工序流引擎的設(shè)計及其在航空制造企業(yè)MES中的應(yīng)用

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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(rèn)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(jìn)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(jìn)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M(jìn)ES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M(jìn)ES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(dāng)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(jìn)度采集影響策略、派工影響策略等）對工序流轉(zhuǎn)進(jìn)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(hù)較為困難，一旦新增配置項，原有控制邏輯均需要進(jìn)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(hù)工作量，最終往往簡化為整個車間用統(tǒng)一的控制策略進(jìn)行控制，不能滿足精細(xì)化管理的需要。

2.工序流引擎的設(shè)計目標(biāo)

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(jìn)行了研究。為彌補(bǔ)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(dú)立的配置項組合出較多的適用場景。可根據(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(dāng)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(jìn)行修改，這是工序流引擎設(shè)計的根本目標(biāo)。

（2）在操作便捷性方面，在工序流數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(jìn)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(yùn)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(hù)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(hù)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(dāng)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(jìn)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(jìn)行設(shè)計開發(fā)，每個業(yè)務(wù)模塊為一個組件，組件運(yùn)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(jìn)行交互，工序流引擎提供了多個接口函數(shù)供邏輯單元進(jìn)行訪問。組件運(yùn)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(jìn)行操作后，調(diào)用邏輯單元與引擎進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)備檢查等其他業(yè)務(wù)需求）來完成。當(dāng)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(jìn)行監(jiān)聽，對于不進(jìn)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(dāng)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(jìn)行人工審批確認(rèn)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(jìn)行定義，是工序流實例運(yùn)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(dá)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(dāng)監(jiān)聽“開始”事件時，如果達(dá)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(dāng)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(dāng)上一道工序的開始（派工或開工）數(shù)量為5時，達(dá)到當(dāng)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(jìn)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(jìn)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(rèn)，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(jìn)行管理和維護(hù)，并以圖形化的方式編輯工序模板并對工序流及其實例運(yùn)行情況進(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)行分卡、合卡等單獨(dú)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(jìn)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(hù)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(jī)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(jìn)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(hù)、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(hù)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(jìn)行了驗證。