0 引言
在我國經濟體制結構中，離散制造業在評價國家綜合實力中起著舉足輕重的作用。隨著知識經濟和電子商務、因特網等信息技術的發展，現代制造業面臨著新的環境和挑戰，制造業信息化成為了促進制造業企業發展的重要動力。同時，應用面向服務的信息化技術是制造業信息化系統發展的重要趨勢，而制造執行系統(manufacturing execution system，MES)的產生和應用順應了制造業信息化的潮流，所以在全球商業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。
作為整個制造企業生產活動與管理活動信息溝通的橋梁，MES采用雙向直接通訊，在整個企業的產品供需鏈中，既向生產過程人員傳達企業的計劃，又向有關部門提供產品制造過程狀態的信息反饋。傳統的專業MES開發公司，其設計的產品通常是針對車間生產過程中特定的功能模型或者是特定制造環境下的車間生產類型而開發的，因此，不同的制造業企業可能由于車間內部需求的不同，從不同軟件供應商購買需要的MES產品。這一行為導致了各制造業企業的MES實際上是一個綜合應用系統，其每個子系統有各自的處理邏輯、數據庫、數據模型和通信機制。企業專用MES應用于車間生產，其出發點是為了解決某些關鍵任務或者某些特定領域問題，比如車間生產調度、數據的實時采集和質量控制等；集成MES主要是針對特定環境設計的行業MES，雖然這類系統具有集成上層計劃與下層控制的功能，但其不能與企業中已存在的異構數據庫等系統實現相互操作，更不能在動態環境下進行動態配置，從而不利于技術的更新升級。總而言之，隨著離散制造車間制造模式的發展和改變，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、重構能力弱等不足，難以滿足現代車間生產管理的要求。因此，本文提出了面向服務的離散制造車間MES體系結構。
1 相關研究
MES作為離散制造車間制造系統運行模式的基本構成和支撐技術，其功能模型和體系架構的適用性對于離散制造企業實施MES意義重大。面向服務架構的制造執行系統是基于開放的工業標準，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需求的變化，利于實現企業信息流的連續性和車間制造的敏捷性。根據現代制造業的未來發展趨勢，面向服務架構的MES成為了學術界的研究熱點，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MES軟件體系結構和實現方法，之后針對現有MES存在的問題，提出了面向服務的協同MES架構；郝廣科等人從MES技術著手，設計了面向服務的多層體系結構，提出了面向服務的制造執行系統開發方法；柴永生等人針對制造執行系統應用開發的復雜性，提出了基于服務的制造執行系統信息集成架構；在此基礎上，袁安富等人以中小企業為研究對象，提出了以Web服務技術為基礎的一種面向服務的信息系統架構，實現了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行系統的架構風格和集成方式；王琦峰等人¨叫還綜合使用多種建模方法，實現了對面向服務的制造執行系統的分析與設計。在工業界的應用中具有代表性的面向服務計算技術有上海普元的面向服務應用平臺EOS和流程平臺BPS等。文獻是關于面向服務的MES實踐研究，介紹了FactoryTalk集成化生產與績效套件如何應用SOA技術實現集成、可擴展和通用的制造執行系統，并在此基礎上給出了汽車裝配生產線應用實例。
綜上所述，目前的研究主要集中于面向服務的MES框架模型、系統架構及建模等方面，而針對離散制造車間的面向服務的MES模型構建、應用實施及優化運行研究較少，且尚未提出完整、規范性的面向服務的MES體系結構，同時對其在集成化、通用化和產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。針對上述問題與現狀，本文結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體系結構，分析了傳統面向對象的MES系統架構不足，并分析了本體系結構構成及其特點。
2 傳統面向對象的MES系統結構
傳統的面向對象的MES體系架構包括用戶界面層、業務邏輯層和數據庫層，如圖1所示。
圖1 面向對象的3層IVIES體系結構
從支持離散制造車間制造系統優化運行的角度來說，傳統的面向對象的MES在技術和功能上存在以下問題：
1)跨車間或跨企業制造過程協同功能
從企業上層信息系統下達的制造任務不僅是車間制造系統內部，更是與其相關的制造企業之間協作的基本驅動因素。考慮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境等條件的約束下對所涉及的資源進行優化配置，實現跨車間或跨企業制造過程的有效協同是MES的重要功能。而傳統的面向對象的MES功能往往局限于單一的車間制造系統，無法支持跨車間或企業的制造過程管理與協同。
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離散制造車間制造系統運行模式敏捷性的基礎。但是由于MES所處的實施環境比較復雜，實現這一功能需要從2方面著手，即數據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的敏捷性。而傳統的面向對象的MES的數據采集是以手工上報為主，結合條形碼等半自動信息采集技術，這種采集方式時間間隔較大，容易受到人為因素的影響，且數據的準確性得不到保障。
3)系統集成性和可重構性
生產設備和車間人力資源也是離散制造車間運作系統的一部分，MES需要與其共享信息和交互資源，這樣才能實現車間對整體資源的優化配置和合理調度。同時內外部環境的多變和市場的不穩定都要求MES結構具有可重構性，這樣才能迅速對系統作出重新配置和調整。而傳統的面向對象的MES將上述2個系統隔離管理，不利于企業信息系統集成，并且傳統MES產品針對性較強，很難做到對動態環境的敏捷反應。
因此，為了更好地支持面向服務的離散制造車間制造系統運行模式的有效運作，在功能框架上，需要對傳統的面向對象的MES功能進行擴展，即要求擴展后的MES能夠在原有功能的基礎上實現跨車間或跨企業的制造過程協同、制造過程實時信息采集和實時事件處理、MES與生產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集成的速度，即其能夠在相應工業標準基礎上隨機應變。而面向服務架構因為其語言獨立性、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首選的體系結構。
3 面向服務的體系結構
面向服務體系架構(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議聯系起來。接口采用完全中立的方式來定義，獨立于實現具體服務的硬件、操作系統和編程語言。在SOA中，服務是封裝成用于業務流程中的可重用組件的應用程序單元，提供了信息或業務數據從一個有效、一致的狀態向另一個狀態的轉換。面向服務體系架構如圖2所示。
面向服務的體系結構中的角色包括：
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。其發起對注冊中心中的服務查詢，通過傳輸綁定服務，并且執行服務功能。服務使用者根據接口契約來執行服務。
2)服務提供者。服務提供者是一個可通過網絡尋址的實體，接受和執行來自使用者的請求。其將自己的服務和接口契約發布到服務注冊中心，以便服務者可以發現和訪問該服務。
3)服務注冊中心。服務注冊中心是服務發現的支持者。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 面向服務體系結構
4 面向服務的離散制造車間MES體系結構
4.1 系統需求分析
1)車間制造資源共享與系統集成
離散制造車間MES執行的任務主要是企業的MRPII／ERP以“工作令”的方式下達，以車間生產設備，CAD，CAM，CAPP等相關軟件，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首先要對車間異構資源系統進行規范描述和定義，使之能夠信息共享，然后對制造任務進行有效的分解，并依據客戶訂單要求和制造條件對制造資源進行優化配置，從而實現車間制造資源之間、不同信息系統之間充分的信息共享和無縫的系統集成。
2)制造過程實時信息采集與實時事件處理
離散制造業企業一般是人員密集型企業，車間自動化水平相對較低，一般以手工上報為主，加之數據采集設備、采集方式和采集技術的局限性，使得采集的數據完整度不高，不利于實現生產過程及時、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，從而也就很難實現車間制造系統運行模式的敏捷化。
3)MES系統的可重構性
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，致使每個產品具體的產品結構、工藝流程、生產計劃、生產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整，對車間制造工藝進行及時規劃，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 體系結構介紹
面向服務的離散制造車間MEs在擴展了傳統MES功能基礎上，引入了面向服務架構和服務理念，目的在于實現離散制造車間制造資源的共享和系統有效集成，支持車架制造系統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優化。同時，擴展后的體系模塊通過面向服務這一架構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異構系統間信息共享和系統集成，從而實現車間整個制造系統全方位的協同。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體系結構，其主要由資源服務層、基礎服務層、功能服務層、流程協同層、平臺集成框架層和平臺門戶構成，如圖3所示。
圖3 面向服務的離散制造車間MES體系結構
1)資源服務層。資源服務層包含車間制造系統制造過程中所需要的各種資源，主要是數據庫及生產相關文檔等信息類資源，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據采集和信息交互終端集成到制造執行系統中。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來實現資源、信息和數據等的統一，這樣有利于實現對資源、數據和信息等的有效管理。
2)基礎服務層。基礎服務層屬于MES的中間層，是平臺的核心基礎架構，既包括車間事務管理、日志管理等構成平臺基礎的中間件，也包括各種基礎協議和服務。這一模塊的設計方便了用戶使用各類制造服務資源，同時也為構建高效穩定和安全的面向服務的系統平臺提供了重要的技術保證。
3)功能服務層。這一模塊是面向服務的制造執行系統的核心，在傳統MES功能基礎上擴展了面向服務的離散制造車間制造系統運行模式下的諸如制造過程協同、制造過程實時數據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，系統的用戶就可以通過面向服務架構來調用所需要的功能服務。
4)流程協同層。美國ARC顧問集團認為企業實現協同，需要沿著產品生命周期、企業價值鏈和企業不同的層次實現系統的集成¨21。制造過程流程協同層這一模塊實現的就是整個產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、質量及信息等的運作和管理的所有業務流程，這些流程在企業價值鏈的支撐下由功能服務層的功能服務依據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。由于制造過程協作的復雜性及不同信息系統之間的異構性，平臺集成框架支持面向服務的制造執行系統與車間其他信息系統或者是跨車間內部MES信息、跨企業外部MES信息的集成，通過集成消除各個系統之間的異構性。
6)系統門戶。系統門戶是面向服務的制造執行系統的統一入口。
4.3 體系結構優點分析
面向服務的離散制造車間MES結構優點有以下3個方面：
1)服務化。服務是構建制造執行系統的基本單元，服務的請求、發布、查找和組合運作是系統的基本運作模式。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行系統擴展了傳統MES的應用范圍，支持網絡環境下不同車間制造系統對MES的運作管理；二是系統的構建是基于面向服務技術，支持各類制造服務和功能按照需求增設；三是數據采集和信息交互終端的使用使得制造執行系統的功能想設備層和操作層深入。
3)集成化。面向服務的制造執行系統在技術上消除了不同信息系統之間的異構性，并將制造資源、軟硬件資源等封裝成服務，實現了企業三層結構的有效集成。同時，這一系統支持制造系統在計劃、進度、質量等方面的信息集成。
5 結語
面向服務是MES發展的必然趨勢，本文基于面向服務架構提出了面向服務的離散制造車間MES體系結構，其有效解決了離散制造車間制造系統異構性、車間制造資源共享和信息系統集成等問題。本體系結構的實現方法和實施模式將在后續的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體系結構研究
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