何 非，李東波

HE Fei, LI Dong-bo

（南京理工大學 機械工程學院，南京 210094）

0 引言

制造執(zhí)行系統(tǒng)是位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)之間的面向車間層的管理控制系統(tǒng)。MES不僅能實現(xiàn)對生產(chǎn)信息的跟蹤，而且能對信息加以分析，并對可能發(fā)生的事情進行預測[1]。目前，國外的MES的研究和應用已經(jīng)取得了明顯的成效，在國內(nèi)一些典型企業(yè)的應用也已經(jīng)取得成功。但是，傳統(tǒng)的MES存在著一定的不足：1）應用范圍窄、通用性差：傳統(tǒng)MES一般只解決某個特定的領域問題，如車間質量管理、生產(chǎn)單元分配等；2）缺乏柔性、不易修改和擴充，可配置性差：傳統(tǒng)MES是針對特定行業(yè)或企業(yè)的固定業(yè)務流程開發(fā)，系統(tǒng)不能隨業(yè)務過程的變化進行功能配置和動態(tài)改變；3）開發(fā)周期長，使用成本較高，不利于在中小企業(yè)得到推廣[2]。

針對上述問題，國內(nèi)外已經(jīng)對MES的可集成性、可配置性及可重構性展開研究，特別是工作流技術的引進，為制造執(zhí)行系統(tǒng)的可配置提供了非常有效的途徑。但是由于缺乏有效的理論支持，車間業(yè)務流程難以向工作流過程模型進行轉換。而一些成熟的商業(yè)軟件，如Siemens的“Simatic IT”等，其應用對象是以流程行業(yè)為主，將其應用到離散行業(yè)中則存在一定的缺陷。因此，本文針對這一問題，以裝配型生產(chǎn)方式為研究對象，充分利用各種BOM信息，以工作流技術為基礎，研究了一種裝配流程可配置、業(yè)務組件可重構的制造執(zhí)行系統(tǒng)。

1 基于工作流的MES

工作流是針對日常工作中具有固定程序的活動而提出的一個概念，其提出的目的是通過將工作分解成定義良好的任務、角色，按照一定的規(guī)則和過程來執(zhí)行這些任務并對它們進行監(jiān)控，以達到提高辦事效率、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理水平和企業(yè)競爭力的目標。工作流的運行是由工作流管理系統(tǒng)來完成的，工作流管理系統(tǒng)由兩部分組成：過程定義和建模階段及過程執(zhí)行階段。在過程定義和建模階段，工作流管理系統(tǒng)將要建模的業(yè)務過程表示成計算機可處理的形式化描述；執(zhí)行控制模塊為工作流過程定義的執(zhí)行提供一個運行環(huán)境，并根據(jù)工作流建模的過程定義，引導該過程的自動執(zhí)行。通過管理系統(tǒng)和執(zhí)行者的交互，可以有效推動工作流實例的進行，并監(jiān)控工作流的運行狀態(tài)[3]。

1.1 基于工作流的MES的體系結構

傳統(tǒng)的MES開發(fā)需要為每個活動開發(fā)相應的用戶界面和處理類，這些類既要完成業(yè)務過程的處理，還需要維護業(yè)務數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)，如果業(yè)務過程發(fā)生改動，則需要大量改動源代碼，增加開發(fā)成本。

利用工作流技術可以在建模時，通過工作流模型完成業(yè)務過程，在執(zhí)行時由工作流引擎控制過程的運行[4]。在基于工作流技術的MES中，通過把處理類中的業(yè)務過程處理掉，而只保留其中的業(yè)務邏輯，并將其作為獨立的組件提供，以提高其可重用性?；诠ぷ髁骷夹g的MES軟件體系結構如圖1所示。其中系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲了三部分數(shù)據(jù)：工作流模型數(shù)據(jù)保存定義好的組織模型和業(yè)務過程模型；工作流控制數(shù)據(jù)是工作流引擎維護的、用于記錄過程實例與活動實例的狀態(tài)信息；工作流業(yè)務數(shù)據(jù)是MES業(yè)務邏輯操作處理的數(shù)據(jù)[5]。

圖1 基于工作流技術的MES系統(tǒng)體系結構

由此可見，將工作流引擎作為MES的核心，可以很方便把生產(chǎn)過程、組織結構、物料生產(chǎn)信息、生產(chǎn)運營資金和工作列表有效的結合起來，實現(xiàn)系統(tǒng)的可配置。同時由于業(yè)務邏輯和業(yè)務過程的分離，可以輕松實現(xiàn)MES的可重構[6,7]。但是，由于實際的生產(chǎn)運作流程是非常復雜的，而且不同的行業(yè)其生產(chǎn)方式也不盡相同，實際的生產(chǎn)現(xiàn)場也存在著大量變更與反復，因此如何快速、有效且完整的將實際的生產(chǎn)業(yè)務流程以工作流的方式進行建模成為MES可配置化的重要問題。

1.2 BOM與制造過程的工作流建模

制造過程是一個由原材料、毛坯、外購件等逐步變成在制品、半成品、最后變成成品的過程，其本質實際上是一個業(yè)務過程，其目標是最終的產(chǎn)品，其子目標則是對組成該過程的零部件的生產(chǎn)。因此，采用工作流的方式對制造過程進行建模，可以完整、有效的描述制造過程中經(jīng)過的所有步驟，而且通過操作人員與系統(tǒng)間的信息交互，可實現(xiàn)生產(chǎn)任務的分配、協(xié)調(diào)和監(jiān)督。

在生產(chǎn)過程的每一個步驟中，都要涉及一定的資源、設備、人員等，另外還要與之相關的基礎數(shù)據(jù)，如設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù)等。通常，這些數(shù)據(jù)都包括在BOM中，但是BOM表達的是產(chǎn)品的結構或裝配視圖，是一種以產(chǎn)品為中心的建模方法。如果僅僅通過結構視圖，是無法直接得到各項任務的時間計劃的，只有通過過程模型才能確定工作進行的先后順序，建立最終的任務時間計劃。

因此引入基于產(chǎn)品結構的BOM來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的工作流建模，為實現(xiàn)現(xiàn)實的生產(chǎn)業(yè)務流程在MES中的可配置提供了有效的途徑。目前，已有學者對樹型BOM的流程化建模展開研究，并取得了一定的理論成果。但是這些研究是以設計BOM為出發(fā)點的，其研究缺乏針對性，使得其成果難以在實際中得到應用。本文以裝配型生產(chǎn)為研究對象，以裝配BOM為基礎，構建了一種制造過程的工作流建模方式。

2 基于裝配BOM的工作流過程建模

2.1 裝配BOM在裝配過程建模中的作用

裝配BOM主要包含了制造BOM中的部分信息，一是物料的基本信息及管理信息，二是產(chǎn)品在裝配過程中所需要的裝配信息。裝配BOM中所需要的物料信息有：

1) 物料代碼；

2) 常規(guī)管理有關的信息。如圖號、物料名稱、版本、物理狀態(tài)屬性等；

3) 同生產(chǎn)管理有關的信息。如庫存管理信息（安全庫存、分類編碼等）、車間制造信息（提前期、物料供應信息等）、采購信息（采購價格、最小訂貨數(shù)量等）、銷售信息（發(fā)運最小數(shù)量、是否可發(fā)運等）。

在裝配過程中所需要的信息有：

1) 增加的中間件信息；

2) 各零部件之間的裝配關系信息，如裝配的先后順序，裝配所需的物料及數(shù)量等；

3) 零部件個體的工藝信息，如制造/裝配時間等。

圖2與圖3分別展示了某產(chǎn)品A的設計BOM與裝配BOM，其中斜線中的數(shù)字為所用零部件的數(shù)量，圖4中的子部件為裝配BOM中所有的中間件。

圖2 產(chǎn)品A的設計BOM

圖3 產(chǎn)品A的裝配BOM

由此可見，針對裝配型生產(chǎn)，較之設計BOM 與制造BOM，裝配BOM能更清晰、更完整的描述產(chǎn)品的裝配業(yè)務過程。首先利用其裝配關系等信息，能夠建立一個良好的生產(chǎn)工作流過程模型；其次，裝配BOM中的物料信息，又為MES系統(tǒng)中其他各子系統(tǒng)的監(jiān)控管理提供了非常詳盡的依據(jù)。

因此選用裝配BOM，能有效夠構建產(chǎn)品裝配的工作流過程模型，為MES中工作流程的建立供了良好的理論依據(jù)；同時，由于BOM信息可以直接從PDM中直接獲取，便于裝配過程工作流建模的自動建立，輕松實現(xiàn)MES的快速可配置。

2.2 基于Petri網(wǎng)的工作流過程模型

Petri網(wǎng)理論目前已廣泛應用于制造系統(tǒng)的分析、建模和仿真中。作為一種圖形化的建模方法，Petri網(wǎng)和工作流在結構之間存在明確的映射關系，在制造過程的建模和工作流建模方面得到了廣泛的應用。Petri網(wǎng)包括三個基本元素，即庫所、躍遷和連接。庫所表示的是系統(tǒng)在該處的狀態(tài)，躍遷則描述的是使狀態(tài)發(fā)生改變而發(fā)生的事件，庫所與躍遷之間的聯(lián)系由弧連接，因此通過Petri網(wǎng)可以很方便的描述工作流活動之間的關系。工作流所定義的活動有四種結構：1) 順序結構；2) 并行結構，包括有條件分支、與并；3) 條件結構，包括有條件分支、或并；4) 循環(huán)結構。表1顯示了如何用Petri網(wǎng)來表示這些結構，其中正方形表示躍遷，用T標記，圓圈表示庫所，用P表示[8]。

表1 工作流建?；咀冞w結構

2.3 裝配BOM向工作流模型的映射

從BOM和Petri網(wǎng)的基本特征可以看出，BOM表達的是產(chǎn)品的結構視圖，Petri網(wǎng)表達的是過程視圖。因此從產(chǎn)品裝配的角度出發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)品裝配的過程控制，在模型描述意義上就是BOM結構模型向Petri網(wǎng)過程模型的映射[9]。本文從裝配BOM出發(fā)，結合文獻[8]中的方法給出由裝配BOM向Petri網(wǎng)映射的步驟。

首先對裝配B O M 進行定義： 令BOM=(C,R,F)；其中C是根部件，R是裝配該根部件所需的子部件或零件，F(xiàn)為部件C和零件R之間的對應關系。Petri網(wǎng)的定義如下：令PN=(P,T,N)；其中P是網(wǎng)中庫所的集合，T是躍遷的集合，是連接庫所與躍遷的有向弧的集合。

值得注意的是，由于本方法是以裝配BOM為基礎，因此其中PRE（準備）躍遷代表物料的準備與配送過程，而非產(chǎn)品的加工準備流程；ASM（裝配）躍遷代表產(chǎn)品的裝配過程，而不是產(chǎn)品的制造過程（PRO躍遷）。

具體映射步驟如下：躍遷，合并成一個節(jié)點。

圖3中的裝配BOM通過映射后得到的Petri網(wǎng)模型如圖4所示。

圖4 Petri網(wǎng)過程視圖實例

通過上述方法，可以有效建立裝配過程的工作流過程模型，其采用的Petri網(wǎng)建模方法不僅描述了主要的工作流過程關系，而且其中的庫所和躍遷還能表示多種含義。庫所可以表示任務開始的時間，任務執(zhí)行單位，任務進行地點等非過程相關特性；而躍遷則表示對象通過該躍遷發(fā)生什么樣的變化，執(zhí)行多長時間等過程相關特性，是車間計劃的執(zhí)行、監(jiān)控及變更的重要依據(jù)，為MES的工作流過程模型與各業(yè)務組建間的信息交互提供了重要的數(shù)據(jù)。

3 BOM信息的綁定及在各子系統(tǒng)中的應用

如圖1所示，業(yè)務邏輯的驅動需要有相關的業(yè)務數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù)的支持。因此，裝配過程的工作流過程建模只是實現(xiàn)了MES可配置的第一步，要實現(xiàn)各業(yè)務模塊與工作流模型之間的無縫集成，在其兩者之間必須有嚴格的信息定義及接口方式，以保證各業(yè)務模塊的順利運行有足夠的信息支持。所以在上述基于BOM的裝配過程工作流建模完成后，仍需要在過程模型中綁定相關信息，如質量信息、物料信息及設備信息等，為各子模塊提供有效的管理基礎信息。

一般來說，這些信息都包括在各類BOM中，如物料的庫存管理及配送信息包括在制造BOM中，產(chǎn)品的質量信息包括在質量BOM中，刀具及設備的使用信息包括在工藝BOM中，如果能夠將這些BOM信息綁定到各個工作流程中，通過與各子系統(tǒng)之間的信息交互，則可以為MES的運作及管理提供有效的依據(jù)，保證了生產(chǎn)現(xiàn)場的有效監(jiān)控及優(yōu)化管理。

實際上，在以工作流為基礎的MES中，已經(jīng)具備了將外部信息綁定到各工作流節(jié)點上的功能，圖5展示的是一般工作流MES業(yè)務模型的數(shù)據(jù)庫關系圖[5]。

圖5 傳統(tǒng)工作流MES的業(yè)務模型

圖6 改進后的業(yè)務模型

其中“活動實例信息”記錄的是各種任務，包括待處理的和已完成的任務；“業(yè)務過程信息”描述了MES工作過程并記錄過程活動的功能配置信息，也就是業(yè)務工作流模型信息，其中表Process描述車間生產(chǎn)過程的總體信息，表Activity表示生產(chǎn)過程中的每個活動，表Transition描述活動轉移路徑；“功能配置信息”是將參數(shù)數(shù)據(jù)、用戶界面和業(yè)務邏輯處理類可供系統(tǒng)配置調(diào)用，其中表DataSet記錄了活動執(zhí)行時調(diào)用的參數(shù)信息，包括參數(shù)傳遞信息、參數(shù)類型、參數(shù)順序等，表Form描述操作的界面，表Application描述業(yè)務邏輯信息，并接受DataSet傳遞過來的業(yè)務數(shù)據(jù)。

由此可見，所有和生產(chǎn)過程相關的BOM信息都可以存放在DataSet表中，通過與生產(chǎn)工作流模型的關聯(lián)實現(xiàn)與各功能模型實現(xiàn)信息交互，為各功能模塊的監(jiān)控與管理提供有效的依據(jù)。同時通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，可以將這些數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中，通過進一步的分析與處理，能夠預測當前車間所處的狀態(tài)，為進一步的生產(chǎn)計劃的定制及生產(chǎn)過程中的物料控制提供了基礎。

由于這些BOM都是以設計BOM為基礎的，與裝配BOM存在著相同的結構與形式，因此能夠在工作流模型構建時直接從PDM導入，輕松實現(xiàn)信息的無縫集成。為了實現(xiàn)不同的BOM信息與相關的子系統(tǒng)的信息交互，其功能數(shù)據(jù)配置信息的數(shù)據(jù)庫結構圖如6所示。

下面從各類BOM出發(fā)，分別探討B(tài)OM與相關子系統(tǒng)間的信息交互。

1）裝配BOM與過程管理、作業(yè)計劃及調(diào)度管理

前文已述，庫所可以表示任務開始的時間，任務執(zhí)行單位，任務進行地點等非過程相關特性；而躍遷則表示對象通過該躍遷發(fā)生什么樣的變化，執(zhí)行多長時間等過程相關特性，而這些信息都是包括在裝配BOM中的。當任務計劃下達后，標準的作業(yè)開始時間、結束時間、單件操作時間等信息即綁定到工作流模型中的各個節(jié)點上。當任務開始執(zhí)行時，MES則通過過程管理系統(tǒng)從現(xiàn)場獲取實際的產(chǎn)品裝配信息，將這些信息與裝配BOM中的標準作業(yè)信息進行比較，便能夠輕松判斷車間當前的生產(chǎn)運作情況。如果生產(chǎn)出現(xiàn)異常或實際生產(chǎn)與原有生產(chǎn)計劃不符，調(diào)度管理系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)做出生產(chǎn)調(diào)整，同時計劃管理系統(tǒng)也可做出相關調(diào)整。

2）制造BOM與庫存及配送管理

制造BOM中包含了各類零件的詳細信息，如物料的來源信息、物料的使用數(shù)量、物料使用的時間差異等，是MRP不可缺少的基礎數(shù)據(jù)，同時也為MES中的庫存準備及物料配送提供了重要數(shù)據(jù)。由于明確了物料的使用時間、數(shù)量、類型和來源，庫房可以清晰明了的查看各個工位所需物料的數(shù)量及時間，當任務下達后，可根據(jù)物料需求計劃及時安排物料的采購及調(diào)運；同時協(xié)同過程管理和產(chǎn)品跟蹤系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)，能獲取現(xiàn)場的物料使用情況及物料的當前需求量，通過這些信息可及時進行物料的準備及配送，并對現(xiàn)有庫存余量進行監(jiān)控，及時調(diào)整外協(xié)件的供應，確保生產(chǎn)的正常運行。

3）工藝BOM與工具管理及設備管理

工藝BOM中包括了各種裝配工藝，自制件的加工工藝及設備、刀具、工裝的使用等。通過工藝BOM，并借助底層控制系統(tǒng)，能實時記錄并分析設備及刀具的使用情況，如設備的使用時間、故障發(fā)生率，刀具的使用時間、使用頻率、刀具異常報警等，同時能夠快速有效的制定設備的維修、保養(yǎng)、換油計劃，刀具的準備計劃采購計劃等。

4）質量BOM與質量管理

質量BOM中包含了基本的質量規(guī)范、產(chǎn)品質量考核標準、產(chǎn)品和零件檢測規(guī)程和方法、檢驗設備信息和不合格處理辦法等。通過與工作流模型進行綁定，在自動檢測點，能夠對所采集的數(shù)據(jù)進行自動判斷，實現(xiàn)質量的在線監(jiān)控；在手工檢測點，則能夠提供相應的檢驗流程及方法，而且可以綁定相關的質量表單，方便工人填寫實現(xiàn)電子記錄。另外，利用這些產(chǎn)品的質量記錄信息，可以通過統(tǒng)計分析等方法提取隱藏的潛在的有用信息，挖掘影響的產(chǎn)品質量問題的源頭。

4 系統(tǒng)總體構架與實現(xiàn)

通過上述研究，我們已經(jīng)找出了裝配型生產(chǎn)的工作流過程模型的構建方法，并通過將BOM信息綁定到工作流模型中，實現(xiàn)了業(yè)務過程數(shù)據(jù)與業(yè)務過程模型的無縫結合。因此，以工作流引擎為核心，能成功實現(xiàn)制造過程的可配置及業(yè)務組件的可重構。其系統(tǒng)整體構架如圖7所示。

圖中工作流引擎由7個處理模塊組成，其中任務管理模塊是工作流引擎的控制中樞，用于處理在系統(tǒng)執(zhí)行過程中所要進行的任務；過程訪問接口用于解釋業(yè)務過程模型，主要從PDM中獲取裝配BOM，將BOM轉換為Petri網(wǎng)模型，構建工作流過程模型；組織訪問接口用于解釋組織模型及角色定義，將使用權限設定到業(yè)務流程的各個節(jié)點，實現(xiàn)系統(tǒng)的權限管理；數(shù)據(jù)訪問接口則從PDM中獲取數(shù)據(jù)，控制活動狀態(tài)和過程轉移數(shù)據(jù)，將各類BOM信息綁定業(yè)務流程中；組件調(diào)用接口調(diào)用MES業(yè)務邏輯組件，處理任務數(shù)據(jù)；用戶操作接口實現(xiàn)用戶界面和工作列表處理程序之間的交互；管理監(jiān)控接口則通過底層工業(yè)控制網(wǎng)絡采集生產(chǎn)過程信息，實現(xiàn)管理和監(jiān)控功能。

圖7 系統(tǒng)總體構架

圖8 某部件的工作流過程模型界面

本系統(tǒng)應用JAVA技術進行開發(fā)，采用B/S的三層體系結構來構建企業(yè)的生產(chǎn)業(yè)務解決方案。其中表示層采用JSP技術，負責與用戶進行交互，接受用戶的指令等；業(yè)務邏輯層由Servlet和JavaBean等類型程序實現(xiàn)，根據(jù)用戶的指令和企業(yè)業(yè)務處理邏輯，對數(shù)據(jù)信息進行相關處理，并將處理結果返回表示層；數(shù)據(jù)訪問層則由JDBC連接SQL Server數(shù)據(jù)庫，處理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和其它應用服務的通信。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在某軍工企業(yè)得到初步實現(xiàn)與應用，圖8展示的是某部件級產(chǎn)品由裝配BOM轉化后得出的工作流過程模型。

5 結束語

本文以裝配型生產(chǎn)為研究對象，充分利用各類BOM信息，研究了一種裝配流程可配置的制造執(zhí)行系統(tǒng)。以工作流技術為核心，利用裝配BOM構建裝配過程的工作流過程模型，并將其他各類BOM信息綁定到該模型中，保證各功能模塊間的信息交互，成功實現(xiàn)制造過程的可配置及業(yè)務組件的可重構。實踐表明，本方法符合裝配型企業(yè)的實際生產(chǎn)需求，當裝配流程發(fā)生改變或有新產(chǎn)品裝配時，只需直接導入PDM中的數(shù)據(jù)，并通過一定的調(diào)整，能快速實現(xiàn)MES與實際生產(chǎn)流程的匹配。而且該系統(tǒng)無需重新編寫程序，具有良好的可擴充性、可配置性及可重構性，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)約企業(yè)信息化成本。

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