面向多行業的生產管理實踐教學平臺

白朝陽， 劉曉冰， 侯麗艷， 沈靈麗

(大連理工大學 管理與經濟學部， 遼寧 大連 116024)

0 引 言

生產管理涉及物流管理、工業工程等專業多門課程內容，是一門實踐性很強的學科，要求學生能夠以管理學的視角，利用自動化、信息化手段解決生產活動過程中的實際問題。

隨著信息技術的深入應用，企業生產管理角色分工日益清晰，區別于傳統的人工信息傳遞下低效率的生產經營模式，現代化生產管理模式由單元間的反饋式協調模式轉變為系統統一管理的中心式信息協調模式。面對不同信息應用情境，生產管理涌現出JIT理論、VSM理論、TOC理論、LP理論等多個經典生產理論[1]。現代化生產管理實際需求與信息系統聯系緊密，具有鮮明的多角色協作信息化特征[2]。同時，生產管理具有較強的多行業實踐，學生需通過面向不同行業生產管理業務的實踐學習，了解行業間特征與差異，從而加深理論知識的理解并提高實踐能力[3]。

因此，面向生產管理實踐教學需求，構建一個集成多個行業數據源的生產管理實踐平臺。實踐教學平臺“將企業搬進課堂”，通過設計較規范的生產計劃與控制實踐流程，模擬不同行業企業真實的業務過程，為學生提供了一個綜合模擬實踐環境，學生通過扮演不同角色，參與到虛擬生產的實際業務交互過程中，更好地培養其分析和解決實際問題的能力，改進了生產管理實踐教學效果[4]。

1 生產管理實踐教學問題分析

生產管理實踐教學由于缺乏有效實用的實踐環節，實踐環節沒有良好的實驗規劃和系統支撐，學生無法透徹掌握生產管理過程中的知識點及其相關關系，不明晰不同行業生產的特征和差異，無法針對實際管理問題，提出合理可行的解決方法，沒有達到預定教學目標，存在的主要問題表現在以下兩方面[5]。

1.1 教學內容方面

生產管理實踐教學主要是面向企業，讓學生通過實踐了解和掌握企業的經營管理過程，進而加深和促進對所學理論知識的理解與應用[6]。由于實踐條件限制，多數生產管理實踐教學采用案例教學、參觀實習、企業調研等方式來彌補實踐環節的缺失，實踐教學內容學生無法完整地參與到實際生產管理全過程，只是對案例和企業進行局部了解，或者被動地學習模仿，很難將相關內容與實際項目聯系起來。同時沒有考慮制造企業間的行業特征與差異，面對不同類型制造企業生產管理實際，無法靈活運用理論知識解決實際問題，導致生產管理“教”與“學”、“學”與“用”脫節[7-8]。

1.2 軟件支撐方面

(1) 行業特征缺失。由于不同行業如汽車、電子、工業制造、高科技產業等，其生產管理手段、流程都有較大區別，目前國內涉及生產計劃與管理的教學軟件往往沒有考慮行業特征，系統功能與包含的管理流程局限于理論，導致學生在實驗過程中對知識生搬硬套、簡單模仿，無法針對不同的實際管理問題，提出合理可行的解決方法。

(2) 適用性較弱。國內使用的生產管理相關教學軟件多為操作平臺類、仿真模擬類的軟件系統，生產計劃與控制方面的功能較弱、生產計劃與控制操作流程不夠具體全面。國內管理類教學軟件主要是浙江航大、上海碩研、北京瑞普、南京奧派、華普億方、西安騰業等公司開發，教學軟件主要集中在ERP模擬軟件、供應鏈管理軟件、電子商務模擬軟件、物流管理教學軟件，使用這些教學軟件系統對生產管理教學內容涉獵較少，無法使學生了解生產計劃在生產管理中的作用，系統掌握企業生產管理過程中相關知識和了解企業車間的實際生產流程[9]。

(3) 擴展性較差。由于不注重規范化的數據模型與開發，導致軟件行業功能狹窄且難以擴展，無法根據實際教學需求不斷完善形成完整的實踐教學平臺，相對于行業發展實際，實踐教學效果具有一定滯后性。

2 生產管理實踐平臺的特點

針對實踐教學上述問題，圍繞生產管理課程核心內容，以“服務實驗教學，兼顧科學研究，資源集約利用，軟硬件系統集成”為目標，構建“生產管理實踐教學系統平臺”[10]。生產管理實踐平臺作為滿足實踐教學需求的重要支撐工具，貫穿于整個教學過程，具有以下幾方面特點。

(1) 面向多行業制造過程的生產管理實踐。不同行業的生產管理業務之間有很大差異，對生產活動的完整體驗，也表現在對不同業務類型的體驗。生產管理實踐平臺應具備較強的擴展性，可以提供不同的生產類型的體驗，并容易更新，使實踐課程緊跟行業發展實際，以便深入理解不同產品生產特征、流程等知識。

(2) 面向生產活動全過程的生產管理實踐。生產管理教學內容具有較強的關聯性，強調多課程只是集成的綜合實踐，要求學生必須要對整個生產管理活動有宏觀的、完整的認識，在這種完整的感知條件下，有助于幫助學生理順知識體系、有效分析和解決生產實踐問題，從而實現知識創造。

(3) 多角色交互協作化的生產管理實踐。生產管理過程是面向目標的多個生產活動主體間的協作過程。生產管理的實踐就是面向生產全過程的多角色參與的體驗過程。通過梳理生產實踐過程中的參與角色，明晰不同角色的目標、權限、生產活動等，學生通過扮演不同角色，參與到虛擬的生產全過程中，實現個體與個體、個體與系統之間的交互式體驗，進而加深理論知識理解和知識掌握的深度和廣度，增強學生分析問題和解決問題能力。

3 生產管理實踐教學平臺系統架構

針對實踐教學需求，建立了如圖1所示的生產管理實踐教學平臺。功能方面，平臺將企業搬進課堂，模擬了面向多個制造行業的多角色協作業務全過程，讓學生在實踐中深化理解理論知識并掌握其實際應用。技術方面，平臺應用了基于SaaS(Software as a Service)模式的行業數據庫集成技術，融合了多個制造行業業務數據庫，強化了平臺擴展性；并且利用基于工作流的流程配置技術，為實踐教學平臺提供完整的過程建模，有效的支撐生產管理實踐教學的多元化需求。

圖1 生產管理實踐教學平臺系統架構

3.1 系統功能架構

ISA-95標準作為國際標準化組織所接受的業務與控制系統集成標準，定義了生產能力模型、模型對象、制造運作行為模型和術語、對象屬性和模型架構、信息傳遞要求等信息[11]。實踐教學平臺根據ISA-95國際標準，在調研國內大量不同類型離散制造企業基礎上，設計了典型離散型生產管理業務流程的功能框架，分為如下八大共性功能模塊，各模塊間的層次關系和技術支撐關系如圖2所示[12]。① 基礎數據管理模塊采集并維護系統數據，對生產數據進行管理，為其他功能模塊提供數據支持，是其他管理功能模塊運行的基礎。② 系統配置管理模塊負責管理人機交互界面顯示內容，業務表單樣式、數據庫連接模式、用戶使用權限以及系統平臺流程配置參數等。③ 計劃管理模塊實現集成式的生產計劃管理，根據主生產計劃完成計劃的逐級分解和各級計劃的落實。④ 現場作業管理模塊為生產作業現場提供便捷幫助，實現作業派工、作業完工、進度查看、作業反饋等信息的及時傳遞。⑤ 質量管理模塊對車間產品的質量信息進行檢查與跟蹤，對質量檢查過程中不合格的產品或工序進行綜合管理。⑥ 庫存管理模塊為解決車間生產調度的計劃信息、物料的供應狀況信息以及庫存信息的有序管理問題，實現了配料計劃和出入庫管理的集成。⑦ 設備管理模塊服務于生產前的準備環節，對大型機械設備、生產輔助設備、工裝設備等進行狀態及賬目管理。⑧ 輔助決策管理模塊實現對生產過程實時和歷史數據的查詢和分析，為車間管理者提供真實、準確的決策依據，對車間管理的改進提供幫助。

圖2 生產管理實踐教學平臺功能架構

如圖2所示，針對不同行業業務需求，實踐教學平臺選用不同的業務數據庫，系統工作流引擎根據行業業務特征模板完成動態過程建模和功能配置，平臺服務系統將配置結果的解析與發布，八大功能模塊根據發布的配置模型進行業務觸發與協作，完成了制造過程中信息流、業務流、物流的集成。

3.2 系統技術架構

3.2.1基于SaaS模式的行業數據庫集成技術

為了讓學生明晰各行業業務過程特征和差異，生產管理實踐教學平臺需要集成不同行業的業務數據庫。目前僅有少數國外先進的實踐教學系統具有行業業務數據支撐，如SAP Business One大學教育版，Wonderware Operation教育版等，這些系統價格較貴，由于系統運行與業務過程建模間耦合度較大，僅實現面向某一行業的業務模擬，難以實現面向其他行業業務數據的擴展[13]。因此，將SaaS模式引入生產管理實踐平臺技術服務架構設計中，使平臺系統數據庫和行業業務數據庫分離，通過建立統一的數據標準及規范，構建起可擴展的數據應用模板，將多個行業制造相關數據源集成，搭建起面向多行業業務數據源的生產管理實踐教學平臺[14]，具體結構如圖3所示。

圖3 基于SaaS模式的平臺技術服務架構

基于SaaS模式的生產管理實踐平臺技術服務架構分為3個層次：

第1層次為業務數據層，包含了各行業業務數據源和業務建模信息。業務數據源體現不同行業的產品特色，是實踐教學平臺搭建的基礎；與之相匹配的是該行業生產管理活動的內在業務邏輯模板，通過統一的數據規范，以中間件形式將各類基礎性應用服務進行封裝，服務于不同行業的業務應用實踐。

第2層次為應用服務層，負責平臺各類服務解析、發布等操作。較以往平臺技術架構，本層架構設計將平臺系統服務、業務應用服務、以及信息發布服務作為3個相對獨立的服務域進行管理，有效降低了平臺系統與業務應用的耦合度，各類服務通過工作流模式驅動，實現有效集成。這種模式極大的提升了平臺的業務擴展性，降低了面向不同行業的系統開發成本，提高了平臺的應用效率。

第3層次為客戶端，負責處理一切非服務器端的系統和業務請求。本層次包括兩大部分，分別是面向平臺使用者的可視化節點和面向系統開發者的多功能開發節點。可視化節點提供良好的人機交流界面，平臺使用者的服務請求經過處理后，通過信息發布服務返回，可根據需求，提供各主流類型業務統計報表和業務進展報表等。多功能開發節點為客戶提供了大量的系統API函數應用和工作流設計服務，用戶可根據自身需求，定義用戶角色和權限，設置生產資源的關聯與約束，設計業務過程模型，配置系統和業務報表的展現形式等操作，搭建起滿足個性教學需求的生產管理業務系統。

3.2.2基于工作流的流程配置技術

為了讓學生體驗完整的生產管理全過程，生產管理實踐教學平臺需要集成不同管理角色間業務協作流程。基于工作流的流程管理技術為實踐教學平臺提供從模型分析、建立、管理、仿真到運行的完整框架，是實現業務過程管理、控制和配置的一項關鍵性技術[15]。

該技術的研究重點是研究不同行業的生產管理系統最佳業務實踐方案，并將方案以工作流的形式描述，作為生產管理系統業務流程規范，并為生產管理系統系統配置提供模板，提高系統配置效率。同時考慮到特殊的流程配置需求，基于工作流的流程管理提供相應的擴展接口，可以方便的實現二次開發，通過小規模開發，實現特殊化流程配置。

在關系數據庫基礎上，建立面向核心業務開發的工作流模型，其中包括組織模型和業務模型，通過工作流引擎驅動生產管理實踐教學平臺的整體業務流程，實現整體過程的動態建模和功能配置。組織模型體現包含人員信息、組織機構和角色權限的組織結構，業務模型體現生產管理工作流程并記錄過程活動的功能配置信息。工作流引擎將生產流程、組織結構、物料信息和各項具體的工作任務有效結合，實現面向行業業務特征的過程建模[16]。

4 基于實踐教學平臺的多層次實驗

生產管理實踐教學平臺能夠支撐多門涉及生產運作的課程教學，如生產管理、工業工程、運營管理、企業資源計劃、物流自動化、采購與庫存管理、質量管理等。依托實踐教學平臺，根據教學需求，可以設計如表1所示不同層次的實驗內容。

5 應用案例——電機行業生產管理實踐教學平臺

5.1 行業業務特征分析

電機制造是典型的離散制造業，具有較強的生產實時性，強調制造過程中信息流、質量流、物流的集成與反饋，特別關注生產現場的實時控制和制造過程信息反饋，具體包含如下業務特征。 ① 產品訂單面向臺次而非面向批次，要求基于臺次進行生產計劃的編制與細化。 ② 制造工藝內容復雜，除了一般機械制造中的機械加工工藝外，手工勞動量的比重相當大，工件質量也較難穩定，因而要求產品工藝文件的可視化管理。 ③ 零部件繁多且制造質量要求嚴格，零部件缺陷容易影響產品的正常運行，甚至報廢。要求質量信息的及時反饋與完善，并有完善的質量追溯方法以便對質量問題進行控制與分析。

表1 基于實踐教學平臺的多層次實驗

5.2 業務角色確定

根據電機行業業務特征，構建一個集計劃、調度、作業、質量、物料、可視化工藝等生產業務為一體的生產管理平臺。實踐教學平臺系統覆蓋電機生產管理全過程，圍繞生產目標，多個生產活動主體以不同角色參與到生產過程中，他們彼此關聯、相互協作，共同完成管理目標，具體角色和職能如表2所示。

5.3 業務協作流程設計與實現

根據離散制造業共性及電機行業特征，結合不同管理角色職能，設計了如圖4～7所示的電機行業業務協作生產管理系統，實現了生產計劃、現場控制、質量監測及物料準備等環節的集成化管理。

表2 電機行業生產管理實踐平臺相關角色用戶表

圖4展示的是電機企業生產準備及生產計劃管理核心業務流程界面。產前準備階段，為減少后續生產計劃的變動，車間計劃員進行人、機、料、法等能力平衡和反饋；按臺次對廠級計劃拆解并發布主生產計劃、零件計劃、工序計劃、物料計劃；車間計劃調度員根據工序計劃進行作業調度，并反饋給車間計劃管理人員。

圖4 生產準備及生產計劃管理流程

圖5展示的是電機企業車間現場管理核心業務流程界面。班組長接收作業任務進行派工；工人在車間現場接收作業任務，并參照工藝文件完成任務后進行工序自檢，形成作業完工單與質量反饋信息。實現作業派工、完工、自檢信息反饋以及作業進度查看的綜合閉環管理。

圖5 車間現場管理流程

圖6展示的是質量管理核心業務流程。工人作業任務完成后反饋質量自檢信息；質檢員完成質量專檢并對不合格品和返工返修任務進行管理。系統對基于工序、面向單件的生產過程進行質檢信息記錄，完全實現電子化的工序流轉卡、質量流轉卡，增強數據準確性、提升質量反饋速度，便于質量統計與追溯。

圖7展示的是物料管理核心業務流程。車間材料員接收配送計劃并完成物料配送到臺位，同時對物料進行出入庫管理以及庫存統計管理。通過物料出入庫記錄，物料配送計劃的制定，實現資源準備與生產計劃動態協同，依據生產計劃進行物料配送和接收的實時互動，保證物料配送的時效性和設備可用性，避免停工、待料等情況的發生，對準時化生產有實際意義。

6 結 語

運用基于SaaS模式的行業數據庫集成技術與基于工作流的流程配置技術，結合生產管理實踐教學需求，為學生搭建一個能夠體現行業特征、功能全面的生產管理實踐教學平臺。實踐教學平臺目前能夠模擬電機、機車、機床、船舶、柴油機等不同類型企業生產全過程，支持多角色交互協作化的生產管理體驗學習，拓寬了學生實踐渠道，為輔助培養制造業服務的人才提供了有力支撐。平臺于2011年1月起，分別在大連理工大學物流管理專業和大連海洋大學工業工程專業實踐教學中應用，在教學過程中取得了良好的效果，并獲得大連理工大學優秀教學成果一等獎、遼寧省教育軟件大賽高等教育組二等獎。

圖6 質量管理流程

圖7 物料管理流程

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