制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

王　晉

(西安航空學(xué)院 機械工程學(xué)院，西安　710077)

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制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

王晉

(西安航空學(xué)院 機械工程學(xué)院，西安710077)

摘要：為闡明制造執(zhí)行系統(tǒng)的概念和運行機制，為相關(guān)研究提供支持，從制造執(zhí)行系統(tǒng)的涵義和功能定位對制造執(zhí)行系統(tǒng)進行了概述；通過專用MES、集成MES、可集成MES和智能化MES四個發(fā)展階段對制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展歷程進行了介紹；從MES的功能架構(gòu)、系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)調(diào)度3個方面描述了制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀；最后探討了制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：制造執(zhí)行系統(tǒng)；功能架構(gòu)；系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)；生產(chǎn)調(diào)度

Citation format:WANG Jin.Research Status and Developing Trend on Manufacturing Execution System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):92-96.

制造執(zhí)行系統(tǒng)是企業(yè)信息化發(fā)展的重要組成部分，盡管企業(yè)信息化有了很大的發(fā)展，尤其是在系統(tǒng)設(shè)計方面取得了顯著的發(fā)展，但是在廠礦企業(yè)的信息集成實踐過程中，仍然存在信息孤島和信息斷層。產(chǎn)生這些問題的主要原因是生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)的分離。在這種情況下，作為面向企業(yè)生產(chǎn)層的信息系統(tǒng)-制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing execution system MES)應(yīng)運而生。本文對MES的產(chǎn)生以及發(fā)展歷程進行了概述，對MES的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析，最后給出了MES的發(fā)展趨勢。

1制造執(zhí)行系統(tǒng)概述

1.1制造執(zhí)行系統(tǒng)的涵義

在以往的企業(yè)上層管理系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)信息的交互過程中，由于車間中異常事件的產(chǎn)生，在生產(chǎn)計劃過程中不能有效地掌握車間中生產(chǎn)資源的實時狀態(tài)，使得在生產(chǎn)過程中得到的作業(yè)計劃不可行；上層的管理人員和底層的操作人員不能實時地確定產(chǎn)品的信息，對產(chǎn)品的庫存不能有效的控制；用戶更無法知道訂單的執(zhí)行狀態(tài)。鑒于此，1990年11月美國咨詢調(diào)查公司AMR(Advanced Manufacturing Research)提出制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)的概念[1]。MES是面向車間層的管理技術(shù)與實時信息系統(tǒng)，可使車間上層計劃管理系統(tǒng)和底層控制系統(tǒng)之間的信息孤島有效聯(lián)系起來，從而彌補計劃層和控制層之間的空隙，保證信息流在企業(yè)中的連續(xù)性。

目前為止，人們對MES還沒有統(tǒng)一的定義，具有代表性的是MES國際聯(lián)合會(MESA)的定義:“MES能通過信息傳遞對從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理。當(dāng)車間發(fā)生實時事件時，MES能及時做出反應(yīng)、報告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對他們進行指導(dǎo)處理。這種對狀態(tài)變化的迅速響應(yīng)使MES能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動，有效地指導(dǎo)車間的生產(chǎn)運作過程，從而使其既能夠提高車間及時交貨能力，改善物料的流通性能，又能提高生產(chǎn)回報率。MES還通過雙向的直接通信在企業(yè)內(nèi)部和整個產(chǎn)品供應(yīng)鏈中提供有關(guān)產(chǎn)品行為的關(guān)鍵任務(wù)信息”[2]。

1.2制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能定位

在企業(yè)生產(chǎn)管理過程中，一般可抽象成3個層次：計劃層、執(zhí)行層和控制層。計劃層按照客戶訂單、庫存和市場預(yù)測的情況，安排生產(chǎn)和物料組織。執(zhí)行層按照計劃層下達的生產(chǎn)計劃、物料以及控制層的情況，制訂車間作業(yè)計劃，安排控制層的加工任務(wù)；當(dāng)生產(chǎn)計劃變更、機器發(fā)生故障、出現(xiàn)產(chǎn)品加工品質(zhì)等問題時，執(zhí)行層對作業(yè)計劃進行調(diào)整，以保證生產(chǎn)過程正常進行。執(zhí)行層處于企業(yè)計劃層與控制層之間，含有大量的信息傳遞、交互與處理過程。企業(yè)信息化3層結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　3層企業(yè)模型

在企業(yè)信息化3層結(jié)構(gòu)模型中，MES在計劃管理層與底層控制之間架起了一座橋梁，實現(xiàn)兩者之間的無縫連接。通過MES把生產(chǎn)計劃與車間作業(yè)現(xiàn)場控制聯(lián)系起來，解決了上層生產(chǎn)計劃管理與底層生產(chǎn)過程之間脫節(jié)的問題，使企業(yè)生產(chǎn)計劃的執(zhí)行過程實現(xiàn)了透明化，為企業(yè)快速響應(yīng)市場奠定了基礎(chǔ)。

2MES發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

2.1MES的發(fā)展歷程

MES的研究和應(yīng)用發(fā)展大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，如圖2所示。

圖2　MES的發(fā)展歷程

1) 專用的MES(Point MES)[3]。專用MES系統(tǒng)是在20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的，它是為了解決某個特定領(lǐng)域的問題，如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、品質(zhì)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)進度跟蹤和生產(chǎn)統(tǒng)計等而開發(fā)的單獨應(yīng)用系統(tǒng)。其優(yōu)點是能夠為某一特定環(huán)境提供較好的性能，實施的周期短、資金投入少，但其集成能力很差，不同功能的MES間集成很困難。

2) 集成的MES(Integrated MES)。集成的MES是把單一的MES有機集成在一起的功能更強大的MES系統(tǒng)。集成的MES始于20世紀(jì)80年代，主要集成生產(chǎn)現(xiàn)場信息系統(tǒng)和MRPII，例如生產(chǎn)進度跟蹤信息系統(tǒng)、品質(zhì)信息系統(tǒng)、績效信息和設(shè)備信息系統(tǒng)等。集成的MES能夠使上層事務(wù)處理和下層實時控制系統(tǒng)集成在一起，但難于與其他應(yīng)用系統(tǒng)集成。20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外很多學(xué)者對集成的MES進行了研究。如Choi[4]研究了MES系統(tǒng)，專門用于沖壓模具的制造；Scott[5]總結(jié)了集成的MES的框架；SEMATECH[6]、Pickett[7]、臺灣成功大鄭芳田教授[8]等研究了半導(dǎo)體制造行業(yè)的MES，并對其進行了分析和試驗。集成的MES具有很多優(yōu)點，如單一的邏輯數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一和系統(tǒng)內(nèi)部集成性等優(yōu)點，但它需要特定的車間環(huán)境，具有柔性差，缺乏通用性等缺點。

3) 可集成的MES(Integratable MES,I-MES)。20世紀(jì)90年代中期，美國AMRC研究小組通過分析信息技術(shù)的發(fā)展和MES的應(yīng)用前景提出了可集成的MES(Integratable MES,I-MES)[9]，它將專用的MES和集成的MES融合在一起，采用可重用、可重構(gòu)組件及模塊化技術(shù)來開發(fā)具有柔性和適應(yīng)性的MES系統(tǒng)[10]?？杉傻腗ES可將部分功能作為可重用組件單獨銷售，起到專用MES作用；又能實現(xiàn)上下兩層的集成，起到集成MES的作用。

4) 智能化的MES。智能化的MES是指利用人工智能(Artificial Intelligence,AI)和分布式人工智能(Distributed Artificial Intelligence,DAI)來構(gòu)造具有分布式、協(xié)同性和自治性的智能制造執(zhí)行系統(tǒng)。人工智能中的遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和專家系統(tǒng)等先進技術(shù)已經(jīng)在智能制造系統(tǒng)中取得了不少應(yīng)用。如1985年Fox[11]使用約束推理的方法研究了針對車間管理和調(diào)度的專家系統(tǒng)。1997年MESA在白皮書[13]中公布了NIIIP提出的基于Agent的分布式對象和信息交換模型，為智能制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展指明了方向。

隨著自動化技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，智能化第二代MES解決方案的概念被相關(guān)學(xué)者提出，其主要目標(biāo)是通過更加合理、更加精確和更加完整的加工過程狀態(tài)跟蹤和數(shù)據(jù)記錄，保證車間管理的高效進行，它通過分布在資源設(shè)備中的傳感器來確保車間的自動化。

3.2MES研究現(xiàn)狀

3.2.1MES功能架構(gòu)

1) 多代理技術(shù)。多Agent技術(shù)應(yīng)用到MES中，是將制造資源的功能實體映射為Agent，具體方法分為功能分解法和物理分解法。在功能分解法中，系統(tǒng)中的邏輯功能模塊被封裝在Agent中，Agent和物理實體沒有對應(yīng)關(guān)系。物理分解法是Agent表示現(xiàn)實世界中的物理實體，Agent和物理實體間有清楚的對應(yīng)關(guān)系。

最早把多代理技術(shù)引入到制造領(lǐng)域的是Gilman等[14]、Parunak和Shen等[16]，提出了智能制造的概念；Wada等[17]面向柔性制造系統(tǒng)，Diep[18]等面向分布式制造系統(tǒng)，Zhu[19]等面向流程工業(yè)系統(tǒng)分別提出了基于多代理技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)，基本方法都是把制造單元通過多代理系統(tǒng)的動態(tài)協(xié)商機制，設(shè)備和設(shè)備能夠動態(tài)連接或者重構(gòu)，完成特定的任務(wù)。

在多Agent的基礎(chǔ)上，Holon技術(shù)也得到了廣泛的發(fā)展?；贖olon的制造系統(tǒng)參考模型PROSA首先由Van Brussel等[20]提出，Valckenaers等[21]則使用PROSA模型構(gòu)建了MES系統(tǒng)；Brennan等[22]使用Holon技術(shù)對實時分布式控制系統(tǒng)進行了重構(gòu)；Cheng[23-24]提出了基于Honlon的MES系統(tǒng)設(shè)計方法和開發(fā)實現(xiàn)技術(shù)，每個Holon代表一個軟件代理和設(shè)備相關(guān)聯(lián)。

2) 組件技術(shù)。目前被廣泛接受的組件模型有三種：Microsoft公司的COM/DCOM，OMG組織提出的CORBA和SUN公司的Enterprise Java Beans[25]?；诮M件的MES體系結(jié)構(gòu)通過MES業(yè)務(wù)組件庫，創(chuàng)建一個集成的、通用的和可配置的組件開發(fā)平臺，為制造領(lǐng)域和MES的實施提供了共享的、柔性的和易于擴展的環(huán)境。

3) 工作流技術(shù)。工作流技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)人和應(yīng)用軟件之間的交互作用，是一種有效控制和協(xié)調(diào)復(fù)雜活動的技術(shù)手段。工作流技術(shù)將MES的業(yè)務(wù)邏輯從具體的業(yè)務(wù)中分離出來，抽取原子級的企業(yè)活動，用業(yè)務(wù)流程模型來驅(qū)動這些活動進行，最終實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)和軟件的集成。

查閱近十年文獻得知，針對MES系統(tǒng)的工作流技術(shù)的應(yīng)用研究較少，已有文獻主要集中在面向生產(chǎn)過程的工作流建模和生產(chǎn)調(diào)度策略分析方面。國內(nèi)朱云龍、于海斌[26]研究了動態(tài)生產(chǎn)環(huán)境信息下的生產(chǎn)過程鏈的運行模式，建立了基于工作流技術(shù)的元生產(chǎn)活動控制模型；譚歐[27]從現(xiàn)有的MES系統(tǒng)中存在的問題入手，分析了在MES中引入工作流的必要性，并且就基于工作流的MES系統(tǒng)中的工作流模型和工作流引擎進行了設(shè)計；趙凱[28]開發(fā)了基于Agent的車間生產(chǎn)管理原型系統(tǒng)，并證明了系統(tǒng)的可行性和有效性；周偉、饒運清等[29]針對裝配車間制造執(zhí)行系統(tǒng)的特點，提出了一種基于工作流思想的制造執(zhí)行系統(tǒng)(WFMES)。國外A.Gunasekaran和B.Kobu[30]研究了一種車間管理系統(tǒng)中對象工作流的模型，通過有向圖給出了該模型的執(zhí)行算法和狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

3.2.2系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)

MES標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)展MES非常重要，重要的兩個標(biāo)準(zhǔn)是國際儀表學(xué)會編制的ISA95企業(yè)控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)和ISA SP98批量控制標(biāo)準(zhǔn)，ISA95后來成為IEC/ISO 62264國際標(biāo)準(zhǔn)。2000年國際儀表學(xué)會發(fā)布了ANSI/ISA-95.00.01(IEC/ISO 62264-1:2003)模型與術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了業(yè)務(wù)系統(tǒng)和制造作業(yè)系統(tǒng)間信息交互作用時所用的術(shù)語和模型[31]；2001年發(fā)布了ANSI/ISA-95.00.02(IEC/ISO 62264-2:2004)對象模型屬性標(biāo)準(zhǔn)[32]，對ANSI/ISA-95.00.01的內(nèi)容作了補充和詳細(xì)的解釋；2005年發(fā)布了ANSI/ISA-95.00.03(IEC/ISO 62264-3：2007)制造運作管理活動模型標(biāo)準(zhǔn)[33]，定義了在集成企業(yè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)時制造運作管理的數(shù)據(jù)流和生產(chǎn)活動模型。2007年ANSI/ISA-95.00.04-2007的發(fā)布定義了ISA-95.00.03中所有功能和和活動中用于數(shù)據(jù)交互的對象模型和屬性[34]。ANSI/ISA-95.00.05-2007定義了與辦公和生產(chǎn)自動化系統(tǒng)間的MES信息交互的事物模型[35]。

3.2.3生產(chǎn)調(diào)度

MES的任務(wù)是對整個車間的制造過程進行優(yōu)化，根據(jù)生產(chǎn)中產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的分析和處理。生產(chǎn)調(diào)度是MES中的重要模塊，主要目標(biāo)是通過較優(yōu)的作業(yè)加工排序最大限度地減少生產(chǎn)過程中的準(zhǔn)備時間，為生產(chǎn)計劃的執(zhí)行和控制提供指導(dǎo)。

目前，車間生產(chǎn)調(diào)度主要圍繞下述3個方面進行研究：

1) 生產(chǎn)調(diào)度的多目標(biāo)優(yōu)化。隨著制造業(yè)數(shù)字化的發(fā)展，如今車間調(diào)度問題不僅受到加工設(shè)備的制約，還和操作工人以及運料小車、刀具等機器輔助設(shè)備密切相關(guān)。因此對于現(xiàn)實中的生產(chǎn)車間，只有考慮多方面的目標(biāo)進行優(yōu)化才能滿足現(xiàn)實的結(jié)果。

到目前為止，多目標(biāo)優(yōu)化問題已經(jīng)取得了豐富的理論研究成果，并且越來越多的應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。其主要研究是在多個相互沖突的決策準(zhǔn)則下進行有效的決策。決策者為了平衡這些目標(biāo)的沖突性，在決策過程中進行妥協(xié)。妥協(xié)的結(jié)果是摒棄了最優(yōu)解的概念，隨之提出了劣解、非劣解的概念，決策者可以從自己的角度出發(fā)，選擇自己最滿意的方案[36]。

2) 工藝計劃與車間調(diào)度的集成研究。傳統(tǒng)的工藝計劃和車間調(diào)度是相互獨立的，工藝計劃只考慮技術(shù)上的可行性，并沒有與實際的制造環(huán)境相聯(lián)系。因此有些學(xué)者提出了把工業(yè)路線規(guī)劃和車間調(diào)度集成的工作方法。20世紀(jì)80年代，Chryssolourisa等[37]提出了將工藝和車間調(diào)度進行集成。Shen等[38]綜述了工藝規(guī)劃、車間調(diào)度和兩者集成。相關(guān)文獻表明，兩者集成可減少兩者目標(biāo)沖突、工件流通和在制時間，提高車間資源利用率與對不確定性條件的響應(yīng)能力[41]。

3) 動態(tài)調(diào)度。傳統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)度研究在分析調(diào)度任務(wù)時假定在最初便具有所需要的全部信息，但在生產(chǎn)過程中存在著很多的異常事件，因此動態(tài)調(diào)度更加符合實際情況。

目前主要有3種方法來解決動態(tài)實時調(diào)度：人工智能方法、仿真方法和人工交互方法。但是對于離散型車間調(diào)度，從研究方法上看，一般都采取了兩種或者兩種以上方法的組合。Nelson[42]給出了滾動調(diào)度策略，并對零件周期性到達問題進行了研究。Sabuncuoglu[43]針對再調(diào)度周期對調(diào)度目標(biāo)的影響，提出了可變再調(diào)度周期的方法。Yamamoto[44]研究了事件驅(qū)動的再調(diào)度問題，給出了在機床發(fā)生故障時生成完整調(diào)度的方法。Church和Uzsoy[45]提出了周期性和事件驅(qū)動混合策略的動態(tài)調(diào)度。

4MES的發(fā)展趨勢

1) 實時性。理論上說，一個MES系統(tǒng)必須能夠及時地處理車間中大量的實時數(shù)據(jù)，以能夠控制復(fù)雜生產(chǎn)過程。它不僅僅需要獲取這些數(shù)據(jù)，更要能夠分析這些數(shù)據(jù)。當(dāng)車間中發(fā)生異常事件時，MES系統(tǒng)要在短時間內(nèi)做出回應(yīng)。新一代MES應(yīng)有更精確的過程狀態(tài)跟蹤能力，可實時獲取更多的數(shù)據(jù)以及更準(zhǔn)確、更及時、更方便地進行生產(chǎn)過程與控制，并具有多源信息融合及復(fù)雜信息處理與快速決策能力。

2) 智能性?，F(xiàn)有的MES大多只提供一個替代管理方式的系統(tǒng)平臺，通過大量的人工干預(yù)來控制生產(chǎn)過程。但MES中所涉及的信息以及決策過程非常復(fù)雜，以現(xiàn)有的方式難以保證生產(chǎn)過程的高效和優(yōu)化。伴隨著人工智能的發(fā)展，MES將具有人工智能決策功能，能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行及時的智能輔助決策。

3) 集成性。新型MES系統(tǒng)的集成范圍更廣，覆蓋整個企業(yè)業(yè)務(wù)流程。通過建立物流、品質(zhì)、設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)一工廠數(shù)據(jù)模型，真正實現(xiàn)MES軟件系統(tǒng)的開放、可配置、易維護。

4) MES與新興科學(xué)聯(lián)系。目前，MES在理論研究和具體實施方面取得不少成績。但是近些年來，伴隨著云制造、物聯(lián)制造、制造業(yè)服務(wù)化、網(wǎng)絡(luò)化以及近期德國工業(yè)4.0等概念的提出和應(yīng)用，MES已經(jīng)不是以往在單一車間中的執(zhí)行系統(tǒng)。在各種新興概念環(huán)境下， MES研究的深度和廣度將得到更大的發(fā)展。

5結(jié)語

制造執(zhí)行系統(tǒng)在企業(yè)生產(chǎn)管理中起著承上啟下的作用，它在ERP系統(tǒng)產(chǎn)生的生產(chǎn)計劃指導(dǎo)下，收集底層控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，安排生產(chǎn)的計劃調(diào)度、監(jiān)控、資源調(diào)配和生產(chǎn)過程優(yōu)化工作。通過了解MES的發(fā)展現(xiàn)狀，把握它的發(fā)展趨勢，對于在我國研究和實施MES的工作具有深刻而廣泛的理論價值和應(yīng)用價值。

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(責(zé)任編輯唐定國)

Research Status and Developing Trend on Manufacturing Execution System

WANG Jin

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China)

Abstract:To offer support for relevant studies by elaborating the concept and operational mechanism of manufacturing execution system, the meaning and function of of manufacturing execution system were summarized; Four development stages of the development of manufacturing execution system were introduced according to special MES, integrated MES, intelligent integrated MES and intelligent MES. Furthermore, the current research on the function of MES architecture, system integration standard and production scheduling were described. Finally, future research trend was discussed.

Key words：manufacturing execution system; functional architecture; system integration standard; production scheduling

文章編號：1006-0707(2016)02-0092-05

中圖分類號：T19

文獻標(biāo)識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.023

作者簡介：王晉(1985—)，男，講師，主要從事生產(chǎn)管理和智能制造研究。

收稿日期：2015-08-23；修回日期：2015-09-10

本文引用格式：王晉.制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(2):92-96.

【機械制造與檢測技術(shù)】