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Spreadsheet方法在工业工程中的应用

2020/7/9 16:45:34 标签:       浏览:379

  1. 工业工程专业课教学的现状

工业工程是一门管理与技术相结合的学科,是帮助企业提高效率的有力工具。工业工程专业课包括基础工业工程、运筹学、人因工程、物流与设施规划、生产计划与控制、质量管理、系统工程、生产系统建模与仿真等课程

   工业工程是一门管理与技术相结合的学科,是帮助企业提高效率的有力工具。工业工程专业课包括基础工业工程、运筹学、人因工程、物流与设施规划、生产计划与控制、质量管理、系统工程、生产系统建模与仿真等课程。其中运筹学作为管理科学类的主干课程,在企业管理与决策方面有广泛的应用。然而国内现今的运筹学等课程的教学情况不容乐观,普遍存在理论与实践脱节、教学方法与手段较为落后、较少使用计算机手段等现象,这些现象直接导致了培养出来的学生解决实际问题的能力普遍较差,面对企业遇到的问题无从入手。计算机技术已经成为公认的21世纪的两大必需工具之一,然而我们的学生却很少有人懂得利用计算机解决问题。究其原因,是因为老师们在教学过程中只注重公式或者算法的介绍及推导,而没有教给学生如何利用计算机来解决问题。笔者在学习物流及设施规划这门课的时候遇到一道有关仓库设计的问题,这道题需要线性规划的知识。先不说线性规划,单是做线性规划求解前的计算量就非常之大。然而笔者的一位同学真的这样做了,手算,而且还自豪地说,他只用了两个小时,比别人少用了半个小时。当笔者告诉他说我可以只用五分钟就可以做完这道题时,他很惊讶。而笔者的确用excel只花了五分钟就做出来了,包括线性规划求解。由此可见,很多学生缺乏利用计算机求解问题的意识,这不是学生之过,我们的教学过程中根本没有提及一点利用计算机求解的方法!近日,笔者主要针对excel软件在工业工程专业课教学中的应用这一问题做了一次网上的调查,其中有一个问题是调查在运筹学这门课程中使用软件教学的情况,问题给出了“excel”、“lindo”、“lingo”、“无”这四个备选项,调查结果很令人吃惊,大多数被调查者都选择了“无”这一项。笔者也曾经在网络上和被调查者交流,得知他们在学习运筹学这门课的时候的确没有接触过lindo等软件。这样的结果不得不令我们反思,我们的教学方法太落后了。

工业工程是一门实践性很强的学科,他要求工业工程师具备良好的数据分析和软件操作能力。除了运筹学之外,其他工业工程专业课的很多问题也可以用excel等软件来解决,所以培养学生利用软件分析和解决问题的能力应当成为工业工程专业教学改革的重中之重。

  • 美国的Spreadsheet教学法

Spreadsheet方法是近年来美国各大学全面推广的一种管理科学教学法,主要用于MBA的管理决策课程上。它在excel(或其他背景)下将所需解决的问题进行描述与展开,然后建立数学模型,并使用excel的命令与功能进行预测、决策、模拟和优化等运算。该教学法重点不是数学公式的推导与计算,而是注重于如何对复杂的实际系统进行描述与建模,并用计算机求解,因而避免了大量繁琐的数学公式,使得管理科学的理论方法简明直观、容易理解与应用,为企业决策人员和管理人员掌握与应用管理科学开辟了一个广阔的前景。

本文试着探讨将Spreadsheet方法运用到工业工程专业课教学当中,并给出几个用Spreadsheet方法求解工业工程专业课问题的实例,然后将Spreadsheet方法进行拓展,最后总结了Spreadsheet方法的优点和不足,旨在为工业工程教学改革和工业工程人才培养方式贡献微薄之力。

  • 精确重心法

问题描述

假设有一系列点代表生产地和需求地,各自有一定量货物需要以一定的运输费率运向待定的仓库,或从仓库运出,现在要确定仓库应该位于何处才能使总运输成本最小?这是一类单设施选址问题,精确重心法是求解这类问题最有效的算法之一。

我们以该点的运量乘以到该点的运输费率再乘以到该点的距离,求出上述乘积之和最小的点,即:


其中k代表一个度量因子,将坐标轴上的一单位指标转换为通用的距离单位,如英里等。

传统的精确重心法是对上述目标函数求偏微分,然后再使用迭代的方法,计算过程繁琐,在这里我们使用excel软件求解。

算例:假设有两个工厂向一个仓库供货,由仓库供应三个需求中心,工厂一生产A产品,工厂二生产B产品。工厂和需求地的坐标、货运量和运输费率见表1k值取10

表一 工厂和需求地的坐标、货运量和运输费率


地点

产品

总运输量(担)

运输费率

(美元//英里)

坐标值

X

Y

工厂一

A

2000

0.05

3

8

工厂二

B

3000

0.05

8

2

需求地一

AB

2500

0.075

2

5

需求地二

AB

1000

0.075

6

4

需求地三

AB

1500

0.075

8

8


第一步:建立excel模型,输入已知数据,如图1所示。

第二步:在第一步基础上,利用excel提供的函数,分别求出各个地点到仓库的运输成本和总成本。如图21)和22)所示。

第三步:用excel的“规划求解”工具求解。点击“工具”菜单,选择“规划求解”(如果没有此菜单,选择“工具——加载宏”,选择加载“规划求解”即可。),此时出现一个“规划求解参数”对话框,如图3所示。在此对话框中输入“规划求解”的参数,其中目标单元格为$J$10,目标函数求的是最小值,可变单元格为$D$5$E$9,即仓库坐标值xy所在的单元格。最后点击“求解”按钮求解。

第四步:保存计算结果。计算机计算完成后将会提示是否将结果保存,点击“确定”保存结果。本算例的求解结果如图4所示。求得的仓库最优坐标值为(4.9105.058),总运输成本为21425.136美元。

分析:(1)在上述excel模型中,仓库坐标值的初始值不能为0,即D5E5单元格均不能为0

2excel的“规划求解”实际上包含一个非线性优化模块,对于求解小型问题很有效。