金航數(shù)碼科技有限責(zé)任公司 程思遙 張倫彥

針對目前航空制造企業(yè)MES系統(tǒng)現(xiàn)場執(zhí)行過程管理存在的問題，從可配置性、控制邏輯和操作便捷性等方面對工序流引擎的需求進行了分析，給出了工序流引擎的基于組件化的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、工序流轉(zhuǎn)的控制邏輯及管理工具設(shè)計方案，并對工序流引擎在某數(shù)字化COE項目中的應(yīng)用情況進行了介紹。

航空制造企業(yè)車間生產(chǎn)管理本身的復(fù)雜性和多變性，決定了開發(fā)與實施MES時，須解決數(shù)據(jù)量大、業(yè)務(wù)流程多樣化、用戶差異性顯著以及二次開發(fā)量大等問題。目前MES大都強調(diào)了生產(chǎn)現(xiàn)場的即時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)督及控制，但在進行系統(tǒng)開發(fā)時，程序控制邏輯和業(yè)務(wù)流程綁定過于緊密，這導(dǎo)致了系統(tǒng)不夠靈活，難以及時響應(yīng)需求變更，這一問題在大量涉及工序流轉(zhuǎn)邏輯控制的計劃執(zhí)行主線部分尤為明顯。

為了解決目前MES開發(fā)中存在的問題，本文提出了一種工序流引擎技術(shù)，為車間現(xiàn)場執(zhí)行過程中的工序流轉(zhuǎn)提供底層支撐，同時作為一個開放式可定制的平臺提供給用戶，使其具有通過配置工藝路線模型來靈活調(diào)整工序流轉(zhuǎn)控制邏輯的能力，從而適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)經(jīng)營過程管理的持續(xù)改善對MES功能的需求。

一、工序流引擎的需求分析

1.MES在現(xiàn)場執(zhí)行管理中存在的問題

作為典型的離散型制造企業(yè)，航空制造企業(yè)的MES需要針對不同生產(chǎn)方式的車間和多種類零部件的生產(chǎn)過程進行管理，面向的是復(fù)雜的工藝路線和多變的現(xiàn)場執(zhí)行業(yè)務(wù)控制邏輯。航空制造企業(yè)現(xiàn)場制造執(zhí)行過程的復(fù)雜性和多變性表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）生產(chǎn)零部件種類及其工藝路線眾多，由于車間生產(chǎn)現(xiàn)場管理流程和工序工藝要求的差異，對各工序的派工、開完工數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量檢驗條件的控制需求也是不同的，主要包括：①工作下達和分派策略不同，例如按工序順序派工、按流卡多工序批量派工等；②工序間約束關(guān)系不同，例如有些簡單的、加工周期短的工序，在進行開完工采集時可批量采集，以減輕工人錄入采集數(shù)據(jù)的工作量，而對一些關(guān)鍵工序，則要求其完工檢驗之后，才允許后續(xù)工序進行開完工；③質(zhì)量控制要求不同，例如一些普通工序不需檢驗，而有些關(guān)鍵工序可能需要工長、檢驗員甚至駐廠軍代表等的多次檢驗和確認等。

（2）執(zhí)行過程中的變化和例外情況多，其生產(chǎn)狀態(tài)受到外部需求的影響更為明顯，主要包括零組件在管理方式不同的分廠、車間和工段間的周轉(zhuǎn)、外協(xié)；一些工序?qū)υ牧线M行切分（截料）導(dǎo)致的加工數(shù)量變化；以及質(zhì)量問題導(dǎo)致的報廢、降級使用，停工待處理以及返工返修；計劃變更導(dǎo)致的流水卡片拆分合并、零件號變更等，這些都有可能導(dǎo)致執(zhí)行控制邏輯的變化、工藝路線的調(diào)整和加工數(shù)量的變化。

以傳統(tǒng)模式開發(fā)的MES在不同車間、不同企業(yè)進行實施時，以上差異和變化帶來了大量的二次定制化開發(fā)工作，降低了對需求變更的響應(yīng)速度，造成了MES產(chǎn)品難以推廣，系統(tǒng)模塊復(fù)用率低，實施周期長、成本高等弊端。

為了解決這些問題，離散制造業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)具有更高的適應(yīng)性和可配置性。然而，目前相關(guān)研究尚未受到足夠重視。近年來，國內(nèi)外研究者在如何提高MES組件化、可配置方面開展了部分研究，包括采用基于CORBA的分布式技術(shù)來提高MES與其他系統(tǒng)的互操作性，提出基于組件的可重構(gòu)執(zhí)行系統(tǒng)、可適應(yīng)制造執(zhí)行系統(tǒng)、基于構(gòu)件復(fù)用技術(shù)的MES體系結(jié)構(gòu)，以及結(jié)合組件技術(shù)、SOA和BPM技術(shù)的開放式MES集成體系等。這些研究大部分著眼于通過信息技術(shù)改善MES的可集成性和模塊級的可重構(gòu)性， 而缺少對MES現(xiàn)場執(zhí)行的核心業(yè)務(wù)過程的提煉，難以對工藝路線乃至工序?qū)哟蔚臉I(yè)務(wù)需求差異和變化提供幫助。歐洲著名技術(shù)服務(wù)企業(yè)Logica CMG對MES的調(diào)查報告也顯示，盡管國內(nèi)外眾多MES廠商針對不同的行業(yè)和生產(chǎn)模式提出了各自的解決方案，但當前主流MES系統(tǒng)的可適應(yīng)性絕大多數(shù)體現(xiàn)在諸如報表定制等非核心業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，對生產(chǎn)需求和工藝流程變化的支持非常有限。

目前在航空制造企業(yè)實施的MES中，一般通過在數(shù)據(jù)庫表中定義大量的現(xiàn)場控制策略（進度采集影響策略、派工影響策略等）對工序流轉(zhuǎn)進行控制，通過策略的組合應(yīng)對不同的現(xiàn)場執(zhí)行控制需求，這種方式雖然初步實現(xiàn)了控制邏輯的可配置性，但其邏輯十分繁瑣，配置項互相依賴，理解和開發(fā)維護較為困難，一旦新增配置項，原有控制邏輯均需要進行修改；且在面向大量工序時，配置工作量大，在實施時為了減少維護工作量，最終往往簡化為整個車間用統(tǒng)一的控制策略進行控制，不能滿足精細化管理的需要。

2.工序流引擎的設(shè)計目標

針對上述現(xiàn)狀，本文對具有能夠應(yīng)對客戶需求和工藝路線變化的可配置的工序流引擎技術(shù)進行了研究。為彌補現(xiàn)有制造執(zhí)行系統(tǒng)的不足，工序流引擎主要是為車間現(xiàn)場執(zhí)行過程提供支持，其設(shè)計應(yīng)滿足以下要求。

（1）在可配置性方面，通過對工序內(nèi)部工作流程及工序和工序之間的關(guān)系分析，抽取其中的內(nèi)在邏輯，建立完備的工藝路線模型，力求以較少的獨立的配置項組合出較多的適用場景?？筛鶕?jù)現(xiàn)場實際業(yè)務(wù)，通過靈活便捷配置控制工序流轉(zhuǎn)過程。當現(xiàn)場的控制邏輯改變，或者應(yīng)對不同實施單位對控制邏輯的不同要求時，只需通過改變工序的配置即可滿足新的需求，避免直接對系統(tǒng)代碼進行修改，這是工序流引擎設(shè)計的根本目標。

（2）在操作便捷性方面，在工序流數(shù)據(jù)準備階段，為了避免工藝路線多、工序數(shù)量巨大導(dǎo)致配置工作量大的情況，引擎需提供通過預(yù)置的常用工序模板對工序進行一次性批量配置的功能，快速建立工序流。在引擎與MES結(jié)合運行的過程中，引擎用對相應(yīng)角色推送待辦的方式實現(xiàn)對工序派工、采集等各環(huán)節(jié)的控制，使各角色明確自己需要完成的工作，減少冗余信息，方便客戶使用。

（3）在功能設(shè)計方面，工序流引擎除了通過底層的邏輯控制工序流轉(zhuǎn)外，還應(yīng)與MES中的工藝路線管理模塊相結(jié)合，為用戶提供工序流維護功能，使用戶的主工藝路線在引擎中均有對應(yīng)的工序流描述信息并保證數(shù)據(jù)同步。為了方便引擎的開發(fā)維護和測試，還需提供設(shè)計器，可通過易于理解的、圖形化的方式展示和調(diào)整工序流的配置。

總之，通過一系列豐富的控制功能，工序流引擎可用靈活直觀的方式為不斷變化的工序流轉(zhuǎn)控制需求提供支持，當業(yè)務(wù)需求出現(xiàn)變化時，用戶只需改變工序流配置即可滿足新的需求，不需對數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)代碼進行任何新的修改及開發(fā)。

二、工序流引擎的體系結(jié)構(gòu)

工序流引擎依托的MES產(chǎn)品采用組件化形式進行設(shè)計開發(fā)，每個業(yè)務(wù)模塊為一個組件，組件運行時調(diào)用的后臺控制邏輯封裝為邏輯單元，展示頁面封裝為頁面單元，工序流引擎為MES現(xiàn)場執(zhí)行過程的控制提供支持，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了便于與業(yè)務(wù)組件之間進行交互，工序流引擎提供了多個接口函數(shù)供邏輯單元進行訪問。組件運行時，通過執(zhí)行邏輯單元將發(fā)生的事件及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（參數(shù)）發(fā)送至工序流引擎，引擎將相應(yīng)的執(zhí)行新建和啟動實例、基于業(yè)務(wù)控制邏輯啟動工序并向特定人員發(fā)送派工、采集或檢驗待辦等操作。同時，頁面單元將展示出工序流引擎產(chǎn)生的派工待辦或采集待辦等信息，在對待辦進行操作后，調(diào)用邏輯單元與引擎進行交互，繼續(xù)驅(qū)動工序流向下流轉(zhuǎn)。

圖1 工序流引擎的體系結(jié)構(gòu)

三、工序流轉(zhuǎn)的控制邏輯

1.工序信息的描述

工序流描述信息以配置項的形式展示給用戶，信息以xml文件形式進行存儲，包括基本信息、啟動條件信息、群組信息、業(yè)務(wù)信息四部分。

（1）基本信息定義了工序名稱、投入產(chǎn)出比、工序內(nèi)容等屬性。

（2）啟動條件信息定義了工序啟動的控制邏輯。工序的啟動通過監(jiān)聽其前道工序的開完工事件和自定義的其他監(jiān)聽條件（如生產(chǎn)準備檢查等其他業(yè)務(wù)需求）來完成。當滿足用戶配置的事件觸發(fā)條件時，引擎將啟動工序并向指定用戶發(fā)送派工或采集待辦。因此在啟動條件中，包含了以下5部分信息。①是否監(jiān)聽：定義工序是否對其緊前工序進行監(jiān)聽，對于不進行監(jiān)聽的工序，將無條件啟動，這種情況在工藝路線較短，用時較少，允許工人不按順序采集的零件加工中較為常見。②監(jiān)聽事件：定義工序啟動的觸發(fā)事件，包括其緊前工序的開始事件或緊前工序的完成事件。在實際業(yè)務(wù)中，開始事件可能是派工或開工，完成事件可能是完工或檢驗等，這取決于工序的群組信息配置。③監(jiān)聽數(shù)量：定義在監(jiān)聽事件上的發(fā)生數(shù)量，包括全部數(shù)量、任意數(shù)量和指定數(shù)量。選擇“全部數(shù)量”則上一道工序開始或完成全部數(shù)量時，工序啟動；選擇“任意數(shù)量”則上一道工序開始或完成任意數(shù)量時，工序啟動；選擇“指定數(shù)量”則可根據(jù)具體業(yè)務(wù)來設(shè)置特定的數(shù)量，當上一道工序開始或完成該指定數(shù)量時，工序啟動。④人工監(jiān)聽：設(shè)置工序啟動監(jiān)聽人。設(shè)置人工監(jiān)聽后，工序啟動前需要給設(shè)定的監(jiān)聽人發(fā)出待辦，監(jiān)聽人同意后將啟動工序，否則不啟動工序。在實際業(yè)務(wù)中，這類工序可能是關(guān)鍵工序、中轉(zhuǎn)工序等，需要在啟動前進行人工審批確認等操作。⑤自定義其他監(jiān)聽：通過編寫腳本的形式，定義其他非通用的監(jiān)聽事件。

（3）群組信息用于控制每道工序本身派工、采集、檢驗的工作流程，主要定義了待辦的接收人，包括是否派工、派工人、執(zhí)行人、是否檢驗以及檢驗人信息。此外，定義了工作項分派模式，有協(xié)同和競爭兩種。協(xié)同即該工序由多人共同協(xié)作完成。競爭即該工序由多人互相競爭派工的數(shù)量。

（4）業(yè)務(wù)信息則包含工序的設(shè)備、工時、工裝目錄等信息。

可以看出，工序流的流轉(zhuǎn)方式主要由啟動條件和群組信息進行定義，是工序流實例運行時決定控制邏輯的關(guān)鍵配置項。啟動條件定義了工序間的流轉(zhuǎn)邏輯，即工序節(jié)點的監(jiān)聽事件及工序啟動時需要達到的數(shù)據(jù)狀態(tài)，而群組則定義了工序內(nèi)部的工作流程，包括是否派工，是否檢驗及接收待辦的人員及人員之間的關(guān)系。其對工序流轉(zhuǎn)的控制邏輯流程如圖2所示。

圖2 工序流轉(zhuǎn)的控制邏輯流程

2.工序間流轉(zhuǎn)數(shù)量控制邏輯

工序的啟動條件信息定義了工序啟動的監(jiān)聽事件和監(jiān)聽數(shù)量，而工序啟動時的可開始數(shù)量受到其監(jiān)聽的前一道工序的事件上發(fā)生的數(shù)量的限制。當監(jiān)聽“開始”事件時，如果達到了工序的啟動條件，工序的可開始數(shù)量為其前一道工序的開始數(shù)量；當監(jiān)聽“完成”事件時，工序的可開始數(shù)量為其前一道工序完成（完工或檢驗）的合格數(shù)量，工序流中的合格數(shù)量可能包括實際業(yè)務(wù)中工人自檢合格數(shù)量、檢驗合格數(shù)量及讓步使用、降級使用等可視作合格并繼續(xù)向下流轉(zhuǎn)的零件數(shù)量，可根據(jù)需求將相應(yīng)數(shù)量作為參數(shù)傳入工序流引擎。

例如，某工序監(jiān)聽其緊前工序的“開始”事件，數(shù)量限制為“任意數(shù)量”，則當上一道工序的開始（派工或開工）數(shù)量為5時，達到當前工序的啟動條件，啟動數(shù)量（可派工或可完工采集數(shù)量）為5，在用戶進行派工或完工采集時，數(shù)量不能大于5，如圖3所示。

圖3 工序流轉(zhuǎn)數(shù)量控制邏輯

3.示例

基于以上分析，以圖4所示的某工藝路線為例，說明工序流的控制邏輯配置與實際業(yè)務(wù)中對現(xiàn)場執(zhí)行過程的控制需求之間的關(guān)系。

圖4 工藝路線圖例

假設(shè)該工藝路線中20工序為關(guān)鍵工序，40工序為工藝段首工序。

對20的要求為：不派工，在前工序開始任意數(shù)量后即可生成采集待辦，完工采集后需要進行檢驗，檢驗人為檢驗員A。

對30工序的要求為：不派工，20工序（因為是關(guān)鍵工序）完成全部數(shù)量后才能開工，不需檢驗。由于20工序需要檢驗，因此20工序的完成事件在檢驗采集時觸發(fā)。

對40的要求為：派工，且必須前一工序完成全部數(shù)量后，40工序才能派工。派工人為工長B。派工前，需工段計劃員C確認，不需檢驗。

對其余工序的要求均為不派工，前工序開始任意數(shù)量后即可開工。不派工的工序采集人均為工人D，不需檢驗。

對應(yīng)配置為如表1所示。

表1 工序節(jié)點配置示例

四、工序流引擎的管理工具

為了便于對工序流進行管理和維護，并以圖形化的方式編輯工序模板并對工序流及其實例運行情況進行直觀的展示，產(chǎn)品中為工序流引擎開發(fā)了設(shè)計工具，包括工序流模板設(shè)計器、工序流設(shè)計器及工序流實例設(shè)計器，用戶可通過這些工具方便的完成配置工作。

1.工序流模板設(shè)計器

在工序流模板設(shè)計器中，用戶可根據(jù)實施單位的具體業(yè)務(wù)預(yù)設(shè)多種類型的常用工序模板，如不派工任意采集工序、派工順序采集工序、中轉(zhuǎn)工序、檢驗工序和工藝段首工序等。預(yù)設(shè)好的工序模板可在維護工藝路線時批量生成工序流的各工序節(jié)點，以節(jié)省大量工序時的配置工作量，新生成的工序節(jié)點將完全繼承模板的屬性信息。設(shè)計器界面如圖5所示。

圖5 工序流模板設(shè)計器

2.工序流設(shè)計器

在生成工藝路線后，即可在工序流設(shè)計器中以圖形化的方式查看各工藝路線對應(yīng)的工序流信息，并對工序流屬性進行編輯，可查看和調(diào)整工序流及各工序節(jié)點的屬性。

3.工序流實例設(shè)計器

MES系統(tǒng)建立流卡時，將基于工藝路線版本對應(yīng)的工序流生成工序流實例，工序流實例及其各工序節(jié)點完全繼承來源工序流的屬性，可在工序流實例設(shè)計器中查看和調(diào)整工序流實例及工序節(jié)點的屬性，并進行分卡、合卡等單獨針對實例的操作。

除設(shè)計器外，還對MES中的工藝路線管理模塊進行了針對工序流的適應(yīng)性修改，除了原有的對工藝路線及其各工序信息的維護功能外，增加了為各工序設(shè)定工序模板和生成工藝路線對應(yīng)工序流的功能，同時該模塊可鏈接到各設(shè)計器，是工藝路線和工序流引擎的綜合管理入口。

五、工序流引擎的工程驗證

我公司在某航空發(fā)動機制造企業(yè)實施的數(shù)字化COE（Center of Excellence，優(yōu)良加工中心）項目是MES6.0產(chǎn)品的首個應(yīng)用項目。作為平臺級支撐，工序流引擎在COE項目中進行了驗證。與工序流結(jié)合的業(yè)務(wù)組件包括投料建卡、多種類型的分合卡、本地工序維護、在制品派工、開完工采集等，通過對工序流的靈活配置，滿足了不同車間多種零組件的現(xiàn)場執(zhí)行控制需求，取得了良好效果。

六、結(jié)語

目前在航空制造企業(yè)MES的實施過程中，由于車間現(xiàn)場執(zhí)行管理的復(fù)雜性以及不同產(chǎn)品、不同車間、不同企業(yè)對工序流轉(zhuǎn)控制邏輯需求的差異性帶來了大量二次開發(fā)測試工作，而傳統(tǒng)的通過數(shù)據(jù)庫定義控制邏輯的方式缺乏靈活性，且理解和維護難度較大，這些問題的存在降低了項目開發(fā)和實施效率。工序流引擎作為MES系統(tǒng)執(zhí)行主線部分的重要支撐，通過圖形化、可配置的方式，較好地解決這一問題，實現(xiàn)了對需求變更的快速響應(yīng)，并在某航空制造企業(yè)中的應(yīng)用中進行了驗證。