面向服务的离散车间可重构制造执行系统研究

0 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。

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。