0 引言

    在我國經(jīng)濟體制結(jié)構(gòu)中，離散制造業(yè)在評價國家綜合實力中起著舉足輕重的作用。隨著知識經(jīng)濟和電子商務、因特網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代制造業(yè)面臨著新的環(huán)境和挑戰(zhàn)，制造業(yè)信息化成為了促進制造業(yè)企業(yè)發(fā)展的重要動力。同時，應用面向服務的信息化技術(shù)是制造業(yè)信息化系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢，而制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)的產(chǎn)生和應用順應了制造業(yè)信息化的潮流，所以在全球商業(yè)競爭日益激烈的今天，對面向服務的離散制造車間MES的研究顯得尤為重要。

    作為整個制造企業(yè)生產(chǎn)活動與管理活動信息溝通的橋梁，MES采用雙向直接通訊，在整個企業(yè)的產(chǎn)品供需鏈中，既向生產(chǎn)過程人員傳達企業(yè)的計劃，又向有關(guān)部門提供產(chǎn)品制造過程狀態(tài)的信息反饋。傳統(tǒng)的專業(yè)MES開發(fā)公司，其設計的產(chǎn)品通常是針對車間生產(chǎn)過程中特定的功能模型或者是特定制造環(huán)境下的車間生產(chǎn)類型而開發(fā)的，因此，不同的制造業(yè)企業(yè)可能由于車間內(nèi)部需求的不同，從不同軟件供應商購買需要的MES產(chǎn)品。這一行為導致了各制造業(yè)企業(yè)的MES實際上是一個綜合應用系統(tǒng)，其每個子系統(tǒng)有各自的處理邏輯、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)模型和通信機制。企業(yè)專用MES應用于車間生產(chǎn)，其出發(fā)點是為了解決某些關(guān)鍵任務或者某些特定領(lǐng)域問題，比如車間生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)的實時采集和質(zhì)量控制等；集成MES主要是針對特定環(huán)境設計的行業(yè)MES，雖然這類系統(tǒng)具有集成上層計劃與下層控制的功能，但其不能與企業(yè)中已存在的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)實現(xiàn)相互操作，更不能在動態(tài)環(huán)境下進行動態(tài)配置，從而不利于技術(shù)的更新升級�？偠�言之，隨著離散制造車間制造模式的發(fā)展和改變，MES存在集成性能差、通用性和可配置性不高、實時信息采集和實時事件處理不強、重構(gòu)能力弱等不足，難以滿足現(xiàn)代車間生產(chǎn)管理的要求。因此，本文提出了面向服務的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)。

1 相關(guān)研究

    MES作為離散制造車間制造系統(tǒng)運行模式的基本構(gòu)成和支撐技術(shù)，其功能模型和體系架構(gòu)的適用性對于離散制造企業(yè)實施MES意義重大。面向服務架構(gòu)的制造執(zhí)行系統(tǒng)是基于開放的工業(yè)標準，具有語言獨立性、松散耦合、跨平臺、良好的封裝性、位置透明等特點。這些特點可以更好地使MES提高應對離散制造車間生產(chǎn)需求的變化，利于實現(xiàn)企業(yè)信息流的連續(xù)性和車間制造的敏捷性。根據(jù)現(xiàn)代制造業(yè)的未來發(fā)展趨勢，面向服務架構(gòu)的MES成為了學術(shù)界的研究熱點，其代表性研究成果有：李亞白等人把面向服務的思想引入到MES，將車間資源服務化，提出了基于面向服務的可重構(gòu)MES軟件體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法，之后針對現(xiàn)有MES存在的問題，提出了面向服務的協(xié)同MES架構(gòu)；郝廣科等人從MES技術(shù)著手，設計了面向服務的多層體系結(jié)構(gòu)，提出了面向服務的制造執(zhí)行系統(tǒng)開發(fā)方法；柴永生等人針對制造執(zhí)行系統(tǒng)應用開發(fā)的復雜性，提出了基于服務的制造執(zhí)行系統(tǒng)信息集成架構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，袁安富等人以中小企業(yè)為研究對象，提出了以Web服務技術(shù)為基礎(chǔ)的一種面向服務的信息系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了MES信息共享和較強的擴展性能；王琦峰等人提出了面向服務的MES框架模型，將面向服務作為制造執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)風格和集成方式；王琦峰等人¨叫還綜合使用多種建模方法，實現(xiàn)了對面向服務的制造執(zhí)行系統(tǒng)的分析與設計。在工業(yè)界的應用中具有代表性的面向服務計算技術(shù)有上海普元的面向服務應用平臺EOS和流程平臺BPS等。文獻是關(guān)于面向服務的MES實踐研究，介紹了FactoryTalk集成化生產(chǎn)與績效套件如何應用SOA技術(shù)實現(xiàn)集成、可擴展和通用的制造執(zhí)行系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上給出了汽車裝配生產(chǎn)線應用實例。

    綜上所述，目前的研究主要集中于面向服務的MES框架模型、系統(tǒng)架構(gòu)及建模等方面，而針對離散制造車間的面向服務的MES模型構(gòu)建、應用實施及優(yōu)化運行研究較少，且尚未提出完整、規(guī)范性的面向服務的MES體系結(jié)構(gòu)，同時對其在集成化、通用化和產(chǎn)品化的作用方面分析不足，對面向服務的離散制造車間MES的實施案例研究也較少。針對上述問題與現(xiàn)狀，本文結(jié)合離散制造車間的特點，提出了面向服務的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)，分析了傳統(tǒng)面向?qū)ο蟮腗ES系統(tǒng)架構(gòu)不足，并分析了本體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成及其特點。

2 傳統(tǒng)面向?qū)ο蟮腗ES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES體系架構(gòu)包括用戶界面層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)庫層，如圖1所示。

圖1 面向?qū)ο蟮?層IVIES體系結(jié)構(gòu)

    從支持離散制造車間制造系統(tǒng)優(yōu)化運行的角度來說，傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES在技術(shù)和功能上存在以下問題：

    1)跨車間或跨企業(yè)制造過程協(xié)同功能

    從企業(yè)上層信息系統(tǒng)下達的制造任務不僅是車間制造系統(tǒng)內(nèi)部，更是與其相關(guān)的制造企業(yè)之間協(xié)作的基本驅(qū)動因素�？紤]如何有效地對制造任務進行分解、如何有效地對車間制造資源進行合理利用的同時，還能在客戶要求及車間制造任務制造環(huán)境等條件的約束下對所涉及的資源進行優(yōu)化配置，實現(xiàn)跨車間或跨企業(yè)制造過程的有效協(xié)同是MES的重要功能。而傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES功能往往局限于單一的車間制造系統(tǒng)，無法支持跨車間或企業(yè)的制造過程管理與協(xié)同。

    2)制造過程實時信息采集和實時事件處理功能

    制造過程實時信息采集和實時事件處理是實現(xiàn)離散制造車間制造系統(tǒng)運行模式敏捷性的基礎(chǔ)。但是由于MES所處的實施環(huán)境比較復雜，實現(xiàn)這一功能需要從2方面著手，即數(shù)據(jù)采集方法和采集設備，同時還需要增強車間實時事件采集和處理功能，從而提高車間制造系統(tǒng)的敏捷性。而傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES的數(shù)據(jù)采集是以手工上報為主，結(jié)合條形碼等半自動信息采集技術(shù)，這種采集方式時間間隔較大，容易受到人為因素的影響，且數(shù)據(jù)的準確性得不到保障。

    3)系統(tǒng)集成性和可重構(gòu)性

    生產(chǎn)設備和車間人力資源也是離散制造車間運作系統(tǒng)的一部分，MES需要與其共享信息和交互資源，這樣才能實現(xiàn)車間對整體資源的優(yōu)化配置和合理調(diào)度。同時內(nèi)外部環(huán)境的多變和市場的不穩(wěn)定都要求MES結(jié)構(gòu)具有可重構(gòu)性，這樣才能迅速對系統(tǒng)作出重新配置和調(diào)整。而傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES將上述2個系統(tǒng)隔離管理，不利于企業(yè)信息系統(tǒng)集成，并且傳統(tǒng)MES產(chǎn)品針對性較強，很難做到對動態(tài)環(huán)境的敏捷反應。

    因此，為了更好地支持面向服務的離散制造車間制造系統(tǒng)運行模式的有效運作，在功能框架上，需要對傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES功能進行擴展，即要求擴展后的MES能夠在原有功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)跨車間或跨企業(yè)的制造過程協(xié)同、制造過程實時信息采集和實時事件處理、MES與生產(chǎn)設備及人力資源的有效集成等。同時，需要MES提高自身敏捷性和與其他信息系統(tǒng)集成的速度，即其能夠在相應工業(yè)標準基礎(chǔ)上隨機應變。而面向服務架構(gòu)因為其語言獨立性、松散耦合、跨平臺、良好的封裝性、服務位置透明等特點，逐漸成為離散制造車間MES首選的體系結(jié)構(gòu)。

3 面向服務的體系結(jié)構(gòu)

    面向服務體系架構(gòu)(service oriented architecture，SOA)是一個組件模型，能將應用程序的不同功能單元(服務)通過服務之間定義良好的接口和協(xié)議聯(lián)系起來。接口采用完全中立的方式來定義，獨立于實現(xiàn)具體服務的硬件、操作系統(tǒng)和編程語言。在SOA中，服務是封裝成用于業(yè)務流程中的可重用組件的應用程序單元，提供了信息或業(yè)務數(shù)據(jù)從一個有效、一致的狀態(tài)向另一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。面向服務體系架構(gòu)如圖2所示。

    面向服務的體系結(jié)構(gòu)中的角色包括：

    1)服務需求者。服務需求者是一個應用程序、一個軟件模塊或需要一個服務的另一個服務。其發(fā)起對注冊中心中的服務查詢，通過傳輸綁定服務，并且執(zhí)行服務功能。服務使用者根據(jù)接口契約來執(zhí)行服務。

    2)服務提供者。服務提供者是一個可通過網(wǎng)絡尋址的實體，接受和執(zhí)行來自使用者的請求。其將自己的服務和接口契約發(fā)布到服務注冊中心，以便服務者可以發(fā)現(xiàn)和訪問該服務。

    3)服務注冊中心。服務注冊中心是服務發(fā)現(xiàn)的支持者。其包含一個可用服務的存儲庫，并允許感興趣的服務使用者查找服務提供者接口。

圖2 面向服務體系結(jié)構(gòu)

4 面向服務的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)

4.1 系統(tǒng)需求分析

    1)車間制造資源共享與系統(tǒng)集成

    離散制造車間MES執(zhí)行的任務主要是企業(yè)的MRPII／ERP以“工作令”的方式下達，以車間生產(chǎn)設備，CAD，CAM，CAPP等相關(guān)軟件，硬件設施及車間人力資源等車間制造資源為載體，面向服務的MES首先要對車間異構(gòu)資源系統(tǒng)進行規(guī)范描述和定義，使之能夠信息共享，然后對制造任務進行有效的分解，并依據(jù)客戶訂單要求和制造條件對制造資源進行優(yōu)化配置，從而實現(xiàn)車間制造資源之間、不同信息系統(tǒng)之間充分的信息共享和無縫的系統(tǒng)集成。

    2)制造過程實時信息采集與實時事件處理

    離散制造業(yè)企業(yè)一般是人員密集型企業(yè)，車間自動化水平相對較低，一般以手工上報為主，加之數(shù)據(jù)采集設備、采集方式和采集技術(shù)的局限性，使得采集的數(shù)據(jù)完整度不高，不利于實現(xiàn)生產(chǎn)過程及時、有效的管理與控制，更不利于多源信息的融合和復雜信息決策能力的提高，從而也就很難實現(xiàn)車間制造系統(tǒng)運行模式的敏捷化。

    3)MES系統(tǒng)的可重構(gòu)性

    離散制造的2個主要特點是多品種、小批量。因為每個客戶需求的多樣性，致使每個產(chǎn)品具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝流程、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)設備等都可能不一樣。因此，這就要求面向服務的離散制造MES能夠迅速對車間組織進行及時調(diào)整，對車間制造工藝進行及時規(guī)劃，對加工物料、設備管理等制造資源做出快速響應。即面向服務的MES可重構(gòu)需求主要包括車間制造管理組織、車間制造流程和車間制造資源。

4.2 體系結(jié)構(gòu)介紹

    面向服務的離散制造車間MEs在擴展了傳統(tǒng)MES功能基礎(chǔ)上，引入了面向服務架構(gòu)和服務理念，目的在于實現(xiàn)離散制造車間制造資源的共享和系統(tǒng)有效集成，支持車架制造系統(tǒng)對下達任務進行有效分解，對車間制造資源進行有效配置，對車間制造流程進行系統(tǒng)優(yōu)化。同時，擴展后的體系模塊通過面向服務這一架構(gòu)將制造資源封裝成服務，然后通過服務的請求和獲取等多種方式實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間信息共享和系統(tǒng)集成，從而實現(xiàn)車間整個制造系統(tǒng)全方位的協(xié)同。針對上述離散制造車間對面向服務的MES需求分析，本文提出了一種面向服務的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)，其主要由資源服務層、基礎(chǔ)服務層、功能服務層、流程協(xié)同層、平臺集成框架層和平臺門戶構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 面向服務的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)

    1)資源服務層。資源服務層包含車間制造系統(tǒng)制造過程中所需要的各種資源，主要是數(shù)據(jù)庫及生產(chǎn)相關(guān)文檔等信息類資源，還有加工機床、操作工等設備和人力資源，加工設備和人力資源通過數(shù)據(jù)采集和信息交互終端集成到制造執(zhí)行系統(tǒng)中。而所有涉及的制造資源則被描述和封裝成服務，然后通過面向服務架構(gòu)來實現(xiàn)資源、信息和數(shù)據(jù)等的統(tǒng)一，這樣有利于實現(xiàn)對資源、數(shù)據(jù)和信息等的有效管理。

    2)基礎(chǔ)服務層�；�礎(chǔ)服務層屬于MES的中間層，是平臺的核心基礎(chǔ)架構(gòu)，既包括車間事務管理、日志管理等構(gòu)成平臺基礎(chǔ)的中間件，也包括各種基礎(chǔ)協(xié)議和服務。這一模塊的設計方便了用戶使用各類制造服務資源，同時也為構(gòu)建高效穩(wěn)定和安全的面向服務的系統(tǒng)平臺提供了重要的技術(shù)保證。

    3)功能服務層。這一模塊是面向服務的制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心，在傳統(tǒng)MES功能基礎(chǔ)上擴展了面向服務的離散制造車間制造系統(tǒng)運行模式下的諸如制造過程協(xié)同、制造過程實時數(shù)據(jù)采集和實時事件處理等功能模塊。所有功能都以服務的方式提供，系統(tǒng)的用戶就可以通過面向服務架構(gòu)來調(diào)用所需要的功能服務。

    4)流程協(xié)同層。美國ARC顧問集團認為企業(yè)實現(xiàn)協(xié)同，需要沿著產(chǎn)品生命周期、企業(yè)價值鏈和企業(yè)不同的層次實現(xiàn)系統(tǒng)的集成¨21。制造過程流程協(xié)同層這一模塊實現(xiàn)的就是整個產(chǎn)品生命周期從制造任務分解到制造任務完成績效評價的計劃、物料、質(zhì)量及信息等的運作和管理的所有業(yè)務流程，這些流程在企業(yè)價值鏈的支撐下由功能服務層的功能服務依據(jù)制造流程的需要進行組合，從而完成整個制造任務。

    5)平臺集成框架層。由于制造過程協(xié)作的復雜性及不同信息系統(tǒng)之間的異構(gòu)性，平臺集成框架支持面向服務的制造執(zhí)行系統(tǒng)與車間其他信息系統(tǒng)或者是跨車間內(nèi)部MES信息、跨企業(yè)外部MES信息的集成，通過集成消除各個系統(tǒng)之間的異構(gòu)性。

    6)系統(tǒng)門戶。系統(tǒng)門戶是面向服務的制造執(zhí)行系統(tǒng)的統(tǒng)一入口。

4.3 體系結(jié)構(gòu)優(yōu)點分析

    面向服務的離散制造車間MES結(jié)構(gòu)優(yōu)點有以下3個方面：

    1)服務化。服務是構(gòu)建制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本單元，服務的請求、發(fā)布、查找和組合運作是系統(tǒng)的基本運作模式。在這一模式下，車間所有的制造資源、軟硬件資源及制造知識等被封裝成了服務，通過面向服務架構(gòu)來進行車間制造過程的運作。

    2)功能擴展化。一是面向服務的制造執(zhí)行系統(tǒng)擴展了傳統(tǒng)MES的應用范圍，支持網(wǎng)絡環(huán)境下不同車間制造系統(tǒng)對MES的運作管理；二是系統(tǒng)的構(gòu)建是基于面向服務技術(shù)，支持各類制造服務和功能按照需求增設；三是數(shù)據(jù)采集和信息交互終端的使用使得制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能想設備層和操作層深入。

    3)集成化。面向服務的制造執(zhí)行系統(tǒng)在技術(shù)上消除了不同信息系統(tǒng)之間的異構(gòu)性，并將制造資源、軟硬件資源等封裝成服務，實現(xiàn)了企業(yè)三層結(jié)構(gòu)的有效集成。同時，這一系統(tǒng)支持制造系統(tǒng)在計劃、進度、質(zhì)量等方面的信息集成。

5 結(jié)語

    面向服務是MES發(fā)展的必然趨勢，本文基于面向服務架構(gòu)提出了面向服務的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)，其有效解決了離散制造車間制造系統(tǒng)異構(gòu)性、車間制造資源共享和信息系統(tǒng)集成等問題。本體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法和實施模式將在后續(xù)的MES研究中得到進一步的完善和驗證。

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本文標題：面向服務的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)研究

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