一种协同生产运作管理的方案与应用_网络信息安全工程师_弱电系统集成项目经理

作者：王青李清陈禹六杨吉江

针对当前汽车工业中的协同生产运作管理问题，分析总结了汽车工业扩展企业的协同生产运作管理模式。特别针对原始设备制造商—供应商模式中协同生产运作信息管理的特点和需求，提出了基于关键性能指标的协同生产运作管理系统框架，设计了基于协同过程模型，配置关键性能指标的基本方法和步骤。在该框架下开发了基于Web的协同生产运作信息管理系统，解决了汽车工业扩展企业内快速有效地协同生产运作信息管理问题。最后，介绍了该系统的初步工程应用。

0 引言

关于制造业企业的协同问题，根据产品所处的不同生命周期阶段，可以划分为协同产品开发、协同生产运作管理和协同分销3个方面。协同产品开发的研究早已开始，在理论和实践上都已经取得了一定的进展；而对于协同生产运作管理，相关研究大都集中在管理方法和协同模式等方面，其应用实践，尤其是基于信息系统的实际工程应用还相对较少。本文简要介绍了在中欧合作项目中，为解决欧洲汽车工业中围绕着核心的原始设备制造商(Original Equipment Manufacturer，OEM)如何开展生产运作管理的问题，进行的相关研究、应用系统开发与工程应用情况。

汽车工业和所有制造系统一样，也面临着市场环境的巨大变化，如全球化、可持续发展，以及商业环境的剧烈变化等。面对这样的环境压力，汽车工业中的企业网络逐步发展成了由汽车生产商、OEM、第一层供应商和上游供应商等成员企业组成的，以长期联盟形式紧密结合在一起的扩展企业，以应对挑战。这种扩展企业中的协同过程，特别是关于生产运作过程的协同，是企业成功的关键因素之一。

本文对汽车工业扩展企业的协同运作管理的特点进行了相应的研究，总结出在这样的扩展企业中的两种协同生产运作管理模式，即汽车生产商—OEM厂商协同生产运作管理模式和OEM厂商—供应商协同生产运作管理模式。同时，总结了这两种模式对以IT技术为支撑的信息管理需求。对第2种模式，有针对性地进行了深入研究，构建了一种基于关键性能指标(Key Performance Indicator，KPI)的协同生产运作管理框架。在该框架下开发了一种基于Web的面向汽车工业核心OEM厂商的协同生产运作管理系统，并进行了工程应用。

1 汽车工业扩展企业中两种协同生产运作管理模式

在项目前期研究中发现，一个扩展企业生产运作管理的成功与否，在很大程度上依赖于扩展企业内商业伙伴间生产协同信息交换和信息管理的速度与效率，即商业伙伴间的信息交互机制(Information and Telecommunication Mechanisms，ITM)。汽车工业扩展企业中的各个成员企业虽然都已经成功应用了相应的企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)系统和供应链管理系统，但在面向协同生产运作管理的应用上，还缺乏针对协同生产运作过程特点的ITM解决方案，缺乏相应的信息系统支持。

通过研究发现，目前及以后相当长的一段时间内，汽车工业扩展企业中协同生产运作管理将遵循两种模式，如图1所示，图中的椭圆箭头表示协同生产运作管理在扩展企业中发生的位置：

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图1 汽车工业的协同生产企业网络

(1)生产商—OEM协同生产运作管理模式

在汽车工业扩展企业中，汽车制造商和部件级的关键OEM厂商之间的合作关系长期稳定，如欧洲主要品牌的汽车生产商，它采购车体、发动机等关键部件的OEM厂商是长期稳定的，即使市场、车型发生变化，这些OEM厂商也会随汽车生产商一起调整自己的产品以保持合作关系不变，甚至在最终装配厂的地理位置发生变化时，这些OEM厂商也会相应地在该地区设置配套企业。同样，汽车生产商通常也不会在短时期内更换配套的OEM厂商。

在这种协同模式下，利用信息来支撑协同过程管理，主要是在汽车生产商和OEM厂商各自的ERP系统层面上实现协同。两者通过各自ERP系统的协同，实现共同编制生产计划、进行生产调度等工作。相应的研究和工程应用也已经广泛地被各大ERP系统供应商重视，并逐渐应用于各大汽车制造厂商。

(2)OEM—供应商协同生产运作管理模式

这种模式目前尽管已经开始引起研究领域的深入重视，但是相应的系统和工程应用还较少。该模式发生在汽车工业的扩展企业内，在OEM厂商和它们的上游供应商之间的协同生产运作过程中，OEM厂商往往处于支配地位，主导并控制整个协同生产运作过程。这部分扩展企业在组织上比较松散，而且越往供应链的上游，合作关系越不稳定，可供选择的上游供应商也越多。即使对同一产品，不同批次的采购也可能选择不同的供应商。在这种模式中，协同生产运作过程发生的位置也与前一种模式明显不同，不仅是在上下游的两个企业之间，还覆盖了沿供应链分布的多个企业。OEM厂商不仅关心它的直接供应商(第一层供应商)的生产运作状况，也关心更上游的企业之间在生产运作过程中的协同配合问题。同时，由于OEM厂商处于经营的核心地位，上游供应商也会主动配合，以满足OEM厂商的需求。这种协同与前一种模式明显不同的是，OEM厂商处于支配地位，其自身的生产运作过程不受上游供应商的约束，而是要求上游供应商必须满足自身协同生产运作过程的需求。OEM厂商发挥着协调和影响整个协同过程的作用，除了协调他们的直接供应商，往往还要协调上游供应商之间的生产运作过程。在这种模式中，协同过程发生的层次也与前一种不同，不是在车间一级的生产计划与调度层次上，而是发生在企业之间的供求界面上。协同所需要的信息围绕着订单在企业间传递。核心企业通过各个上游企业在协同过程中表现出的一些经营行为，来了解整个协同过程的状态，进而调整整个协同过程。归纳起来，这种模式的协同生产运作管理具有如下特点：

1)参与协同的各个企业之间的合作关系相对不固定，同样的产品可能存在多家可选的供应商。

2)成员企业的生产往往根据具体的订单或项目，多以短期合作形式进行组织。

3)OEM厂商在协同生产运作过程中往往发挥着核心企业的作用，协调和控制着参与协同的各个企业之间的协同过程。

4)协同的生产运作管理发生在针对各个企业最终产品的供求环节上。

5)协同发生在沿供应链分布的多级企业之间。与生产商—OEM模式不同，这种模式下信息系统对协同的支撑主要是满足OEM厂商监控各个层次的上游供应商在协同生产运作管理过程中的行为和状态，以便OEM厂商根据自身的生产运作管理要求，实现对上游供应链的协调工作。这种对信息系统的需求实际上提出了一个新的问题，即如何通过信息系统提供的数据，支持处于支配地位的企业掌握整个扩展企业当前协同运作管理的状态，以便进一步做出协同生产运作管理的计划与协调等决策。

2 基于关键性能指标的协同生产运作管理系统框架

根据对汽车工业扩展企业中两种协同生产运作管理模式的研究，项目中针对OEM—供应商的协同模式对信息系统的特殊需求，研究设计了基于KPI的协同生产运作管理框架，进而在此框架下开发了基于Web的信息系统，并进行了工程应用。

2.1 总体框架

如前所述，OEM—供应商模式下的协同生产运作管理需要解决的主要问题是如何通过信息系统提供的信息，支持处于支配地位的企业及时掌握整个扩展企业的协同状态，继而实现对协同生产运作过程的协调与控制。为此，项目中建立了面向这种模式的基于KPI的协同生产运作管理系统框架，如图2所示，并以此为基础开发了应用系统。

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图2 基于关键性能指标的协同生产运作管理系统框架

(1)该模式下对协同生产运作管理系统的需求

1)在OEM—供应商模式下，进行协同生产运作管理的目的是使处于支配和管理地位的OEM厂商，能够及时掌握上游供应商参与协同运作过程的活动和状态，以便对供应链中各个成员企业间的生产运作过程进行协调。

2)协同生产运作管理要涉及到各上游供应商之间产品供求的各个环节，如供应、订货、采购、契约，以及分销、发售、物料管理、资源管理、订单管理等各个环节。

3)协同系统要能够促进成员企业实现标准化的协同关系。

4)协同系统必须能够在信息技术层面上集成各个成员企业的已有系统。

(2)实现协同生产运作管理的总体框架

在图2所示的OEM—供应商协同系统框架体系中，通过以下步骤支持OEM厂商完成对协同生产运作管理过程的监控与协调：

1)对以OEM厂商为核心的协同生产运作过程进行建模。模型要覆盖供应链中需要监控的各个协同生产运作环节。

2)OEM厂商根据自身对生产运作管理的需求，在协同过程模型中选择需要监控的信息，并且以一系列KPI的形式设置到协同过程模型中，形成整个扩展企业的协同过程KPI体系，发布给各个成员企业。

3)各个成员企业根据OEM厂商发布的协同过程模型和需要的KPI，根据自身在协同过程中的位置，将自身的协同信息以KPI的形式配置到整个协同过程的性能体系中。在后续的协同运作过程中，成员企业通过这些KPI将自身的协同信息提供给OEM厂商。

4)处于支配地位的OEM厂商通过一个集成的界面，观测这些KPI反映出来的信息，对协同过程的各个方面进行监控，掌握整个协同过程的状态。当发现某方面的指标异常时，OEM厂商可以通过信息系统内部或外部对发生问题的环节发出协调控制指令。

本文开发的方案主要由系统建模、KPI配置、协同信息系统构建以及监控与管理4部分功能组成，用以实现对上述步骤的支持。同时，针对前3部分功能，集成开发了协同生产运作信息管理系统，用以支撑和实现企业中相应管理者对协同生产运作过程的监控与管理。

2.2 协同系统的关键问题

在上述框架中，协同过程建模、基于KPI的协同系统监控和信息系统构建是实现整体框架功能的3个关键问题。

(1)协同过程建模

协同过程建模的目的是使核心企业掌握扩展企业内部协同关系的具体状况，同时为下一步在协同过程中配置KPI提供基础。通过这一工作，可以有效地解决协同过程的描述和标准化问题。核心企业在这样一种协同关系中处于控制和协调管理地位，因此，成为扩展企业协同过程标准的制订者和调整者。

协同过程建模的对象主要是扩展企业中沿供应链分布的、与生产运作管理有关的各个方面，如供应、订货、采购、契约，以及分销、发售、物料管理、资源管理、订单管理等各个环节。建模层次上也包含了从协同战略(如新市场建立阶段，核心企业自身和成员企业的作用、执行策略等)到具体战术层面(如运输、存储、发货等环节)，即采用分层次、分类别的建模策略。

建模方法上，当前主要的企业间协同生产运作过程建模方法主要从供应链建模扩展而来。常用的建模方法基本上可以分为确定性建模、随机模型、混杂/仿真模型和为IT应用系统服务的形式化模型。根据前文所述的OEM—供应商生产运作协同模式的特点，可以划定协同过程的范围限于成员企业之间的传递活动，同时采用层次化、模块化的建模策略，因此选择了离散时间序列过程建模的方法实现协同过程的建模。通过基于Web的信息系统，提供在一定范围内可定制选择的标准化协同过程。建模所需的信息主要来自两个方面：①引用相关供应链研究中的参考模型，如供应链运作参考模型(Supply Chain Operations Referencemodel，SCOR)，协同过程规划、预测与供应模型(Collaborative Planning，Forecasting and Replenishment ramework，CPFR)；②OEM厂商原有的对协同过程的经验积累。

建模的具体工作由项目组的研究人员和来自企业的开发人员共同完成。

(2)基于KPI的协同系统监控

系统的另一个重要问题就是通过KPI完成对协同过程的监控。采取这种策略的主要目的是以KPI集的方式表示协同战略，即核心企业的协同战略倾向于关心协同过程中的哪些信息。基于协同过程模型，通过向协同过程的各个层次、各个环节配置一系列KPI，观察通过这些KPI在过程运行中监控到的数据，使核心企业及时掌握全部协同过程中各个层次和各个环节的运行状态，继而进一步对这些所关心的方面做出协同生产运作的控制管理指令。在实际操作中，核心企业根据以往的工业实践和某些参考模型，针对协同过程设置监控所需的KPI体系。各个成员也根据企业自身生产运作过程的特点和在协同过程中的位置，确定自身所需的KPI集，加入到协同指标体系中，形成最终的整体协同过程KPI体系。全局的协同信息只由核心企业掌握，其他成员企业只关心与自己有关的协同信息。这种方式的另一个作用是可以恰当地配置整个协同过程中的信息传递结构(Information Transfer Structure，ITS)，在协同效率和各个成员各自信息的保护之间取得折衷。

在项目的后续研究中发现，这种基于KPI的协同生产运作管理中，关键的步骤之一是完成KPI到协同过程模型的配置。根据前文所述的需求，在协同过程中，OEM厂商实际上只关心那些与协同生产运作有关的、能够通过KPI反映的信息，而一些与此无关的过程信息，或一些不能被OEM厂商观察到的信息，则不必出现在过程模型中。因此，对离散过程建模方法进行一定的改进，形成通过KPI反映的离散过程建模方法，具体如下：

离散时间序列过程建模方法中，过程模型可以通过集合P表示：P_i＝{Mⁱactivity Mⁱjunction Mⁱrelation Mⁱresource Mⁱact-res Mⁱdecom Mⁱduration}。

其中，Mⁱactivity为过程Pi中的活动集合；Mⁱjunction为过程P_i中的逻辑交汇点集合；Mⁱrelation为过程P_i中的活动之间、交汇点之间，以及活动与交汇点之间的关系集合，具体连接关系用r表示，rⁱjk表示过程P_i中活动/交汇点j到活动/交汇点是的直接连接；Mⁱresource为过程P_i中的资源集合；Mⁱact-res为过程P_i中资源到活动的配置关系集合，用Mⁱactivity与Mⁱresource之间的关系代数型数据结构表示；Mⁱdecom为过程P_i中的分解关系信息，通过Mⁱactivity与其他过程P_j的关联关系表示；Mⁱduration为过程的执行工期集合。

在基于KPI的协同生产运作过程监控策略中，对协同过程建模实际上就是建立KPI到协同过程的配置关系，对于各个成员企业(包括OEM厂商和其他供应商)的协同生产运作管理过程P_i，进行如下步骤的配置：

步骤1 在建模的过程中，选择恰当的分解层次。由于每个成员企业实际都有自己一定的生产运作管理过程Pi，完整的协同过程是这些过程按协同生产运作关系组合构建的，即协同过程P_c＝{P_i|i＝1，...，n)，行为协同过程中成员企业的个数。选择恰当的层次，就是针对每个P_i，将Mⁱdecom改进为Mⁱjdecom，构建协同过程的分解结构Mⁱcdecom。由于与前述的车间层次的协同模式不同，核心企业需要控制的协同过程是要恰当地深入到各个成员企业与协同生产运作有关的层次上，因此，Mⁱjdecom相对于Mⁱdecom缩小了规模。实际项目进程中，这一步由项目组的成员和来自企业的生产运作管理人员共同完成，而且发现Mⁱjdecom的规模远小于Mⁱdecom。

步骤2 用可选择的KPI集(KPI set)，替代协同过程中的活动和资源等信息。核心企业只关心与协同有关的、能够被KPI反映的信息，因此出于控制协同生产运作过程的目的，核心企业需要将选定的KPI配置到协同过程的各个层次和各个环节中，即用恰当的KPI Isⁱ一代替过程模型中相应的活动与资源：Mⁱactivity|→Isⁱact，Mⁱresource|→Isⁱres。同时，由于不同时期和不同外部环境下，协同生产运作战略的不同，会导致所选择的KPI集不同。例如，在市场开拓阶段，协同生产运作管理的战略侧重于所有供应商相互配合，缩短特定车型的生产周期和上市时间，相应的KPI集选择侧重于生产周期控制，包括询价时间、谈判时间、运输时间、生产时间和分销时间，以及相关的资源利用率和成本等KPI集。而在某一车型的市场成熟期，协同生产运作管理侧重于成本控制和质量控制，相应的KPI集选择侧重于质量功能的合理部署。因此，系统必须能够根据不同的战略设置不同的KPI集，供成员企业在实际管理中选择，即从可选的KPI集方案。option{Is}中，选择一个Isⁱ：option{Is}|→Isⁱ。

步骤3 根据原有过程中的约束关系Mⁱjunction，Mⁱrelation，Mⁱact-res和Mⁱduration，对替换后的KPI进行归并与调整，即利用过程模型的连接关系、层次关系、活动与资源关系等，构建指标体系中指标之间的关系，同时去除因不同企业命名不同而重复的指标。各成员企业各自选择KPI集组合到核心企业构建的指标体系中时，指标之间的关系决定了信息的传递结构，因此，需要对指标进行细致的归并与调整，形成最后协同过程的KPI：Isⁱact|→Is^cact，Isⁱres|→Is^cres。于是得到基于KPI的协同过程模型：

Pc＝{Is^cact，Mⁱjunction，Mⁱrelation，Is^cres，Mⁱact-res，M^cdecom M^cduration}。

(3)信息系统构建

综合地考虑信息共享机制、信息采集与集成，以及对价值链的跟踪、监测与控制的策略和技术，项目中之所以使用基于Web的信息系统实现上述框架，主要出于以下考虑：①协同过程中，处于支配地位的OEM厂商进行全局控制，因此，可以由OEM厂商提供Web服务平台运行的物理基础和开发维护机制；②基于KPI的协同策略，在协同过程中，只需要了解KPI所反映的信息，不存在协同仿真、协同运算等复杂的协同工作，Web平台可以满足信息集成的需求；③各个成员企业实施的信息技术水平不同，技术平台不同，基于Web的信息系统有利于实现跨企业、跨平台的信息集成。在协同过程中，基于Web的信息系统应用过程，如图3所示。

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图3 协同过程中基于Web的信息系统应用过程

系统的数据采集主要通过直接采集成员企业信息系统中的业务数据和管理人员人工选择输入两种途径实现。

同时，在协同系统的服务器端可以根据协同生产运作过程的管理信息，提供对协同决策的支持。通过在协同系统服务器端提供历史数据等信息，可以观察基于所选择的KPI集模型的预期运行效果，进而调整指标的预设值和生产计划，实现对决策的支持，从而形成不断调整的循环协同管理过程。

3 应用系统构建

根据系统框架，项目中构建了基于Web的协同生产运作管理系统。协同生产运作管理系统由决策支持、生产运作管理和KPI集显示3个主要功能模块实现，其功能结构如图4所示。

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图4 协同管理系统的功能结构

决策支持部分主要提供协同战略制定功能。通过收集协同生产运作过程的信息，以某种KPI集选择方案的形式反映协同战略，并将方案选择的结果传给协同生产运作管理模块，形成对协同计划制定的约束条件。选择的结果也同时提供给KPI显示模块。

生产运作管理部分主要包括协同过程建模、辅助计划制定、协同过程异常管理和过程仿真几个主要功能。供应链协同环节中，生产环节中的不确定因素对计划实施的影响相对较小，而分销环节中不确定因素的影响相对较大。基于此，项目研究中认为，系统面向的对象是协同生产运作过程，根据汽车工业产品生命周期相对较长的特点，可以认为协同过程是相对稳定的，即协同过程模型的生命周期比生产计划的生命周期长很多。从这点出发，笔者采取了过程建模—辅助计划制定—过程仿真—过程异常监控管理的策略，以实现具体的协同生产运作管理。

(1)协同过程建模主要实现将选择的KPI方案配置到协同过程中，以Web界面的形式显示，如图5所示。每一个过程的环节中，用户都可以展开形成KPI界面，如图8所示。

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图5 以Web界面显示的协同过程

(2)生产运作管理主要通过制定一系列计划与监控实现，系统用辅助计划制定模块、协同异常管理模块和过程仿真模块共同实现。实施中通过设置KPI方案中各个指标的目标值或目标值区间，对比同一指标在实际协同过程中发生的数据，形成控制指令，完成协同系统的管理。这3个模块的工作过程如图6和图7所示。

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图6 辅助计划制定功能UML活动图

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图7 协同异常管理UML活动图

有一种协同数据建模过程中的异常管理方法，项目中扩展了这种方法，形成协同过程异常管理方法。这里的协同异常是指协同过程中，某些KPI集中的数据没能达到预期计划的标准。异常管理中最重要的环节是确定判断异常的标准。在系统中，主要通过比较仿真结果和历史数据作为判断异常的参考，同时利用统计学的方法确定判断异常的标准。

(3)KPI集显示模块主要提供了一系列与协同过程各个层次、各个环节相关的KPI的显示功能。用户对这些性能指标集的不同选择，体现了生产运作管理战略不同的侧重点。基于Web的KPI选择与显示界面如图8所示。

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图8 基于Web的关键性能指标选择与显示

4 系统应用

系统经过初期项目研究，研究机构、汽车厂商与咨询公司的合作分析设计，原型系统设计与开发3个阶段，已经初步将原型系统应用于欧洲某汽车生产商的两个主要OEM供应商。

在项目进程中，采取了基于KPI的协同生产运作信息管理框架，对KPI的选取是全部工作的重点。实际项目中，为每个以OEM为核心的扩展企业设计了三层KPI体系，包括核心企业的生产运作信息管理顶层KPI(10个～20个)、核心企业生产运作信息管理第2层KPI(约100个)和成员企业参与生产运作过程KPI(约750个)。表1列举了实际工程项目中选取的部分顶层协同生产运作管理指标。

在实施过程中，研究人员和工业用户共同对围绕着核心0EM企业形成的扩展企业进行了协同过程建模，通过层次化的过程建模方法和相应的KPI配置，形成了自下而上的，从详细到概括的KPI体系。规范化了扩展企业内，供应链中不同部分、不同层次所必须关注的标准KPI集合。各个不同部分的协同生产运作过程参与者必须且只需关注这些性能指标。核心企业的生产运作管理者只需监控顶层和第2层KPI所反映的信息，而成员企业也只需通过规定的KPI集向核心企业提供信息。同时，偶然动态加入的成员企业，也只需参考系统提供的协同过程的KPI体系，调整自己的生产运作活动，从而迅速有效地参与到整个生产运作过程中。

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系统初步运行结果表明，原型系统的基于KPI的协同生产运作信息管理策略，在监控协同生产运作过程状态、促进扩展企业内部协同过程的标准化、辅助新加入的企业迅速有效地参与协同生产运作活动等方面发挥了重要作用。但在核心企业和成员企业的指标体系融合、辅助决策支持等方面还有待进一步地研究与开发。

此外，在项目研究进程中，还对构建整个协同过程的KPI体系进行了研究和实践。主要通过研究人员和企业建模者等多方参与群体决策方法和层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)等，确定KPI的选择和在体系中的位置等内容。

5 结束语

项目中开发的框架方法与原型系统，已经开始在欧洲某汽车品牌的两家OEM厂商中试验应用，并继续进行改进。在该项目的研究中，提出了通过KPI观察、监控协同生产运作过程的方法，并初步给出了通过协同过程建模进行KPI配置的方法。项目中基于协同过程模型构建的KPI体系，实际上是协同系统的性能模型。该模型的构建方法、内在机理，以及基于该模型的决策支持等内容，都值得在后续工作中深入研究，如成员企业的KPI集如何组合构建成整体的性能模型、如何匹配和整理化简等。目前，只是构建了性能模型，并通过基于Web的信息系统，将模型反映的系统状态呈现给管理者，而如何辅助管理者进行分析并进一步做出决策，是下一步研究工作的重点。