CN103106559A

CN103106559A - 一种虚实融合的工业工程综合实验***

Info

Publication number: CN103106559A
Application number: CN2013100330312A
Authority: CN
Inventors: 蒋增强
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明公开了一种虚实融合的工业工程综合实验***，该***包括：企业资源计划ERP模块、制造执行***MES、生产模块；所述ERP模块，用于制定产品的生产作业计划并下发至所述MES及根据所述生产作业计划确定所需的物料及制定相应的物料配送计划，并配送至生产模块；所述MES，用于根据生产作业计划判断生产模块是否具备相应的生产工艺；若是，则所述MES控制所述生产模块按照所述生产工艺对配送的物料进行加工生产；否则，由所述MES调用所述ERP模块中的虚拟仿真信息在生产模块中模拟该产品的生产过程；其中，所述MES还用于当该产品生产完毕后，对其进行质量数据分析及生产性能分析。通过采用本发明公开的***，扩大了实验的范围，降低实验***的开发费用。

Description

一种虚实融合的工业工程综合实验***

技术领域

本发明涉及实验***，尤其涉及一种虚实融合的工业工程综合实验***。

背景技术

IE（Industrial Engineering，工业工程）是工程技术与管理科学相结合的交叉学科。国际上，工业工程的主要研究对象是生产***和服务***。在我国IE还处在发展初级阶段，主要研究工业***的效率,它利用自然科学和其它技术对研究对象进行观察、实验、分析、设计。工业工程的许多重要技术和理论方法都来源于生产实际，IE工程师必然具有很强的实践和工程分析与设计能力。因此，IE具有很强的实践性和应用性，实践教学是其教学过程中不可缺少的一环，是培养学生实践和综合运用所学知识解决实际问题能力，保证人才培养质量的必要手段。

1993年我国第一批IE专业在若干所高校设立以来，已经发展了20年，从专业规模、教学体系等方面取得了长足的进步。但IE专业的实验设施和实验条件都很薄弱，并且由于IE与生产实际的关联度高且涉及面广，在有限资金的条件下，难以将IE面临的各种***及其运行状态在实验室中真实地展现出来，学生无法在实验过程中真正体会到真实的企业生产环境，导致整体实验效果差。因此，如何根据自己的专业特色，在现有资源条件下构建能够充分模拟企业生产实际环境，能够全面覆盖，并有机集成工业工程学科知识的实验体系，显得尤为重要。

目前国内大学工业工程的实验***主要存在以下缺陷：

1）涉及面窄：由于硬件***的限制，因此用于实验的对象一般比较简单，无法完全体现企业实际生产过程；

2）成本高：由于需要模拟企业的硬件环境，需要购买各类硬件设备，如果需要更多的体现企业生产实际，就必须购买更多的硬件设备，导致实验平台的成本提高；

3）可扩展性不强：硬件一旦购买，就不容更换，因此，实验的内容就相对来说比较固定，不具有很好的扩展性；

4）实验不综合：各个实验相对独立，只注重单项知识和技术的实验，忽视工业工程各门课程紧密联系的特点，且实验不全面，学生缺乏对整个专业知识和技术的全面认识和融会贯通。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚实融合的工业工程综合实验***，扩大了实验的范围，降低实验***的开发费用。

一种虚实融合的工业工程综合实验***，该***包括：企业资源计划ERP模块、制造执行***MES、生产模块；

所述ERP模块，用于制定产品的生产作业计划并下发至所述MES及根据所述生产作业计划确定所需的物料及制定相应的物料配送计划，并配送至生产模块；

所述MES，用于根据生产作业计划判断生产模块是否具备相应的生产工艺；

若是，则所述MES控制所述生产模块按照所述生产工艺对配送的物料进行加工生产；否则，由所述MES调用所述ERP模块中的虚拟仿真信息在生产模块中模拟该产品的生产过程；

其中，所述MES还用于当该产品生产完毕后，对其进行质量数据分析及生产性能分析。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用MES作为集成框架，将工业工程各门课程紧密联系；并通过虚拟仿真信息代替价格昂贵的设备及模拟复杂多变的企业实际生产过程，即可体验到各类设备和各种加工过程，大大的降低实验***的开发费用，扩大了实验的范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种虚实融合的工业工程综合实验***的示意图；

图2为本发明实施例二提供的又一种虚实融合的工业工程综合实验***的示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种作业管理模块工作时的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

如图1所示，本发明提供的一种虚实融合的工业工程综合实验***的示意图，该***主要包括：企业资源计划ERP模块11、制造执行***MES12、生产模块13；

所述ERP模块11，用于制定产品的生产作业计划并下发至所述MES12及根据所述生产作业计划确定所需的物料及制定相应的物料配送计划，并配送至生产模块13；

所述MES12，用于根据生产作业计划判断生产模块13是否具备相应的生产工艺；

若是，则所述MES12控制所述生产模块13按照所述生产工艺对配送的物料进行加工生产；否则，由所述MES12调用所述ERP模块11中的虚拟仿真信息在生产模块13中模拟该产品的生产过程；

其中，所述MES12还用于当该产品生产完毕后，对其进行质量数据分析及生产性能分析。

本实施例中的ERP模块11中内置的虚拟仿真模块111可在外部条件无法满足实验需求时提供虚拟仿真信息来模拟实际的操作，从而为实验提供一个虚实结合（虚拟仿真、视频和实际设备相结合）的企业生产环境。

具体的：本实施例中各个模块的工作原理如下：

ERP模块11的功能至少可以包括三个部分：①制定产品的生产作业计划；②建立相应产品的物料配置列表与制作工艺列表；③内置可提供虚拟仿真信息的虚拟仿真模块111。

MES12的功能至少可以包括三个部分：①执行作业计划；②对产品进行质量数据分析及生产性能分析。

首先，ERP模块11将制定好的产品的生产作业计划下发至MES12，并将生产该产品所需的物料配送至生产模块13。

然后，所述MES12根据生产作业计划获取所要生产的产品，再通过查询制作工艺列表得知生产该产品所采用的工艺；同时判断该工艺是否能通过生产模块13完成。

若是，则所述MES12控制所述生产模块13按照所述生产工艺对配送的物料进行加工生产；否则，通过ERP模块11内置虚拟仿真模块111提供相应的虚拟仿真信息（例如，数字模型）在生产模块13中模拟该产品的生产过程。

同时，当产品生产完毕后，对其进行质量数据分析形成各类质检图形（例如，质量控制图，工序能力图等），并进行生产性能分析（例如，计算设备利用率、生产线平衡率）。

本发明实施例通过利用MES作为集成框架，将工业工程各门课程紧密联系；并通过虚拟仿真信息代替价格昂贵的设备及模拟复杂多变的企业实际生产过程，即可体验到各类设备和各种加工过程，大大的降低实验***的开发费用，扩大了实验的范围。

实施例二

为了便于理解本发明，现结合附图2对本发明做进一步介绍。如图2所示，本***主要包括：

企业资源计划ERP模块21、制造执行***MES22、生产模块23；

所述ERP模块21，用于制定产品的生产作业计划并下发至所述MES22及根据所述生产作业计划制定相应的物料配送计划，并配送至生产模块23；

所述MES22，用于根据生产作业计划判断生产模块23是否具备相应的生产工艺；

若是，则所述MES22控制所述生产模块23按照所述生产工艺对配送的物料进行加工生产；否则，由所述MES22调用所述ERP模块21中的虚拟仿真信息在生产模块23中模拟该产品的生产过程；

其中，所述MES22还用于当该产品生产完毕后，对其进行质量数据分析及生产性能分析。

进一步的，上述ERP模块21具体可以但不限于包括：

基础建模模块211，用于配置生产各个产品所需物料、加工和装配工艺及加工和装配时所需的资源；

所述基础建模模块211包括：产品建模模块2111，用于建立生产各个产品所需物料的配置列表；工艺建模模块2112，用于建立对各个产品所需物料进行加工及装配的工艺列表；资源建模模块2113，用于建立使用加工及装配工艺时所需资源的列表，其中，包括硬件资源21131与虚拟仿真资源21132。

计划管理模块212，用于根据生产某一产生所需物料制定配送计划及物料采购计划；

所述计划管理模块212包括：主生产计划模块2121，用于确定待生产的产品；物料需求计算模块2122，用于计算生产的该产品所需物料；采购计划模块2123，用于根据生产的该产品所需物料制定物料采购计划；生产作业计划模块2124，用于制定并下发该产品的生产计划；物料配送计划模块2125，用于根据该产品的生产计划计算所需物料并制定配送计划。

库存管理模块213，用于根据计划管理模块下发的采购或配送计划进行物料入库或相应物料出库及配送；

所述库存管理模块213包括：入库管理模块2131，用于对所述采购计划模块采购的物料进行入库管理；出库管理模块2132，用于根据所述物料配送计划模块制定配送计划进行相应物料出库及配送；物料库存分析模块2133，用于对库存的物料进行分析。

进一步的，上述MES22具体可以但不限于包括：

作业管理模块221，用于根据接收到的生产作业计划进行作业的指导、监控与质量管理；

所述作业管理模块221具体包括：作业指导模块2211，用于根据生产作业计划进行作业的调度分配及产品出生证号的写入；作业监控模块2212，用于根据产品的出生证号获取产品的工艺数据，确定生产方式并进行实时监控；质量管理模块2212，用于对产品的质量数据分析及计算设备利用率、生产线平衡率。

实验管理模块222，用于记录产品加工过程及生产性能数据。

进一步的，上述进行质量数据分析及生产性能分析包括：

通过对质量数据进行分析形成各类质检图形，对生产性能分析来计算设备利用率与生产线平衡率，并以此完成工作人员的绩效考核。

进一步的，上述生产模块23具体可以但不限于包括：

加工模块231，用于通过加工机床对物料进行加工；

装配模块232，用于对加工后的物料进行装配。

另外，该***还包括：实验环境设定模块24，用于为生产模块设定虚拟的生产环境。

下面将对本***中各个模块及其功能做详细的介绍，并细化各个功能模块工作时的交互过程。

首先，可将ERP模块21分为三个部分来介绍：

1）基础建模模块211，用于配置生产各个产品所需物料、加工和装配工艺及加工和装配时所需的资源。其主要分为三个部分：产品建模模块2111、工艺建模模块2112与资源建模模块2113。产品建模模块2111，用于建立生产各个产品所需物料的配置列表，例如，生产产品A需要部件a、部件b与部件c，同时，部件c由部件d与部件e制作而成等。工艺建模模块2112，用于建立对各个产品所需物料进行加工及装配的工艺列表，例如，建立生产产品A所需部件a、部件b与部件c的加工工艺列表，并建立将部件a、部件b与部件c进行装配的工艺列表等；另外，还可以在工艺列表中设置工艺特征信息、工序卡片、作业指导书、标准工时、工艺质量规范等工艺信息。资源建模模块2113，用于建立使用加工及装配工艺时所需资源的列表，包括硬件资源与虚拟仿真资源；此处的硬件资源主要表示实际存在的资源，例如，加工机床、装配线等；虚拟仿真资源主要包括仿真模型、视频等；其作用在于当生产某一产品对应的工艺无法通过硬件资源实现时，则***会调出相应的视频或者仿真模型，可以通过视频或仿真模型了解相应的加工过程，并且***可以通过质量和工时分布函数，计算出该工序加工结束的时间和加工的最后质量，这些数据跟实际动手操作的工序得到的数据一样，以便后续进行质量数据分析及生产性能分析。

2）计划管理模块212，用于根据生产某一产生所需物料制定配送计划。其主要包括：主生产计划模块2121、物料需求计算模块2122、采购计划模块2123、生产作业计划模块2124与物料配送计划模块2125。主生产计划模块2121，用于确定待生产的产品，即根据生产需求形成主生产计划。物料需求计算模块2122，用于计算生产的该产品所需物料，例如，结合产品建模模块2111中各个产品所需物料的配置列表计算生产该产品所需物料的种类及数量。采购计划模块2123，用于根据生产的该产品所需物料制定物料采购计划，也可根据物料需求计算模块2122的结算结果结合库存量来制定采购计划。生产作业计划模块2124，用于制定并下发该产品的生产计划。物料配送计划模块2125，用于根据该产品的生产计划计算所需物料并制定配送计划。

3）库存管理模块213，用于根据计划管理模块下发的采购或配送计划进行物料入库或相应物料出库及配送。主要包括：入库管理模块2131、出库管理模块2132与物料库存分析模块2133。入库管理模块2131，用于对所述采购计划模块采购的物料进行入库管理；出库管理模块2132，用于根据所述物料配送计划模块制定配送计划进行相应物料出库及配送；物料库存分析模块2133，用于对库存的物料进行分析。

然后，可MES22可以分为两个部分：

1）作业管理模块221，用于根据接收到的生产作业计划进行作业的指导、监控与质量管理。其主要包括：作业指导模块2211、作业监控模块2212与质量管理模块2212。作业指导模块2211，用于根据生产作业计划进行作业的调度分配及产品出生证号的写入；作业监控模块2212，用于根据产品的出生证号获取产品的工艺数据，确定加工与装配方式并进行实时监控；质量管理模块2212，用于对产品进行质量数据分析及生产性能分析。

具体的，该模块的工作流程如图3所示，主要包括如下几个步骤：

步骤31、根据生产作业计划生成产品出生证号，并写入与产品绑定的电子标签中。

步骤32、由生产设备的工位读取产品上的电子标签获得产品出生证号，并根据产品出生证号获取产品的生产工艺数据、质量标准、作业指导书等信息。

步骤33、判断产品的生产工艺能否通过生产模块实现，若是，则转入步骤34，否则转入步骤35。

步骤34、通过生产模块按照工艺数据及质量标准控制生产模块生产该产品，并对生产过程实时监控，记录加工时间与质量数据等。

步骤35、通过调用虚拟仿真数据（例如数字模型、视频等）来模拟实际的操作，并根据工时和质量分布函数计算虚拟加工时间和质量数据等。

步骤36、对产品进行质量数据分析及生产性能分析。具体的：①每生产一产品后单独建立一个档案，包括：加工地点、人员、时间、质量等；②进行质量数据分析形成各类质检图形，例如，质量控制图，工序能力图等；③并进行生产性能分析（例如，计算设备利用率、生产线平衡率）；通过上述三点来完成工作人员（一般为学生）的绩效考核。

2）实验管理模块222，用于记录产品加工过程及生产性能数据。具体的：可将每一工作人员的工作过程进行记录（例如，老师、学生），形成实验档案，丰富实验案例库。

生产模块23可以分为两个部分：

加工模块231，用于通过加工机床对物料进行加工；装配模块232，用于对加工后的物料进行装配；具体的：加工模块231与装配模块232均可包括多个工位，每个工位上均设有工位看板（可用于查看生产某一产品所需物料，所对应的生产工艺、质量标准等信息），用于数据采集的PLC（可编程逻辑控制器）输入输出接口，条码扫描枪、RFID（电子标签）读写器，生产看板（可采用LED显示屏，实时显示生产计划信息和生产异常信息）等。

进一步的，本***还可包括，实验环境设定模块24，用于为生产模块设定生产环境（实际生产与虚拟仿真生产）；例如，通过改变灯光、噪声、温度形成虚实结合生产环境。

通过本实施例以上模块的功能可以得知，本***通过虚实结合，有效的降低了工业工程实验室建设的成本，增强实验范围和内容。例如，通过质量数据分析及生产性能分析等实验内容可完成基础工业工程相关实验；通过虚拟实验环境设定模块设定虚拟的生产环境完成人因工程的相关实验；通过基础建模模块与计划管理模块相结合完成生产计划与控制等工业工程的主干课程。显然，本实施例还可将不同课程的实验进行有机集成，在虚实结合的工业工程综合实验体系进行实验，并且可以将学生的实验过程和成果进行有效管理。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种虚实融合的工业工程综合实验***，其特征在于，该***包括：企业资源计划ERP模块、制造执行***MES、生产模块；

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述ERP模块包括：基础建模模块，用于配置生产各个产品所需物料、加工和装配工艺及加工和装配时所需的资源；

所述基础建模模块包括：

产品建模模块，用于建立生产各个产品所需物料的配置列表；

工艺建模模块，用于建立对各个产品所需物料进行加工及装配的工艺列表；

资源建模模块，用于建立使用加工及装配工艺时所需资源的列表；其中，包括硬件资源与虚拟仿真资源。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述ERP模块还包括：计划管理模块，用于根据生产某一产生所需物料制定配送计划；

所述计划管理模块包括：

主生产计划模块，用于确定待生产的产品；

物料需求计算模块，用于计算生产的该产品所需物料；

采购计划模块，用于根据生产的该产品所需物料制定物料采购计划；

生产作业计划模块，用于制定并下发该产品的生产计划；

物料配送计划模块，用于根据该产品的生产计划计算所需物料并制定配送计划。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述ERP模块还包括：库存管理模块，用于根据计划管理模块下发的采购或配送计划进行物料入库或相应物料出库及配送；

所述库存管理模块包括：

入库管理模块，用于对所述采购计划模块采购的物料进行入库管理；

出库管理模块，用于根据所述物料配送计划模块制定配送计划进行相应物料出库及配送；

物料库存分析模块，用于对库存的物料进行分析。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述MES包括：作业管理模块，用于根据接收到的生产作业计划进行作业的指导、监控与质量管理；

所述作业管理模块具体包括：

作业指导模块，用于根据生产作业计划进行作业的调度分配及产品出生证号的写入；

作业监控模块，用于根据产品的出生证号获取产品的工艺数据，确定生产方式并进行实时监控；

质量管理模块，用于进行产品的质量数据分析及生产性能分析。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述MES还包括：实验管理模块，用于记录产品加工过程及生产性能数据。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述进行质量数据分析及生产性能分析包括：

8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述生产模块包括：

加工模块，用于通过加工机床对物料进行加工；

装配模块，用于对加工后的物料进行装配。

9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，该***还包括：实验环境设定模块，用于为生产模块设定虚拟的生产环境。