云環(huán)境下離散制造業(yè)MES下料優(yōu)化系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

高 飛， 邵 臻， 王曉佳

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 過程優(yōu)化與智能決策教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230009）

0 引 言

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡稱MES）是近10a來在國際上迅速發(fā)展、面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)［1］。MES可以為用戶提供一個(gè)快速反應(yīng)、有彈性、精細(xì)化的制造業(yè)環(huán)境，幫助企業(yè)有效降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量。制造執(zhí)行系統(tǒng)適用于鋼鐵、家電、半導(dǎo)體、醫(yī)藥等不同行業(yè)，能夠?yàn)閱我坏拇笈可a(chǎn)和既有多品種小批量生產(chǎn)又有大批量生產(chǎn)的混合型制造企業(yè)提供良好的企業(yè)信息管理［2］。

目前，全球各大IT巨頭正以前所未有的規(guī)模投入到云計(jì)算技術(shù)及其產(chǎn)品的普及中，云計(jì)算作為一種商業(yè)計(jì)算模型和服務(wù)模式，它將任務(wù)分布于由大量計(jì)算機(jī)構(gòu)成的IT資源池，形成“云”，使得各種應(yīng)用系統(tǒng)能夠根據(jù)需要直接從云端獲取計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和各種應(yīng)用服務(wù)［3－4］。通過云端動(dòng)態(tài)資源的調(diào)用，有利于提高效率、降低成本和技術(shù)創(chuàng)新。私有云是云計(jì)算存儲(chǔ)模式中的一種［5］，主要為企業(yè)單獨(dú)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問。云計(jì)算作為21世紀(jì)IT應(yīng)用和計(jì)算模式的發(fā)展趨勢，可以為MES提供很好的技術(shù)支持環(huán)境，從而滿足離散制造業(yè)需求多樣化、技術(shù)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢。

基于上述分析，本文將“制造即服務(wù)”作為核心理念與云計(jì)算結(jié)合，利用私有云通過最佳策略動(dòng)態(tài)地分配網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)的優(yōu)勢，增強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息整合、存儲(chǔ)能力，為企業(yè)信息管理提供超大容量存儲(chǔ)空間［6］。圍繞系統(tǒng)資源的分布式虛擬化計(jì)算，研究可擴(kuò)展的模型方法庫，為下料過程優(yōu)化和合理決策提供了重要支撐；拓寬產(chǎn)品的適用范圍，對(duì)多型材變截面一維下料和板材二維下料優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究。

1 MES下料優(yōu)化業(yè)務(wù)介紹

下料配切是基礎(chǔ)零部件生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，是廣泛存在于制造型企業(yè)中的重要工序，對(duì)于離散制造型企業(yè)成本消耗的控制至關(guān)重要。如何通過改進(jìn)工藝水平，降低原材料消耗是每個(gè)制造型企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。目前離散制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要存在以下問題：

（1）在下料方案處理上，對(duì)于多品種、小批量、混合型生產(chǎn)的制造過程，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的控制難度都很大，每次幾十種甚至上百種產(chǎn)品的下料方案如果完全靠人工計(jì)算，方案的優(yōu)化程度較低；部分企業(yè)從國外引進(jìn)相應(yīng)軟件，但因系統(tǒng)的優(yōu)化算法等與公司實(shí)際不甚相符，不能達(dá)到預(yù)期效果；部分企業(yè)委托科研機(jī)構(gòu)研發(fā)相應(yīng)系統(tǒng)，針對(duì)性較強(qiáng)，但適用性不夠廣泛，體系結(jié)構(gòu)不甚明朗，運(yùn)行效率有待進(jìn)一步提高。

（2）由于ERP系統(tǒng)對(duì)底層的車間層管理流程不提供直接和詳細(xì)的支持，而現(xiàn)場自動(dòng)化系統(tǒng)的功能主要在于對(duì)現(xiàn)場設(shè)備和工藝參數(shù)實(shí)施監(jiān)控并向管理人員提供現(xiàn)場檢測和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，所以，對(duì)于用戶車間層面的調(diào)度和管理需求，ERP系統(tǒng)和現(xiàn)場自動(dòng)化系統(tǒng)之間出現(xiàn)了管理信息方面的“斷層”。

從上述分析來看，處于計(jì)劃層和現(xiàn)場自動(dòng)化系統(tǒng)之間的MES，主要負(fù)責(zé)車間生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行。

一個(gè)設(shè)計(jì)良好的 MES（Manufacturing Execution System）系統(tǒng)可以在統(tǒng)一平臺(tái)上集成諸如生產(chǎn)調(diào)度、產(chǎn)品跟蹤、質(zhì)量控制、設(shè)備故障分析、網(wǎng)絡(luò)報(bào)表等諸多管理功能［7－8］。MES通過對(duì)企業(yè)制造過程的整體優(yōu)化協(xié)助企業(yè)建立一體化和實(shí)時(shí)化的信息體系。

目前，對(duì)于云計(jì)算的研究集中于私有云架構(gòu)的構(gòu)建。離散制造企業(yè)傳統(tǒng)的模式是眾多下料部門都擁有自己的下料方案形成的計(jì)算中心，中心備有眾多硬件設(shè)備，并且需要大量人員進(jìn)行維護(hù)，造成企業(yè)資源的浪費(fèi)和信息服務(wù)的流失。構(gòu)建私有云環(huán)境下離散型制造業(yè)下料優(yōu)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)整合了分散的IT基礎(chǔ)信息服務(wù)資源，有效減少資源的浪費(fèi)。最重要的是借助云計(jì)算這種先進(jìn)的計(jì)算模式提高下料優(yōu)化方案形成的計(jì)算速度。傳統(tǒng)的硬件服務(wù)計(jì)算能力由數(shù)據(jù)中心可用計(jì)算機(jī)數(shù)量決定，云計(jì)算具有可擴(kuò)展性，它可以整合企業(yè)全部硬件設(shè)備來完成其相應(yīng)計(jì)算，也可以根據(jù)任務(wù)緊急程度調(diào)度部分硬件資源參與下料方案的形成。

2 MES下料優(yōu)化需求分析與設(shè)計(jì)

通過對(duì)大型離散制造業(yè)企業(yè)下料優(yōu)化現(xiàn)狀進(jìn)行深入調(diào)研發(fā)現(xiàn)，為了增強(qiáng)所開發(fā)系統(tǒng)的適應(yīng)性，離散型制造業(yè)企業(yè)MES下料優(yōu)化模塊主要有提高下料優(yōu)化效率、適應(yīng)集中下料模式、注重客戶個(gè)性需求、統(tǒng)籌原料／余料下料、速成下料優(yōu)化方案、集成其他信息系統(tǒng)這6個(gè)需求。為滿足以上需求，下料優(yōu)化模塊可從功能上劃分為數(shù)據(jù)維護(hù)、訂單管理、下料優(yōu)化、配尺表管理和用料管理5個(gè)子模塊。每個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)一組相關(guān)功能，各功能模塊內(nèi)部以及模塊之間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交互和處理通過云計(jì)算中心實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的主體功能模塊構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.1 功能體系設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)維護(hù)模塊。進(jìn)行下料優(yōu)化之前，要做一些相關(guān)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，本功能模塊就是針對(duì)下料的準(zhǔn)備工作而設(shè)置的，包括數(shù)據(jù)管理和下料參數(shù)設(shè)置2個(gè)基本功能。

數(shù)據(jù)管理包括：① 云知識(shí)庫管理。充分利用云存儲(chǔ)的高效性和動(dòng)態(tài)性，把下料方案（配切表）與對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)產(chǎn)品的信息以案例的形式實(shí)時(shí)地存入知識(shí)庫中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的累積與共享，為后續(xù)的下料優(yōu)化提供有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)和圖形信息；對(duì)知識(shí)庫中的案例進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，包括案例查詢、刪除和打印。② 云數(shù)據(jù)庫維護(hù)。通過云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)訪問接口對(duì)云數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的備份、還原和數(shù)據(jù)操作（包括數(shù)據(jù)的查詢、刪除和增加）。

下料參數(shù)設(shè)置包括：① 優(yōu)化目標(biāo)與期望設(shè)置。用戶設(shè)定達(dá)到材料利用率最優(yōu)或者是達(dá)到生產(chǎn)效率和材料利用率綜合最優(yōu)的決策參數(shù)；設(shè)定選定的優(yōu)化目標(biāo)的用戶期望值。② 優(yōu)化類型設(shè)置。可以選擇單型材的下料優(yōu)化，也可以選擇多型材的下料優(yōu)化，在系統(tǒng)中對(duì)每種優(yōu)化類型都設(shè)計(jì)了專門的模型與算法，可以直接調(diào)用模型庫和方法庫進(jìn)行求解優(yōu)化。

（2）訂單管理模塊。生產(chǎn)計(jì)劃部提供的生產(chǎn)訂單可能是以產(chǎn)品、部件或零件的形式給出，系統(tǒng)錄入后結(jié)合交貨期等相關(guān)提示信息通過產(chǎn)品類型、工藝路線等要求對(duì)其進(jìn)行整合。訂單整合功能包括：① 人工錄入訂單。對(duì)于小批量、臨時(shí)性的生產(chǎn)訂單，可以直接人工輸入訂單數(shù)據(jù)。根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)品類型、工藝路線將訂單統(tǒng)一分解成零件生產(chǎn)訂單。② 自動(dòng)錄入訂單。對(duì)于大批量的生產(chǎn)訂單，系統(tǒng)定義了統(tǒng)一格式的訂單清單，通過該功能批量讀取訂單實(shí)現(xiàn)訂單自動(dòng)錄入。在導(dǎo)入過程中所有訂單都被分解為面向零件的生產(chǎn)訂單。③訂單整合。根據(jù)零件的材質(zhì)和工藝類型對(duì)訂單進(jìn)行歸類、整合，形成新的零件訂單。訂單查詢主要指對(duì)整合后的訂單進(jìn)行查詢、修改、刪除等數(shù)據(jù)操作。

（3）下料優(yōu)化模塊。選取系統(tǒng)整合后的面向零件的訂單，分解成下料任務(wù)，根據(jù)原料需求、下料參數(shù)選擇不同的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化。下料任務(wù)到達(dá)后，利用云計(jì)算的快速搜索能力，在知識(shí)庫中尋找出相同的符合要求的配切方案，作為優(yōu)化結(jié)果；根據(jù)下料任務(wù)對(duì)材料和毛坯形狀的要求，從模型庫中調(diào)用連鑄配切、模鑄配切、板材配切的模型，從方法庫中調(diào)用相應(yīng)的求解算法進(jìn)行求解，得到優(yōu)化方案。生成下料輪廓圖，下料輪廓圖表達(dá)了最終的下料加工毛坯的實(shí)際切割軌跡；顯示配尺表（配切方案）的詳細(xì)信息，包括各規(guī)格原料的總長、編號(hào)、材質(zhì)、生成產(chǎn)品所需原料的數(shù)量、配切率最高的切割方案；統(tǒng)計(jì)下料過程中消耗的原料，計(jì)算下料方案的配切率，通過對(duì)比圖進(jìn)行直觀的顯示。

（4）配尺表管理模塊。配尺表管理包括配尺表審批和配尺表發(fā)布。① 配尺表審批。管理人員可以對(duì)配尺表進(jìn)行查詢、審核和刪除。系統(tǒng)提供2種查詢方式，即生成配尺表的時(shí)間和配尺表的狀態(tài)；配尺表的狀態(tài)分為“計(jì)劃”和“審核”，進(jìn)行審核后“計(jì)劃”狀態(tài)的配切表就轉(zhuǎn)為“審核”，經(jīng)過審核后的配切表才可以進(jìn)入下一步的工作中；刪除是將那些不滿意的未經(jīng)過審核的配切表還原為未切割待選狀態(tài)，重新進(jìn)行下料的優(yōu)化。② 配尺表發(fā)布。審核后的配尺表發(fā)布到排產(chǎn)部門，進(jìn)行下一步的排產(chǎn)工作；配尺表的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖形信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)維護(hù)模塊，存入歷史數(shù)據(jù)信息庫，為以后的下料優(yōu)化提供參考。

（5）用料管理模塊。為了更好地利用物料資源，盡量減少物料資源的損耗，需要通過庫存原料管理和余料管理了解當(dāng)前庫存原料以及以前產(chǎn)品加工中剩下的邊角余料情況。管理選用的原材料的規(guī)格信息，每次下料后記錄生成的余料信息，為基于庫存下料提供支持。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

企業(yè)私有云架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)必須借助虛擬化技術(shù)，通過虛擬化技術(shù)企業(yè)私有云計(jì)算可同時(shí)為內(nèi)部云用戶提供同樣的服務(wù)。

本系統(tǒng)構(gòu)建私有云體系結(jié)構(gòu)部署在企業(yè)級(jí)的虛擬化層面上，該系統(tǒng)與內(nèi)、外部實(shí)體也存在著實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的交互，外部實(shí)體客戶借助其客戶端的瀏覽器訪問系統(tǒng)表示層的應(yīng)用程序界面提交相關(guān)訂單；企業(yè)內(nèi)部實(shí)體下料車間主要是按照系統(tǒng)生成的下料方案執(zhí)行配切任務(wù)，它直接與系統(tǒng)的功能層產(chǎn)生交互，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)在求解下料方案時(shí)統(tǒng)一調(diào)度其信息資源快速生成下料方案。

圖2所示為系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)與內(nèi)、外部實(shí)體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)與內(nèi)、外部實(shí)體結(jié)構(gòu)

3 MES下料優(yōu)化系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在分析和設(shè)計(jì)過程中精準(zhǔn)定位于離散型制造企業(yè)，以提高其下料配切率為目標(biāo)，以智能算法和科學(xué)模型為內(nèi)核，整合了企業(yè)內(nèi)部分散的基礎(chǔ)信息服務(wù)資源，構(gòu)建了私有云環(huán)境下企業(yè)信息服務(wù)架構(gòu)。為了提高系統(tǒng)的魯棒性和兼容性，系統(tǒng)在Microsoft Windows 2000Sever環(huán)境下部署Oracle 9i大型數(shù)據(jù)庫，智能算法及業(yè)務(wù)流程采用Visual C＋＋6.0開發(fā)，客戶端只需要安裝能接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的瀏覽器，真正體現(xiàn)了云環(huán)境下“瘦客戶”端的特征。本系統(tǒng)從眾多原料配切方案中篩選出配切率最高的一種方案生成配尺表，克服了以往手動(dòng)計(jì)算配切率低下、對(duì)工人專業(yè)和經(jīng)驗(yàn)要求較高的限制，從而使系統(tǒng)具備良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

本系統(tǒng)主要利用離散制造大型企業(yè)Oracle 9i數(shù)據(jù)庫中的塊、表、隊(duì)列等方式進(jìn)行存儲(chǔ)，通過REST（表述狀態(tài)轉(zhuǎn)移）方式對(duì)其進(jìn)行操作。同時(shí)數(shù)據(jù)庫提供了REST所有編程接口，開發(fā)中只需引用該project或者把它編譯為DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫）即可把數(shù)據(jù)層和功能層進(jìn)行銜接。

私有云環(huán)境下的離散制造業(yè)下料優(yōu)化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示?？紤]到私有云環(huán)境下離散制造業(yè)下料優(yōu)化系統(tǒng)的功能擴(kuò)展性和開發(fā)的效率，確定按層次化、模塊化的思路構(gòu)建系統(tǒng)的3層體系結(jié)構(gòu)模式。這種架構(gòu)不僅有“瘦客戶”端優(yōu)點(diǎn)［9］，更能體現(xiàn)云計(jì)算無需考慮初始化基礎(chǔ)設(shè)施，自動(dòng)完成后繼擴(kuò)展性的特點(diǎn)。

圖3 私有云環(huán)境下的離散制造業(yè)下料優(yōu)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為表示層、功能層、數(shù)據(jù)層3個(gè)層次，這3個(gè)層次的云服務(wù)都被搭建在虛擬化層面上。其中，位于底層的數(shù)據(jù)層，包括了系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)庫（模型庫、方法庫、知識(shí)庫、原料／余料庫）；位于中間的功能層，包括了系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)完成下料優(yōu)化所有的功能；上層的表示層是為用戶提供一個(gè)友好的操作界面。底層通過構(gòu)建模型庫、知識(shí)庫、方法庫，依據(jù)客戶需要的信息首先調(diào)用模型庫中能解決該問題的數(shù)學(xué)模型，再由模型關(guān)聯(lián)下料配切方法并具體設(shè)定相關(guān)系數(shù)生成該問題的下料方案供客戶選擇，客戶確定具體下料方案后送達(dá)下料車間完成下料配切任務(wù)，也可利用系統(tǒng)的可擴(kuò)展性對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行補(bǔ)充更新，為后續(xù)訂單提供更優(yōu)良的方案配置。這種體系架構(gòu)，一方面支持網(wǎng)絡(luò)與存儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)分配，依托云端數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建超大容量存儲(chǔ)空間，集中整合信息服務(wù)資源；另一方面，通過虛擬化技術(shù)組合完成對(duì)客戶大量訂單的高性能計(jì)算處理與信息回饋，使計(jì)算處理速度能夠達(dá)到單線程信息處理速度的數(shù)倍。圖4所示為最終可實(shí)現(xiàn)的下料優(yōu)化系統(tǒng)顯示界面。

圖4 下料優(yōu)化結(jié)果顯示界面

4 結(jié)束語

離散制造企業(yè)中經(jīng)營與生產(chǎn)的脫節(jié)、效率低下等問題不利于企業(yè)發(fā)展，而只具備基本功能的MES也已不能滿足企業(yè)的需求。隨著企業(yè)信息化應(yīng)用的逐步深入，為提升企業(yè)核心競爭力，以過程優(yōu)化為核心的MES系統(tǒng)正在逐步興起。本文提出的基于云環(huán)境的離散制造業(yè)MES下料優(yōu)化系統(tǒng)，采用開放性的可擴(kuò)展的云環(huán)境體系結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)中心形式提供了底層資源應(yīng)用，注重對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的知識(shí)操作工人或?qū)＜业鹊慕?jīng)驗(yàn)的提取與重用，對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)計(jì)劃與模型庫方法庫更新等功能都有所貢獻(xiàn)，但對(duì)于系統(tǒng)適用產(chǎn)品維度和云架構(gòu)的安全性問題，還有待做出進(jìn)一步研究。

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