基于多厂制造执行系统异构数据集成架构的研究

    制造执行系统（MES）主要用来解决整体优化中生产计划与生产过程的脱节问题，这一问题长期以来不仅直接影响企业的生产效率，而且成为制约现代企业内部信息集成和企业间供应链优化的瓶颈。MES运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录工厂活动，从而能够对条件的变化作出迅速响应、减少非增值活动、提高工厂运作过程的效率。目前MES的使用一般以工厂为单位。工厂可能会从不同的软件供应商购买适合自己的MES，而且各工厂必须使用自己的MES来管理生产现场。随着企业规模的不断扩大和国际化，为了提升产量及接收订单的能力，企业通常会扩充生产线或寻找外包商。如此一来，原本单纯的现场管理随着工厂的增加和跨地区的差异变得更加复杂，形成多厂问题。

1 多厂问题

    1.1 问题描述
    单个工厂内部的生产信息系统不外乎由下列三个层次的信息系统串接而成：
    a）生产计划系统（ERP/ERP-like system）。它是工厂接到订单后产生主生产计划、采购管理、物料需求计划、成本、运输以及订单和交货期控制的管理信息系统。
    b）制造执行系统。它负责承接来自生产计划系统的计划结果，将制造工单、原材料、所需资源及生产时相关的参数分派到各直接生产单位进行生产，并监控现场每张工单在各制造工序中的生产情况，反馈给生产计划系统或制造执行系统。
    c）制造控制系统（MCS）。它实际产生控制命令，直接控制生产现场的机器设备，并持续收集现场资源的使用状态，实时反馈给制造执行系统。

    当这些独立运作的厂区串联在一起时，即形成多厂信息系统串联架构。多厂环境下，集成的关键是如何得知其他工厂的资源状态，让制造执行系统进行资源分配与管理。各工厂所使用的生产计划系统必须具备存取其他工厂MES数据的能力。然而现行的MES一般具有下列缺点：MES属于一个封闭的信息系统，很难与其他MES集成在一起；MES系统本身难以量身定制；其他外部系统难以获取MES的数据信息。另一方面，各工厂MES所使用的数据库规格、数据存储结构、数据表达的语义以及数据信息的内容不尽相同，因此除了MES系统本身的缺点外，各生产工厂之间的MES普遍存在数据异构现象。例如不同的工厂对于相同的数据往往会有不同的定义；相同的数据会因为不同厂商的数据库系统而产生数据存储结构和形式上的差异。数据异构不仅会造成工厂间数据交换方式的复杂化，导致多厂间的数据集成变得极为困难，而且使得企业的分析结果往往欠缺企业整体（enterprise-wide）考虑。

    1.2 问题限制与假设
    面临多厂环境时，如何将每个MES所记录的生产资料进行有效整合，以达到信息的共享，提升企业对客户的服务水平。为简化研究范围，进行以下限制和假设：
    a）将系统分为ERP、MES和MCS个子系统，并对MES部分进行多厂数据的集成。
    b）本文的数据来源只考虑数据库异构，其他异构来源如文件式或多媒体式等皆不予考虑。
    c）假设每个制造执行系统只使用一种数据库来存储生产信息；而且所有现场的事务数据信息，如动态WIP和机器加工数据均能够存储在各工厂的生产数据库或MES数据库内，即只需考虑数据库的异构性。
    d）假设每个工厂外包厂的MES能提供的数据内容与各工厂的数据内容相同。企业对各工厂外包厂的定位如同自己旗下的一个工厂一样。

2 多厂数据集成架构

    多厂异构MES之间的数据集成模式（MPDIF）采用以wrapper-mediator为基础，配合DataFoundry将分散的数据存储整合成单一material view的思想。为改善传统wrapper-mediator在集成时复杂度过高的障碍，这里所定义的wrapper和mediator在功能上与TSIMMIS或DataFoundry的定义有些差异，描述如下：
    a）Wrapper可将各工厂MES数据库中的数据自动转换成XML文件，不需要再由mediator提供数据转换界面。
    b）Mediator不必认识每种数据来源的存取方式，只需认识各工厂MES的网络路径（IP或URL）以及XML文件的存取格式即可进行运作。

    为了完成多厂MES数据的提供、收集和对异构数据进行处理一系列集成的过程，MPDIF定义了以下几个功能模块：
    a）数据集成与分析模块（数据集成代理）。根据数据的更新时间对负责收集数据的数据提取代理进行派工；当数据收集完成后对所收集到的数据进行分析和整合。
    b）数据获取模块（数据提取代理）。它是移动代理，可以任意游走于各个工厂，并与每个工厂代理接触。
    c）数据标准化模块（工厂代理）。负责与提出要求的数据提取代理进行沟通，以提供所需整合的数据。

    模块间的关联及系统架构流程如图1所示。每个模块由于是单独运作，可视为负责不同任务的软件代理。

图1 MPDIF架构实体逻辑图