工业工程系统建模与仿真教学范文

1理论教学内容

离散事件系统建模与仿真的理论体系比较复杂，但学时有限。文献[3]分析了自动化专业《系统仿真》的知识点和教学现状，工业工程专业的系统仿真与自动化专业的系统仿真的知识点有较大差异。根据工业工程专业本科教学的要求，该门课程理论教学内容主要围绕离散事件系统中排队和库存两大环节进行，这两大环节可以组合成任意的离散事件系统。具体内容包括：离散事件系统的相关术语及概率，随机变量仿真建模，排队系统与库存系统建模与仿真，离散事件系统仿真建模和输入输出数据的分析等。其中排队系统与库存系统的建模是数学建模方法，其分析结果可以与仿真分析的结果作比较，为验证模型有效性提供方法。仿真建模主要是仿真模型表达方法（如Petri网、实体流图等）和仿真建模方法（如事件调度法、活动扫描法）。

2实验教学

2．1实验教学存在的问题

案例教学有利于提高学生的学习兴趣和培养学生的创新能力，仿真实验教学是案例教学的重要方面。现在关于仿真类的课程实验大都在软件上进行，学生通过在软件上建立模型并进行仿真达到实验规定的要求。但在软件中建立仿真模型并非易事，学生对软件的掌握程度差异性较大，很难在规定的实验学时中完成建模并进行实验。即使部分同学完成了建模过程，模型的运行能够给学生带来很大的动力，但由于过分关注建模过程，忽视了实验教学主要是通过实验设计帮助学生理解和验证理论教学内容，导致达不到实验目的的要求。因此，实验教学并不是要求学生熟料掌握某种软件的使用方法，仿真软件的综合应用将在建模与仿真实践中体现。

2．2实验教学内容

实验教学内容要根据理论教学内容设置，每个实验项目要相对完整，要能达到辅助理论教学的作用，在实验中让抽象的理论实际化。在本课程中主要设计了4个实验，实验教学内容及对应的理论内容如表1所示。

2．2．1仿真软件认知许多实验课程中都有工具认知这个实验，但学生对这个实验并没有引起足够的重视，认为只是熟悉熟悉这个工具而已，其实在这个实验中可以通过一个非常简单的例子，例如ATM系统让学生了解仿真的一般步骤。在仿真理论中随机数与随机变量的发生是一个基础，在仿真软件中大都已经封装好了随机数的发生程序，但在某些高级应用中需要对随机数种子有很好的掌握，通过理论课中伪随机数的产生方法可以很好地理解软件中随机数种子的用途。

2．2．2排队系统仿真分析单通道排队系统在仿真软件中实现比较简单，仿真软件中仅需要提供到达规律，服务时间规律和排队规则即可。通过比较理论排队系统分析与仿真结果比较，理解两者差异性是如何形成的。通过软件提供的验证方法与手工仿真或者未来事件表对比，达到验证模型逻辑运行是否正确。

2．2．3库存系统仿真分析库存系统与排队系统从仿真环节上看类似，但两者仿真的目标存在较大差异，库存系统中零件按照盘点和库存策略批量到达，按照需求批量出库，主要考察库存相关费用方面的指标库存费用中订货费用比较容易获得，存储费用和缺货费用统计方法类似，关键在存储时间和缺货时间的统计。理论方法中存储费用和缺货的统计方法在仿真软件中比较难实现，在仿真软件中一般使用属性的方法统计存储费用和缺货费用。具体做法是定义一个属性用来存储零件到达库存的时刻，当零件离开库存时用系统当前时刻减去到达时刻得出当前零件的存储时间，单个零件的存储时间乘以库存费率即可得单个零件的存储费用，最后累加所有零件的存储费用就是存储费用，缺货费用统计方法类似。

2．2．4输入与输出数据分析输入与输出数据分析是整个仿真的核心，输入是模型的动力，输出是应用的前提。输入分析中应用相应的统计软件按照基本理论中的方法分析收集的数据，在统计软件中一般都已经封装了理论分析中的基本过程，但在分析过程中要对应理论和统计软件之间的评判指标，例如软件中拟合度检验的检验值是什么等等。

输出分析中首先要明确仿真的类型。在暂态分析中，要在仿真实验中依据初始仿真结果估算暂态仿真的仿真次数；在稳态仿真中，要能应用仿真软件提供的工具计算暂态期。学生通过表1中的实验项目既能够发现理论知识在具体软件中如何实现，同时软件中的实验对象又能帮助同学了解企业的实际生产过程，弥补了学生缺乏企业实际经验的不足，有效提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。实验项目确定后，要根据实验目的进行试验设计，试验设计的好坏直接影响着实验效果。例如，同样是仿真典型生产系统，终态分析和稳态分析对实验的输入数据要求不同，仿真的结果分析也完全不同。

3教学效果考核

考核不是目的，是检验学生学习效果的手段与方法。虽然以考促学能够在一定程度上激发学生的学习激情，但如果考核内容不合适，就很难评价学生对知识的掌握程度。因此，考核形式要多样化。考核方式以闭卷考核为主，出勤与听课情况、实验、作业等为辅的方式综合评定学生的掌握程度。其中，闭卷中的客观题主要题型是计算，内容包括随机变量的产生方法、排队系统数学分析，输入数据分析，输出数据分析；主观题以简答为主，主要考核学生对相关知识点的理解程度。出勤与听课反映学生的学习态度和随堂听课效果；实验主要反映学生将理论应用于实践的能力，以及对理论理解的程度。作业让学生依据仿真的一般步骤调研实际系统，界定实际系统的边界，设计合适的表格，使用仿真建模工具抽象出实际系统的仿真模型，收集仿真模型需要的实际数据，分析拟合得出仿真需要的输入数据，以此考核学生抽象仿真模型，收集和分析数据的能力。

4结语

工业工程研究的对象多为大型复杂系统，结合本人多年的教学实践和调研数据，分析了现有理论教学和实验教学的存在的问题，并梳理得出理论教学内容及实验项目，详细提出了实验的开展方式、实验的具体内容和实验与理论内容的对应。针对不同的教学内容的特点，阐述了不同的考核方式。通过不断的改革与实践，目前教学效果明显，有效激发了学生的学习兴趣。对完善工业工程专业的知识体系有重要意义，对离散事件仿真类课程有一定的参照意义。

作者：李俊陈雷雷单位：上海海洋大学工程学院