基于MES的大学实验管理系统设计

沈 泓 李 妍 崔永利 董 薇

哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院 黑龙江哈尔滨 150080

大学实验教育系统的质量控制和评价可以借鉴企业管理的质量控制和评价。

大学实验教学管理的创新是学校实验管理机构与各学院、各实验室、实验教师、学生等共同完成的。目前，各大学实验室分基础实验室和专业实验室，实验室总数过百，分几十个大类。随着教育的不断发展，国家对大学教育投入增大，实验室建设力度增大，教学研仪器设备快速增加，这给实验室管理带来了压力。部分实验室逐步走上了规范化、制度化、科学化的管理轨道，但大部分实验室仍然继续着低效率、不规范的管理状况。在大学实验管理系统的过程中，在安排实验课、推进各门课程不断发展的过程中，各种信息不断变化。因此，应通过数字编程、多媒体技术与理论集合，提高管理效率和管理水平，使信息技术成为大学实验管理中的重要工具。

大学实验教学管理系统与企业生产管理系统具有相同的质量控制和评价方式，因此，将制造执行系统MES(Manufacturing Execution System)对控制对象特定信息更改的功能，应用到实验教学管理管理中，可为大学实验教学管理提供扎实、可靠、全面、可行的教学过程协同管理[1]。

1 实验教学管理

大学实验主管部门对全校实验室实行一级管理，对学院的实验室实行二级管理。学校管理部门制订下属部门及各学院实验管理部门的业绩标准，并以量化指标形式反映在下属部门工作计划和每位教师的工作指标中，且学校管理部门总的工作指标是每个教师工作指标的折积(加权和)[2]。现有的实验管理系统依据的只是每个学院的课程表、学生和教师的时间表、个人的工作计划、各学院管理部门的计划等，信息互不相通，使得各专业独立运行，不能达到全校统筹管理。

1.1 实验教学管理存在的问题

(1)学校实验管理机构根据各学院提供的需求购买实验设备，但由于各学院各自管理实验设备，信息互不相通，造成一些仪器闲置，不能充分发挥使用效益；

(2)学校实验管理机构在购买实验设备时将仪器设备归档建表，但实验室调整、升级改造、设备报废时，如不及时变更归档表，就不能及时反映仪器设备情况；

(3)实验设备借出(进)，如未按时归还，就不能对相关人员进行提醒；

(4)实验设备维修数据如没有归档，就不能明确维修卡实际内容；

(5)低价值、易消耗的设备(例如鼠标、键盘、光驱、硬盘、插排等)账物不符；

(6)不能自动监控实验室的安全问题；

(7)实验室的使用率低(持续工作日)。

1.2 实验教学管理方法

学校管理部门专家监督各学院的管理机构，须符合监督条件，提高监督质量；学校实验管理部门须加强各学院实验的创新活动，使各学院提高教学质量。以下为具体实施方法：

(1)对各学院制订评价公约，以实现目标为导向，协调各学院实验管理部门活动；

(2)把权力下放给各学院，学校管理机构根据各方面材料做评估，确定资源的分配；

(3)所有实验室、实验设备建立唯一编号，实现全生命周期过程管理。

1.3 信息管理系统结果

在大学实验管理中应用实验室信息管理系统可提高实验管理效率[3]，直接得到如下信息。

(1)各学科实验课总学时；

(2)学校总工作量；

(3)各学院主管和核心岗位专项预算额及预算费用分配表；

(4)每名实验工作人员每月平均目标奖金；

(5)学院实验室与课程之间工作时间分配情况；

(6)大学(学院)的实验学习成绩汇总。

2 MES概述

MES(Manufacturing Execution System)是企业生产过程执行系统，是一套面向企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES 可以提供计划排程管理、调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、设备管理、采购管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，提供一个扎实、可靠、全面、可行的协同管理平台[4]。

3 MES应用实验管理

3.1 企业与大学实验管理共性分析

传统企业的生产组织拓扑结构是在同一领域内运作的一组生产组织单位，专门从事生产过程的单个技术和产出方面的工作，对生产过程的管理是集中的，以输出(消费)产品、信息二进制方式连接在一起的一组单元，在时间和空间上进行各方面部署，并通过特定组织执行和控制，其使用是不变的，这同大学实验管理过程相同。在处理过程部署的优化问题上，高校的实验管理同企业管理都是典型的组织拓扑结构[5]。

3.2 MES数据库

建立数据库首先应建立各学科、各专业、每门课程的管理数据清单。学科数据由学科名称、授课时间、所用教材、信息反馈方式、归属的学院等参数系统组成。课程数据由教学方式、实验方式、修业学期、实验主讲教师、实验分组方式、报告方式等参数系统组成[6]。

每门实验课的参数包含课程名称、基本实验单元、总学时长度、教学材料、考核方式、报告方法、主讲教师、学习学期等。每个参数的改变必须有课程改变的批准，通过命令和指示方式输入数据库。需要采集初步资料，见表1。

表1 采集初步资料

3.3 MES应用实验管理的可能性

在信息处理方面，实验管理过程同生产过程非常相似，唯一的区别在于产出，因为实验管理机构生产的是实验服务而不是产品。制造执行系统(MES)可以解决类似于生产中出现的问题[7]。

MES系统可以将生产过程转变为实验教育过程。例如，如果原始MES中的工作地点是机床，而实验管理过程中的工作地点是实验室，那么系统必须在所有接口中，使用户能够用“机床”代替“实验室”。系统必须开放对控制对象特定信息的更改功能，消除过于专业化产生的操作混乱。企业与大学实验管理信息分类对比见表2。

大学通过成功管理现有资源，合理安排实验室日程，在学年内最大限度提高了实验室占用率，降低了教育过程中的成本。

表2 企业与大学实验管理信息分类表

3.4 甘特图应用实验管理

用条形图显示时间表，显示实验管理运行过程。

甘特图显示了任务之间的依赖关系，可用于表示工作的当前状态，直观显示一系列任务以及相对持续时间，对任务的计划进度和实际进度进行比较，对任务的实际进度进行详细分析，可以预先评估特定决策的风险。

康托尔点集(Cantor Dust)是以康托尔的名字命名的，许多分形都是在它的基础上创造出来的，具有重要的实际应用价值[8]。

经典康托尔点集构造是从单个线段的中间三分之一(不包括两端)的截断开始的，即初始集合是线段[0,1]，第一步是消去开区间，留[1/3,2/3]；在下一个步骤和所有其余步骤中，所有线段的中间三分之一(不包括两端)将被消除，直至无穷。由于在不断分割舍弃过程中，所形成的线段数目越来越多，长度越来越小，在极限的情况下，会得到一个离散的点集，称为康托尔点集{Ci}。康托尔点集的极限图形长度趋于0，线段数目趋于无穷。得到一系列集合{Ci}：

康托尔点集是一个基数为C的疏朗完备集，基数C，集合的交集C∞(n=0,1,2,…)，典型的康托尔点集，边长r=(1/3)n，边数N(r)=2n，操作n次后[9]：

康托尔点集分数维是0.631。

每天在第i实验教室的维数为：

当Di→1时，实验室利用率达到最大。

当Di→0.618时，即是所谓的“黄金地段”。

4 MES实验管理系统方案的制订

根据实验管理过程，制订MES实验管理控制系统方案。

实验管理系统分4个模块。即：管理系统相关信息采集模块；实验管理加权模块；实验任务分配模块；实验效果判定模块。

整个实验管理过程涉及实验课安排(实验室和指导教师)、实验设备及实验相关数据采集、实验设备的管控、实验相关人员信息的收集对比、实验效果的判定，并将相关的数据进行整理，形成可以追溯的记录。

4.1 管理系统相关信息采集模块

首先要对实验管理中涉及的所有元素，包括实验教师和学生、实验设备、实验室等进行数字化处理，为每一个元素赋予唯一的数字化标识[10]。然后采用数据采集工具进行数据采集，并将所有采集到的数据根据数据之间的逻辑关系进行组合，提交至实验管理控制系统平台，即MES系统，形成最终的追溯记录与各种报表。

4.1.1 实验课接收数据采集

实验管理系统与学校教务系统之间建立通信接口，采用 TCP/IP 协议、Web Service/API 的接口方式进行通信[11]，承接理论教学系统传递的实验课时和上课学生信息，根据以上信息将实验课具体时间分到指定实验室，并能反馈课程完成时间。

4.1.2 实验室数据采集

每种实验室通过PLC 接口进行设备数据的采集。在每个实验室设置电子标签(RFID)信息的读取装置，指导教师和学生上课时刷卡读取信息，并同实验室信息进行关联，将采集到的数据自动传送到实验管理控制系统平台。

4.1.3 实验设备数据采集

每种设备(包括鼠标、键盘、光驱、硬盘、插排等低价值、易消耗的设备)都有唯一编号，建立仪器设备的全生命周期管理，给使用信息和维修信息设置固定标签，这些信息同实验室相关信息合并，建立实验设备的档案。遇到实验室调整改造等情况时，设备档案时时更新。

4.2 实验管理加权模块

将采集数据与学校管理理论、实验教学计划及其他相关信息加权处理。

为提高实验管理过程组织的效率，在时间尺度上用甘特图表示，实现管理过程的连续性和一致性[12]。间断越少，实验管理过程组织的效率越高。

4.3 实验任务分配模块

每位教职工有唯一的教职工号，在校学生有唯一的学生号。管理系统将加权后的信息(实验科目、实验时间、实验室地点等)反馈给相关实验教师、管理人员及学生。

4.4 实验效果判定模块

学生将实验过程记录数据形成报告后登录系统平台，上传给相应指导教师；教师对报告的评语及成绩通过系统平台反馈给学生，同时上报并分类存档。

5 结语

由于针对小型企业高质量的MES系统成本仅5万～10万元，远远低于开发一个实验管理系统的成本，因此MES系统的应用对于优化高校实验管理非常有优势。信息加权计算中引入甘特图的形式，使实验管理人员及时获取可靠信息。教师员工和学生通过管理平台与实验教育过程各个阶段进行信息交流，提高了实验教学活动的效率和质量。