《生产系统建模与仿真》教学大纲

《生产系统建模与仿真》教学大纲

（理论课程）

开课系（部）：工程学院

课程编号：010396

课程类型：专业课

总学时：48

学分：3

适用专业：工业工程

开课学期：2014-2015学年第一学期

先修课程：概率论与数理统计、C语言程序设计、系统工程导论

一、课程简述

《生产系统建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。学生通过本课程的学习能够初步运用仿真技术来发现生产系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高生产能力和生产效率。

本课程具有较强的理论性，同时具有较强的实践性和应用性，能够有效增强学生的系统仿真理论基础，提高学生对系统仿真、分析工作的适应性，培养其开发创新能力。

本课程的教学目标是培养学生的设计能力、创新能力和工程意识。课程以制造型生产企业为核心，通过理论教学和实践环节相结合，阐述了离散事件系统建模与仿真技术在生产企业分析中的基本原理和方法。其容涉及计算机仿真技术在生产系统分析中的作用和原理、仿真软件的介绍，重点介绍排队系统、库存系统、加工系统以及输入、输出数据分析。本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理；并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能；使学生了解计算机仿真的基本步骤。

二、课程要求

（一）教学方法

1、启发式课堂讨论

针对关键知识点、典型题和难题，通过教师提问，鼓励学生回答问题或请到讲台前做题，并请其他学生评判或提出不同的答案或不同的解决方法。目的是加强学生自主学习的能力和判断能力，培养主动思考的习惯，启发学生的探索精神。

2、重视在教学中加强知识演进的逻辑规律的讲解

提高学生的逻辑思维能力，培养学生分析问题、解决问题的能力。

3、加强计算机辅助设计、分析

将Flexsim仿真软件引入教学中。应用计算机辅助设计、分析，能方便的改变系统结构参数，认识复杂系统的动态响应。

4、把工程背景和科技发展史引入教学

使学生了解工程实际应考虑的复杂因素，充分考虑使用与维护，经济和安全，效率与效益对实际系统进行建模。

5、理论与实践相辅相成《生产系统建模与仿真》既是基础理论课，又是一门实用技术课。教学的最终目的是培养学生的设计能力、创新能力和工程意识，通过理论与实践相结合，使学生切实掌握系统建模、仿真与分析技术。

（二）教学手段

结合现有教学设备和实验条件，本课程采用以下教学手段：

1、多媒体教学

根据多媒体课堂教学信息量大、节省时间的特点，开发研制了《生产系统建模与仿真》课程多媒体课件，增加课堂信息量，开阔学生的视野，使教学形式更加生动形象

2、上机实践

通过开展上机实践操作课程，增强学生对理论知识的感性认知，提高学生实践动手能力，进一步激发学生对学科的学习兴趣。

（三）课外作业

课外作业主要涵盖系统仿真基本知识、随机数与随机变量、输入数据建模、系统仿真算法、输出数据分析、Flexsim建模与仿真关键技术等容。

按类型分，课外作业包括预习作业和课后作业。

按形式分，课外作业包括设计型、验证型、认知型和创新型作业。

按容分，课外作业包括教材课后习题、综合性上机大作业。

（四）辅导答疑

每节新课前对上节容进行总结，并对新课所涉及的先修知识进行回顾。每章课程结束后，及时对章节的练习、作业进行讲解。相关知识模块学习完成后，布置综合性大作业并安排相应的课时进行讲解。学习完学期课程后，设置课时总结回顾所有知识。

（五）考核方式及成绩评定

采用考试形式进行考核，最终成绩为平时成绩×30%+期末考试成绩×70%。

其中，平时成绩包括考勤成绩、作业成绩、上机成绩和随堂测验成绩。

三、教材或者主要教学参考资料

1.晓萍,石伟,玉坤.物流系统仿真.:清华大学,2008.2.天保.实用系统仿真建模与分析:使用Flexsim.:

清华大学,2013.3.Flexsim帮助文档和用户手册

4.创时能提供的辅助学习资料

四、各教学环节学时分配

篇章

章

节

章

节

名

称

学

时

小结

理论

知识

部分

一

概论

二

系统仿真基本知识

三

随机数与随机变量

四

输入数据建模

五

系统仿真算法

六

输出数据分析

上机

实践

部分

一

Flexsim入门

二

Flexsim初级培训

三

Flexsim实战演练

四

Flexim进阶

合计

五、课程容

第一部分

理论知识部分

第一章

概论（2课时）

教学目的：了解系统仿真技术的发展历史；掌握系统仿真技术的特点；理解系统仿真的应用；掌握系统仿真的优势与局限性；熟悉系统仿真的相关技术；了解系统仿真的研究热点和发展方向；

教学重点：系统仿真的应用；系统仿真的优势与局限性；系统仿真的相关技术；

教学难点：系统仿真的应用；

第二章

系统仿真基本知识（6课时）

教学目的：了解生产系统的基本特征；理解掌握系统、系统模型、系统仿真等建模与仿真相关的基本概念；了解系统仿真的类型；理解离散系统与连续系统的区别；熟悉生产系统建模的方法与仿真研究的步骤；深入理解排队论的基本概念，熟悉排队系统的组成与排队模型的分类，掌握到达模式与服务机构刻画的参数，熟悉排队规则与队列的度量；熟悉几种常用的到达时间间隔和服务实践的理论分布（定长分布、泊松分布、埃尔朗分布、正态分布等）；掌握M/M/1排队系统与M/M/C排队系统的分析；掌握库存系统模型；熟悉库存系统；掌握库存系统模型；熟悉库存系统仿真及仿真结果分析；

教学重点：系统、系统模型、系统仿真等建模与仿真相关的基本概念；离散系统与连续系统的区别；生产系统建模的方法与仿真研究的步骤；排队论的基本概念，排队系统的组成与排队模型的分类；几种常用的到达时间间隔和服务实践的理论分布（定长分布、泊松分布、埃尔朗分布、正态分布等）；

M/M/1排队系统与M/M/C排队系统的分析；库存系统仿真方法；

教学难点：系统、系统模型、系统仿真等建模与仿真相关的基本概念；离散系统与连续系统的区别；排队论的基本概念；M/M/1排队系统与M/M/C排队系统的分析；库存系统仿真；

第三章

随机数与随机变量（3课时）

教学目的：理解掌握随机变量（离散、连续），以及连续随机变量的密度函数的概念；掌握随机变量的数字特征；理解掌握随机数的概念，熟悉产生连续均匀分布随机数的几种方法，掌握计算机产生随机数的方法；熟悉随机数的统计检验；掌握各种离散分布随机数的产生方法；熟悉非均匀连续分布随机数及其产生方法。

教学重点：随机变量的数字特征；产生连续均匀分布随机数的几种方法；计算机产生随机数的方法；随机数的统计检验；各种离散分布随机数的产生方法；非均匀连续分布随机数产生方法。

教学难点：各种随机数的产生方法。

第四章

输入数据建模（4课时）

教学目的：熟悉数据分析的步骤；掌握数据分布的识别方法；掌握数据分布参数的估计方法；掌握数据拟合度的检验方法；掌握数据相关性分析方法。

教学重点：数据分布的识别方法；数据分布参数的估计方法；数据拟合度的检验方法；数据相关性分析方法。

教学难点：数据分布的识别方法；数据分布参数的估计方法；数据拟合度的检验方法；数据相关性分析方法。

第五章

系统仿真算法（3课时）

教学目的：掌握系统仿真算法的概念；理解事件调度法的基本概念及仿真流程；理解活动扫描法的基本概念及仿真流程；理解进程交互法的基本概念及仿真流程；掌握面向事件调度的仿真方法与手工仿真；

教学重点：面向事件调度的仿真方法与手工仿真；

教学难点：面向事件调度的仿真方法与手工仿真；

第六章

输出数据分析（6课时）

教学目的：了解输出分析的目的，理解瞬态（终态）与稳态（非终态）仿真的区别；掌握点估计与区间估计的方法；掌握终态仿真的输出分析方法；掌握稳态仿真的输出分析。

教学重点：点估计与区间估计的方法；终态与稳态仿真的输出分析。

教学难点：点估计与区间估计的方法；终态与稳态仿真的输出分析。

第二篇

上机实践部分

第一章

Flexsim入门

教学目的：了解仿真使用的软件工具；熟悉常用的仿真软件包；掌握仿真项目研究主要步骤；掌握Flexsim软件的基本操作和概念；

教学重点：掌握Flexsim软件的基本操作和概念；

教学难点：掌握Flexsim软件的基本操作和概念；

第二章

Flexsim操作培训

教学目的：熟悉常用实体的操作；掌握常用命令、函数与逻辑表达的使用；理解Flexsim模型逻辑流程；掌握基本Flexsim

Script代码的编写、调试；掌握发生器、吸收器、处理器、传送带、暂存区、记录器、可视化工具、货架、分拣传送带、标签、全局表、合成器、网络节点等基本实体的应用；掌握实体输入输出控制的应用；掌握消息机制的应用；

教学重点：掌握基本Flexsim

Script代码的编写、调试；掌握发生器、吸收器、处理器、传送带、暂存区、记录器、可视化工具、货架、分拣传送带、标签、全局表、合成器、网络节点等基本实体的应用；掌握实体输入输出控制的应用；掌握消息机制的应用；

教学难点：掌握基本Flexsim

Script代码的编写、调试；

第三章

Flexsim实战演练

教学目的：掌握常见系统的建模、输入设置和输出分析方法；

教学重点：常见排队系统、库存系统、生产系统的建模方法；

教学难点：常见排队系统、库存系统、生产系统的建模方法；

模型实例：

1、某医院的医生服务时间符合N（2.3，1）的正态分布，病人的到达规律符合λ为2.4

Min的指数分布，假设当新病人到达时，排队总人数超过5人，则该病人离去，试采用Flexsim仿真软件求：该医生8小时服务病人的总人数；病人的平均等待时间；病人的平均在医院时间；医生忙的概率；排队平均队长。

2、发生器产生三种类型的临时实体，服从整数均匀分布duniform，类型值分别为1、2、3，颜色分别为：白色、蓝色、黑色；有2个操作员，操作员1将发生器产生的蓝色临时实体2和黑色临时实体3，分别搬运到暂存区2和暂存区3；操作员2将发生器产生的白色临时实体1搬运到暂存区1。

3、发生器产生2种类型的临时实体，服从整数均匀分布duniform，类型值分别为1、2，颜色分别为红色和绿色；每种类型的临时实体又分为两种不同的规格，也服从整数均匀分布duniform，规格值分别为1、2，产生的临时实体进入暂存区1；操作员1将红色的临时实体1搬运到传送带1上，将绿色的临时实体2搬运到传送带2上；操作员2将规格值为1的临时实体1搬运到暂存区2上，将规格值为2的临时实体1搬运到暂存区3上；操作员3将规格值为1的临时实体2搬运到暂存区4上，将规格值为2的临时实体2搬运到暂存区5上；同时，通过可视化工具1和2实时显示每一个通过传送带的临时实体的规格值。

4、发生器的到达方式采用到达序列；一次性产生10个临时实体，类型值为1，颜色为白色，进入暂存区1；接着进入处理器进行加工，加工时间为10，之后进入暂存区2；处理器加工结束后等待时间为10，而后继续加工。

5、发生器产生临时实体，到达时间间隔服从指数分布，到达平均时间间隔为5，进入暂存区；操作员沿着网络节点NN1和NN2，将临时实体搬运到传送带上；而后沿着网络节点NN3和NN4返回暂存区，继续搬运临时实体；传送带上的临时实体进入吸收器被消除掉。

6、发生器产生三种临时实体，服从整数均匀分布，类型值分别为1、2、3，颜色分别为红色、绿色和蓝色，进入暂存区1；接着进入分拣传送带自动分拣，分拣传送带分为两段，每段长度为10；蓝色临时实体3从分拣传送带的出口点5处被分拣进入传送带1，而后进入暂存区2；绿色临时实体2从分拣传送带的出口点10处被分拣进入传送带2，而后进入暂存区3；红色临时实体1从分拣传送带的出口点20处被分拣直接进入暂存区4。

7、发生器产生两种临时实体，服从整数均匀分布，类型值分别为1、2，颜色分别为绿色和蓝色；操作员1将绿色的临时实体1搬运到处理器1上，加工时间为10，而后进入暂存区1，处理器1加工结束后等待时间为10，而后继续加工；操作员1将蓝色的临时实体2搬运到处理器2上，加工时间为5，而后进入暂存区1，处理器2加工结束后等待时间为5，而后继续加工。操作员2负责将加工后的临时实体搬运至暂存区2，操作员2总是沿着网络节点NN1、NN2，将临时实体搬运到暂存区2上；而后沿着网络节点NN3、NN1返回至暂存区1，继续搬运临时实体。

8、发生器产生四种临时实体，服从整数均匀分布，类型值分别为1、2、3、4，颜色分别为绿色、蓝色、白色、黄色，进入暂存区1；然后随机进入处理器进行加工，可以使用的处理器有四个，不同类型的临时实体在处理器上的加工时间不同，详情如下表：加工结束后，进入暂存区2存放。同时，在各个处理器附近用可视化工具显示该处理器的实时加工时间。

加工时间

处理器1

处理器2

处理器3

处理器4

产品1

产品2

产品3

产品4

69、发生器产生四种临时实体，服从整数均匀分布，类型值分别为1、2、3、4，颜色分别为红色、蓝色、黑色、黄色，进入暂存区；四种临时实体最后将被分别放置到四个货架相应的位置上，每个货架都分为10列、6层；每个临时实体被放置到货架上的位置是随机的，每个临时实体被放置到货架上的列数和层数都服从整数均匀分布；红色和蓝色临时实体进入分拣传送带1自动分拣，分拣传送带1长度为10，接着蓝色临时实体从分拣传送带1的出口点2处被分拣至传送带1上，然后堆垛机1将传送带1上的临时实体放置到货架2相应的位置上；红色临时实体从分拣传送带1的出口点5处被分拣至传送带2上，然后堆垛机1将传送带2上的临时实体放置到货架1相应的位置上；黑色和黄色临时实体进入分拣传送带2自动分拣，分拣传送带2长度为10，接着黄色临时实体从分拣传送带2的出口点2处被分拣至传送带3上，然后堆垛机2将传送带3上的临时实体放置到货架3相应的位置上；黑色临时实体从分拣传送带2的出口点6处被分拣至传送带4上，然后堆垛机2将传送带4上的临时实体放置到货架4相应的位置上；

10、有三个货架，分别为货架1、货架2和货架3，每个货架的列数和层数都为10，货架1存放红色的产品1，货架2存放绿色的产品2，货架3存放蓝色的产品3，初始状态下，每个货架中的产品数量都为100；运输机1、2和3在分配器的统一控制下，按照客户订单的要求，从客户1的订单开始，将客户需要的产品从相应的货架上取下后，放在相应的托盘上打包后，进入分拣传送带自动分拣，每个客户使用托盘颜色不同，客户1到5使用的托盘颜色分别为红色、绿色、蓝色、白色、黄色。客户订单详情如下表：

订单需求

客户1

客户2

客户3

客户4

客户5

产品1

产品2

产品3

打包后，客户1的产品从分拣传送带自动分拣进入传送带5，然后进入暂存区5；客户2的产品从分拣传送带自动分拣进入传送带4，然后进入暂存区4；客户3的产品从分拣传送带自动分拣进入传送带3，然后进入暂存区3；客户4的产品从分拣传送带自动分拣进入传送带2，然后进入暂存区2；客户5的产品从分拣传送带自动分拣进入传送带1，然后进入暂存区1。

第三章

Flexsim进阶（2课时）

教学目的：掌握任务序列的编程方法；熟悉顺序分配法与链式存储分配方法；掌握一般加工系统的建模与仿真并分析输出结果。

教学重点：顺序分配法与链式存储分配方法；一般加工系统的建模与仿真并分析输出结果。

教学难点：一般加工系统的建模与仿真并分析输出结果。

实例：发生器1随机产生零部件，接着进入暂存区1，操作员1按照以下流程工作：操作员1行走到暂存区1，取起零部件，行走至处理器1，将零部件放在处理器1上加工，加工时间为10个单位，操作员1等待10个时间单位后，取起零部件，行走至处理器2，将零部件放在处理器2上加工，加工时间也为10个单位，操作员1等待10个时间单位后，取起零部件，行走至暂存区2，放下加工后的零部件。之后重复以上的操作。

执笔人：

工程学院

工业工程

教研室

审核人：

编写时间：

2014年月日