基于柔性工作流的制造執行系統的研究

岳健

（蘇州經貿職業技術學院機電與信息技術學院，江蘇 215009）

基于柔性工作流的制造執行系統的研究

岳健

（蘇州經貿職業技術學院機電與信息技術學院，江蘇 215009）

柔性工作流解決傳統工作流的變更困難的問題，在柔性工作流AWF的研究基礎上，研究基于柔性工作流AWF的制造執行系統（MES）。基于ESB作為數據總線進行系統內的異構系統的數據傳遞和清理工具，用柔性的AWF作為核心驅動，構造更為靈活智能的制造執行系統支持企業從上層管理到下層車間的復雜的業務需求。

柔性工作流；AWF；MES；ESB；OPC

0 引言

制造執行系統（MES）在企業生產制造中起著重要的中間層作用，其將生產計劃向上傳遞給車間執行，同時將生產執行狀況收集并整理向上反饋。工作流技術在系統集成、資源管理、流程定制等多個方面具有廣泛的應用。本文基于工作流技術，使用柔性工作流引擎AWF作為任務調度的基礎，使用企業服務總線解決了生產中異構數據集成問題，構建了新型的制造執行系統（MES）。

1 相關研究現狀介紹

國際制造執行系統協會（MESA）認為MES提供從接受訂貨到制成最終產品全過程的生產活動實現優化的信息[1]。美國先進制造機構AMR將MES定義為位于上層計劃管理系統與底層工業控制之間的、面向車間層的管理信息系統[2]。

制造執行系統（MES）的使用打通了上層的生產計劃系統以及下層的車間底層的設備控制系統，能快速提高企業的生產效率、降低成本，是現代企業實現高效車間管理以及企業信息化的重要組成部分，有助于企業實現精益化管理。甄雪提出了基于工作流的裝配執行過程集成監控與柔性業務協同技術[3]；于海斌等人提出來可集成制造執行系統的體系結構、運行機制和開發方法[4]；張曉燕設計了裝配型MES的總體設計，提出了裝配型MES的解決方案[5]。

但是傳統的MES作為一個獨立的系統，通用性不足，隨著企業的發展其無法跟上相應的變化，同時其也無法與企業人力、財務等其他系統有效對接，從而形成企業的全方位信息流。本文在工作流、企業服務總線及MES相關技術的基礎上研究了基于柔性工作流引擎AWF[6]的新型智能MES，通過企業服務總線采集各層數據，系統通過柔性工作流引擎作為基礎驅動，涵蓋了上層生產計劃以及下層車間監控管理，同時打通企業其他信息系統的通道，解決了傳統MES的諸多問題。下文第二節主要闡述基于工作流的制造執行系統的主要框架結構，其后部分主要就柔性工作流AWF在系統中的功能、系統中的通信及集成部分進行了詳細的闡述。

2 系統框架結構

基于柔性工作流引擎AWF的制造執行系統在傳統的制造執行系統之外，使用了數據驅動的方式，以企業服務總線為數據通信基礎，以柔性工作流AWF作為總驅動，構建了新型的制造執行系統。

圖1 系統框架結構

圖1描述了系統的總體框架圖，企業服務總線ESB完成對系統內所有異構數據的集成和通信，工作流引擎AWF及其相關管理工具基于ESB的數據，調度企業相關系統，實現了生產管理計劃系統、設備資產管理、生產成本管理、能耗管理等相關系統的無縫集成。一方面完成了傳統MES所需要完成的對于車間及生產計劃的管理，同時通過企業服務總線將數據交互與格式轉換單獨抽象出來，通過數據接口連通，使得MES與企業內部其他系統實現數據共享和對接。

3 柔性工作流驅動

工作流系統通常用于企業內部流程控制，傳統的工作流系統流程定制困難，變更困難，柔性工作流AWF克服了這些問題，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的底層驅動成為可能。一方面定制化的柔性工作流可作為基礎平臺集成生產計劃系統等系統，另一方面其可往下與車間管理系統對接，獲取相應的下層數據。通過流程所規定的數據流轉，完成整個系統內部的數據流動與通信。

AWF支持以BPMN為描述語言定義流程，同時對語義進行了一定程度的擴充，讓其支持了ECA規則模型，同時引入了可視化流程定義工具，使得流程的定義和部署簡單化。同時AWF通過對流程執行審計數據的事后挖掘，對流程運行數據分析，提供可能的流程改進建議，從而使得制造執行系統可演化。對于變更的支持，需要對變更的流程定義進行驗證以確保流程定義不發生沖突。通常大的流程定義進行全面的驗證是一個時間開銷很大的工作，AWF根據流程定義最重要的特點，重點對于流程的可達性和可結束性進行了驗證。此外對于變更的可執行性，AWF通過相應的變更部分貪婪檢測算法達到了較好的驗證效果，同時保證了較快的檢測速度[6]。

通過流程定義工具定義流程模型，關聯企業內部的相關資源（包括生產車間的相應數據以及上層的各類管理系統與相應的用戶和角色等），流程部署運行之后，AWF中流程引擎推動流程按描述自動運行，從而自動關聯相關預定義的各類資源，使得各項工作能隨著流程自動運轉而不斷推進。AWF同時提供了Rest等通用的接口方式，使得其方便作為系統集成的驅動核心，也為可能的新接入系統提供了靈活的接口。系統中移動現場管理即是利用AWF的Rest接口構造的移動客戶端，車間相關人員使用該客戶端即可完成巡檢、點檢、故障處理、任務分配等多種工作，同時設備資產管理等相關人員也可利用專用平板上的條碼掃描工具在移動現場管理模塊中迅速完成出入庫等工作。靈活的接口方式使得傳統的需要依靠PC完成的任務可通過專用平板移動完成，大大提高了生產和管理效率。

4 基于ESB的數據集成

企業內部各系統由于歷史原因，數據格式各異，相應的接口形式也根據系統本身的特定而各具特色。對于復雜的異構系統，AWF本身有其自有的數據格式，使用AWF作為核心驅動的主要問題就是其他系統數據的對接。

企業服務總線（ESB）在系統中起著數據清理集成的關鍵作用。系統設計中將相應的數據格式轉換功能置于ESB中，由ESB根據數據轉換器自動完成相應異構數據的轉換。通過此方式，使得AWF從異構數據的整合中解放出來，其僅需關注其核心任務，即推動流程運行，而無需關注不同數據格式之間繁雜的轉化問題，交由ESB自動處理。數據按照預先定義好的轉換規則形成轉換器插入到ESB中，新的數據進入到ESB后即可根據其數據特點自動選擇相應的轉化器進行數據轉換，從而生成所需數據格式提供給AWF以及其他各系統。通過將數據轉換抽象到ESB，使得AWF專注于流程驅動。由于傳統的ESB產品主要用于企業內部非實時軟件系統的集成，并未有用于MES的先例，設計實現中根據MES的實時性、數據量大等特點，作了較大的改動，并從觸發機制上使用了高效的實時通信、數據異步緩沖記錄等技術進行了改造，使得系統中的ESB符合MES的多項特殊要求。

上位機上的實時數據和歷史數據通過OPC或OLE-DB接口可進行獲取，通過在ESB中開發相應的數據轉換器，可以比較方便進行數據監測。ESB通過從OPC接口獲取數據并轉換為AWF所需格式數據，并根據流程定義觸發相應的流程或者被相應流程使用，進而被上層各系統獲取使用，從而使得車間生產數據能順暢的被流程調度運送到上層相應系統中，同時上層相應系統中的數據和指令可通過相反方向的路徑進入到下層車間。通過ESB完成企業內多個系統的異構數據源集成，使得基于AWF的系統集成更為方便。

5 結語

通過AWF作為流程驅動，基于ESB進行相關系統數據通信集成，實現了新型的制造執行系統，解決了傳統制造執行系統與企業內部其他系統溝通不暢的問題，也使得信息系統支持車間生產制造更為靈活和高效，從而提高企業的生產效率。同時由于AWF具有適應性，使得企業能從生產實踐中動態演化相應流程，也為快速穩定高效的流程再造提供了基礎。

[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行過程集成監控與柔性業務協同技術.Information Technology and Management 6,2005：8-9.

[4]于海斌,朱云龍.可集成的制造執行系統[J].計算機集成制造系統，2000，6（6）:1-6.

[5]張曉燕.裝配型MES及其生產調度研究[D].武漢:華中科技大學，2007．

[6]岳健，劉強.基于Agent的適應性工作流框架的研究.計算機科學，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

蘇州經貿職業技術學院院級項目（No.KY-ZR1601）

岳健（1982-），男，江蘇宜興人，碩士研究生，講師，研究方向為移動互聯網、人工智能

2017-06-20

2017-09-01