基于微服務的業(yè)務可編排重構MES系統(tǒng)

王美林，彭希靈

（廣東工業(yè)大學，廣東 廣州 510006）

0 引 言

制造企業(yè)的制造模式經(jīng)歷了從傳統(tǒng)手工業(yè)作坊到大規(guī)模機器生產，再到個性化小批量生產的變遷[1]。作為制造業(yè)主力軍的中小型制造企業(yè)，隨著新一輪工業(yè)革命的到來，其制造模式正朝著多品種、小批量，按單生產的方向發(fā)展。這樣的模式讓中小企業(yè)的生產制造產生與以往不同的特點：

（1）生產業(yè)務模式多樣化。在制造執(zhí)行過程中，企業(yè)有著不同的生產模式，甚至對于同一產品，各企業(yè)的生產模式也不相同。

（2）業(yè)務流程多變。在企業(yè)生產過程中，常常會出現(xiàn)各種不可控因素，導致業(yè)務流程發(fā)生變化，這些因素可以分為2個方面：企業(yè)內部因素，企業(yè)在發(fā)展過程中生產規(guī)模的變化導致企業(yè)業(yè)務結構轉型升級；企業(yè)外部因素，客戶訂單需求變化等。

由于中小企業(yè)制造過程的模式多樣性和流程多變性，造成普通一體化MES的重構與實施遇到成本和技術上的障礙。因此，本文設計了一種面向中小企業(yè)實施的基于微服務的業(yè)務可編排重構MES系統(tǒng)。該系統(tǒng)將企業(yè)的制造資源進行虛擬化和服務化封裝，形成細粒度的原子服務，再根據(jù)企業(yè)具體的生產模式和業(yè)務流程對原子服務和業(yè)務微服務進行編排及管理，實現(xiàn)制造業(yè)務的重構。每一個服務部署在獨立的、隔離的微服務運行環(huán)境，可以方便地替換和擴展[2-5]。該系統(tǒng)能夠靈活響應不同企業(yè)的生產模式差異以及業(yè)務流程的變化。

1 基于微服務的業(yè)務可編排重構MES系統(tǒng)整體架構

根據(jù)中小企業(yè)的制造特性，構建了一個基于微服務的業(yè)務可編排重構MES系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括智能對象層、原子服務層、業(yè)務微服務層和微服務協(xié)同云平臺等，如圖1所示。

智能對象是制造環(huán)境中參與制造生產的制造資源的統(tǒng)稱，包括帶有RIFD或者條形碼信息的車間生產硬資源（如車間員工、生產設備、物料資源等）和生產訂單、車間工藝等車間生產軟資源。車間智能對象類型多樣，因此需要將各智能對象轉化為具有統(tǒng)一描述的虛擬資源以便管理。該層根據(jù)企業(yè)車間制造資源的實時數(shù)據(jù)進行信息管理與虛擬化建模，將車間智能對象抽象為虛擬資源，以支持原子服務層的運行。

（2）原子服務層

原子服務層實現(xiàn)對智能對象可執(zhí)行操作的服務化封裝，完成虛擬資源與相應資源服務化能力的映射，以支撐業(yè)務微服務層的運行。原子服務層是系統(tǒng)業(yè)務邏輯的基礎服務，例如訂單創(chuàng)建服務、訂單下達服務、工藝創(chuàng)建服務、工藝制作服務等。它們?yōu)闃I(yè)務微服務層提供了不可分割的、單一業(yè)務功能的服務，每一個服務都部署在獨立的、隔離的微服務運行環(huán)境，可以方便地替換和擴展。

（3）業(yè)務微服務層

業(yè)務微服務層是本框架的核心層，主要包括微服務可視化編排器、編排執(zhí)行引擎和微服務調用器。業(yè)務微服務層根據(jù)用戶實際的生產業(yè)務模式和業(yè)務流程，制定每個系統(tǒng)模塊的硬件/軟件資源的組合流程，并通過事件隊列的方式調用原子服務或業(yè)務微服務。業(yè)務微服務層實現(xiàn)了系統(tǒng)業(yè)務的快速重組及體系結構中不同層次的集成，并可根據(jù)企業(yè)需求的變化和業(yè)務流程重組，實現(xiàn)原子服務的動態(tài)組合，快速形成新的業(yè)務系統(tǒng)。

（4）微服務協(xié)同平臺

該層主要負責原子服務層與業(yè)務微服務層的服務管理、服務發(fā)現(xiàn)及協(xié)同調用，為系統(tǒng)的運行提供支撐組件。本文使用的是Pivotal 公司的Spring Cloud框架[6]。

Development of real-time test system for rotating vibration of EFEAD system

2 主要研究內容

2.1 智能對象描述模型

智能對象是制造環(huán)境中參與制造生產的制造資源與制造單據(jù)的統(tǒng)稱，包括車間員工、生產設備、工件以及其他帶有RIFD或條形碼信息的車間生產資源和訂單、工藝等。智能對象作為車間最基本的制造單元存在于制造環(huán)境中，其攜帶了一些關鍵信息，將在不同的階段或位置進行更新，通過更新的信息，各車間智能對象能夠感知、交互和報告周圍環(huán)境，以便自適應響應變化。智能對象類型多樣，因此需要將各智能對象轉化為具有統(tǒng)一描述的虛擬對象以便管理。根據(jù)OWL-S規(guī)范[7]，智能對象可通過虛擬化表示如下：

MS={MSBasic, MSFeature, MSQoS, MSState, MSFunction}（1）

（1）基本屬性（MSBasic）：包括描述智能對象的基礎信息，如ID、名稱、地址、提供商等，每個智能對象的ID唯一；

（2）特征屬性（MSFeature）：包括描述智能對象的功能特征信息，如結構特征、幾何尺寸、質量等級等；

（3）評價屬性（MSQoS）：包括描述智能對象的綜合評估指標信息，如可靠性、成本、安全級別、用戶滿意度等；

（4）狀態(tài)屬性（MSState）：包括描述智能對象的狀態(tài)信息，如當前狀態(tài)、任務隊列、已完成任務；

（5）方法集合（MSFunction）：包括智能對象被允許的操作，以及操作的輸入集合和輸出集合、狀態(tài)改變、任務量等。

以三類典型的智能對象為例，根據(jù)虛擬化表示模型進行虛擬化，這三種智能對象為：

（1）制造設備資源：進行制造任務的車間物理設備；

（2）物料資源：制造任務中制造某種產品所需要的毛胚和半成品等；

（3）訂單資源：生產訂單。

智能對象描述模型實例如圖2所示。

圖2 智能對象描述模型實例

根據(jù)圖2所示的智能對象描述模型，利用該層的虛擬化工具對智能對象進行標準化建模，即完成這三種典型智能對象的虛擬化操作。智能對象虛擬化層形成了制造資源的規(guī)范表達，基于此對虛擬化智能對象模型進行虛擬化封裝：生成XML數(shù)據(jù)描述文檔，解析成每個智能對象描述類的對象，并把該數(shù)據(jù)載入數(shù)據(jù)庫，供原子服務使用。以某設備資源封裝為例，該設備資源的XML描述文檔如圖3所示。

圖3 某設備資源XML描述文檔

將上述描述文檔通過解析后載入數(shù)據(jù)庫，結果如圖4所示。

圖4 制造設備資源虛擬化實例

2.2 智能對象服務化

智能對象包含的各種屬性通過建立MS模型映射到數(shù)據(jù)庫。智能對象服務化即將對象的方法集合（MSFunction），封裝成原子服務。原子服務采用微服務開發(fā)方式構建，使用RESTful架構向外提供訪問接口，最后將其發(fā)布至云制造平臺上形成相應的可編排原子服務資源。原子服務構建結構如圖5所示。每個原子服務可以通過啟動事件調用，啟動事件即原子服務的調用參數(shù)信息；當調用事件到達原子服務后，原子服務執(zhí)行其實體操作；在操作完成后形成結束事件并將事件返回至客戶端，結束事件即原子服務調用結束的返回參數(shù)信息。每個原子服務僅負責執(zhí)行自身模型中定義的任務，以及向消息代理發(fā)送消息和接收消息，消息代理在運行時管理原子服務之間的通信。

圖5 原子服務構建及調用方式

以訂單智能對象服務化封裝為例，訂單智能對象包含生產訂單創(chuàng)建、訂單狀態(tài)查詢、生產訂單審核等，封裝結果見表1所列。

表1 訂單智能對象包含原子服務示例

2.3 服務組合方法

為了將單個的原子服務組合成具有適當復雜度的、可靠的、基于業(yè)務流程的業(yè)務微服務，文章使用一種基于事件的BPMN（Business Process Model and Notation, BPMN）編排方法對原子服務或業(yè)務微服務進行編排。基于事件的BPMN編排方法使用BPMN 2.0規(guī)范對微服務之間的組合方式進行可視化建模[8-9]，Activiti工作流引擎解釋執(zhí)行。基于事件的BPMN編排的微服務組合流程如圖6所示。

圖6 基于事件的BPMN編排的微服務組合流程

3 初步驗證

文章以生產計劃模塊作為驗證案例來驗證該框架的可行性。生產計劃模塊主要包括生產訂單管理、生產訂單排產以及生產進度管理等功能模塊。圖7展示了生產計劃模塊的功能模塊圖，表2展示了各功能模塊下的原子服務列表。生產訂單新增服務使用為：點擊生產訂單頁面“新增”按鈕后，進入訂單編輯頁面，點擊“保存”跳轉回生產訂單頁面并更新訂單列表，顯示新增的生產訂單記錄。生產訂單展示界面如圖8所示。訂單分批服務使用為：點擊訂單工件頁面的“分批下達”，進入分批下達作業(yè)頁面，點擊“提交”后跳轉回訂單工件頁面并更新訂單工件列表，顯示新增的訂單工件分批記錄。訂單分批展示界面如圖9所示。在制品工件詳情服務使用為：查看在制品工件列表，點擊查看在制品工件詳情，進入在制品工件詳情頁面。詳情頁展示界面如圖10所示。

圖7 生產計劃模塊功能模塊圖

圖8 生產訂單展示界面

圖9 訂單分批展示界面

圖10 在制品工件詳情展示界面

表2 原子服務列表

4 結 語

文章設計并驗證了基于微服務的業(yè)務可編排重構MES系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，企業(yè)可根據(jù)自身的生產模式和業(yè)務流程對原子服務及業(yè)務微服務進行編排管理，通過對原子服務和業(yè)務微服務模塊的靈活組裝，針對不同企業(yè)的需求進行制造業(yè)務的個性化定制。