Využití počítačové simulace ve výuce

Společnost Lanner Group, přední vývojář softwaru pro prediktivní simulaci na světě a autor simulačního nástroj Witness, který pro český trh naše společnost výhradně distribuuje, nás požádal o zprostředkování studie o zkušenostech se softwarem Witness ve školeském prostředí. Obrátili jsme se tedy na Technickou univerzitu v Liberci, zda by pro nás takový sumář nezpracovala a tady je výsledek. Originál článku je rovněž umístěn na blogu spol. Lanner.

František Manlig
Department of Manufacturing systems and Automation
Technical University of Liberec
Czech Republic

Anotace: Článek pojednává o využití počítačového systému Witness od fy Lanner Group, England na Technické Univerzitě v Liberci, Katedře výrobních systémů a automatizace. Příspěvek krátce shrnuje její uplatnění na katedře jak při výuce, tak i při spolupráci s výrobními podniky.

Key: Department of Manufacturing systems, Liberec, Witness, Teaching, Projekt

1. Úvod:

Využití počítačové simulace je všestranné a nalézá využití nejen v průmyslové praxi, (např. při projektování či analýzách výroby nebo logistiky, v plánování výroby i údržby, a ne v poslední řadě i školeních). Její uplatnění je díky jejím přínosům přirozeně i ve výuce.

Počítačová simulace nalézá na Katedře výrobních systémů a automatizace Technické Univerzity v Liberci Oboru výrobní systémy uplatnění při  mnoha činnostech, které můžeme rozdělit do dvou hlavních oblastí. Katedra disponuje Akademickou i konzultační licencí. Výukovou licenci používá zejména pro zajištění výuky – viz kapitola 2, komerční verze se uplatňuje při spolupráci s výrobními podniky a při řešení jejich projektů.

V tomto příspěvku se zaměříme zejména na její využití při výuce.

2. Využití počítačové simulace při výuce

Heslo dnešní doby „Inovuj nebo nepřežiješ“ se nevyhnulo ani vysokému školství. Tvrdé tržní požadavky vyžadují i odpovídající reakci vysokého školství, Do výuky musí přijít nové prvky reagující na nové požadavky Při zavádění nových výukových koncepcí, či při tvorbě nových stavebních výukových kamenů může výrazně pomoci počítačová simulace.

Na TU v Liberci (Katedře výrobních systémů a automatizace) se využívá počítačový systém Witness firmy Lanner Group. Simulace se využívá nejen při klasické výuce počítačové simulace, nýbrž i v dalších vzdělávacích oblastech. Ty je možné shrnout do následujících tematických celků:

1. znázorněni vazeb a vlivu jednotlivých parametru výrobního procesu,
2. prezentace vybraných metod projektováni a řízeni výroby,
3. vlastni návrh a analýzu daného výrobního systému – semestrální práce,
4. návrh simulačních her,
5. Využití v  rámci komplexního projektu EduCom (výukový podnik),
6. BP/DP.

1. Výuka a znázorněni vazeb výrobních systémů

Do této první skupiny můžeme zařadit základní, jednoduché modely, které pomáhají při vysvětlování základních principů, závislostí a vazeb v oblasti komplexních výrobních systémů. Připravené demonstrační modely svojí názorností slouží např. k pochopení:

• stochastičnosti výroby,
• závislosti výrobních operací,
• vlivu velikosti transportní dávky na parametry výroby,
• výhod a nevýhod sdružování operací a dělby práce,
• problematiky putujících úzkých míst,
• rozdílu mezi řízením tlak – tah.

Např. model vyobrazený na následujícím obr. 1 pomáhá při vysvětlování meTOC (Theory of Constrains) a problematiky tzv. putujících úzkých míst ve výrobě, kdy zdvojením pracovišť se jedno úzké místo sice odstraní, ale druhé vznikne.

Fig. 1. Shifting bottleneck problem

2. Prezentace metod projektovaní a řízeni výroby

Do další skupiny výukových modelů patří modely, které prezentují vybrané metody z oblasti projektování a řízení výroby. Zde se uplatňují bohaté zkušenosti z úzké spolupráce s výrobní praxí. Diskutovány jsou výhody či nevýhody jednotlivých metod, přístupů k řízeni či uspořádáni pracovišť a slouží k pochopení jednotlivých metod projektování a řízení výroby. Jedná se např. o následující modely:

• JIT (Just In Time) montáž,
• řízení pomocí Kanbanu,
• PVS (pružný výrobní systém) a PMS (pružný montážní systém),
• model výrobní buňky,
• rozdílu mezi výrobní linkou a U – linkou
• apod.

Ukázka demonstračních modelů je zobrazena na obr. 2 a obr. 3.

Fig. 2. Demonstrační pružný montážní systém

Fig. 3. Automatické vkládání pomocí robotu

3. Ročníková práce – návrh konkrétního výrobního systému

Nedílnou součástí výukového procesu musí být studentská ročníková práce. ¨Naučit se analyzovat daný problém, navrhnout odpovídající řešení a přitom zvládnout základy počítačové simulace jsou základní požadavky kladené na studenty oboru „Výrobní systémy a procesy “.

V rámci zpracování semestrální práce musejí studenti stanovit velikost výrobní i transportní dávky a určit odpovídající počet pracovišť, pracovníků obsluhy i seřizování, a vypracovat jednoduchou simulační studii. To vše s cílem dodržení zákaznické objednávky. Zároveň se studenti snaží dodržet minimální celkové výrobní náklady (viz ukázka na obr. 4).

Obr. 4. Příklad výsledku ročníkové práce

4. Simulační hry

Počítačová simulace nalézá uplatnění i v netradiční oblasti – tj. při tvorbě simulačních her. Je možné ji zkombinovat s videosekvencemi pro reálné znázornění daného procesu.

S její pomocí lze v úvodu seznámit studenty s konkrétním procesem a pomocí krátkých videosekvencí zabudovaných do modelu ukázat např. daný proces. Je možné tvořit různé scénáře při různých stavech a odsimulovat je. Tím je možné procvičit reakceschopnost a tvůrčí myšlení např. v poruchových stavech a tím připravovat studenty na nenadálé události ve výrobě.

Následující obrázek (obr. 5) ukazuje simulační hru „Výroba parníčků KVS“ ve které byl využit systém Witness pro prezentaci výrobního procesu na jedné straně a systému Kanban na straně druhé.

Jedná se však o náročnou, i když pro studenty zajímavou a motivující, formu výuky.

Obr. 5 Simulační hra v prostředí Witness

5. Simulace v rámci EduComu

Vzdělávací systém EduCom (výukový podnik) doplňuje „tradiční“ výuku specializovaných předmětů oboru, a výrazně ji obohacuje. Studenti v rámci projektu EduCom zpracovávají komplexní výukový projekt „od nápadu až po návrh sériové výroby v katedrových dílnách.“

Studenti si v rámci komplexního výukového projektu mohou „projít celý podnik“, např. navrhnout prototyp i jeho výrobu v CAD resp. CAD/CAM systému, vytvořit potřebný layout dílny, zaplánovat díly do výroby pomocí informačního systému řízení podniku, fyzicky je vyrobit na CNC strojích a přesnost výroby následně ověřit pomocí 3D souřadnicového měřícího stroje (viz obr. 6). Studenti při řešení pracují v týmu, úzce spolupracují.

Úloha simulace je v přezkoušení navrhovaných řešení.

Obr. 6. „Výukový podnik“ – propojení učeben a laboratoří

6. BP/DP

Poslední možnou oblastí využití počítačové simulace jsou absolventské práce. V rámci bakalářských a diplomových prací je možné řešit konkrétní simulační projekty, např. z oblastí:

• zlepšování logistických koncepcí,
• projektování a analýz výrobních systémů.

V rámci doktorských prací nalézá simulace uplatnění při řešení úkolů vědecko-výzkumného charakteru.

Literatura:

KUNCOVÁ, M.; M. MEDONOS a M. DLOUHÝ, 2010. Využití simulačních modelů k analýze výrobního procesu. In. Proceedings of international conference 2010. Manlig, F. & kol. (Ed.), Liberec, November 2010, TU of Liberec – KVS.

LADA, O. 2009. Ověření plánovaného konceptu navýšení výrobních kapacit s podporou diskrétní simulace, Master thesis (Supervisor Assoc. Prof. F. Manlig). TU of Liberec/KVS, Liberec.

Manlig, F., 2002. Zefektivňování výuky výrobních systémů pomocí počítačové simulace. Strojírenská technologie, 2002, r. 7, č. 1, s. 29-31.

Manlig, F. a Havlík, R. 2004. Witness a jeho pozice ve výuce výrobních systémů. In: Konference Witness 2004. Sborník příspěvků mezinárodní konference, Kozov 03.-04.06.04. Brno: HUMUSOFT s.r.o. & VUT Brno – Fakulta podnikatelská.

Manlig, F. a Havlík, R. 2005. Využití počítačové simulace a simulačních her při zaškolování pracovníků. In: Konference Witness 2005. Sborník příspěvků mezinárodní konference, Kroměříž 26.-27.05.05. Brno: HUMUSOFT s.r.o. & VUT Brno – Fakulta podnikatelská, 2005, s. 73-76.

Manlig, F. 2006. Postavení simulace a simulačního systému Witness ve výukovém virtuálním podniku. In: Konference Witness 2006. Sborník příspěvků mezinárodní konference, Čejkovice 01.-02.06.06. Brno: HUMUSOFT s.r.o. & VUT Brno – Fakulta podnikatelská, 2006, s. 11-15.

MANLIG, F., LADA, O. a KOBLASA, F. 2011. The Experiences With Reengineering Using Computer Simulation. Chapter 45 in DAAAM International scientific book 2011. vol. 10. pp. 555-562, B. Katalinic (Ed.), Vienna (Austria).

ULRYCH, Z. 2008. Simulační model pro analýzu výrobních procesů malosériové složité výroby. In. Proceedings of international conference Manufacturing systems today and tomorrow 2008. Manlig, F. & kol. (Ed.), Liberec, November 2008, TUL – KVS.