北京科技大学

精益管理与系统仿真实验室

中心已结题项目:

1. ·国家自然科学基金项目:大规模协同设计的产品-社区共生模型及其进化机理研究(71171019),2012- 2016

2. ·高等学校博士学科点专项科研基金项目:自治生产单元组织仿真建模理论及组织策略优化,2013-2016

3. ·中央高校基本科研业务费项目:先进生产系统的组织仿真建模理论及组织策略优化,2014-2015

4. ·企业合作项目:航天电子产品的单元制造模式及能力提升,2014-2015

5. ·企业合作项目:高柔性数字化机加车间的设施规划与智能物流系统设计

6.·国家自然科学基金项目:先进生产单元的人机协同工作模型及组织柔性研究(70971146),2010-2012

7.·国家自然科学基金项目:以人为中心的协同产品开发过程建模与动态仿真(70501036),2006 - 2008

8.·教育部新世纪优秀人才支持计划项目:基于协同仿真的生产单元智能决策支持技术及服务平台开发(NCET-08-0608),2009-2011

9.·教育部留学回国人员启动基金:面向任务的制造系统人机仿真技术与系统研究,2006-2008

10.·重庆市自然科学基金项目:面向组织的协同产品开发过程建模与仿真关键技术研究 (2005BB2018),2005-2007

11.·企业合作项目:钢铁企业万能生产线物流仿真咨询服务,2006-2007

12.·企业合作项目:网络化项目管理在公路设计过程中的应用,2003-2005

13.·企业合作项目:富士康集团IE技术咨询服务,2002-2009

 

1.·国家自然科学基金项目:先进生产单元的人机协同工作模型及组织柔性研究(70971146),2010 – 2012

    生产单元是根据产品或零件的工艺流程组织的一类新型制造系统,其基本原理是:将加工设备在一定的生产面积上按工艺流程的顺序和要求进行布置,由一个制造团队负责完成从原材料准备到成品产出的一系列生产与管理过程。由于生产单元将生产过程组织为协调高效的物流,因此可显著缩短制造周期、节约生产面积、避免库存积压、提高设备利用率。生产单元的制造模式提出后,在离散制造业、冶金、造船等多个行业得到了迅速推广,并为提升企业制造能力发挥了重要作用。经调查,相对传统制造模式,生产单元可减少67%~90%的物料传送距离,压缩50%~90%的库存,并显著加快在制品的流动。然而,生产单元在混流产品变化、生产批量变化、设备瓶颈变化方面表现出柔性不足、反应较慢,以及对生产异常情况的应付能力较差,一直是制约其应用的主要难题。针对这一问题,近年来出现了许多先进的单元制造模式,如精益生产单元、自治生产单元、可重组制造的工作胞单元、大规模定制的原子式组织等,提出在提高设备制造柔性的同时,通过灵活的组织模式和高素质的生产人员来提高组织柔性,进而提升系统的整体绩效。例如自治生产单元强调生产任务的集成性和组织的自治性,提出工艺规划、生产计划、制造加工、质量保证、设备维护等任务均在单元内部完成,将人、产品和机器组成一个协调高效的自治系统;敏捷制造单元强调拥有更高决策权和可快速重组的制造团队,允许工人根据具体环境的变化而改变工序和任务流程;精益生产单元则强调团队中的每个成员都具有多种技能,而且生产单元的作业计划由工作团队根据订单灵活安排。
    这些先进生产单元的组织策略和应用实践表明,组织柔性作为制造组织对不确定性环境做出灵活反应的基本能力,对制造系统综合性能和效益潜力的发挥具有重要作用。因此,生产单元组织柔性的影响机理及柔性策略的优化,既是分析生产单元急需解决的基础理论问题,也是实现生产单元组织创新的关键技术问题。然而,生产环境与组织行为的复杂性和高度的学科交叉性导致了理论模型、影响机理和研究方法的严重缺乏。本项目针对上述问题,提出了基于人机集成接口的人机协同建模原理,建立面向组织柔性的新型评价指标体系。在此基础上设计和开发人机协同的智能仿真分析平台,探索制造环境变化下组织柔性要素对生产单元的作用机制并发掘其影响规律,并进一步实现复杂生产环境下的组织柔性策略优化,为先进生产单元的组织柔性提升、生产组织创新及整体优化运行提供科学的决策依据。通过本项目研究,期望从根本上解决当前研究面临的困难,建立一套生产单元人机协同建模与组织柔性分析的系统理论和方法论。

 

2.· 国家自然科学基金项目:以人为中心的协同产品开发过程建模与动态仿真(70501036),2006 – 2008

通过三年的研究,本项目取得的主要工作进展和研究成果如下:
(1)提出了以人为中心的协同产品开发过程建模与仿真原理,建立了以设计者智能主体为核心的集成过程仿真模型;
(2)系统地提出了协同产品开发过程评价指标体系和系列算法,形成了人与组织因素对过程影响机理的动态量化研究方法,揭示了人与组织因素对产品开发过程性能的影响规律;
(3)开发成功了以人为中心的协同产品开发过程动态仿真系统并进行了深入应用实践;
(4)将上述研究成果进行总结提炼,形成了一套以人为中心的协同产品开发过程重组方法论,在科学出版社出版专著《以人为中心的产品开发过程重组——提升产品竞争力的新视角》;
(5)公开发表了高水平学术论文21篇,录用论文2篇,其中SCI收录4篇,EI收录14篇;
(6)培养管理科学与工程、工业工程方向博士研究生5名,硕士研究生5名,已毕业硕士研究生3名。

3.·教育部新世纪优秀人才支持计划项目:基于协同仿真的生产单元智能决策支持技术及服务平台开发(NCET-08-0608),2009-2011

该项目开展的主要研究内容及取得的研究成果如下:
(1)生产单元协同仿真的关键技术
建立了复杂制造环境下生产单元协同仿真模型,通过仿真反映生产单元的制造过程、工作者、制造组织之间的协作机制,具体研究内容包括:
协同仿真的原理与方法。采用离散事件动态建模方法描述生产单元中的布局、设备、工装、制造工艺和生产物流,形成制造过程模型;分析生产单元中工作者的行为特点,分角色研究制造团队成员的操作行为、决策行为和协作行为,研究决策过程的知识挖掘技术,基于知识挖掘分层次建立人的智能主体模型;分析联盟生产单元的组织模式和特点,对生产单元的组织结构、人力资源配置、组织协作行为进行描述,并基于主体模型建立描述制造组织的多主体模型;
以制造过程模型为主线,根据生产单元的制造订单、人机分工以及组织模式建立生产单元的协同仿真模型;研究了模型的柔性重组与可重用技术、基于智能节点的模型集成关键技术并实现了协同仿真的运行。
(2) 基于协同仿真的智能决策支持技术及评价体系
建立了生产单元性能评价指标体系,并研究评价指标的算法。具体内容包括:
从制造资源整合利用、生产柔性和反应敏捷性三个方面研究生产单元运行管理的决策目标、决策变量和启发式仿真优化策略;
建立包含重组能力、换线时间、换线次数、设备利用率、人员利用率、人机协作率等指标体系;研究基于仿真输出数据的评价指标计算或分析方法,并对其中涉及的重要参数进行研究;
在协同仿真和评价指标体系的基础上,通过基于智能学习和知识挖掘的启发式仿真优化方法和各种智能决策算法,对生产单元的快速重组策略、组织协作策略和优化调度策略进行决策分析。
(3) 生产单元智能决策支持系统的设计与开发
设计和开发了面向动态联盟的生产单元智能决策支持系统,主要研究工作包括:
针对离散制造联盟的典型生产单元,设计开发具有先进生产单元共性特征的协同仿真系统;
基于协同仿真的智能决策支持系统的设计与开发,包括输入输出参数定义、联盟决策运行环境、面向决策支持的前后处理程序、智能学习与决策算法包、专家知识库等内容;
通过应用实践检验了所建立的决策支持算法的有效性,并进一步提高决策支持系统的可操作性和实用性。
(4)网络化生产单元智能决策支持服务平台的设计与开发
对面向制造联盟的生产单元智能决策支持服务平台进行总体规划与详细设计;
基于网络服务技术和多主体开发环境开发面向制造联盟的网络化生产单元智能决策支持服务平台。

4.·教育部留学回国人员启动基金:面向任务的制造系统人机仿真技术与系统研究,2006-2008

当前的制造系统仿真重点从设备和物流的角度解决系统设计的技术问题。由于忽略了人的核心作用,因此无法发现和评价人与组织因素对系统的影响。针对这一问题,本项目提出面向任务的制造系统人因仿真技术及系统研究。研究内容包括建立以人为中心的制造系统人因任务网络仿真模型、开发面向任务的人因动态仿真系统、通过仿真分析和发现人与组织因素对制造系统性能的影响规律、结合具体的工程实践进行应用验证、并形成一套面向任务的制造系统人因仿真方法集与技术体系。
本课题的研究意义在于探求和发现人与组织因素在各种新型制造系统中的重要作用,从根本上解决当前制造系统仿真所遇到的困难,并为我国工业工程领域面向人因的工作研究奠定动态量化分析的理论基础。
本项目的研究成果包括建立面向任务的人因仿真方法集与技术体系,开发出面向任务的制造系统人因动态仿真系统,在核心刊物上公开发表高水平学术论文6篇,培养工业工程方向研究生3名。

5.·重庆市自然科学基金项目:面向组织的协同产品开发过程建模与仿真关键技术研究(2005BB2018),2005-2007

该项目开展的主要研究内容及取得的研究成果如下:
(1)建立了基于任务分解的协同产品开发集成多视图概念模型,包括任务网主模型、人的分模型、组织分模型、产品分模型和资源分模型。
(2)研究集成概念模型向可执行的仿真模型的映射技术,建立了组织驱动的分层有色时间随机Petri网仿真模型;
(3)从过程和组织两方面,确定了用于协同开发过程分析和改善的重要评价指标,建立了过程与组织并重的协同开发过程评价指标体系;
(4)基于仿真模型和评价指标体系,开发了一个面向组织的协同产品开发过程动态仿真系统,并基于实际的协同产品开发项目进行了初步应用。其主要功能包括仿真参数的输入、编辑、仿真运行和监控,以及仿真结果分析。
(5)建立了人与组织在协同产品开发过程中的行为理论,形成了一套面向组织的协同产品开发过程建模与仿真理论与方法。
(6)在国内外核心刊物上公开发表了学术论文6篇,在国际会议上发表论文1篇,其中,在中国机械工程、计算机集成制造系统发表论文两篇,均被EI收录;IEEM2006国际会议论文被ISTP收录。

6.·企业合作项目:钢铁企业万能生产线物流仿真咨询服务,2006-2007

本项目采用了功能强大的专业生产仿真软件eM-plant对万能生产线建立了可视化数字模型、得到了一系列优化的生产仿真分析结果、开发了针对万能生产线的集成仿真与示教系统、制定了适用的物流管理制度,有效地解决了新产品投产预测、生产线产能分析、设备负荷分析、生产瓶颈分析与流程优化、故障状态调度等关键问题。
(1)万能生产线物流仿真与示教系统
仿真初始化子系统:生产饱和初始化、新产品参数输入、窗口刷新
仿真运行子系统:定型产品仿真参数配置、新产品仿真参数配置、暂停/重启、仿真运行、仿真结束
仿真结果统计子系统:需要统计的关键设备选择、设备产能统计表、设备产能统计图、生产线产能统计、设备负荷统计表、设备负荷统计图
生产分析子系统:新产品调试、生产中辊道调速、生产故障分析、生产瓶颈分析、生产预测分析、生产分析报告
三维仿真示教子系统:流程示意图、重轨二维演示、型钢二维演示、重轨三维演示、型钢三维演示
远程协同子系统:远程仿真操作、远程专家协作
物流制度子系统:原料库物料管理制度、轧辊物料管理制度、中间库物料管理制度、成品库物料管理制度
用户管理子系统
(2)系统数据库:
设备信息数据库
生产流程数据库
定型产品数据库
新产品数据库
仿真结果数据库
用户管理数据库
3)系统设计说明书
4)系统操作说明书
(3)万能生产线数字化仿真模型与优化报告
万能生产线eM-plant数字化仿真模型,包括生产线布局模型、生产设备模型、二维仿真运行模型、二维仿真运模型、二维动态演示模型、三维动态演示模型
生产线产能分析报告
设备负荷率分析报告
生产物流瓶颈优化分析报告
(4)万能生产线物流制度与操作规范
成品库物流现状诊断分析报告
成品库物料管理制度与规范
原料库物料管理制度与规范
轧辊库物料管理制度与规范
中间库物料管理制度与规范
通过本项目的研制与实施,主要的经济效益和社会效益如下:
(1)对于即将投产的新产品,在试生产前可以通过仿真验证新产品的生产工艺,找到不合理的生产环节并反复加以优化,直到整个生产流程协调顺畅再进行现场调试。通过这项工作可以显著地减少新产品反复在线调试时间,避免在原材料和设备成本上的大量投入。
(2)对于已经投产的定型产品,通过对当前生产过程的仿真进行生产线产能、效率、设备负荷率分析,大量的分析数据可以为生产计划与管理提供科学决策的依据。同时,通过仿真可以发现当前生产的瓶颈问题,并通过调整各种生产运行参数来模拟各种改进的生产方案,从而不断地平衡设备负荷、优化生产计划、提高生产线的产能。
(3)通过模拟故障状态下的生产流程重建过程,可以对设备故障或设备检修情况下的生产线产能、负荷、瓶颈进行预测评估,找到合理的调整方案,从而为合理安排生产、缩短工艺调整时间提供决策依据,以达到减少因生产线停工带来的时间和经济损失的目的。
(4)通过制定优化的物流仿真方案和细化的物流管理制度,使万能生产线的物流管理制度更加规范化、科学化,有助于提高库存周转率和备件备料的供应,达到提高企业经济效益的效果。
(5)所建立的万能生产线数字化仿真模型可直接用于生产人员和管理人员的培训,模型的动态运行可以为工作人员提供直观的生产运行过程演示与讲解,使工作人员具有生产线的全局意识和改进意识,通过仿真系统的应用还可不断提高生产人员的管理水平。

7.·企业合作项目:网络化项目管理在公路设计过程中的应用,2003-2005

近年来,勘察设计市场的不断开放迫切要求勘察设计企业以现代化的管理技术提高管理水平,应对日益激烈的市场竞争。然而,在当前的公路勘察设计项目中,设计周期长、设计质量与过程难于控制是困扰交通勘察设计企业的一大难题。为此,针对交通勘察设计企业对现代项目管理的迫切需求和公路勘察项目的特点,本项目进行了基于流程优化的公路设计项目管理技术与应用的研究。
(1)借助于IDEF0建模工具建立了公路设计过程的功能模型,以此为基础采用ESIA方法对设计流程进行了分析和优化,提出了具体的优化方案。基于流程分析结果,提出了网络化公路设计项目管理的总体技术方案。
(2)针对网络化项目管理的实现技术,提出了分布式项目计划制订与发布、设计过程的动态监控与协调、协作化设计团队的组织及管理、集成化项目信息管理等具体的技术方案。
(3)在技术方案研究成果的基础上,设计了网络化公路设计项目管理系统的体系结构和主要功能。以河北省交通勘察设计研究院的公路设计项目管理为工程应用背景,对系统的应用实施进行了研究,制定了应用实施的步骤,给出了应用实施的组织方式及人员培训、实施制度。以科研分院为应用试点,给出了该系统在“京华高速公路”上的应用过程,验证了该系统的有效性。
(4)实际应用表明,网络化项目管理能够合理配置与动态优化设计资源,实时监控与调整项目计划与进度,对设计人员进行准确地绩效评价,从而有效提高公路设计项目的管理效率。

8.·企业合作项目:富士康集团IE技术咨询服务,2002-2009

(1)基础IE培训:方法研究
(2)基础IE培训:作业测定
(3)基础IE培训:现场改善
(4)基础IE培训:现场管理
(5)价值工程
(6)供应链管理
(7)系统工程