MES可重构平台技术
2022-03-30 来源： 智造苑
市场需求的动态多变导致现代制造环境不断变化，包括企业业务流程的变化、车间组织机构的变化、车间制造资源的变化等，这就要求MES能够根据制造环境的变化快速地进行系统配置和调整。MES系统架构从集成化（integrated）朝可集成（integratable）和可配置/可重构（reconfigurable）方向发展正是为了适应这种制造环境变化的需求。国际主流MES产品的形态已由MES专用产品过渡到由“MES基础平台+行业通用构件+企业定制化构件”构成的MES应用解决方案的MES平台化产品。
「 1. MES重构要素 」
企业业务流程、业务目标的变更和车间环境的变化始终是实施MES重构的原动力。在实施MES重构过程中，都要不同程度地涉及到车间生产组织结构、制造资源及生产流程三大要素。
（1）车间生产组织结构的重构：为了加强各生产部门之间的协作，提高车间的管理运行效率和车间生产的柔性，需要不断调整或精简车间各生产职能部门，重构原有车间组织结构。如车间典型的三层管理模式，车间主任—工段长—班组长，随着生产能力的升级和管理效率的需求，通过增强车间主任的向下管理职能和班组长的向上管理职能，取消工段长。组织结构的重构在MES系统里的最直接反映是系统用户和用户权限的变更，这在目前的 MES系统里比较容易实现。
（2）车间制造资源的重构：车间制造资源包括设备、工具、人员等物理制造资源、在制品信息、质量等制造过程信息资源和订单计划、工艺、图纸、库存信息等外部集成制造信息资源。这制造资源在实际生产中都能发生动态变化，具体表现为：增加或减少设备、工具、人员，设备制造能力增强，增添质量跟踪信息，添加或取消与外部系统的集成等。MES必须具备对车间制造资源重构的能力，及时反映车间制造资源的变化。
（3）车间生产流程的重构：生产流程就是将车间各种功能性生产活动有机组织起来完成生产制造过程，各功能性生产活动涉及相应的车间制造资源。企业业务目标的变更和车间环境的变化，使得先前运行良好的生产流程会变得过时，不再适应变化的环境，车间制造执行系统MES必须对其重构。生产流程的重构必然在一段时间内带来适应性和生产平稳性问题，如果过高频度地对关键生产流程进行重构容易使车间生产发生动荡，因此应适时、适度地对生产流程重构。要实现这一点，需在MES系统里建立相应的流程评价机制，通过对生产流程的评价，找到需重构的关键点，提高流程重构的水平和效率。
「 2. 可重构MES体系结构 」
建立可重构MES体系结构的主要支撑技术有：组件技术、工作流技术、业务流程管理、多智能体系统、业务流程管理（BPM）等。此外，先进的IT架构也是实现MES系统可重构的重要基础。基于可重构体系结构的MES具有开放式、客户化、可配置、可伸缩、易集成等特性，可针对企业制造资源和业务流程的变更或重组进行系统重构和快速配置，为可重构MES系统实现奠定坚实基础。
1）基于组件技术的可重构MES体系结构
MES最终要通过软件技术和软件体系来实现。从软件系统开发的角度看，MES主要运用软件复用和软件重构技术来实现重构，而组件技术是实现软件复用与软件系统重构的重要技术手段。
组件是通过抽象、封装，以统一规范接口定义和访问的独立功能单元。基于组件的软件开发方法把软件开发分成领域工程和应用工程，二者既相互独立企业信息化又相互促进，通过领域工程开发出可复用的领域组件，然后应用工程从中选取所需的领域组件来装配成用户需要的软件系统。通过对MES各逻辑功能单元进行分类、抽象、提取开发出MES的业务组件库。目前可以参考COM、EJB、CORBA等标准组件模型来实现MES的各种组件，如计划调度组件、设备管理组件、人员管理组件、系统管理组件等，达到组件真正意义上的“即插即用”。
基于组件技术实现MES系统可重构，就是创建一个集成的、通用的和可动态配置的组件化对象模型，为制造领域开发和实施MES系统提供共享的、柔性的和易于扩展的开放环境，通过“搭积木”和软件重用来实现不同企业的各种要求，避免对每一个企业重复进行需求分析、详细设计、编码、测试和运行维护等整个软件生命周期的工作。
图1所示是基于组件技术的可重构MES体系结构。基于组件技术的MES系统具有良好的可配置性、可重用性、可扩展性和可集成性，可以较好满足现代制造企业对MES的需求。
图1 基于组件技术的可重构MES体系结构
2）基于工作流的可重构MES体系结构
工作流技术是一种能够有效地控制和协调复杂活动的执行，实现人与应用软件之间交互的技术手段。采用工作流技术，可以把MES业务逻辑从具体的业务实现中分离出来。这种方法在进行企业实际应用时具有显著的优点，它可以在不修改具体功能模块实现方法（硬件环境、操作系统、数据库系统、编程语言、应用开发工具、用户界面）的情况下，通过修改（重新定义）过程模型来完成系统功能的改变或系统性能的改进。通过工作流技术，可以有效地把企业各种资源（人、信息、应用工具和业务流程）合理组织在一起，提高软件的重用率，发挥系统最大效能。基于工作流的 MES系统，可以通过流程的再定义，灵活地将应用系统的功能连接在一起，快速完成企业应用系统的搭建。
如图2所示，采用工作流技术，可以把MES业务逻辑从具体的业务实现中分离出来。基于工作流的MES系统可以通过流程的再定义，快速完成企业MES系统的搭建。它可以在不修改具体功能模块实现方法的情况下，通过修改或重新定义过程模型来完成系统功能的改变或系统性能的改进。
图2 基于工作流驱动的可重构MES体系结构
３）基于多智能体系统的可重构MES体系结构
多智能体系统（multi-agent system，MAS）被认为是未来生产系统中实现降低生产费用、生产分散化控制、自适应及处理复杂过程的关键技术之一；同时它又是一种新的方法论，贯穿先进制造的各个领域，从企业动态联盟、ERP、规划与调度到现场控制都有MAS 思想与技术的应用。MES系统生产过程和控制结构本身所固有的局部控制和分布式决策的特性，为多Agent技术提供了广阔的应用空间。在MES中Agent主要指能完成某种特殊功能的分布式计算机程序，它具备如下关键属性：持续性、通信能力、自主性、可移动性、反应性、适应性和进化性、推理和规划能力等。基于MAS技术框架，可以MES系统中建立多种Agent类型，如管理Agent、加工任务Agent、资源Agent、监控Agent等，每个Agent可以对应一个具有分布式自主决策能力的业务功能模块，它们在分布式环境下实现信息共享和互操作，协同实现MES车间生产过程的管控功能。
图3所示是基于MAS的可重构MES体系结构。基于多智能体技术的MES系统具有良好的可重构性与可扩展性。在基于MAS的MES系统中，既可以注册业务功能组件，也可注销业务功能组件，并且Agent中的各业务功能组件的相互关系也随之做出相应的调整，从而达到系统重构的目的。
图3 基于MAS的可重构MES体系结构
４）业务流程管理（BPM)
BPM( business process management），是一种可以为流程建模、自动化、管理和优化的软件技术，还代表了一种新的、可以产生满足企业“随需应变“的流程应用的方式，BPM技术的核心是通过软件来管理企业的业务流程生命周期。通过建立一个流程模式，然后实施这个流程模式，产生流程应用，使工作得以在系统和员工之间流转，并且通过这模式来管理运转中的流程应用，和在使用时对流程应用进行优化——无论是改善企业的核心流程或者是因业务条件变化做出调整。在流程生命周期的不同阶段，大部分的BPM解决方案都支持业务部门的参与，业务人员开发出一个最初的流程模式，然后IT开发人员来进行实施。利用BPM的流程管理思想，将MES系统的核心流程模式化，产生具体车间流程应用，这个过程往往是IT人员与车间业务人员共同完成，以全面把握车间的核心流程。同时通过对车间流程全生命周期管理，监控流程的执行状况，真实评价流程水平与效率，形成行之有效的流程优化解决方案。
「 3. MES配置平台 」
MES配置平台是实现MES系统可配置与可重构的重要手段与工具。只有通过MES配置平台才能够将MES可用资源库中的各种资源根据用户实际情况有效地整合在一起，生成符合用户需求的MES应用系统解决方案。图4所示是一个基于JAVA技术的MES可配置MES体系结构。
图4 基于JAVA技术的可配置MES体系结构
该体系结构采用Java跨平台技术，通过Web服务四层结构来实现。表示层是MES系统的用户接口部分，是用户与MES交互信息的窗口，并能够通过内部的通信机制向请求接受层中的Web服务器发出请求；请求接受层负责接收用户界面层传来的消息，并将消息转换成调用应用服务器上的相应服务的指令，同时将应用服务器的处理结果以网页或控件形式传给表示层。业务逻辑层是可配置MES系统的核心，它由基础平台层和MES配置平台层两部分组成。业务逻辑层通过对数据访问层中所定义的各个数据对象的访问实现对数据库层的各种操作；数据存储层负责向业务逻辑层提供所要求的任何数据的持久性。
业务逻辑层中的基础平台主要由工作流引擎、系统集成引擎等组成，构成工作流管理与资源信息集成等基础性平台。MES配置平台则封装了MES的相关业务逻辑，包括MES系统功能配置工具、MES 生产业务流程配置工具、MES车间组织机构配置工具、 MES车间资源配置工具、MES应用系统生成工具、MES 可用资源管理工具、MES配置模型管理工具等。以下对其具体内容进行展开说明。
（1）MES系统功能配置工具。MES系统功能配置工具能够通过对功能概要描述与特点描述，及智能匹配等方法对MES通用功能模块与 MES可选功能模块进行配置，实现不同用户千差万别的需求，构建满足用户需求的系统框架与功能模块。
（2）MES生产业务流程配置工具。MES生产业务流程配置工具通过对各个生产活动的属性描述与制造流程的整体描述，配置用户所需的生产业务流程，包括计划制定流程、计划审核流程、生产准备流程、零件生产流程、检验流程、信息反馈流程、任务到期预警流程等，通过工作流技术，对流程中的各个活动进行配置。需要注意的是，生产业务流程的配置是基于MES生产模型的。
（3）MES车间组织机构配置工具。MES车间组织机构配置工具提供对不同车间的各种层次结构及不同职能部门的组织机构配置，并实现不同职能部门不同角色的权限配置。
（4）MES车间资源配置工具。MES车间资源配置工具对生产车间内的生产所需要的资源进行配置（主要是生产设备与加工工人等资源），使得系统能够及时准确地获取车间资源的实时信息，并对车间资源实现统一管理。
（5）MES应用系统生成工具。MES应用系统生成工具以MES配置模型为基础，对MES可用资源集合进行重构整合，从而构建出满足用户需求的MES应用系统。
（6）MES可用资源管理工具。MES可用资源管理工具对MES可用资源进行分类分层管理，包括MES通用功能、MES可选功能与MES业务流程等。并对每个资源的关键特性通过语言或者图形等方式进行描述，以便MES应用系统生成工具对其整合。
（7）MES配置模型管理工具。MES配置模型管理工具通过功能模块、业务流程、车间资源等方面的描述，实现对可配置MES系统所生成的配置模型的管理。
「 4. 基于配置平台的可重构MES解决方案 」
基于配置平台的MES应用解决方案包括“MES配置平台+MES可用资源集合+MES用户定制功能”。该解决方案以用户需求为核心，通过在MES配置平台中生成的MES配置模型，应用MES可用资源来配置构建MES应用系统，并添加MES 用户定制功能。
基于配置平台的可重构MES解决方案如图5所示，以下展开论述其主要内容。
图5 基于配置平台的可重构MES解决方案
（1）MES配置平台。MES配置平台是根据用户需求，建立MES配置模型并生成MES应用系统的一个平台系统，是整个MES可配置框架的核心。在MES配置平台中，将用户对MES应用系统的需求转换为MES配置模型。之后，在MES配置模型的基础上建立MES应用系统。此外，MES配置平台负责提供一个可靠的运行环境，保证系统中所有的功能组件在同一环境下良好地工作，并以一个统一的运行机制管理所有的功能模块。
（2）MES可用资源集合。MES可用资源集合是构建满足用户需求的MES功能与业务流程的资源集合。MES配置平台以MES配置模型为基础，通过调用MES可用资源集合中的功能模块与业务流程，建立用户所需要的MES应用系统。
（3）MES用户定制功能。用户定制的功能模块可以根据用户实际的运行环境，定制开发适合企业实际情况的功能模块，保证企业具有特色的生产制造流程得以保留，让企业用户能够在自己熟悉的环境中自然地改变正在使用的信息化工具。
如图5所示，“MES配置平台+MES可用资源集合”构成一个在离散制造领域内具有较强通用性的解决方案。以此作为构建MES应用系统的基础，再配以为企业定制开发的“MES用户定制功能”，就可以完整地满足企业的实际需求，实现MES的快速配置与对车间生产制造环境变化的快速响应。
根据上述基于配置平台的面向离散制造业的MES应用系统解决方案，应用系统的开发人员甚至可以是用户自己，依据MES应用系统的具体需求，包括系统功能、业务流程、信息对象等，通过应用MES配置平台，一步步建立MES配置模型、MES雏形系统，最终生成MES应用系统。具体步骤如下：
第一步：建立MES配置模型。以用户的具体需求为基础，通过MES配置平台中的 MES系统功能配置工具、MES车间组织机构配置工具、MES生产业务流程配置工具、MES车间资源配置工具等，建立包括车间的组织机构模型、功能模型、业务流程模型、资源模型、信息模型等信息的MES配置模型。
第二步：生成MES雏形系统。以MES配置模型为基础，根据配置模型中的组织机构模型、功能模型、业务流程模型、资源模型、信息模型等信息，应用MES可用资源集合中的通用功能模块、可选功能模块与业务流程，生成MES雏形系统。该MES雏形系统包括MES系统运行环境、MES雏形数据库、MES通用功能与MES配置模型中所包括的功能与业务流程。
第三步：MES用户功能定制。由于MES雏形系统中所包括的功能是以MES可用资源集合中的功能与业务流程为基础的，如果用户的需求比较特殊，并不包含在MES可用资源集合中，则这些特殊的功能就需要另外定制开发了。根据用户的需求，对MES雏形系统中无法满足的要求，通过MES用户功能定制进行个性化定制，最终生成满足用户需求的MES应用系统。
由此可见，基于MES可配置平台可以快速构建出一个用户所需的MES应用系统解决方案，上述方法称之为MES平台化技术。与传统软件开发方法不同，MES平台化技术是通过将构建MES应用系统所需要的各种信息（包括功能模型、业务流程模型、组织机构模型、信息模型等）并将其整合在一起，由MES配置平台依据这些信息，调用MES可用资源集合中的资源，自动构建出MES雏形系统，此部分为MES平台化技术的核心。如有需要再针对性地进行定制开发，此部分与传统开发过程类似。应用MES平台化技术构建MES应用系统的整个过程可以说是一个半自动的过程，大大降低了MES应用系统的开发成本。
引自：《制造执行系统技术及应用》（作者：饶运清）
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