MES现状与发展趋势

    MES的全称是制造执行系统（Manufacturing Execution System）。MESA对MES的定义如下：“MES是一些能够完成车间生产活动管理及优化的硬件和软件的集合，这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程。它通过维护和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息”。上述的定义中强调了以下3点：（1）加陷在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁；（2）MES的目的在于优化管理活动，它强调精确的实时数据；（3）MES是围绕企业生产这一为企业直接带来效益的价值增值过程进行的，它强调控制和协调。MES的概念是美国先进制造研究协会（AMR）于1990年11月首次正式提出；1992年美国成立了以宣传MES思想和产品为宗旨的贸易联合会——MES国际联合会（MESA International）；1997年MESA发布了6个关于MES的白皮书，对MES的定义与功能、MES与相关系统间的数据流程、应用MES的效益、MES软件评估与选择以及MES发展趋势等问题进行了详细的阐述；1999年，美国国家标准与技术研究所（NIST）在MESA白皮书的基础上，发布有关MES模型的报告，将MES有关概念规范化；2000年，美国国家标准协会（ANSI）致力于MES标准化工作（ANSI／ISA－95），陆续发布了SP－95系列标准。MES的标准化进程以及ERP技术的成熟及其广泛应用正成为MES发展的强大推动力。目前，随着我国制造业信息化建设的深入开展，MES正成为继ERP后的又一热点。

1 MES的现状

    1.1 体系结构

    MES的体系结构经历了从T－IVIES向I－MES发展的历程。传统的MES（T－MES）是从20世纪70年代的零星车间级应用发展起来的。T－MES又可以分为专用MES（Point MES）和集成MES（Integrated MES）两类。专用MES是一种自成一体的应用系统，它针对某个单一的生产问题（如在制品库存过大、产品质量得不到保证、设备利用率低等）提供有限功能（如物料管理、质量管理、设备维护、作业调度等），或适用某种特定的生产环境（如应用于半导体和MEMS车间的MES、应用于FMS系统的MES等）。专用MES具有实施快、投入少等优点，但通用性和可集成性差。集成MES系统起初是针对特定行业（如航空、装配、半导体、食品和卫生等）特定的规范化环境而设计的，目前已拓展到整个工业领域。在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成。集成化MES具有丰富的应用功能、统一的逻辑数据库、产品及过程模型等优点。但该类系统依赖特定的车间环境，柔性差，缺少通用性和广泛的集成能力，难以随业务过程变化而重新配置。

    AMR在分析信息技术的发展和加陷应用前景的基础上，提出了可集成MES（Intrgratable MES，I－MES）这一概念。可集成MES是将模块化、消息机制和组件技术应用到MES的系统开发中，是两类传统MES系统的结合。从表现形式上看，I－MES具有专用MES系统的特点，即I－MES中的部分功能可以作为可重用组件单独销售；同时，它又具有集成MES的特点，即能实现上下两层之间的集成。此外，I－MES还具有客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之间的集成和原有系统的保护以及即插即用（P&P）等功能。目前，基于组件的I－MES是MES的主要发展方向。

    1.2 主流技术

    由于MES处于ERP和PCS之间，既要对ERP内部系统和ERP的外部网络收发信息，又要对PCS系统传递信息。因此，MES开发与实施涉及的关键技术包括了计算机操作系统、数据库技术、MES体系结构、开发应用技术等。此外，进行MES的开发和实施还需要考虑MES系统的可配置性。根据LogieaCMG咨询公司2005年对MES软件的调查报告，国际MES产品的主流技术情况如下：

    a．支持平台方面，主要有Windows NT、Windows 2000、Windows XP、Unix、Linux。与2004年相比，MES的开发厂商对Windows NT平台的平均支持率下降到了68％，而大部分厂商转向支持Windows 2000、Windows 2003以及Windows XP等平台，特别是对XP的支持率达到了96％；Unix平台的支持率稳定在44％的水平；Linux平台的支持率从2004年的17％增长到2005年的28％，只有少数的产品支持AS／400和Open VMS等平台。

    b．数据库方面，MES产品支持的数据库主要有Oracle、SQL Server、DB2、Progress、Informix、Ingress、Sybase等。SQL Server和Oracle是开发商主要采用的数据库，约有30％的产品支持DB2，仅有小部分的产品支持其他数据库。

    c．应用技术方面，MES系统的开发主要采用DCOM、COM＋，Active－X、XML，DotNET、J2EE，ODBC、OLE、OPC等技术。目前的厂商大多采用Microsoft的技术进行系统的开发。XML的采用比例逐年增加，所有参与2005年调查的厂商都采用了XML技术，这是因为XML技术使不同的MES软件之间以及MES软件与管理软件之间可以进行数据交换以及功能的交互；DotNET技术目前采用率达到了72％；J2EE的采用率也达到了32％；DCOM、COM＋、OLE的采用率都在60％以上，Active－X、OPC则在70％以上，ODBC的应用率为82％。

    d．系统架构方面，MES系统主要采用C／S、Web使能、瘦客户端、分布式结构、负荷平衡等体系结构。C／S架构的采用率呈下降的趋势，相反瘦客户端（Thin Client）的采用率却上升至90％。大约92％的产品都是Web使能架构的。

    e．系统可配置性方面，部分MES厂商的产品定位是使产品尽可能适合特定的用户群，相反有些厂商则为用户提供柔性的可配置工具来迎合客户的需求，以赢得广大的市场。报告从业务逻辑、图形用户界面、报表等方面来分析MES产品的可配置性，并通过标准化（Standard）、组件（Cornpo－nent）、库（Libraries）和客户化定制（Custom Made）4个指标来评价系统的可配置程度。图1描述了国际主流MES产品的平均可配置性。以图形用户界面的可配置性为例，IVIES产品在大于60％的程度上提供标准功能，在27％的程度上可通过组件来配置，8％由库来支持，只在4％的程度上可实现完全客户化定制。

图1 国际主流MES产品的平均可配置性

    1.3 应用情况

    MES在发达国家已实觋了产业化，其应用覆盖了离散与流程制造领域，并给企业带来了巨大的经济效益。MESA分别在1993年和1996年以问卷方式对若干典型企业进行了两次有关MES应用情况的调查，这些典型企业覆盖了下列的7大行业：医疗产品、塑料与化合物、金属制造、电气／电子、汽车、玻璃纤维、通讯等。调查表明企业使用MES后，可有效地缩短制造周期，缩短生产提前期，减少在制品，减少或消除数据输入时间，减少或消除作业转换中的文书工作，改进产品质量僦少次品，消除损失的文书工作。据权威咨询公司AMR最新完成的一项市场调查显示：2004年，全球MES市场营收为10．6亿美元，与2001年相比，增长超过50％；2006年全球制造业在管理软件方面的投资，MES居第二位，仅次于ERP。在国外很多行业应用中MES已和ERP相提并论，而且MES已经成为目前世界工业自动化领域的重点研究内容之一。国内在“十五”期间，流程工业领域MES成为技术研究的突破口，重点面向钢铁和石化2个典型流程制造行业。目前，MES已在钢铁、石化等行业得到成功应用并开发完成了若干自主产权的MES系统，如：上海宝信MES、中国石化MES（S－MES V1．0）等。根据中国电子信息产业发展研究院的1份报告，到2003年底，共有110套MES应用于国内的钢铁企业。“十五”期间还对离散制造MES进行了探索性研究，并取得初步成效（如西飞MES等），国内市场上也出现一些针对离散制造业的MES产品，如：ICON－MES、OrBit－MES、天为MES等。“十一五”期间，随着我国制造业信息化建设的深入开展，MES有望在我国获得更广泛和深入的应用。

    1.4 存在的问题

    近年来我国MES的研究和产业都有了一定的发展，但总体来说，与西方发达国家相比，我国无论是在MES技术深度与应用广度上都存在较大差距，主要体现在以下几个方面：

    a．MES体系还不完整。基本功能不完善，缺乏过程管理与优化等面向典型行业的核心模块。针对离散制造业尚无完整、系统的MES解决方案和成熟的软件产品。

    b．缺乏MES技术标准。MES的设计、开发、实施、维护缺乏技术标准，影响了MES产品的技术性能，加大了系统开发和应用的成本，与国外同类MES产品竞争没有优势。

    c．集成性还没有完全解决。由于缺乏统一的工厂数据模型，MES各功能子系统之间以及MES与企业其他相关信息系统之间缺乏必要的集成，导致MES作为企业制造协同的引擎功能远未得到充分发挥。

    d．通用性和可配置性较差。现有系统通常针对特定需求，很难应对企业业务流程的变更或重组。由于缺乏基于工厂数据模型的数据集成技术，系统的可配置性、可重构性、可扩展性较差，严重制约MES系统的推广应用。

    e．实时性不强。MES作为面向制造车间的实时信息系统，实时性是实现MES功能的基础。现有系统缺乏准确、及时、完整的数据采集与信息反馈机制，在底层数据的实时采集、多源信息融合、复杂信息处理及快速决策等方面非常薄弱。

    f．智能化程度不高。MES中所涉及的信息及决策过程非常复杂，由于缺乏智能机制，现有MES大多只提供了一个替代经验管理方式的系统平台，通常需要大量的人工干预，难以保证生产过程的高效和优化。