基于微服務(wù)的MES–MSA架構(gòu)研究

歐陽(yáng)森山，雷 浩，陳 琛，彭 春

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

以德國(guó)“工業(yè)4.0”、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新工業(yè)革命席卷全球，智能制造成為中國(guó)制造的主攻方向。中國(guó)制造業(yè)從手工作坊、大批量流水線(xiàn)到精益制造高速發(fā)展，批量定制成為下一階段制造業(yè)的關(guān)鍵特征?；诖髷?shù)據(jù)的自適應(yīng)加工、精益為導(dǎo)向的自主化裝配、以人為本的智能人工增強(qiáng)成為新工業(yè)革命下制造過(guò)程的典型場(chǎng)景，傳統(tǒng)的加工和裝配模式被顛覆，操作人員的角色被徹底改變，與之相適應(yīng)的MES系統(tǒng)（Manufacturing execution system）已不能勝任新的模式。

MES系統(tǒng)在制造企業(yè)的產(chǎn)品供需鏈中起到了承上啟下的作用，是生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息溝通的橋梁，同時(shí)也是貫通虛擬空間與物理空間的使能器。產(chǎn)品、資源、流程的模型在MES系統(tǒng)中關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步去引導(dǎo)真實(shí)世界；人、機(jī)器、物料之間相互操作，各種數(shù)據(jù)通過(guò)MES系統(tǒng)采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、互通；數(shù)據(jù)反饋至模型在MES系統(tǒng)中仿真迭代，人類(lèi)智慧與人工智能相結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程的持續(xù)優(yōu)化。

下一代MES系統(tǒng)

德國(guó)人工智能研究中心提出“工業(yè)4.0”的三大特征：智能產(chǎn)品、智能機(jī)床、增強(qiáng)的操作員。美國(guó)GE公司提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三大特征：智能設(shè)備、先進(jìn)分析、與人的連接。中國(guó)航空工業(yè)提出智能制造的四大特征：動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行。

綜合各方觀(guān)點(diǎn)，在新的制造模式下，下一代的MES系統(tǒng)應(yīng)具備以下特征。

（1）模型驅(qū)動(dòng)。

隨著設(shè)計(jì)、工藝、管理與信息化的深度融合，生產(chǎn)的各個(gè)要素均實(shí)現(xiàn)了在虛擬世界的建模并開(kāi)始整合，它們開(kāi)始相互關(guān)聯(lián)，快速迭代，進(jìn)一步影響物理世界。流水線(xiàn)生產(chǎn)催生了產(chǎn)業(yè)工人，精益生產(chǎn)壯大了設(shè)計(jì)師規(guī)模，而批量定制將以模型構(gòu)建人員為中心。設(shè)計(jì)、工藝人員構(gòu)建產(chǎn)品模型，生產(chǎn)管理人員構(gòu)建計(jì)劃模型，檢驗(yàn)人員構(gòu)建質(zhì)量模型，倉(cāng)儲(chǔ)人員構(gòu)建資源模型，經(jīng)營(yíng)人員構(gòu)建流程模型等，這些模型被整合為一個(gè)覆蓋企業(yè)全領(lǐng)域、產(chǎn)品全生命周期的超級(jí)模型，以智能化為主線(xiàn)，驅(qū)動(dòng)人員、設(shè)備、資源高效配置，更加精益、柔性、敏捷。

（2）數(shù)字孿生。

數(shù)據(jù)采集的完整性和精度是決定模型是否具備智能的關(guān)鍵，制造業(yè)大數(shù)據(jù)就是在某種程度上能真實(shí)反映實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程的數(shù)據(jù)集，“Digital twin”是智能制造相關(guān)新技術(shù)的基礎(chǔ)也是核心[1]，其主要對(duì)人、機(jī)器、物料、環(huán)境的大數(shù)據(jù)采集。隨著工控網(wǎng)的建立，對(duì)機(jī)器的數(shù)據(jù)采集日趨成熟，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得對(duì)物料的數(shù)據(jù)采集逐步完善，而對(duì)人的數(shù)據(jù)采集尚需突破，音頻、視頻等流式數(shù)據(jù)將成為重點(diǎn)。

（3）智能規(guī)劃。

批量定制模式下，產(chǎn)品小批量、混線(xiàn)生產(chǎn)常態(tài)化，研制周期大幅度縮減，加上對(duì)插單、各類(lèi)型變更的快速響應(yīng)，需要作業(yè)計(jì)劃根據(jù)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)的仿真模型即時(shí)做出調(diào)整應(yīng)對(duì)各種變化，賦予算法智能以尋求最優(yōu)解[2]。就像導(dǎo)航軟件，即時(shí)根據(jù)路況調(diào)整路線(xiàn)，代替了人腦尋路的這部分智能。

（4）自主保障。

設(shè)備、工裝、工具、物料能自主與MES系統(tǒng)交互，實(shí)時(shí)反饋狀態(tài)信息，通過(guò)“物–物”直接交互，消除人工環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)定期保養(yǎng)和故障處理自主化。同時(shí)讓智能物流成為可能，為排程規(guī)劃提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。結(jié)合多維度數(shù)據(jù)進(jìn)行自主分析決策，提前預(yù)警自身故障缺陷，確保資源的“7d×24h”的高可靠保障。

（5）人機(jī)增強(qiáng)。

鼠標(biāo)和鍵盤(pán)成為人機(jī)交互的備選工具，音視頻或者傳感器成為主要交互途徑，不同工種不同角色將配備專(zhuān)用界面和智能設(shè)備,并提供具有初級(jí)智能的助手，為一線(xiàn)員工提供培訓(xùn)、答疑、信息檢索等服務(wù)[3]。

（6）AI認(rèn)知。

構(gòu)建可自主優(yōu)化的智能算法，結(jié)合資深業(yè)務(wù)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)，利用不斷擴(kuò)充的大數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)持續(xù)、高效的迭代讓產(chǎn)品制造過(guò)程信息模型快速進(jìn)化，促進(jìn)模型與真實(shí)世界融合，在虛擬世界中快速地仿真推演，賦予信息系統(tǒng)真正的人工智能。

MES系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路

為了應(yīng)對(duì)顛覆式的業(yè)務(wù)變革對(duì)信息系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn)，MES系統(tǒng)需要重新定位，成為智能制造建設(shè)方案的中心，其總體設(shè)計(jì)和技術(shù)架構(gòu)也將發(fā)生巨大變化，具體體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

（1）灰度平臺(tái)。

MES與企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）、工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAPP）的界線(xiàn)更加模糊，它變成一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)，整合各相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)，與眾多新技術(shù)集成，為生產(chǎn)制造一線(xiàn)提供統(tǒng)一的入口和IT能力。

MES作為一個(gè)軟件產(chǎn)品的定義也變得模糊，MES將變成眾多軟件產(chǎn)品和IT能力的綜合體，由不同專(zhuān)業(yè)的供應(yīng)商共同建設(shè)和維護(hù)。

軟件研發(fā)與實(shí)施應(yīng)用的階段劃分不再清晰，各制造企業(yè)的用戶(hù)不僅是使用者，更是設(shè)計(jì)者。平臺(tái)為用戶(hù)提供了80%的軟件，剩下的20%由用戶(hù)使用二次開(kāi)發(fā)工具完成，對(duì)基礎(chǔ)服務(wù)進(jìn)行組合、配置，提供自定義的個(gè)性化功能，如設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)界面、設(shè)計(jì)報(bào)表等。

（2）多態(tài)感知。

平臺(tái)以服務(wù)的方式為用戶(hù)提供豐富的數(shù)據(jù)感知接口，如DNC、音視頻識(shí)別、流式數(shù)據(jù)計(jì)算、傳感器接口適配、GPS數(shù)據(jù)采集、外部數(shù)據(jù)接入等，并且提供大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算、展示等能力。

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與數(shù)據(jù)的解耦，數(shù)據(jù)作為虛擬世界感知真實(shí)世界的結(jié)果提供給用戶(hù)分析利用，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和分析能力成為評(píng)價(jià)企業(yè)能力的關(guān)鍵指標(biāo)，但數(shù)據(jù)的安全保密管理還存在技術(shù)瓶頸。

（3）流式進(jìn)化。

就像手機(jī)APP一樣，平臺(tái)為不同的用戶(hù)提供個(gè)性化的功能組合，每一個(gè)小的功能模塊成為獨(dú)立生命周期的微應(yīng)用，通過(guò)DevOps（Development operations）統(tǒng)一管理，支撐平臺(tái)、研發(fā)團(tuán)隊(duì)、運(yùn)行維護(hù)靈活配置，橫向擴(kuò)展。MES平臺(tái)將進(jìn)入流式進(jìn)化階段，成為一個(gè)微觀(guān)的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。

基于微服務(wù)的MES系統(tǒng)架構(gòu)

1 現(xiàn)有MES系統(tǒng)架構(gòu)存在的問(wèn)題

（1）系統(tǒng)耦合度高，維護(hù)成本高，新業(yè)務(wù)交付周期長(zhǎng)。

隨著MES系統(tǒng)功能的不斷增加，代碼量也大幅度增加，開(kāi)發(fā)人員越來(lái)越難以對(duì)全局有深入的了解，出現(xiàn)缺陷時(shí)分析、定位、修復(fù)的時(shí)間成本高。由于系統(tǒng)部署在同一進(jìn)程內(nèi)，每次新業(yè)務(wù)的推出都需要整體上線(xiàn)，不同功能之間存在干擾，為避免問(wèn)題就要投入更多的回歸測(cè)試，導(dǎo)致交付周期長(zhǎng)。

（2）系統(tǒng)可擴(kuò)展性差，優(yōu)化困難。

單體應(yīng)用架構(gòu)業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)行在同一進(jìn)程中，數(shù)據(jù)存放在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，水平擴(kuò)展難。如MES系統(tǒng)中計(jì)劃生成屬于CPU密集型，而物料查詢(xún)屬于IO密集型，水平擴(kuò)展需要服務(wù)器同時(shí)具備足夠的CPU和內(nèi)存來(lái)滿(mǎn)足要求，且服務(wù)器資源不能按需分配。

（3）難以滿(mǎn)足復(fù)雜的系統(tǒng)內(nèi)外部集成。

MES系統(tǒng)必須快速與新技術(shù)、新供應(yīng)商的業(yè)務(wù)進(jìn)行集成對(duì)接，目前的集成往往通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線(xiàn)（ESB）完成，ESB實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間解耦的目的，但是增加了交易鏈路長(zhǎng)度，產(chǎn)生了新的瓶頸，降低了系統(tǒng)性能，同時(shí)集成邏輯與業(yè)務(wù)邏輯分離有可能降低業(yè)務(wù)交付效率。

2 微服務(wù)架構(gòu)簡(jiǎn)介

微服務(wù)架構(gòu)（Microservice architecture，MSA）[4]是一種架構(gòu)模式，旨在通過(guò)將功能分解到各個(gè)離散的服務(wù)中以實(shí)現(xiàn)對(duì)解決方案的解耦。它將單體架構(gòu)的系統(tǒng)劃分成多組小的服務(wù)，每組服務(wù)運(yùn)行在獨(dú)立的進(jìn)程中，采用獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以獨(dú)立地部署在生產(chǎn)環(huán)境中。每組服務(wù)圍繞具體的業(yè)務(wù)進(jìn)行構(gòu)建，服務(wù)與服務(wù)之間采用輕量級(jí)的通訊模式，可以互相配合、互相協(xié)調(diào)。單體架構(gòu)系統(tǒng)到微服務(wù)架構(gòu)系統(tǒng)的演進(jìn)方式如圖1所示。

圖1 單體架構(gòu)系統(tǒng)到微服務(wù)架構(gòu)系統(tǒng)的演進(jìn)方式Fig.1 Evolution from single architecture system to microservice architecture system

微服務(wù)架構(gòu)本質(zhì)是將應(yīng)用系統(tǒng)在物理上、邏輯上同時(shí)拆分，優(yōu)勢(shì)在于：（1）單個(gè)微服務(wù)業(yè)務(wù)可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)、部署，縮短了新業(yè)務(wù)上線(xiàn)時(shí)間；（2）單個(gè)微服務(wù)業(yè)務(wù)可以獨(dú)立維護(hù)，降低單業(yè)務(wù)本身的維護(hù)難度；（3）獨(dú)立分配資源，水平擴(kuò)展能力增強(qiáng)。劣勢(shì)在于：各服務(wù)之間的數(shù)據(jù)一致性差和服務(wù)聯(lián)動(dòng)的統(tǒng)一運(yùn)維難度高兩大問(wèn)題，必須采用支撐微服務(wù)全生命周期的平臺(tái)來(lái)解決。

3 MES系統(tǒng)微服務(wù)架構(gòu)（MES–MSA）設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)

MES–MSA架構(gòu)如圖2所示，由交互層、決策層、數(shù)據(jù)層、感知層4個(gè)層次構(gòu)成，由事件中心連接各個(gè)層次，由IT模型和支撐平臺(tái)提供基礎(chǔ)設(shè)施。

圖2 MES–MSA架構(gòu)Fig.2 MES–MSA architecture

3.2 設(shè)計(jì)原則

MES–MSA架構(gòu)引入擴(kuò)展立方體[5]的概念使應(yīng)用系統(tǒng)具備良好的水平擴(kuò)展能力，又避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致、可靠性低等問(wèn)題。如圖3所示，擴(kuò)展立方體的起始點(diǎn)是一個(gè)單體應(yīng)用，每一個(gè)軸線(xiàn)表示擴(kuò)展的一個(gè)維度，每個(gè)維度的擴(kuò)展不影響其他維度。

圖3 擴(kuò)展立方體Fig.3 Scale cube

X軸表示水平復(fù)制，即無(wú)差別地復(fù)制處理節(jié)點(diǎn)，例如進(jìn)行并行的數(shù)值計(jì)算。X軸擴(kuò)展方式通過(guò)負(fù)載均衡方式進(jìn)行服務(wù)處理節(jié)點(diǎn)的定位。

Y軸表示按功能、職責(zé)拆分應(yīng)用系統(tǒng)[6]，不同功能的業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)行在不同的進(jìn)程中，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)，提高應(yīng)用系統(tǒng)的水平擴(kuò)展能力。例如即時(shí)規(guī)劃屬于非實(shí)時(shí)批量型，物料查詢(xún)屬于準(zhǔn)實(shí)時(shí)交易型。Y軸的拆分方式通過(guò)服務(wù)路由進(jìn)行服務(wù)處理節(jié)點(diǎn)的定位。

Z軸是按數(shù)據(jù)切分應(yīng)用系統(tǒng)，在保證完整性的前提下根據(jù)業(yè)務(wù)相關(guān)性進(jìn)行數(shù)據(jù)拆分。例如冷熱數(shù)據(jù)分離[7]方式，頻繁使用的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)保存在不同數(shù)據(jù)庫(kù)中。Z軸的切分方式通過(guò)數(shù)據(jù)路由進(jìn)行服務(wù)處理節(jié)點(diǎn)的定位。

3.3 MES四層架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）交互層。

交互層是虛擬世界與物理世界的連接器，除了傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、顯示器以外，攝像頭、揚(yáng)聲器、智能終端將成為主要的交互途徑，不同工種不同角色將配備專(zhuān)用界面和智能設(shè)備。服務(wù)網(wǎng)關(guān)支持可擴(kuò)展接口并提供集中式管控，包括訪(fǎng)問(wèn)控制、服務(wù)鑒權(quán)、服務(wù)路由、流量控制、訪(fǎng)問(wèn)日志、數(shù)據(jù)脫敏、內(nèi)容緩存、服務(wù)編排等多種管控能力。

交互層主要采用X軸的水平復(fù)制模式進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)對(duì)等復(fù)制、部署多進(jìn)程的方式提高處理能力。

（2）決策層。

決策層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)人工智能輔助決策。根據(jù)技術(shù)特征，決策層服務(wù)主要分為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)服務(wù)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)服務(wù)、非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)服務(wù)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)決策服務(wù)、非實(shí)時(shí)決策服務(wù)5種類(lèi)型，每種類(lèi)型的服務(wù)部署在獨(dú)立進(jìn)程中，擁有獨(dú)立的處理資源和數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程與數(shù)據(jù)的隔離，防止服務(wù)間干擾。

決策層主要采用Y軸的功能劃分進(jìn)行擴(kuò)展，按需分配硬件提高資源利用率。

（3）數(shù)據(jù)層。

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)多態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)用的解耦。采用冷熱數(shù)據(jù)分離方式進(jìn)行拆分，把歷史大數(shù)據(jù)、讀頻繁數(shù)據(jù)、寫(xiě)頻繁數(shù)據(jù)、流式數(shù)據(jù)獨(dú)立存儲(chǔ)，形成緩存、查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)（交易數(shù)據(jù)）和大數(shù)據(jù)庫(kù)四級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體系。

數(shù)據(jù)層主要采用Z軸的數(shù)據(jù)劃分進(jìn)行擴(kuò)展，針對(duì)不同數(shù)據(jù)特點(diǎn)制定策略，兼顧了數(shù)據(jù)的可靠性和效率。

（4）感知層。

感知層負(fù)責(zé)連接、采集來(lái)自環(huán)境中的所有人、設(shè)備、傳感器信息，實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)段對(duì)任意信息的復(fù)刻，是虛擬世界描述物理世界的基本前提。感知層的數(shù)據(jù)采集包括接口服務(wù)、數(shù)據(jù)復(fù)制、消息訂閱和流式處理4種方式。

3.4 IT模型

IT模型是對(duì)MES–MSA系統(tǒng)的建模，通過(guò)對(duì)技術(shù)元信息的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜IT系統(tǒng)的管理，與之相對(duì)應(yīng)的是業(yè)務(wù)模型（產(chǎn)品模型、資源模型、流程模型等）。IT模型是業(yè)務(wù)模型在軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)的載體，確保業(yè)務(wù)模型可以基于統(tǒng)一架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、集成、交付、運(yùn)行和維護(hù)。

IT模型描述的元信息包括靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩部分，其中靜態(tài)模型描述系統(tǒng)各層次中的組成部分、各部分之間的依賴(lài)與調(diào)用關(guān)系，如業(yè)務(wù)語(yǔ)義、通信協(xié)議、對(duì)外接口、處理流程、安全認(rèn)證與授權(quán)方式。動(dòng)態(tài)模型是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)靜態(tài)模型實(shí)例化后的描述，即靜態(tài)模型產(chǎn)生的運(yùn)行實(shí)例、實(shí)例之間的關(guān)系以及實(shí)例與物理資源之間的映射，如應(yīng)用拓?fù)鋱D、服務(wù)拓?fù)鋱D、數(shù)據(jù)血緣關(guān)系圖等。

3.5 支撐平臺(tái)

采用MES–MSA架構(gòu)后，MES系統(tǒng)從一個(gè)巨石型系統(tǒng)發(fā)展到分布式系統(tǒng)，支撐平臺(tái)負(fù)責(zé)將需求、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、交付、運(yùn)維的過(guò)程緊密協(xié)同與配合，以解決交付與運(yùn)維復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)增加的問(wèn)題。

支撐平臺(tái)基于DevOps理念[8]，DevOps是一組過(guò)程、方法與系統(tǒng)的統(tǒng)稱(chēng)，用于促進(jìn)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、技術(shù)運(yùn)營(yíng)和質(zhì)量保障各職能之間的溝通、協(xié)作與整合。它通過(guò)更好的優(yōu)化開(kāi)發(fā)（DEV）、測(cè)試（QA）、運(yùn)維（OPS）的流程，使開(kāi)發(fā)運(yùn)維一體化，通過(guò)高度自動(dòng)化的工具與流程使軟件的構(gòu)建、測(cè)試、發(fā)布更加快捷、頻繁和可靠，可以說(shuō)支撐平臺(tái)是MES系統(tǒng)自身的生產(chǎn)線(xiàn)，其具備以下4點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。

（1）互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。

項(xiàng)目不再采用瀑布式的模式，而是被切分成多個(gè)子項(xiàng)目，各個(gè)子項(xiàng)目的成果都經(jīng)過(guò)測(cè)試，具備可視、可集成及可運(yùn)行的特征。MES–MSA架構(gòu)讓交互層、決策層、數(shù)據(jù)層、感知層的各種應(yīng)用都可以獨(dú)立發(fā)布、部署、運(yùn)行，使MES系統(tǒng)被分為多個(gè)相互聯(lián)系但可以獨(dú)立運(yùn)行的APP。系統(tǒng)的升級(jí)優(yōu)化無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生，而在此過(guò)程中系統(tǒng)一直處于可使用的狀態(tài)。

（2）即時(shí)集成。

高質(zhì)量的軟件項(xiàng)目要求每個(gè)IT研發(fā)人員每天至少集成一次，也就意味著每天會(huì)發(fā)生多次集成，因此支撐平臺(tái)必須具備自動(dòng)化構(gòu)建能力（編譯、發(fā)布、自動(dòng)化測(cè)試）。即時(shí)集成有利于自動(dòng)化檢查缺陷，實(shí)時(shí)掌握軟件健康狀況，減少代碼編譯、數(shù)據(jù)庫(kù)集成、測(cè)試、審查、部署及反饋中的重復(fù)勞動(dòng)，支撐快速迭代、高可靠性要求的MES系統(tǒng)研發(fā)。

（3）一鍵式部署與持續(xù)交付。

復(fù)雜IT系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，往往存在多個(gè)環(huán)境，包括開(kāi)發(fā)環(huán)境、測(cè)試環(huán)境、準(zhǔn)生產(chǎn)環(huán)境、性能測(cè)試環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境等，研發(fā)人員需要將代碼、配置、類(lèi)庫(kù)等部署到多個(gè)環(huán)境中，遇到問(wèn)題需要回退到前一個(gè)狀態(tài)，手工操作繁瑣，且效率低下。

支撐平臺(tái)提供自定義部署過(guò)程，一鍵部署、一鍵供應(yīng)、一鍵創(chuàng)建環(huán)境。一鍵式部署讓持續(xù)交付成為可能，通過(guò)更頻繁的自動(dòng)化部署，讓新上線(xiàn)的功能可以盡快地呈現(xiàn)在用戶(hù)面前，并能在一定的時(shí)間里從用戶(hù)處獲得盡可能多的反饋。根據(jù)反饋更快速地對(duì)新業(yè)務(wù)功能進(jìn)行調(diào)整，從而加快交付速度，適應(yīng)裂變式的業(yè)務(wù)需求變化。

（4）智能監(jiān)控。

智能制造下的MES系統(tǒng)已經(jīng)與生產(chǎn)過(guò)程密不可分、融為一體，IT系統(tǒng)需要為業(yè)務(wù)提供毫秒級(jí)不間斷服務(wù)，IT系統(tǒng)的故障率成為制造缺陷率的關(guān)鍵制約因素。支撐平臺(tái)必須提供秒級(jí)的修復(fù)能力，基于IT運(yùn)維大數(shù)據(jù)結(jié)合人工智能即時(shí)產(chǎn)生問(wèn)題處理策略或修復(fù)方案，實(shí)現(xiàn)彈性伸縮與故障自愈，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)的高可用性。

4 MES系統(tǒng)微服務(wù)架構(gòu)（MES–MSA）實(shí)踐

4.1 系統(tǒng)微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)

如圖4所示，整個(gè)微服務(wù)體系基于云平臺(tái)[9]，基礎(chǔ)設(shè)施層提供IAAS（Infrastructure as a service），容器平臺(tái)、基礎(chǔ)服務(wù)、研發(fā)效能平臺(tái)、中臺(tái)層共同構(gòu)成了PAAS（Platform as a service）層，其中基礎(chǔ)服務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)與緩存模塊，構(gòu)成MES–MSA架構(gòu)的數(shù)據(jù)層，其余PAAS層的模塊組成一套完整優(yōu)化開(kāi)發(fā)、測(cè)試、運(yùn)維的流程體系，實(shí)現(xiàn)支撐平臺(tái)的功能。用戶(hù)層與API網(wǎng)關(guān)功能構(gòu)建系統(tǒng)的交互層?；赑AAS提供的服務(wù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)API網(wǎng)關(guān)層與基礎(chǔ)服務(wù)層，完成感知層的構(gòu)建，同時(shí)以上述功能為基礎(chǔ)，基于研發(fā)效能平臺(tái)完成決策層的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯。

圖4 系統(tǒng)微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)圖Fig.4 Technical architecture diagram of system microsevices

4.2 系統(tǒng)部署模式

MES–MSA系統(tǒng)架構(gòu)基于容器平臺(tái)進(jìn)行部署[10]，如圖5所示，“容器實(shí)例”與“微服務(wù)治理中間件”已經(jīng)全面“Docker化”；基于Kubernetes進(jìn)行容器管理，基于Jenkins、Nexus、Harbor、SonarQube，Gitlab共同實(shí)現(xiàn)CI/CD功能，快速實(shí)現(xiàn)基于應(yīng)用能力的橫向擴(kuò)展，基于服務(wù)能力的縱向升級(jí)。

圖5 系統(tǒng)部署模式圖Fig.5 System deployment mode diagram

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用拓?fù)?/p>

如圖6所示，MES–MSA架構(gòu)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊以“Rest”風(fēng)格對(duì)外提供服務(wù)，以前后端分離、應(yīng)用與數(shù)據(jù)解耦的模式部署。每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例，將數(shù)據(jù)進(jìn)一步解耦，實(shí)現(xiàn)更細(xì)化的服務(wù)拆分。

圖6 系統(tǒng)應(yīng)用拓?fù)鋱DFig.6 System application topology diagram

4.4 系統(tǒng)模塊簡(jiǎn)介

基于模塊化、組件化的思想，如圖7所示，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為資源管理、用戶(hù)行為、計(jì)劃/庫(kù)存管理、數(shù)據(jù)字典、平臺(tái)問(wèn)題協(xié)同解決、執(zhí)行管理、文件服務(wù)管理7個(gè)模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)字典設(shè)計(jì)方法將各個(gè)模塊下的組件串聯(lián)起來(lái)，提高數(shù)據(jù)可用性，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

圖7 系統(tǒng)模塊圖Fig.7 System module diagram

4.5 系統(tǒng)–執(zhí)行管理微服務(wù)實(shí)現(xiàn)

如圖8所示，執(zhí)行管理服務(wù)，采用微服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，將執(zhí)行管理業(yè)務(wù)與整個(gè)的MES業(yè)務(wù)進(jìn)行剝離，通過(guò)“Rest”風(fēng)格的服務(wù)接口與計(jì)劃、資源、庫(kù)存、數(shù)據(jù)字典等服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖8 前后端開(kāi)發(fā)Fig.8 Development of front-end and back-end

執(zhí)行管理服務(wù)實(shí)現(xiàn)采用前后端分離的開(kāi)發(fā)模式。如圖8（a）所示，前端基于Vue-element-admin，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行管理服務(wù)前端頁(yè)面的快速開(kāi)發(fā)。后端采用Spring cloud技術(shù)體系，如圖8（b）所示，將計(jì)劃執(zhí)行所需的制造大綱工序、草圖等信息的查詢(xún)，單元計(jì)劃查詢(xún)，單元計(jì)劃執(zhí)行開(kāi)工、完工、實(shí)測(cè)記錄等業(yè)務(wù)操作，通過(guò)服務(wù)的方式注冊(cè)到網(wǎng)關(guān)中，并統(tǒng)一開(kāi)放給前端提供服務(wù)。

執(zhí)行服務(wù)基于容器平臺(tái)進(jìn)行部署，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的自動(dòng)構(gòu)建、發(fā)布及上線(xiàn)。

4.6 系統(tǒng)功能頁(yè)面展示

如圖9所示，系統(tǒng)以每個(gè)執(zhí)行單元為最小單位進(jìn)行管理，通過(guò)各類(lèi)微服務(wù)的組合，形成部件、系統(tǒng)組件兩大專(zhuān)業(yè)化MES應(yīng)用APP。各個(gè)模塊分為：

圖9 系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)圖Fig.9 System application architecture diagram

（1）單元計(jì)劃管理。單元計(jì)劃管理分為訂單管理、投產(chǎn)管理、計(jì)劃管理。

（2）單元資源管理。單元資源管理模塊由產(chǎn)線(xiàn)配置、工位管理、人員管理、設(shè)備管理、工裝管理、工具管理組成。

（3）單元庫(kù)存管理。單元庫(kù)存管理模塊由物料主數(shù)據(jù)、物料配送、資源配套功能組成。

（4）單元執(zhí)行管理。單元執(zhí)行管理模塊由現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行、故障處理、制造大綱功能組成。

結(jié)論

在智能制造趨勢(shì)下，現(xiàn)有MES系統(tǒng)在技術(shù)和業(yè)務(wù)上難以滿(mǎn)足企業(yè)需求，下一代MES系統(tǒng)需要從各方面適應(yīng)新變化。本文通過(guò)分析現(xiàn)有MES系統(tǒng)架構(gòu)的問(wèn)題，提出了基于微服務(wù)的MES系統(tǒng)架構(gòu)（MES–MSA），并給出了架構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和功能概述，在有效解決了現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)耦合度高、擴(kuò)展性不強(qiáng)、集成困難等技術(shù)問(wèn)題的同時(shí)，滿(mǎn)足了智能制造對(duì)MES系統(tǒng)業(yè)務(wù)上的新要求。該體系架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)施模式將在后續(xù)的實(shí)踐中得到進(jìn)一步完善和驗(yàn)證。