《生產系統建模與仿真》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：專業課

總學時：48

學分：3

適用專業：工業工程

開課學期：2014-2015學年第一學期

先修課程：概率論與數理統計、C語言程序設計、系統工程導論

一、課程簡述

《生產系統建模與仿真》是面向工程實際的應用型課程，是工業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現生產系統中的關鍵問題，并通過改進措施的實現，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仿真理論基礎，提高學生對系統仿真、分析工作的適應性，培養其開發創新能力。

本課程的教學目標是培養學生的設計能力、創新能力和工程意識。課程以制造型生產企業為核心，通過理論教學和實踐環節相結合，闡述了離散事件系統建模與仿真技術在生產企業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分析中的作用和原理、仿真軟件的介紹，重點介紹排隊系統、庫存系統、加工系統以及輸入、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，培養主動思考的習慣，啟發學生的探索精神。

2、重視在教學中加強知識演進的邏輯規律的講解

提高學生的邏輯思維能力，培養學生分析問題、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，能方便的改變系統結構參數，認識復雜系統的動態響應。

4、把工程背景和科技發展史引入教學

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進行建模。

5、理論與實踐相輔相成《生產系統建模與仿真》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學生的設計能力、創新能力和工程意識，通過理論與實踐相結合，使學生切實掌握系統建模、仿真與分析技術。

（二）教學手段

結合現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、節省時間的特點，開發研制了《生產系統建模與仿真》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，進一步激發學生對學科的學習興趣。

（三）課外作業

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

按類型分，課外作業包括預習作業和課后作業。

按形式分，課外作業包括設計型、驗證型、認知型和創新型作業。

按容分，課外作業包括教材課后習題、綜合性上機大作業。

（四）輔導答疑

每節新課前對上節容進行總結，并對新課所涉及的先修知識進行回顧。每章課程結束后，及時對章節的練習、作業進行講解。相關知識模塊學習完成后，布置綜合性大作業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，最終成績為平時成績×30%+期末考試成績×70%。

其中，平時成績包括考勤成績、作業成績、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.物流系統仿真.:清華大學,2008.2.天保.實用系統仿真建模與分析:使用Flexsim.:

清華大學,2013.3.Flexsim幫助文檔和用戶手冊

4.創時能提供的輔助學習資料

四、各教學環節學時分配

篇章

章

節

章

節

名

稱

學

時

小結

理論

知識

部分

一

概論

二

系統仿真基本知識

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：了解系統仿真技術的發展歷史；掌握系統仿真技術的特點；理解系統仿真的應用；掌握系統仿真的優勢與局限性；熟悉系統仿真的相關技術；了解系統仿真的研究熱點和發展方向；

教學重點：系統仿真的應用；系統仿真的優勢與局限性；系統仿真的相關技術；

教學難點：系統仿真的應用；

第二章

系統仿真基本知識（6課時）

教學目的：了解生產系統的基本特征；理解掌握系統、系統模型、系統仿真等建模與仿真相關的基本概念；了解系統仿真的類型；理解離散系統與連續系統的區別；熟悉生產系統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、正態分布等）；掌握M/M/1排隊系統與M/M/C排隊系統的分析；掌握庫存系統模型；熟悉庫存系統；掌握庫存系統模型；熟悉庫存系統仿真及仿真結果分析；

教學重點：系統、系統模型、系統仿真等建模與仿真相關的基本概念；離散系統與連續系統的區別；生產系統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、正態分布等）；

M/M/1排隊系統與M/M/C排隊系統的分析；庫存系統仿真方法；

教學難點：系統、系統模型、系統仿真等建模與仿真相關的基本概念；離散系統與連續系統的區別；排隊論的基本概念；M/M/1排隊系統與M/M/C排隊系統的分析；庫存系統仿真；

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），以及連續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；隨機數的統計檢驗；各種離散分布隨機數的產生方法；非均勻連續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

系統仿真算法（3課時）

教學目的：掌握系統仿真算法的概念；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（終態）與穩態（非終態）仿真的區別；掌握點估計與區間估計的方法；掌握終態仿真的輸出分析方法；掌握穩態仿真的輸出分析。

教學重點：點估計與區間估計的方法；終態與穩態仿真的輸出分析。

教學難點：點估計與區間估計的方法；終態與穩態仿真的輸出分析。

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；掌握發生器、吸收器、處理器、傳送帶、暫存區、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；掌握發生器、吸收器、處理器、傳送帶、暫存區、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實戰演練

教學目的：掌握常見系統的建模、輸入設置和輸出分析方法；

教學重點：常見排隊系統、庫存系統、生產系統的建模方法；

教學難點：常見排隊系統、庫存系統、生產系統的建模方法；

模型實例：

1、某醫院的醫生服務時間符合N（2.3，1）的正態分布，病人的到達規律符合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；病人的平均在醫院時間；醫生忙的概率；排隊平均隊長。

2、發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2和暫存區3；操作員2將發生器產生的白色臨時實體1搬運到暫存區1。

3、發生器產生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格，也服從整數均勻分布duniform，規格值分別為1、2，產生的臨時實體進入暫存區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將規格值為1的臨時實體1搬運到暫存區2上，將規格值為2的臨時實體1搬運到暫存區3上；操作員3將規格值為1的臨時實體2搬運到暫存區4上，將規格值為2的臨時實體2搬運到暫存區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格值。

4、發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2；處理器加工結束后等待時間為10，而后繼續加工。

5、發生器產生臨時實體，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；操作員沿著網絡節點NN1和NN2，將臨時實體搬運到傳送帶上；而后沿著網絡節點NN3和NN4返回暫存區，繼續搬運臨時實體；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4。

7、發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1，處理器1加工結束后等待時間為10，而后繼續加工；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1，處理器2加工結束后等待時間為5，而后繼續加工。操作員2負責將加工后的臨時實體搬運至暫存區2，操作員2總是沿著網絡節點NN1、NN2，將臨時實體搬運到暫存區2上；而后沿著網絡節點NN3、NN1返回至暫存區1，繼續搬運臨時實體。

8、發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；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。客戶訂單詳情如下表：

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；一般加工系統的建模與仿真并分析輸出結果。

教學難點：一般加工系統的建模與仿真并分析輸出結果。

實例：發生器1隨機產生零部件，接著進入暫存區1，操作員1按照以下流程工作：操作員1行走到暫存區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2，放下加工后的零部件。之后重復以上的操作。

執筆人：

工程學院

工業工程

教研室

審核人：

編寫時間：

2014年月日