《智能生产系统建模与仿真》教学大纲

《智能生产系统建模与仿真》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：01140161课程性质：专业必修课学分：3学分学时：48学时（理论32学时，实验16学时）先修课程：概率论与数理统计、智能制造工程导论、C语言等后续课程：智能生产系统建模与仿真课程设计适用专业：智能制造工程开课单位：机械工程学院一、课程说明《智能生产系统建模与仿真》是智能制造专业本科学生的专业必修课。本课程的任务主要是以生产系统的设计、建模、仿真优化为研究对象，对生产系统的各个组成环节建立生产系统模型，通过仿真技术和数据处理，使系统性能优化、效率提升和浪费减少，提升生产线产出率，优化企业内部物流配送、车间布置、流水线平衡、生产计划和仓储仿真等经典工业工程问题。通过本课程的学习，使学生掌握一个生产系统仿真类软件，并能对生产系统典型工程问题提出设计方案，完成对生产模型的设计、建模、编程、仿真及优化等工作。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：了解生产系统建模基础理论及PlantSimulation软件的主要功能，掌握PlantSimulation软件的基本操作，熟练应用各种物料流对象、分析工具，达到对简单生产线的设计、建模及生产数据统计的能力。课程目标2：能够根据产品生产工艺流程，利用PlantSimulation设计出生产产线，并对生产过程进行控制、调试及分析；掌握SimTalk语言编程，实现较复杂生产流程的控制；掌握GA优化工具、实验管理工具，实现产线的仿真及优化；掌握AGV及工人的生产调度；在设计调试模型时培养学生一丝不苟的职业素养和精益求精的“工匠精神”。三、课程目标与毕业要求《智能生产系统建模与仿真》课程教学目标对智能制造工程专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度3.设计/开发解决方案：能够设计针对智能制造工程领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统与单元（部件），并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。3.2能够根据要求，设计开发实现特定功能的智能制造系统和单元（部件）；课程目标1：了解生产系统建模基础理论及PlantSimulation软件的主要功能，掌握PlantSimulation软件的基本操作，熟练应用各种物料流对象、分析工具，达到对简单生产线的设计、建模及生产数据统计的能力。H5.使用现代工具：能够针对智能制造领域复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.2能够选择和使用恰当的仪器、信息资源，工程工具和专业模拟软件等，用于智能制造领域复杂工程问题的分析、计算与设计；课程目标2：能够根据产品生产工艺流程，利用PlantSimulation设计出生产产线，并对生产过程进行控制、调试及分析；掌握SimTalk语言编程，实现较复杂生产流程的控制；掌握GA优化工具、实验管理工具，实现产线的仿真及优化；掌握AGV及工人的生产调度；在设计调试模型时培养学生一丝不苟的职业素养和精益求精的“工匠精神”。H注：表中“H（高）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1.生产系统建模基础1.1系统的概念1.2系统建模的方法1.3案例分析教学要求：使学生了解生产系统的概念、特点、分类等基本概念，掌握生产系统的建模方法，能够对简单案例就行抽象成数学模型。重点：用数学模型描述现实中的工程实例。难点：用数学模型描述现实中的工程实例。2012.PlantSimulation软件介绍2.1软件概述2.2软件的安装2.3认识操作界面2.4鼠标基本操作2.5实例演示教学要求：使学生了解PlantSimulation软件的功能、安装方法、操作界面以及基本操作。重点：掌握PlantSimulation的功能，基本操作难点：安装PlantSimulation软件2013.物料流基本命令3.1源、工位、装配工位、拆卸工位、机械手、转盘、传送器、缓冲区、流量控制器等对象的使用3.2资源类对象的使用工人池、协调器、工人、AGV池等对象的使用3.3数据图表的使用插入数据表、条形图、报告等，展示仿真结果3.4管理类库的调用教学要求：使学生掌握PlantSimulation的主要功能对象，可以根据生产系统，灵活选择各种对象，建立生产系统，AGV运输模型、仓储模型等，并运用数据图表，展示出生产系统的仿真结果。掌握人机作业问题、AGV运输物料、产品出入库管理等典型场景的建模。重点：掌握各种物料流对象及相关属性设置；属性名称的查询和调用。难点：利用软件，构建生产模型，仿真出与生产相关的信息，提取所需数据并分析。1281、24.SimTalk语言4.1SimTalk语法4.2变量、函数4.3控制语句4.4实例演示教学要求：使学生掌握PlantSimulation软件的控制方法，掌握SimTalk的基本语法，编程思想。重点：能够掌握SimTalk的基本语法，编程思想，常用函数。难点：编写程序，对生产模型进行复杂的控制，仿真出所需要的生产信息。601、25.工具5.1实验管理器5.2瓶颈分析5.3WMS管理系统5.4能耗分析5.5GA工具教学要求：使学生掌握PlantSimulation自带的仿真分析工具，建立实验分组，分析瓶颈工序，能源消耗，物流路径等。重点：利用实验管理器进行分组实验，并对实验数据进行分析难点：运用GA工具实现生产排程的优化681、26综合实例操作6.1汽车轴承装配产线6.2汽车车身生产模型教学要求：根据汽车实际生产过程，进行简化建模，仿真其生产过程重点：合理匹配各个生产对象，建立合理的生产模型难点：生产过程的逻辑控制和SimTalk程序编写。401、2合计32162.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验(上机)项目、实验(上机)内容与学时实验（实践）(上机)项目实验（实践）(上机)内容和要求实验（实践）(上机)学时对应的课程目标1.混流装配线物料配送设计与仿真实验(上机)内容：混流装配线物料配送仿真及优化。实验(上机)要求：学习构建模型基本框架、制定AGV调度策略及AGV参数优化41、22.仓储作业的设计仿真实验(上机)内容：仓储作业的仿真。实验(上机)要求：实现挂车搬运仿真及生成装卸过程。41、23.流水线暂存区的仿真实验(上机)内容：流水线暂存区的仿真。实验(上机)要求：建立生产线模型，设置全局变量的方法，分析机器故障率和加工时间对生产的影响。41、24.工艺原则布置仿真建模实验(上机)内容：按生产工艺布置产线实验(上机)要求：建立生产线模型，运用GA工具优化模型41、2合计1616五、教学方法及手段本课程采用理实一体化教学，以课堂讲授为主，结合上机演示、讨论、案例、线上学习资源、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。学生比较全面地理解智能生产系统建模与仿真的理论基础、产线设计及建模仿真，使学生初步具有能够运用仿真软件，最生产模型进行建模、仿真分析的能力。在实验教学环节中，通过启发式教学、讨论式教学把理论与工程实例联系起来，使学生更深入的理解生产系统在企业生产中的应用，利用软件进行仿真分析的同时加强对基本理论、基本知识的理解运用，培养学生独立思考、实际动手能力，培养学生的创新思维能力。六、课程资源1.推荐教材：（1）朱海平，生产物流建模与仿真[M]，清华大学出版社，2022.10.（2）李军详，何建佳，生产物流建模与仿真[M]，清华大学出版社，2023.2.（3）胡耀华，梁乃明，数字化工厂仿真，机械工业出版社，2021.11.（4）武福，生产系统建模与仿真[M]，西安电子科技大学出版社，2014.8.2.参考书：（1）周金平编，生产系统仿真，电子工业出版社，2011.（2）王亚超，马汉武，生产物流系统建模与仿真-WITNESS系统及应用，科学出版社，2019.（3）李世荣，数字化工厂实践指南PlantSimulation系统仿真与建模手册[M]，机械工业出版设，2021.11.（4）于征磊，数字化工厂建模与物流仿真[M]，化学工业出版社，2023.73.期刊：（1）刘勤明，基于二阶段时间延迟的多产品生产系统生产与维修联合优化研究[J]，\t"/kns8/defaultresult/_blank"计算机应用研究，2020.4（2）中国管理信息化，吉林科学技术出版社（3）自动化学报，中国自动化学会;中国科学院自动化所（4）\t"/zn/Detail/index/SJES_03/_blank"T.Schröder，Strategicplanningofamulti-productwood-biorefineryproductionsystem，JournalofCleanerProduction，2019.124.网络资源：（1）仿真科技论坛，/（2）我要自学网，/（3）中国工控网，/七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标12过程性考核课后作业20%（1）根据课后布置作业进行考核，每次作业满分100分。（2）取四次作业成绩的平均分，以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√713实验15%（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（2）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√78小组讨论15%（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和讨论话题的参与程度，满分100分；（2）以小组讨论的成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√78期末考试50%（1）采用机试，卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核生产系统基本知识、物料流对象的基本参数、产线设计、流程控制、数据统计及编程等内容。（3）考试题型为：单选题、填空题、模型设计题、编程题等。√√2525合计：100分4654八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课后作业、实验、小组讨论、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重50%），试卷中基本知识、基本理论、基本技能的试题分值不超过50%，综合应用题、分析题不低于50%；课后作业、实验、小组讨论等过程性考核成绩为100分（权重50%）；过程性考核和考试试题分值分配应与教学大纲各章节的学时基本成比例。2.过程性考核成绩的标准过程性考核方式重点考核内容、评价标准、所占比重见表5。表5过程性考核方式评价标准考核方式所占比重(%)100>x≥9090>x≥8080>x≥7070>x≥60x<60课后作业40作业内容详细，描述清楚，按时按量提交，准确率大于90%。作业内容详细，描述清楚，按时按量提交，准确率大于80%作业内容比较详细，描述比较清楚，按时按量提交，准确率大于70%作业内容不够详细，描述不够清楚，按时按量提交，准确率大于60%。作业内容不够详细，描述不够清楚，未按时按量提交，准确率大于60%。小组讨论30积极组织小组成员讨论，并能够总结出讨论结果，且结果正确，调动了学生学习的积极性及思维的活跃程度较好的参与小组讨论，讨论结果基本正确，上课思维较活跃，学习积极性较高。参与讨论程度一般，讨论结果基本正确，思维活跃程度一般。在小组讨论中，没有积极参与，讨论结果不够全面或不完全正确。基本不参与小组讨论，学习缺乏积极性。实验30实验预习认真，能够熟练掌握方法与步骤，实验操作过程熟练、规范，遵规守纪、团结协作，实验结果详实