送帶、暫存區(qū)、記錄器、可視化工具、貨架、分揀傳送帶、標簽、全局表、合成器、網絡節(jié)點等基本實體的應用；掌握實體輸入輸出控制的應用；掌握消息機制的應用；

教學難點：掌握基本Flexsim

Script代碼的編寫、調試；

第三章

Flexsim實戰(zhàn)演練

教學目的：掌握常見系統(tǒng)的建模、輸入設置和輸出分析方法；

教學重點：常見排隊系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)、生產系統(tǒng)的建模方法；

教學難點：常見排隊系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)、生產系統(tǒng)的建模方法；

模型實例：

1、某醫(yī)院的醫(yī)生服務時間符合N（2.3，1）的正態(tài)分布，病人的到達規(guī)律符合λ為2.4

Min的指數分布，假設當新病人到達時，排隊總人數超過5人，則該病人離去，試采用Flexsim仿真軟件求：該醫(yī)生8小時服務病人的總人數；病人的平均等待時間；病人的平均在醫(yī)院時間；醫(yī)生忙的概率；排隊平均隊長。

2、發(fā)生器產生三種類型的臨時實體，服從整數均勻分布duniform，類型值分別為1、2、3，顏色分別為：白色、藍色、黑色；有2個操作員，操作員1將發(fā)生器產生的藍色臨時實體2和黑色臨時實體3，分別搬運到暫存區(qū)2和暫存區(qū)3；操作員2將發(fā)生器產生的白色臨時實體1搬運到暫存區(qū)1。

3、發(fā)生器產生2種類型的臨時實體，服從整數均勻分布duniform，類型值分別為1、2，顏色分別為紅色和綠色；每種類型的臨時實體又分為兩種不同的規(guī)格，也服從整數均勻分布duniform，規(guī)格值分別為1、2，產生的臨時實體進入暫存區(qū)1；操作員1將紅色的臨時實體1搬運到傳送帶1上，將綠色的臨時實體2搬運到傳送帶2上；操作員2將規(guī)格值為1的臨時實體1搬運到暫存區(qū)2上，將規(guī)格值為2的臨時實體1搬運到暫存區(qū)3上；操作員3將規(guī)格值為1的臨時實體2搬運到暫存區(qū)4上，將規(guī)格值為2的臨時實體2搬運到暫存區(qū)5上；同時，通過可視化工具1和2實時顯示每一個通過傳送帶的臨時實體的規(guī)格值。

4、發(fā)生器的到達方式采用到達序列；一次性產生10個臨時實體，類型值為1，顏色為白色，進入暫存區(qū)1；接著進入處理器進行加工，加工時間為10，之后進入暫存區(qū)2；處理器加工結束后等待時間為10，而后繼續(xù)加工。

5、發(fā)生器產生臨時實體，到達時間間隔服從指數分布，到達平均時間間隔為5，進入暫存區(qū)；操作員沿著網絡節(jié)點NN1和NN2，將臨時實體搬運到傳送帶上；而后沿著網絡節(jié)點NN3和NN4返回暫存區(qū)，繼續(xù)搬運臨時實體；傳送帶上的臨時實體進入吸收器被消除掉。

6、發(fā)生器產生三種臨時實體，服從整數均勻分布，類型值分別為1、2、3，顏色分別為紅色、綠色和藍色，進入暫存區(qū)1；接著進入分揀傳送帶自動分揀，分揀傳送帶分為兩段，每段長度為10；藍色臨時實體3從分揀傳送帶的出口點5處被分揀進入傳送帶1，而后進入暫存區(qū)2；綠色臨時實體2從分揀傳送帶的出口點10處被分揀進入傳送帶2，而后進入暫存區(qū)3；紅色臨時實體1從分揀傳送帶的出口點20處被分揀直接進入暫存區(qū)4。

7、發(fā)生器產生兩種臨時實體，服從整數均勻分布，類型值分別為1、2，顏色分別為綠色和藍色；操作員1將綠色的臨時實體1搬運到處理器1上，加工時間為10，而后進入暫存區(qū)1，處理器1加工結束后等待時間為10，而后繼續(xù)加工；操作員1將藍色的臨時實體2搬運到處理器2上，加工時間為5，而后進入暫存區(qū)1，處理器2加工結束后等待時間為5，而后繼續(xù)加工。操作員2負責將加工后的臨時實體搬運至暫存區(qū)2，操作員2總是沿著網絡節(jié)點NN1、NN2，將臨時實體搬運到暫存區(qū)2上；而后沿著網絡節(jié)點NN3、NN1返回至暫存區(qū)1，繼續(xù)搬運臨時實體。

8、發(fā)生器產生四種臨時實體，服從整數均勻分布，類型值分別為1、2、3、4，顏色分別為綠色、藍色、白色、黃色，進入暫存區(qū)1；然后隨機進入處理器進行加工，可以使用的處理器有四個，不同類型的臨時實體在處理器上的加工時間不同，詳情如下表：加工結束后，進入暫存區(qū)2存放。同時，在各個處理器附近用可視化工具顯示該處理器的實時加工時間。

加工時間

處理器1

處理器2

處理器3

處理器4

產品1

產品2

產品3

產品4

69、發(fā)生器產生四種臨時實體，服從整數均勻分布，類型值分別為1、2、3、4，顏色分別為紅色、藍色、黑色、黃色，進入暫存區(qū)；四種臨時實體最后將被分別放置到四個貨架相應的位置上，每個貨架都分為10列、6層；每個臨時實體被放置到貨架上的位置是隨機的，每個臨時實體被放置到貨架上的列數和層數都服從整數均勻分布；紅色和藍色臨時實體進入分揀傳送帶1自動分揀，分揀傳送帶1長度為10，接著藍色臨時實體從分揀傳送帶1的出口點2處被分揀至傳送帶1上，然后堆垛機1將傳送帶1上的臨時實體放置到貨架2相應的位置上；紅色臨時實體從分揀傳送帶1的出口點5處被分揀至傳送帶2上，然后堆垛機1將傳送帶2上的臨時實體放置到貨架1相應的位置上；黑色和黃色臨時實體進入分揀傳送帶2自動分揀，分揀傳送帶2長度為10，接著黃色臨時實體從分揀傳送帶2的出口點2處被分揀至傳送帶3上，然后堆垛機2將傳送帶3上的臨時實體放置到貨架3相應的位置上；黑色臨時實體從分揀傳送帶2的出口點6處被分揀至傳送帶4上，然后堆垛機2將傳送帶4上的臨時實體放置到貨架4相應的位置上；

10、有三個貨架，分別為貨架1、貨架2和貨架3，每個貨架的列數和層數都為10，貨架1存放紅色的產品1，貨架2存放綠色的產品2，貨架3存放藍色的產品3，初始狀態(tài)下，每個貨架中的產品數量都為100；運輸機1、2和3在分配器的統(tǒng)一控制下，按照客戶訂單的要求，從客戶1的訂單開始，將客戶需要的產品從相應的貨架上取下后，放在相應的托盤上打包后，進入分揀傳送帶自動分揀，每個客戶使用托盤顏色不同，客戶1到5使用的托盤顏色分別為紅色、綠色、藍色、白色、黃色?？蛻粲唵卧斍槿缦卤恚?/p>

訂單需求

客戶1

客戶2

客戶3

客戶4

客戶5

產品1

產品2

產品3

打包后，客戶1的產品從分揀傳送帶自動分揀進入傳送帶5，然后進入暫存區(qū)5；客戶2的產品從分揀傳送帶自動分揀進入傳送帶4，然后進入暫存區(qū)4；客戶3的產品從分揀傳送帶自動分揀進入傳送帶3，然后進入暫存區(qū)3；客戶4的產品從分揀傳送帶自動分揀進入傳送帶2，然后進入暫存區(qū)2；客戶5的產品從分揀傳送帶自動分揀進入傳送帶1，然后進入暫存區(qū)1。

第三章

Flexsim進階（2課時）

教學目的：掌握任務序列的編程方法；熟悉順序分配法與鏈式存儲分配方法；掌握一般加工系統(tǒng)的建模與仿真并分析輸出結果。

教學重點：順序分配法與鏈式存儲分配方法；一般加工系統(tǒng)的建模與仿真并分析輸出結果。

教學難點：一般加工系統(tǒng)的建模與仿真并分析輸出結果。

實例：發(fā)生器1隨機產生零部件，接著進入暫存區(qū)1，操作員1按照以下流程工作：操作員1行走到暫存區(qū)1，取起零部件，行走至處理器1，將零部件放在處理器1上加工，加工時間為10個單位，操作員1等待10個時間單位后，取起零部件，行走至處理器2，將零部件放在處理器2上加工，加工時間也為10個單位，操作員1等待10個時間單位后，取起零部件，行走至暫存區(qū)2，放下加工后的零部件。之后重復以上的操作。

執(zhí)筆人：

工程學院

工業(yè)工程

教研室

審核人：

編寫時間：

2014年月日