面向服务的离散车间可重构制造执行系统研究 - 文章

面向服务的离散车间可重构制造执行系统研究

作者：王琦峰刘飞黄海龙

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引言

制造执行系统位于企业上层的计划管理系统和底层工业控制系统之间，是面向车间层的管理信息系统。它统一连接着生产计划与制造过程，能够及时反映生产现场的状况，在计划管理和底层控制之间架起了一座桥梁，是实现制造企业信息集成的纽带。通过制造执行系统的实施，能够有效地提高制造企业生产管理效率、管理水平和市场响应能力。

市场需求的不确定性、技术的更新、业务规则的改变，以及复杂而多变的制造流程，要求面向离散车间的制造执行系统应该具有可重构的能力，能够快速地实现可配置、可缩放和可重用。可重构的制造执行系统是未来制造执行系统的发展方向，也是目前学术界和工业界研究和应用的热点之一，目前，国内外对可重构的制造执行系统进行了广泛的研究，也取得了一定的成果，如基于多Agent的可重构制造执行系统、基于公共对象请求代理体系结构（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）的可重构制造执行系统、基于组件的可重构制造执行系统等，但这些研究还很少涉及与装备和操作工人的集成、与第三方制造管理应用服务的集成，以及跨平台的技术重构等方面的问题。

本文在前人研究成果的基础上，提出一种面向服务的离散车间可重构制造执行系统，以服务作为系统的基本组成部分，系统的功能延伸到了车间的生产装备和操作工人，通过实现与生产装备的集成化运行，以及为操作工人提供信息化的工作平台，实现了生产现场数据的在线实时采集。同时，能够有效集成第三方及针对相关行业的系统和服务，以满足特定离散制造行业的制造管理需求；在实现方法方面，建立了基于面向服务的系统体系结构、基于服务的可重构单元构建、模型驱动的系统建模与实现和面向服务的系统集成的四维系统模型，并对模型驱动的系统建模与实现方法，以及基于服务的可重构单元构建方法的关键技术等进行了研究。

1 面向服务架构的离散车间可重构制造执行系统体系结构

1.1 离散车间制造执行系统可重构性需求分析

与流程制造相比，离散制造在制造过程的管理更加复杂，主要表现在：不同的离散产品制造工艺和流程差异很大，工序之间没有严格的界限；工人的技术水平对产品的质量和生产率影响明显；生产的产品品种变化较大，物料供应复杂，需要进行良好的计划和调度等。离散车间制造的这些特点决定了离散车间的制造执行系统比流程行业的制造执行系统要复杂得多，除具备标准的制造执行系统的功能外，离散车间的制造执行系统应具备更大的灵活性和可重构能力。

离散车间制造执行系统的可重构性需求包括：①制造组织结构的可重构性，能支持动态的制造组织建模，以适应离散制造企业灵活多变的组织管理模式；②制造资源的可重构性，能够有效地根据需求快速地对车间资源（如人、设备、工具、技术等）进行重构，为车间的设备和工人提供接口和信息交互平台，能够有效地实现人、技术、设备的集成，以实现对外部变化的快速响应；③制造流程的可重构性，能支持动态的制造管理流程建模，提供可视化的流程建模工具，使制造企业能够根据实际的需求快速地进行流程配置和执行；④技术的可重构性，能适应不同的技术环境，支持技术的重构，以实现不同技术平台之间的互操作，及在不同应用平台的迁移。另外，可集成能力是制造执行系统可重构性的重要保证，有效快捷的集成方式能够使制造执行系统根据外部的需求快速地进行系统重构，这就要求离散车间的制造执行系统能够与企业其他信息系统实现无缝集成，同时它还能即插即用地集成各种数据采集方法、设备，以及第三方的应用软件库，以便快速地构建出满足实际需求的制造执行信息化解决方案。

1.2 面向服务的离散车间可重构制造执行系统体系结构

为满足离散车间对制造过程信息化管理的需求，本文应用面向服务计算的系统架构和相关技术，提出了一种面向服务的离散车间可重构制造执行系统，系统由实时数据采集与信息交互层、MES功能服务层、第三方应用服务层、MES业务流程层、MES展现层、系统支撑层和系统集成框架构成，其体系结构和构成如图1所示。该体系结构以服务作为系统的基本功能组成元素，系统的功能由不同粒度的服务实现，每个服务通过良好定义的网络服务描述语言（Web Services Description Language，WSDL）进行描述，如与设备的接口通过设备接口服务来实现，车间制造业务管理由相应的业务管理服务来实现。系统内部及与外部系统的交互则由服务之间通过消息进行交互。制造管理流程则通过服务的组合或服务的编排来实现。通过企业服务总线实现系统内部服务的交互及与系统外部其他信息系统和第三方服务的集成。

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图1 面向服务的离散车间可重构制造执行系统体系结构

面向服务的离散车间制造执行系统与传统的制造执行系统不同之处，在于引入了实时数据采集与信息交互层及第三方服务层，如图1中粗虚线框所示。

实时数据采集与信息交互层扩展了传统制造执行系统的功能和应用的范围，使制造执行系统能较好地实现与车间生产装备和操作工人的集成，并实现在线的实时数据采集与信息交互。通过实时数据采集与信息交互层提供的设备连接服务、数据采集服务、数据处理服务、加工程序传输服务、人机交互服务等功能，实现了与加工设备的连接，实时地采集设备的状态信息和工件的加工进度信息，从而实现了制造管理与生产装备的集成化运行；同时，通过多种方式的人机交互手段，使操作工人能够实时查询与加工任务相关信息（如加工任务单、零件图纸、加工工艺等），实时地采集制造过程中的进度、质量等信息，并把采集到的信息传递给制造执行系统功能服务层进行信息处理，实现生产过程的无纸化，使制造执行系统应用的对象和广度得到了极大地扩展。

第三方应用服务的集成使得制造执行系统能够根据不同离散制造车间的需求，有效地集成由第三方独立系统软件供应商、行业应用软件供应商或相关行业协会提供的应用软件服务库、行业标准库及技术服务与构件，从而快速地构建满足特定离散行业需求的制造执行系统解决方案。

上述基于开放标准和技术的面向服务架构能够保证系统的扩展和跨平台的互操作能力，面向业务流程的动态服务组合以及与第三方服务的集成，使制造执行系统具备了较强的流程重构能力，制造执行系统功能向生产装备与操作工人的延伸有效地集成了车间制造的资源，增强了车间资源的参与、利用及可重构的能力。

2 面向服务的离散车间可重构制造执行系统实现方法研究

面向服务的离散车间可重构制造执行系统的实现涉及到很多技术和方法，本文结合软件工程、信息系统相关方法和技术，以及课题组在制造执行系统研究和开发中的实践，提出了一个四维的面向服务的离散车间可重构制造执行系统模型，并列出了相关内容和涉及的技术，如图2所示。该模型由系统体系结构维、系统实现维、重构粒度维和系统集成维构成。制造执行系统实现可重构性的关键技术也可以从上述的四个维度展开，开放的系统体系结构是系统重构的基础，可重构粒度划分和实现是实现系统重构的基本单元，粒度的大小决定了重构的层次，系统集成的方式和技术决定了不同系统之间集成和重构的难度，而不同的系统实现方法对技术、业务流程的重构实现和难度具有重大的影响。

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图2 面向服务的离散车间可重构制造执行系统模型

（1）系统体系结构维

系统体系结构是制造执行系统灵活性和可重构性的重要保证，本文采用面向服务的体系结构来构建面向服务的离散车间制造执行系统，系统的主要概念层次包括支撑层、服务层、业务流程实现层和系统展现层，具体的构成如图1所示。面向服务的系统体系结构基于开放的工业标准，构建的服务具有语言独立性、松散耦合、跨平台、良好的封装性、位置透明等特点，这些特点使面向服务体系结构的离散车间制造执行系统能够适应不同的平台，并能够根据应用环境和需求的改变快速做出调整，开放的、与平台无关的系统结构从基础上保证了系统可重构性的实现。

（2）系统实现维

系统实现维主要描述面向服务的离散车间可重构制造执行系统的系统实现过程及相关技术。本文采用模型驱动的系统构建方法进行系统的开发，该方法能够弥补传统系统建模与实现之间的鸿沟，能够把系统的建模与系统的实现有机地集成在一起，系统的模型能够通过转换工具直接转换成系统实现的代码，从而实现系统模型与系统实现的统一。当业务流程发生改变时，可以通过对模型的修改，并把修改完成的模型通过转换工具进行系统的再生成，在很大程度上减少了对系统重构和调整的程序修改和调整量，从而使系统能够更加直观和快捷地根据需求进行系统的重构。

（3）重构粒度维

由于不同离散制造企业的制造模式和管理流程不同，系统的重构要求在不同层次上实现。根据面向服务的系统体系结构的特点，系统可以实现在不同粒度、不同层面上实现系统的重构和代码复用，如组件级、服务级、业务流程级，以及功能子系统级实现系统的重构和复用。不同粒度的应用重用和调整加强了系统重构的灵活性，同时服务与平台无关、松散耦合等特性也使实现系统的重构更加方便。

（4）系统集成维

灵活的系统集成方式能够有效地提高制造执行系统的可重构能力和应变能力，通过应用面向服务的系统集成技术，面向服务的离散车间可重构制造系统应该从多个方面、多个层次实现与其他信息系统及装备的集成，包括：①在制造过程中实现与车间中的人、技术及加工装备的集成化运行；②通过与企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）系统及车间在线控制（Shop Floor Control，SFC）系统的垂直集成，实现了制造企业内部双向的信息集成和过程集成；③根据特定离散制造行业的特点，快速集成相关行业的应用构件或服务库，快速构建面向该行业的制造执行系统解决方案；④通过与产业链上其他企业的信息系统的集成，实现企业之间的协同制造和协同商务。

2.1 模型驱动的系统构建方法

基于模型驱动的、面向服务的离散车间可重构制造执行系统的系统建模和实现过程如图3所示。模型驱动的系统建模与实现过程包括根据离散制造车间的业务需求建立制造执行系统的平台无关模型（Platform Independent Model，PIM），在此基础上应用业务转换规则和工具把平台无关模型转换成基于Web服务的平台相关模型（Platform Specific Model，PSM），最后把平台相关模型转换成基于Java 2平台企业版（Java 2 Platform Enterprise Edition，J2EE）的系统实现代码。具体过程和实现如下：

（1）面向离散车间的可重构制造执行系统平台无关模型的建立

根据典型离散车间制造管理的功能需求和信息需求，应用可视化的面向对象建模语言——统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）建立系统模型，通过用例图建立系统的功能需求模型，用类图和对象图建立系统的静态模型，用活动图和协作图建立系统的动态模型等，并通过UML Profile及对象约束语言（Object Constraint Language，OCL）对模型进行规范和限制，以精确地表示模型的语义信息，但这些模型不带任何技术平台的相关信息。

（2）平台无关模型向基于Web服务的平台相关模型的转换

通过模型的转换工具和定义的模型转换规则，把制造执行系统的平台无关模型转换成基于Web服务的平台相关模型，具体的实现包括：①把PIM中的类图转化成面向关系数据库的E-R图；②把PIM中的业务逻辑处理转换成粗粒度的Web服务PSM模型，同时通过Web服务PSM模型的提炼，把web服务PSM模型分解成粒度更细，或者合成为粒度更粗的Web服务PSM模型，以更好地满足业务处理和管理的需求；③把用户接口和界面的PIM转换成Web展现的PSM模型。

（3）平台相关模型到系统代码的转换

通过代码生成工具，把E-R图转化成关系数据库管理系统中的数据库对象；把Web展现PSM生成相应的Java伺服端网页（Java Server Page，JSP）或超文本标记语言（HyperText Markup Language，HTML）代码；把Web服务PSM模型转化成相应的Web服务接口描述和Web服务实现代码，并进行必要的业务逻辑处理的程序开发。笔者所在课题研究组通过长期的积累，已开发了一些车间制造管理的标准服务，有效地实现了功能的重用并减少了开发代码量。

2.2 基于服务的可重构单元的构建与实现

在面向服务的离散车间可重构制造执行系统中，可重构单元包括功能组件、功能服务、业务流程和功能子系统。可重构单元的构建和实现将基于模型驱动的方法，应用可视化建模语言UML，以及基于服务的系统构建思想，通过对制造管理过程的功能分析、流程分析、业务对象分析等过程，应用web服务的相关技术，实现各个级别的可重构单元，具体步骤如下：

（1）功能需求建模

根据离散车间对制造业务管理的需求，应用用例分析技术和方法，对制造管理域相关功能进行需求分析，建立面向离散车间的可重构制造执行系统的功能需求模型。

（2）业务流程建模

针对功能需求模型的每个需求用例，根据离散车间制造管理的业务流程，应用活动图对制造管理的业务流程进行建模，建立离散车间制造管理的流程模型。

（3）功能组件的定义

根据车间业务流程模型，把模型中的相关控制节点和业务处理节点作为功能组件，并根据组件设计原则和粒度要求进行组件的评价、合并或者拆分成不同粒度的功能组件。

（4）服务的识别和实现

以UML类图为工具，根据特定的功能域进行业务对象建模，分析车间制造业务对象，然后根据业务对象模型和流程模型，把完成特定功能的业务处理节点定义成细粒度的服务，把一些实现公共业务的子过程定义成粗粒度的服务，最后，应用模型驱动的方法，通过定义模型转换规则和利用前期积累的功能服务库把上述的模型转化成服务的描述和服务实现，并根据实际情况对服务实现进行完善和部署。

（5）通过服务的组合和编排实现业务流程

根据流程组合和协作方式的不同，如制造车间内的业务流程通过静态或者动态的服务组合和编排进行建模，以UML的协作图为工具建立服务的交互模型，然后通过模型驱动的方法，通过转换规则和代码生成工具分别生成可执行的业务流程执行语言（Business Process Execution Language，BPEL）以实现车间制造的业务流程。

（6）功能子系统的组成

根据相关的规则，把相应的功能服务和业务流程组合成各功能子系统。

3 系统实现

基于上述面向服务的离散车间可重构制造执行系统的体系结构和系统实现方法，基于J2EE开发架构和Web Services技术，开发了面向服务的离散车间可重构制造执行系统——车间制造管理信息系统（Shop Floor Management Information System，SFMIS），系统由实时数据采集与信息交互平台、SFMIS功能子系统和系统集成框架等部分构成。

（1）实时数据采集与信息交互平台

能提供多种方式的数据采集和信息交互方式，如通过自主开发的多功能信息交互终端能够实现与车间加工设备的互连，进行数字控制（Numerical Control，NC）代码的传递、自动实时地获取设备的状态和加工进度信息，同时该终端作为工人的工作平台，能够获取加工所需要的信息（如零件图纸、工艺、加工任务等）并采集生产任务的进度和物料消耗等信息；能够支持PC、掌上电脑（Personal Digital Assistant，PDA）、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）等多种方式的数据采集和信息交互、支持远程用户（出差在外的管理者、客户等）通过互联网进行系统的访问。

（2）SFMIS功能子系统

包含车间制造管理系统的功能服务和技术服务，车问制造管理的功能和业务流程都在这里实现，实现的功能包括生产作业调度、生产过程管理与监控、车间物料管理、在线质量管理、制造资源管理、生产绩效分析、制造基础数据等服务，并通过服务的组合、编排实现车间制造的业务流程。业务功能的使用则可以通过SFMIS功能子系统中展现层的访问实现。

（3）系统集成框架

通过企业服务总线有效地实现了与企业其他信息系统的集成，并且能够根实际需要有效地集成第三方的应用构件和服务。

系统具有较好的通用性、可配置性、可扩充性及集成性，能够根据制造企业内外部环境的变化快速地对系统进行重构，以满足制造过程管理的需求。与传统制造执行系统相比，面向服务的离散车间可重构制造执行系统的实时数据采集与信息交互平台，使制造过程在线数据采集与实时信息交互得以较好的实现，同时由于采用面向服务的软件体系结构和开发模式，系统独立于开发和应用的平台，大大降低了系统的集成难度；根据业务的需求，可以通过动态及静态的服务组合和编排，快速、高效地实现流程的重构；基于模型驱动架构（Model-Driven Arehitecture，MDA）的系统开发方式，以直观的模型作为系统开发的重要组成部分，极大地提高了系统开发和后期实施调整的效率，系统开发的生产率和效率得到了极大的提高。在具体的实施过程中，用户可以根据实际业务的需要实施所有的功能模块、也可以选择部分模块进行实施，能够满足典型离散制造企业制造过程管理的需求。目前，系统已经获得国家软件著作权登记，并在若干个汽车零配件生产企业进行应用试点，运行良好。

4 结束语

本文在分析离散制造车间制造过程管理特点的基础上，提出了一种基于服务的离散车间可重构制造执行系统，该系统能实现与车间底层生产装备和工人的集成化运行，并能根据需要集成第三方制造管理应用和服务，为制造执行系统的开发和应用提供了一种更为深入的实现和应用模式。在此基础上，提出了一个面向服务的系统集成技术的离散车间可重构制造执行四维系统模型，详细地讨论了模型驱动的系统建模与实现方法，实现了系统模型与系统实现的统一，以及系统的跨平台重构；通过不同粒度服务的构建和基于动态服务组合的流程的编排，实现了业务功能的重用和动态的流程重构，为制造执行系统的功能复用和流程重构提供了一种新的方法和思路。最后，基于J2EE架构和Web Services技术进行了系统开发和应用试点，运行良好。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/10/2008)


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