基于柔性工作流的制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究

岳健

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 215009）

基于柔性工作流的制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究

岳健

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息技術(shù)學(xué)院，江蘇 215009）

柔性工作流解決傳統(tǒng)工作流的變更困難的問(wèn)題，在柔性工作流AWF的研究基礎(chǔ)上，研究基于柔性工作流AWF的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）?；贓SB作為數(shù)據(jù)總線進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)的異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞和清理工具，用柔性的AWF作為核心驅(qū)動(dòng)，構(gòu)造更為靈活智能的制造執(zhí)行系統(tǒng)支持企業(yè)從上層管理到下層車間的復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求。

柔性工作流；AWF；MES；ESB；OPC

0 引言

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）在企業(yè)生產(chǎn)制造中起著重要的中間層作用，其將生產(chǎn)計(jì)劃向上傳遞給車間執(zhí)行，同時(shí)將生產(chǎn)執(zhí)行狀況收集并整理向上反饋。工作流技術(shù)在系統(tǒng)集成、資源管理、流程定制等多個(gè)方面具有廣泛的應(yīng)用。本文基于工作流技術(shù)，使用柔性工作流引擎AWF作為任務(wù)調(diào)度的基礎(chǔ)，使用企業(yè)服務(wù)總線解決了生產(chǎn)中異構(gòu)數(shù)據(jù)集成問(wèn)題，構(gòu)建了新型的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。

1 相關(guān)研究現(xiàn)狀介紹

國(guó)際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)（MESA）認(rèn)為MES提供從接受訂貨到制成最終產(chǎn)品全過(guò)程的生產(chǎn)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的信息[1]。美國(guó)先進(jìn)制造機(jī)構(gòu)AMR將MES定義為位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)[2]。

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的使用打通了上層的生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)以及下層的車間底層的設(shè)備控制系統(tǒng)，能快速提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低成本，是現(xiàn)代企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效車間管理以及企業(yè)信息化的重要組成部分，有助于企業(yè)實(shí)現(xiàn)精益化管理。甄雪提出了基于工作流的裝配執(zhí)行過(guò)程集成監(jiān)控與柔性業(yè)務(wù)協(xié)同技術(shù)[3]；于海斌等人提出來(lái)可集成制造執(zhí)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制和開(kāi)發(fā)方法[4]；張曉燕設(shè)計(jì)了裝配型MES的總體設(shè)計(jì)，提出了裝配型MES的解決方案[5]。

但是傳統(tǒng)的MES作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，通用性不足，隨著企業(yè)的發(fā)展其無(wú)法跟上相應(yīng)的變化，同時(shí)其也無(wú)法與企業(yè)人力、財(cái)務(wù)等其他系統(tǒng)有效對(duì)接，從而形成企業(yè)的全方位信息流。本文在工作流、企業(yè)服務(wù)總線及MES相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上研究了基于柔性工作流引擎AWF[6]的新型智能MES，通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線采集各層數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)柔性工作流引擎作為基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)，涵蓋了上層生產(chǎn)計(jì)劃以及下層車間監(jiān)控管理，同時(shí)打通企業(yè)其他信息系統(tǒng)的通道，解決了傳統(tǒng)MES的諸多問(wèn)題。下文第二節(jié)主要闡述基于工作流的制造執(zhí)行系統(tǒng)的主要框架結(jié)構(gòu)，其后部分主要就柔性工作流AWF在系統(tǒng)中的功能、系統(tǒng)中的通信及集成部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

基于柔性工作流引擎AWF的制造執(zhí)行系統(tǒng)在傳統(tǒng)的制造執(zhí)行系統(tǒng)之外，使用了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式，以企業(yè)服務(wù)總線為數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)，以柔性工作流AWF作為總驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建了新型的制造執(zhí)行系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

圖1描述了系統(tǒng)的總體框架圖，企業(yè)服務(wù)總線ESB完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成和通信，工作流引擎AWF及其相關(guān)管理工具基于ESB的數(shù)據(jù)，調(diào)度企業(yè)相關(guān)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理計(jì)劃系統(tǒng)、設(shè)備資產(chǎn)管理、生產(chǎn)成本管理、能耗管理等相關(guān)系統(tǒng)的無(wú)縫集成。一方面完成了傳統(tǒng)MES所需要完成的對(duì)于車間及生產(chǎn)計(jì)劃的管理，同時(shí)通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線將數(shù)據(jù)交互與格式轉(zhuǎn)換單獨(dú)抽象出來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口連通，使得MES與企業(yè)內(nèi)部其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和對(duì)接。

3 柔性工作流驅(qū)動(dòng)

工作流系統(tǒng)通常用于企業(yè)內(nèi)部流程控制，傳統(tǒng)的工作流系統(tǒng)流程定制困難，變更困難，柔性工作流AWF克服了這些問(wèn)題，使得流程定制和變更成為可能。這種可定制的流程管理使得其作為MES的底層驅(qū)動(dòng)成為可能。一方面定制化的柔性工作流可作為基礎(chǔ)平臺(tái)集成生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)等系統(tǒng)，另一方面其可往下與車間管理系統(tǒng)對(duì)接，獲取相應(yīng)的下層數(shù)據(jù)。通過(guò)流程所規(guī)定的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，完成整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流動(dòng)與通信。

AWF支持以BPMN為描述語(yǔ)言定義流程，同時(shí)對(duì)語(yǔ)義進(jìn)行了一定程度的擴(kuò)充，讓其支持了ECA規(guī)則模型，同時(shí)引入了可視化流程定義工具，使得流程的定義和部署簡(jiǎn)單化。同時(shí)AWF通過(guò)對(duì)流程執(zhí)行審計(jì)數(shù)據(jù)的事后挖掘，對(duì)流程運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，提供可能的流程改進(jìn)建議，從而使得制造執(zhí)行系統(tǒng)可演化。對(duì)于變更的支持，需要對(duì)變更的流程定義進(jìn)行驗(yàn)證以確保流程定義不發(fā)生沖突。通常大的流程定義進(jìn)行全面的驗(yàn)證是一個(gè)時(shí)間開(kāi)銷很大的工作，AWF根據(jù)流程定義最重要的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)于流程的可達(dá)性和可結(jié)束性進(jìn)行了驗(yàn)證。此外對(duì)于變更的可執(zhí)行性，AWF通過(guò)相應(yīng)的變更部分貪婪檢測(cè)算法達(dá)到了較好的驗(yàn)證效果，同時(shí)保證了較快的檢測(cè)速度[6]。

通過(guò)流程定義工具定義流程模型，關(guān)聯(lián)企業(yè)內(nèi)部的相關(guān)資源（包括生產(chǎn)車間的相應(yīng)數(shù)據(jù)以及上層的各類管理系統(tǒng)與相應(yīng)的用戶和角色等），流程部署運(yùn)行之后，AWF中流程引擎推動(dòng)流程按描述自動(dòng)運(yùn)行，從而自動(dòng)關(guān)聯(lián)相關(guān)預(yù)定義的各類資源，使得各項(xiàng)工作能隨著流程自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)而不斷推進(jìn)。AWF同時(shí)提供了Rest等通用的接口方式，使得其方便作為系統(tǒng)集成的驅(qū)動(dòng)核心，也為可能的新接入系統(tǒng)提供了靈活的接口。系統(tǒng)中移動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)管理即是利用AWF的Rest接口構(gòu)造的移動(dòng)客戶端，車間相關(guān)人員使用該客戶端即可完成巡檢、點(diǎn)檢、故障處理、任務(wù)分配等多種工作，同時(shí)設(shè)備資產(chǎn)管理等相關(guān)人員也可利用專用平板上的條碼掃描工具在移動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)管理模塊中迅速完成出入庫(kù)等工作。靈活的接口方式使得傳統(tǒng)的需要依靠PC完成的任務(wù)可通過(guò)專用平板移動(dòng)完成，大大提高了生產(chǎn)和管理效率。

4 基于ESB的數(shù)據(jù)集成

企業(yè)內(nèi)部各系統(tǒng)由于歷史原因，數(shù)據(jù)格式各異，相應(yīng)的接口形式也根據(jù)系統(tǒng)本身的特定而各具特色。對(duì)于復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)，AWF本身有其自有的數(shù)據(jù)格式，使用AWF作為核心驅(qū)動(dòng)的主要問(wèn)題就是其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對(duì)接。

企業(yè)服務(wù)總線（ESB）在系統(tǒng)中起著數(shù)據(jù)清理集成的關(guān)鍵作用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能置于ESB中，由ESB根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器自動(dòng)完成相應(yīng)異構(gòu)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。通過(guò)此方式，使得AWF從異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合中解放出來(lái)，其僅需關(guān)注其核心任務(wù)，即推動(dòng)流程運(yùn)行，而無(wú)需關(guān)注不同數(shù)據(jù)格式之間繁雜的轉(zhuǎn)化問(wèn)題，交由ESB自動(dòng)處理。數(shù)據(jù)按照預(yù)先定義好的轉(zhuǎn)換規(guī)則形成轉(zhuǎn)換器插入到ESB中，新的數(shù)據(jù)進(jìn)入到ESB后即可根據(jù)其數(shù)據(jù)特點(diǎn)自動(dòng)選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)化器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而生成所需數(shù)據(jù)格式提供給AWF以及其他各系統(tǒng)。通過(guò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換抽象到ESB，使得AWF專注于流程驅(qū)動(dòng)。由于傳統(tǒng)的ESB產(chǎn)品主要用于企業(yè)內(nèi)部非實(shí)時(shí)軟件系統(tǒng)的集成，并未有用于MES的先例，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中根據(jù)MES的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，作了較大的改動(dòng)，并從觸發(fā)機(jī)制上使用了高效的實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)異步緩沖記錄等技術(shù)進(jìn)行了改造，使得系統(tǒng)中的ESB符合MES的多項(xiàng)特殊要求。

上位機(jī)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)通過(guò)OPC或OLE-DB接口可進(jìn)行獲取，通過(guò)在ESB中開(kāi)發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可以比較方便進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。ESB通過(guò)從OPC接口獲取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為AWF所需格式數(shù)據(jù)，并根據(jù)流程定義觸發(fā)相應(yīng)的流程或者被相應(yīng)流程使用，進(jìn)而被上層各系統(tǒng)獲取使用，從而使得車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)能順暢的被流程調(diào)度運(yùn)送到上層相應(yīng)系統(tǒng)中，同時(shí)上層相應(yīng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和指令可通過(guò)相反方向的路徑進(jìn)入到下層車間。通過(guò)ESB完成企業(yè)內(nèi)多個(gè)系統(tǒng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)源集成，使得基于AWF的系統(tǒng)集成更為方便。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)AWF作為流程驅(qū)動(dòng)，基于ESB進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信集成，實(shí)現(xiàn)了新型的制造執(zhí)行系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)與企業(yè)內(nèi)部其他系統(tǒng)溝通不暢的問(wèn)題，也使得信息系統(tǒng)支持車間生產(chǎn)制造更為靈活和高效，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。同時(shí)由于AWF具有適應(yīng)性，使得企業(yè)能從生產(chǎn)實(shí)踐中動(dòng)態(tài)演化相應(yīng)流程，也為快速穩(wěn)定高效的流程再造提供了基礎(chǔ)。

[1]MESA International.The Controls Layer:Controls Definition and MES to Controls Data Flow Possibilities，MESA International White Paper Number63，1995.

[2]AMR Research Staff.Process Industry Outlook:How and Why you Will buy E-Manufacturing Systems，2000.

[3]甄雪.基于工作流的裝配執(zhí)行過(guò)程集成監(jiān)控與柔性業(yè)務(wù)協(xié)同技術(shù).Information Technology and Management 6,2005：8-9.

[4]于海斌,朱云龍.可集成的制造執(zhí)行系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2000，6（6）:1-6.

[5]張曉燕.裝配型MES及其生產(chǎn)調(diào)度研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2007．

[6]岳健，劉強(qiáng).基于Agent的適應(yīng)性工作流框架的研究.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2007，34（9A）:56-59．

Abstract：Adaptive workflow solves the problem of traditional workflow change.Based on the adaptive workflow（AWF）,a new MES is proposed.Us?ing ESB as the data bus for communication and data cleaning tool between heterogeneous systems,and using AWF as the core driver,the more intelligent new MES is constructed to support the complex business requirements of the enterprise from the upper management to the lower level workshop.

Keywords：Adaptive Workflow;AWF;MES;ESB;OPC

Research on MES Based on Adaptive Workflow

YUE Jian
（Suzhou Institute of Trade&Commerce,Institute of Electrical and Information Technology,Jiangsu 215009）

1007-1423（2017）25-0007-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.25.002

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目（No.KY-ZR1601）

岳健（1982-），男，江蘇宜興人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能

2017-06-20

2017-09-01