引自：《制造執(zhí)行系統(tǒng)技術及應用》（作者：饒運清）

市場需求的動態(tài)多變導致現(xiàn)代制造環(huán)境不斷變化，包括企業(yè)業(yè)務流程的變化、車間組織機構的變化、車間制造資源的變化等，這就要求MES能夠根據(jù)制造環(huán)境的變化快速地進行系統(tǒng)配置和調整。MES系統(tǒng)架構從集成化（integrated）朝可集成（integratable）和可配置/可重構（reconfigurable）方向發(fā)展正是為了適應這種制造環(huán)境變化的需求。國際主流MES產品的形態(tài)已由MES專用產品過渡到由“MES基礎平臺+行業(yè)通用構件+企業(yè)定制化構件”構成的MES應用解決方案的MES平臺化產品。

「1. MES重構要素」

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企業(yè)業(yè)務流程、業(yè)務目標的變更和車間環(huán)境的變化始終是實施MES重構的原動力。在實施MES重構過程中，都要不同程度地涉及到車間生產組織結構、制造資源及生產流程三大要素。

（1）車間生產組織結構的重構：為了加強各生產部門之間的協(xié)作，提高車間的管理運行效率和車間生產的柔性，需要不斷調整或精簡車間各生產職能部門，重構原有車間組織結構。如車間典型的三層管理模式，車間主任—工段長—班組長，隨著生產能力的升級和管理效率的需求，通過增強車間主任的向下管理職能和班組長的向上管理職能，取消工段長。組織結構的重構在MES系統(tǒng)里的最直接反映是系統(tǒng)用戶和用戶權限的變更，這在目前的 MES系統(tǒng)里比較容易實現(xiàn)。

（2）車間制造資源的重構：車間制造資源包括設備、工具、人員等物理制造資源、在制品信息、質量等制造過程信息資源和訂單計劃、工藝、圖紙、庫存信息等外部集成制造信息資源。這制造資源在實際生產中都能發(fā)生動態(tài)變化，具體表現(xiàn)為：增加或減少設備、工具、人員，設備制造能力增強，增添質量跟蹤信息，添加或取消與外部系統(tǒng)的集成等。MES必須具備對車間制造資源重構的能力，及時反映車間制造資源的變化。

（3）車間生產流程的重構：生產流程就是將車間各種功能性生產活動有機組織起來完成生產制造過程，各功能性生產活動涉及相應的車間制造資源。企業(yè)業(yè)務目標的變更和車間環(huán)境的變化，使得先前運行良好的生產流程會變得過時，不再適應變化的環(huán)境，車間制造執(zhí)行系統(tǒng)MES必須對其重構。生產流程的重構必然在一段時間內帶來適應性和生產平穩(wěn)性問題，如果過高頻度地對關鍵生產流程進行重構容易使車間生產發(fā)生動蕩，因此應適時、適度地對生產流程重構。要實現(xiàn)這一點，需在MES系統(tǒng)里建立相應的流程評價機制，通過對生產流程的評價，找到需重構的關鍵點，提高流程重構的水平和效率。

「2. 可重構MES體系結構」

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建立可重構MES體系結構的主要支撐技術有：組件技術、工作流技術、業(yè)務流程管理、多智能體系統(tǒng)、業(yè)務流程管理（BPM）等。此外，先進的IT架構也是實現(xiàn)MES系統(tǒng)可重構的重要基礎。基于可重構體系結構的MES具有開放式、客戶化、可配置、可伸縮、易集成等特性，可針對企業(yè)制造資源和業(yè)務流程的變更或重組進行系統(tǒng)重構和快速配置，為可重構MES系統(tǒng)實現(xiàn)奠定堅實基礎。

1）基于組件技術的可重構MES體系結構

MES最終要通過軟件技術和軟件體系來實現(xiàn)。從軟件系統(tǒng)開發(fā)的角度看，MES主要運用軟件復用和軟件重構技術來實現(xiàn)重構，而組件技術是實現(xiàn)軟件復用與軟件系統(tǒng)重構的重要技術手段。

組件是通過抽象、封裝，以統(tǒng)一規(guī)范接口定義和訪問的獨立功能單元。基于組件的軟件開發(fā)方法把軟件開發(fā)分成領域工程和應用工程，二者既相互獨立企業(yè)信息化又相互促進，通過領域工程開發(fā)出可復用的領域組件，然后應用工程從中選取所需的領域組件來裝配成用戶需要的軟件系統(tǒng)。通過對MES各邏輯功能單元進行分類、抽象、提取開發(fā)出MES的業(yè)務組件庫。目前可以參考COM、EJB、CORBA等標準組件模型來實現(xiàn)MES的各種組件，如計劃調度組件、設備管理組件、人員管理組件、系統(tǒng)管理組件等，達到組件真正意義上的“即插即用”。

基于組件技術實現(xiàn)MES系統(tǒng)可重構，就是創(chuàng)建一個集成的、通用的和可動態(tài)配置的組件化對象模型，為制造領域開發(fā)和實施MES系統(tǒng)提供共享的、柔性的和易于擴展的開放環(huán)境，通過“搭積木”和軟件重用來實現(xiàn)不同企業(yè)的各種要求，避免對每一個企業(yè)重復進行需求分析、詳細設計、編碼、測試和運行維護等整個軟件生命周期的工作。

圖1所示是基于組件技術的可重構MES體系結構。基于組件技術的MES系統(tǒng)具有良好的可配置性、可重用性、可擴展性和可集成性，可以較好滿足現(xiàn)代制造企業(yè)對MES的需求。

圖1 基于組件技術的可重構MES體系結構

2）基于工作流的可重構MES體系結構

工作流技術是一種能夠有效地控制和協(xié)調復雜活動的執(zhí)行，實現(xiàn)人與應用軟件之間交互的技術手段。采用工作流技術，可以把MES業(yè)務邏輯從具體的業(yè)務實現(xiàn)中分離出來。這種方法在進行企業(yè)實際應用時具有顯著的優(yōu)點，它可以在不修改具體功能模塊實現(xiàn)方法（硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、編程語言、應用開發(fā)工具、用戶界面）的情況下，通過修改（重新定義）過程模型來完成系統(tǒng)功能的改變或系統(tǒng)性能的改進。通過工作流技術，可以有效地把企業(yè)各種資源（人、信息、應用工具和業(yè)務流程）合理組織在一起，提高軟件的重用率，發(fā)揮系統(tǒng)最大效能。基于工作流的 MES系統(tǒng)，可以通過流程的再定義，靈活地將應用系統(tǒng)的功能連接在一起，快速完成企業(yè)應用系統(tǒng)的搭建。

如圖2所示，采用工作流技術，可以把MES業(yè)務邏輯從具體的業(yè)務實現(xiàn)中分離出來。基于工作流的MES系統(tǒng)可以通過流程的再定義，快速完成企業(yè)MES系統(tǒng)的搭建。它可以在不修改具體功能模塊實現(xiàn)方法的情況下，通過修改或重新定義過程模型來完成系統(tǒng)功能的改變或系統(tǒng)性能的改進。

圖2 基于工作流驅動的可重構MES體系結構

３）基于多智能體系統(tǒng)的可重構MES體系結構

多智能體系統(tǒng)（multi-agent system，MAS）被認為是未來生產系統(tǒng)中實現(xiàn)降低生產費用、生產分散化控制、自適應及處理復雜過程的關鍵技術之一；同時它又是一種新的方法論，貫穿先進制造的各個領域，從企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟、ERP、規(guī)劃與調度到現(xiàn)場控制都有MAS 思想與技術的應用。MES系統(tǒng)生產過程和控制結構本身所固有的局部控制和分布式決策的特性，為多Agent技術提供了廣闊的應用空間。在MES中Agent主要指能完成某種特殊功能的分布式計算機程序，它具備如下關鍵屬性：持續(xù)性、通信能力、自主性、可移動性、反應性、適應性和進化性、推理和規(guī)劃能力等。基于MAS技術框架，可以MES系統(tǒng)中建立多種Agent類型，如管理Agent、加工任務Agent、資源Agent、監(jiān)控Agent等，每個Agent可以對應一個具有分布式自主決策能力的業(yè)務功能模塊，它們在分布式環(huán)境下實現(xiàn)信息共享和互操作，協(xié)同實現(xiàn)MES車間生產過程的管控功能。

圖3所示是基于MAS的可重構MES體系結構。基于多智能體技術的MES系統(tǒng)具有良好的可重構性與可擴展性。在基于MAS的MES系統(tǒng)中，既可以注冊業(yè)務功能組件，也可注銷業(yè)務功能組件，并且Agent中的各業(yè)務功能組件的相互關系也隨之做出相應的調整，從而達到系統(tǒng)重構的目的。

圖3 基于MAS的可重構MES體系結構

４）業(yè)務流程管理（BPM)

BPM( business process management），是一種可以為流程建模、自動化、管理和優(yōu)化的軟件技術，還代表了一種新的、可以產生滿足企業(yè)“隨需應變“的流程應用的方式，BPM技術的核心是通過軟件來管理企業(yè)的業(yè)務流程生命周期。通過建立一個流程模式，然后實施這個流程模式，產生流程應用，使工作得以在系統(tǒng)和員工之間流轉，并且通過這模式來管理運轉中的流程應用，和在使用時對流程應用進行優(yōu)化——無論是改善企業(yè)的核心流程或者是因業(yè)務條件變化做出調整。在流程生命周期的不同階段，大部分的BPM解決方案都支持業(yè)務部門的參與，業(yè)務人員開發(fā)出一個最初的流程模式，然后IT開發(fā)人員來進行實施。利用BPM的流程管理思想，將MES系統(tǒng)的核心流程模式化，產生具體車間流程應用，這個過程往往是IT人員與車間業(yè)務人員共同完成，以全面把握車間的核心流程。同時通過對車間流程全生命周期管理，監(jiān)控流程的執(zhí)行狀況，真實評價流程水平與效率，形成行之有效的流程優(yōu)化解決方案。

「3. MES配置平臺」

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MES配置平臺是實現(xiàn)MES系統(tǒng)可配置與可重構的重要手段與工具。只有通過MES配置平臺才能夠將MES可用資源庫中的各種資源根據(jù)用戶實際情況有效地整合在一起，生成符合用戶需求的MES應用系統(tǒng)解決方案。圖4所示是一個基于JAVA技術的MES可配置MES體系結構。

圖4 基于JAVA技術的可配置MES體系結構

該體系結構采用Java跨平臺技術，通過Web服務四層結構來實現(xiàn)。表示層是MES系統(tǒng)的用戶接口部分，是用戶與MES交互信息的窗口，并能夠通過內部的通信機制向請求接受層中的Web服務器發(fā)出請求；請求接受層負責接收用戶界面層傳來的消息，并將消息轉換成調用應用服務器上的相應服務的指令，同時將應用服務器的處理結果以網頁或控件形式傳給表示層。業(yè)務邏輯層是可配置MES系統(tǒng)的核心，它由基礎平臺層和MES配置平臺層兩部分組成。業(yè)務邏輯層通過對數(shù)據(jù)訪問層中所定義的各個數(shù)據(jù)對象的訪問實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫層的各種操作；數(shù)據(jù)存儲層負責向業(yè)務邏輯層提供所要求的任何數(shù)據(jù)的持久性。

業(yè)務邏輯層中的基礎平臺主要由工作流引擎、系統(tǒng)集成引擎等組成，構成工作流管理與資源信息集成等基礎性平臺。MES配置平臺則封裝了MES的相關業(yè)務邏輯，包括MES系統(tǒng)功能配置工具、MES 生產業(yè)務流程配置工具、MES車間組織機構配置工具、 MES車間資源配置工具、MES應用系統(tǒng)生成工具、MES 可用資源管理工具、MES配置模型管理工具等。以下對其具體內容進行展開說明。

（1）MES系統(tǒng)功能配置工具。MES系統(tǒng)功能配置工具能夠通過對功能概要描述與特點描述，及智能匹配等方法對MES通用功能模塊與 MES可選功能模塊進行配置，實現(xiàn)不同用戶千差萬別的需求，構建滿足用戶需求的系統(tǒng)框架與功能模塊。

（2）MES生產業(yè)務流程配置工具。MES生產業(yè)務流程配置工具通過對各個生產活動的屬性描述與制造流程的整體描述，配置用戶所需的生產業(yè)務流程，包括計劃制定流程、計劃審核流程、生產準備流程、零件生產流程、檢驗流程、信息反饋流程、任務到期預警流程等，通過工作流技術，對流程中的各個活動進行配置。需要注意的是，生產業(yè)務流程的配置是基于MES生產模型的。

（3）MES車間組織機構配置工具。MES車間組織機構配置工具提供對不同車間的各種層次結構及不同職能部門的組織機構配置，并實現(xiàn)不同職能部門不同角色的權限配置。

（4）MES車間資源配置工具。MES車間資源配置工具對生產車間內的生產所需要的資源進行配置（主要是生產設備與加工工人等資源），使得系統(tǒng)能夠及時準確地獲取車間資源的實時信息，并對車間資源實現(xiàn)統(tǒng)一管理。

（5）MES應用系統(tǒng)生成工具。MES應用系統(tǒng)生成工具以MES配置模型為基礎，對MES可用資源集合進行重構整合，從而構建出滿足用戶需求的MES應用系統(tǒng)。

（6）MES可用資源管理工具。MES可用資源管理工具對MES可用資源進行分類分層管理，包括MES通用功能、MES可選功能與MES業(yè)務流程等。并對每個資源的關鍵特性通過語言或者圖形等方式進行描述，以便MES應用系統(tǒng)生成工具對其整合。

（7）MES配置模型管理工具。MES配置模型管理工具通過功能模塊、業(yè)務流程、車間資源等方面的描述，實現(xiàn)對可配置MES系統(tǒng)所生成的配置模型的管理。

「4. 基于配置平臺的可重構MES解決方案」

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基于配置平臺的MES應用解決方案包括“MES配置平臺+MES可用資源集合+MES用戶定制功能”。該解決方案以用戶需求為核心，通過在MES配置平臺中生成的MES配置模型，應用MES可用資源來配置構建MES應用系統(tǒng)，并添加MES 用戶定制功能。

基于配置平臺的可重構MES解決方案如圖5所示，以下展開論述其主要內容。

圖5 基于配置平臺的可重構MES解決方案

（1）MES配置平臺。MES配置平臺是根據(jù)用戶需求，建立MES配置模型并生成MES應用系統(tǒng)的一個平臺系統(tǒng)，是整個MES可配置框架的核心。在MES配置平臺中，將用戶對MES應用系統(tǒng)的需求轉換為MES配置模型。之后，在MES配置模型的基礎上建立MES應用系統(tǒng)。此外，MES配置平臺負責提供一個可靠的運行環(huán)境，保證系統(tǒng)中所有的功能組件在同一環(huán)境下良好地工作，并以一個統(tǒng)一的運行機制管理所有的功能模塊。

（2）MES可用資源集合。MES可用資源集合是構建滿足用戶需求的MES功能與業(yè)務流程的資源集合。MES配置平臺以MES配置模型為基礎，通過調用MES可用資源集合中的功能模塊與業(yè)務流程，建立用戶所需要的MES應用系統(tǒng)。

（3）MES用戶定制功能。用戶定制的功能模塊可以根據(jù)用戶實際的運行環(huán)境，定制開發(fā)適合企業(yè)實際情況的功能模塊，保證企業(yè)具有特色的生產制造流程得以保留，讓企業(yè)用戶能夠在自己熟悉的環(huán)境中自然地改變正在使用的信息化工具。

如圖5所示，“MES配置平臺+MES可用資源集合”構成一個在離散制造領域內具有較強通用性的解決方案。以此作為構建MES應用系統(tǒng)的基礎，再配以為企業(yè)定制開發(fā)的“MES用戶定制功能”，就可以完整地滿足企業(yè)的實際需求，實現(xiàn)MES的快速配置與對車間生產制造環(huán)境變化的快速響應。

根據(jù)上述基于配置平臺的面向離散制造業(yè)的MES應用系統(tǒng)解決方案，應用系統(tǒng)的開發(fā)人員甚至可以是用戶自己，依據(jù)MES應用系統(tǒng)的具體需求，包括系統(tǒng)功能、業(yè)務流程、信息對象等，通過應用MES配置平臺，一步步建立MES配置模型、MES雛形系統(tǒng)，最終生成MES應用系統(tǒng)。具體步驟如下：

第一步：建立MES配置模型。以用戶的具體需求為基礎，通過MES配置平臺中的 MES系統(tǒng)功能配置工具、MES車間組織機構配置工具、MES生產業(yè)務流程配置工具、MES車間資源配置工具等，建立包括車間的組織機構模型、功能模型、業(yè)務流程模型、資源模型、信息模型等信息的MES配置模型。

第二步：生成MES雛形系統(tǒng)。以MES配置模型為基礎，根據(jù)配置模型中的組織機構模型、功能模型、業(yè)務流程模型、資源模型、信息模型等信息，應用MES可用資源集合中的通用功能模塊、可選功能模塊與業(yè)務流程，生成MES雛形系統(tǒng)。該MES雛形系統(tǒng)包括MES系統(tǒng)運行環(huán)境、MES雛形數(shù)據(jù)庫、MES通用功能與MES配置模型中所包括的功能與業(yè)務流程。

第三步：MES用戶功能定制。由于MES雛形系統(tǒng)中所包括的功能是以MES可用資源集合中的功能與業(yè)務流程為基礎的，如果用戶的需求比較特殊，并不包含在MES可用資源集合中，則這些特殊的功能就需要另外定制開發(fā)了。根據(jù)用戶的需求，對MES雛形系統(tǒng)中無法滿足的要求，通過MES用戶功能定制進行個性化定制，最終生成滿足用戶需求的MES應用系統(tǒng)。

由此可見，基于MES可配置平臺可以快速構建出一個用戶所需的MES應用系統(tǒng)解決方案，上述方法稱之為MES平臺化技術。與傳統(tǒng)軟件開發(fā)方法不同，MES平臺化技術是通過將構建MES應用系統(tǒng)所需要的各種信息（包括功能模型、業(yè)務流程模型、組織機構模型、信息模型等）并將其整合在一起，由MES配置平臺依據(jù)這些信息，調用MES可用資源集合中的資源，自動構建出MES雛形系統(tǒng)，此部分為MES平臺化技術的核心。如有需要再針對性地進行定制開發(fā)，此部分與傳統(tǒng)開發(fā)過程類似。應用MES平臺化技術構建MES應用系統(tǒng)的整個過程可以說是一個半自動的過程，大大降低了MES應用系統(tǒng)的開發(fā)成本。