面向多行业的生产管理实践教学平台

白朝阳， 刘晓冰， 侯丽艳， 沈灵丽

(大连理工大学 管理与经济学部， 辽宁 大连 116024)

0 引 言

生产管理涉及物流管理、工业工程等专业多门课程内容，是一门实践性很强的学科，要求学生能够以管理学的视角，利用自动化、信息化手段解决生产活动过程中的实际问题。

随着信息技术的深入应用，企业生产管理角色分工日益清晰，区别于传统的人工信息传递下低效率的生产经营模式，现代化生产管理模式由单元间的反馈式协调模式转变为系统统一管理的中心式信息协调模式。面对不同信息应用情境，生产管理涌现出JIT理论、VSM理论、TOC理论、LP理论等多个经典生产理论[1]。现代化生产管理实际需求与信息系统联系紧密，具有鲜明的多角色协作信息化特征[2]。同时，生产管理具有较强的多行业实践，学生需通过面向不同行业生产管理业务的实践学习，了解行业间特征与差异，从而加深理论知识的理解并提高实践能力[3]。

因此，面向生产管理实践教学需求，构建一个集成多个行业数据源的生产管理实践平台。实践教学平台“将企业搬进课堂”，通过设计较规范的生产计划与控制实践流程，模拟不同行业企业真实的业务过程，为学生提供了一个综合模拟实践环境，学生通过扮演不同角色，参与到虚拟生产的实际业务交互过程中，更好地培养其分析和解决实际问题的能力，改进了生产管理实践教学效果[4]。

1 生产管理实践教学问题分析

生产管理实践教学由于缺乏有效实用的实践环节，实践环节没有良好的实验规划和系统支撑，学生无法透彻掌握生产管理过程中的知识点及其相关关系，不明晰不同行业生产的特征和差异，无法针对实际管理问题，提出合理可行的解决方法，没有达到预定教学目标，存在的主要问题表现在以下两方面[5]。

1.1 教学内容方面

生产管理实践教学主要是面向企业，让学生通过实践了解和掌握企业的经营管理过程，进而加深和促进对所学理论知识的理解与应用[6]。由于实践条件限制，多数生产管理实践教学采用案例教学、参观实习、企业调研等方式来弥补实践环节的缺失，实践教学内容学生无法完整地参与到实际生产管理全过程，只是对案例和企业进行局部了解，或者被动地学习模仿，很难将相关内容与实际项目联系起来。同时没有考虑制造企业间的行业特征与差异，面对不同类型制造企业生产管理实际，无法灵活运用理论知识解决实际问题，导致生产管理“教”与“学”、“学”与“用”脱节[7-8]。

1.2 软件支撑方面

(1) 行业特征缺失。由于不同行业如汽车、电子、工业制造、高科技产业等，其生产管理手段、流程都有较大区别，目前国内涉及生产计划与管理的教学软件往往没有考虑行业特征，系统功能与包含的管理流程局限于理论，导致学生在实验过程中对知识生搬硬套、简单模仿，无法针对不同的实际管理问题，提出合理可行的解决方法。

(2) 适用性较弱。国内使用的生产管理相关教学软件多为操作平台类、仿真模拟类的软件系统，生产计划与控制方面的功能较弱、生产计划与控制操作流程不够具体全面。国内管理类教学软件主要是浙江航大、上海硕研、北京瑞普、南京奥派、华普亿方、西安腾业等公司开发，教学软件主要集中在ERP模拟软件、供应链管理软件、电子商务模拟软件、物流管理教学软件，使用这些教学软件系统对生产管理教学内容涉猎较少，无法使学生了解生产计划在生产管理中的作用，系统掌握企业生产管理过程中相关知识和了解企业车间的实际生产流程[9]。

(3) 扩展性较差。由于不注重规范化的数据模型与开发，导致软件行业功能狭窄且难以扩展，无法根据实际教学需求不断完善形成完整的实践教学平台，相对于行业发展实际，实践教学效果具有一定滞后性。

2 生产管理实践平台的特点

针对实践教学上述问题，围绕生产管理课程核心内容，以“服务实验教学，兼顾科学研究，资源集约利用，软硬件系统集成”为目标，构建“生产管理实践教学系统平台”[10]。生产管理实践平台作为满足实践教学需求的重要支撑工具，贯穿于整个教学过程，具有以下几方面特点。

(1) 面向多行业制造过程的生产管理实践。不同行业的生产管理业务之间有很大差异，对生产活动的完整体验，也表现在对不同业务类型的体验。生产管理实践平台应具备较强的扩展性，可以提供不同的生产类型的体验，并容易更新，使实践课程紧跟行业发展实际，以便深入理解不同产品生产特征、流程等知识。

(2) 面向生产活动全过程的生产管理实践。生产管理教学内容具有较强的关联性，强调多课程只是集成的综合实践，要求学生必须要对整个生产管理活动有宏观的、完整的认识，在这种完整的感知条件下，有助于帮助学生理顺知识体系、有效分析和解决生产实践问题，从而实现知识创造。

(3) 多角色交互协作化的生产管理实践。生产管理过程是面向目标的多个生产活动主体间的协作过程。生产管理的实践就是面向生产全过程的多角色参与的体验过程。通过梳理生产实践过程中的参与角色，明晰不同角色的目标、权限、生产活动等，学生通过扮演不同角色，参与到虚拟的生产全过程中，实现个体与个体、个体与系统之间的交互式体验，进而加深理论知识理解和知识掌握的深度和广度，增强学生分析问题和解决问题能力。

3 生产管理实践教学平台系统架构

针对实践教学需求，建立了如图1所示的生产管理实践教学平台。功能方面，平台将企业搬进课堂，模拟了面向多个制造行业的多角色协作业务全过程，让学生在实践中深化理解理论知识并掌握其实际应用。技术方面，平台应用了基于SaaS(Software as a Service)模式的行业数据库集成技术，融合了多个制造行业业务数据库，强化了平台扩展性；并且利用基于工作流的流程配置技术，为实践教学平台提供完整的过程建模，有效的支撑生产管理实践教学的多元化需求。

图1 生产管理实践教学平台系统架构

3.1 系统功能架构

ISA-95标准作为国际标准化组织所接受的业务与控制系统集成标准，定义了生产能力模型、模型对象、制造运作行为模型和术语、对象属性和模型架构、信息传递要求等信息[11]。实践教学平台根据ISA-95国际标准，在调研国内大量不同类型离散制造企业基础上，设计了典型离散型生产管理业务流程的功能框架，分为如下八大共性功能模块，各模块间的层次关系和技术支撑关系如图2所示[12]。① 基础数据管理模块采集并维护系统数据，对生产数据进行管理，为其他功能模块提供数据支持，是其他管理功能模块运行的基础。② 系统配置管理模块负责管理人机交互界面显示内容，业务表单样式、数据库连接模式、用户使用权限以及系统平台流程配置参数等。③ 计划管理模块实现集成式的生产计划管理，根据主生产计划完成计划的逐级分解和各级计划的落实。④ 现场作业管理模块为生产作业现场提供便捷帮助，实现作业派工、作业完工、进度查看、作业反馈等信息的及时传递。⑤ 质量管理模块对车间产品的质量信息进行检查与跟踪，对质量检查过程中不合格的产品或工序进行综合管理。⑥ 库存管理模块为解决车间生产调度的计划信息、物料的供应状况信息以及库存信息的有序管理问题，实现了配料计划和出入库管理的集成。⑦ 设备管理模块服务于生产前的准备环节，对大型机械设备、生产辅助设备、工装设备等进行状态及账目管理。⑧ 辅助决策管理模块实现对生产过程实时和历史数据的查询和分析，为车间管理者提供真实、准确的决策依据，对车间管理的改进提供帮助。

图2 生产管理实践教学平台功能架构

如图2所示，针对不同行业业务需求，实践教学平台选用不同的业务数据库，系统工作流引擎根据行业业务特征模板完成动态过程建模和功能配置，平台服务系统将配置结果的解析与发布，八大功能模块根据发布的配置模型进行业务触发与协作，完成了制造过程中信息流、业务流、物流的集成。

3.2 系统技术架构

3.2.1基于SaaS模式的行业数据库集成技术

为了让学生明晰各行业业务过程特征和差异，生产管理实践教学平台需要集成不同行业的业务数据库。目前仅有少数国外先进的实践教学系统具有行业业务数据支撑，如SAP Business One大学教育版，Wonderware Operation教育版等，这些系统价格较贵，由于系统运行与业务过程建模间耦合度较大，仅实现面向某一行业的业务模拟，难以实现面向其他行业业务数据的扩展[13]。因此，将SaaS模式引入生产管理实践平台技术服务架构设计中，使平台系统数据库和行业业务数据库分离，通过建立统一的数据标准及规范，构建起可扩展的数据应用模板，将多个行业制造相关数据源集成，搭建起面向多行业业务数据源的生产管理实践教学平台[14]，具体结构如图3所示。

图3 基于SaaS模式的平台技术服务架构

基于SaaS模式的生产管理实践平台技术服务架构分为3个层次：

第1层次为业务数据层，包含了各行业业务数据源和业务建模信息。业务数据源体现不同行业的产品特色，是实践教学平台搭建的基础；与之相匹配的是该行业生产管理活动的内在业务逻辑模板，通过统一的数据规范，以中间件形式将各类基础性应用服务进行封装，服务于不同行业的业务应用实践。

第2层次为应用服务层，负责平台各类服务解析、发布等操作。较以往平台技术架构，本层架构设计将平台系统服务、业务应用服务、以及信息发布服务作为3个相对独立的服务域进行管理，有效降低了平台系统与业务应用的耦合度，各类服务通过工作流模式驱动，实现有效集成。这种模式极大的提升了平台的业务扩展性，降低了面向不同行业的系统开发成本，提高了平台的应用效率。

第3层次为客户端，负责处理一切非服务器端的系统和业务请求。本层次包括两大部分，分别是面向平台使用者的可视化节点和面向系统开发者的多功能开发节点。可视化节点提供良好的人机交流界面，平台使用者的服务请求经过处理后，通过信息发布服务返回，可根据需求，提供各主流类型业务统计报表和业务进展报表等。多功能开发节点为客户提供了大量的系统API函数应用和工作流设计服务，用户可根据自身需求，定义用户角色和权限，设置生产资源的关联与约束，设计业务过程模型，配置系统和业务报表的展现形式等操作，搭建起满足个性教学需求的生产管理业务系统。

3.2.2基于工作流的流程配置技术

为了让学生体验完整的生产管理全过程，生产管理实践教学平台需要集成不同管理角色间业务协作流程。基于工作流的流程管理技术为实践教学平台提供从模型分析、建立、管理、仿真到运行的完整框架，是实现业务过程管理、控制和配置的一项关键性技术[15]。

该技术的研究重点是研究不同行业的生产管理系统最佳业务实践方案，并将方案以工作流的形式描述，作为生产管理系统业务流程规范，并为生产管理系统系统配置提供模板，提高系统配置效率。同时考虑到特殊的流程配置需求，基于工作流的流程管理提供相应的扩展接口，可以方便的实现二次开发，通过小规模开发，实现特殊化流程配置。

在关系数据库基础上，建立面向核心业务开发的工作流模型，其中包括组织模型和业务模型，通过工作流引擎驱动生产管理实践教学平台的整体业务流程，实现整体过程的动态建模和功能配置。组织模型体现包含人员信息、组织机构和角色权限的组织结构，业务模型体现生产管理工作流程并记录过程活动的功能配置信息。工作流引擎将生产流程、组织结构、物料信息和各项具体的工作任务有效结合，实现面向行业业务特征的过程建模[16]。

4 基于实践教学平台的多层次实验

生产管理实践教学平台能够支撑多门涉及生产运作的课程教学，如生产管理、工业工程、运营管理、企业资源计划、物流自动化、采购与库存管理、质量管理等。依托实践教学平台，根据教学需求，可以设计如表1所示不同层次的实验内容。

5 应用案例——电机行业生产管理实践教学平台

5.1 行业业务特征分析

电机制造是典型的离散制造业，具有较强的生产实时性，强调制造过程中信息流、质量流、物流的集成与反馈，特别关注生产现场的实时控制和制造过程信息反馈，具体包含如下业务特征。 ① 产品订单面向台次而非面向批次，要求基于台次进行生产计划的编制与细化。 ② 制造工艺内容复杂，除了一般机械制造中的机械加工工艺外，手工劳动量的比重相当大，工件质量也较难稳定，因而要求产品工艺文件的可视化管理。 ③ 零部件繁多且制造质量要求严格，零部件缺陷容易影响产品的正常运行，甚至报废。要求质量信息的及时反馈与完善，并有完善的质量追溯方法以便对质量问题进行控制与分析。

表1 基于实践教学平台的多层次实验

5.2 业务角色确定

根据电机行业业务特征，构建一个集计划、调度、作业、质量、物料、可视化工艺等生产业务为一体的生产管理平台。实践教学平台系统覆盖电机生产管理全过程，围绕生产目标，多个生产活动主体以不同角色参与到生产过程中，他们彼此关联、相互协作，共同完成管理目标，具体角色和职能如表2所示。

5.3 业务协作流程设计与实现

根据离散制造业共性及电机行业特征，结合不同管理角色职能，设计了如图4～7所示的电机行业业务协作生产管理系统，实现了生产计划、现场控制、质量监测及物料准备等环节的集成化管理。

表2 电机行业生产管理实践平台相关角色用户表

图4展示的是电机企业生产准备及生产计划管理核心业务流程界面。产前准备阶段，为减少后续生产计划的变动，车间计划员进行人、机、料、法等能力平衡和反馈；按台次对厂级计划拆解并发布主生产计划、零件计划、工序计划、物料计划；车间计划调度员根据工序计划进行作业调度，并反馈给车间计划管理人员。

图4 生产准备及生产计划管理流程

图5展示的是电机企业车间现场管理核心业务流程界面。班组长接收作业任务进行派工；工人在车间现场接收作业任务，并参照工艺文件完成任务后进行工序自检，形成作业完工单与质量反馈信息。实现作业派工、完工、自检信息反馈以及作业进度查看的综合闭环管理。

图5 车间现场管理流程

图6展示的是质量管理核心业务流程。工人作业任务完成后反馈质量自检信息；质检员完成质量专检并对不合格品和返工返修任务进行管理。系统对基于工序、面向单件的生产过程进行质检信息记录，完全实现电子化的工序流转卡、质量流转卡，增强数据准确性、提升质量反馈速度，便于质量统计与追溯。

图7展示的是物料管理核心业务流程。车间材料员接收配送计划并完成物料配送到台位，同时对物料进行出入库管理以及库存统计管理。通过物料出入库记录，物料配送计划的制定，实现资源准备与生产计划动态协同，依据生产计划进行物料配送和接收的实时互动，保证物料配送的时效性和设备可用性，避免停工、待料等情况的发生，对准时化生产有实际意义。

6 结 语

运用基于SaaS模式的行业数据库集成技术与基于工作流的流程配置技术，结合生产管理实践教学需求，为学生搭建一个能够体现行业特征、功能全面的生产管理实践教学平台。实践教学平台目前能够模拟电机、机车、机床、船舶、柴油机等不同类型企业生产全过程，支持多角色交互协作化的生产管理体验学习，拓宽了学生实践渠道，为辅助培养制造业服务的人才提供了有力支撑。平台于2011年1月起，分别在大连理工大学物流管理专业和大连海洋大学工业工程专业实践教学中应用，在教学过程中取得了良好的效果，并获得大连理工大学优秀教学成果一等奖、辽宁省教育软件大赛高等教育组二等奖。

图6 质量管理流程

图7 物料管理流程

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