（检测技术与自动化装置专业论文）基于组件的中小型离散制造企业mes复用技术研究.pdf

桂林理工大学硕士学位论文 摘要 信息技术的发展为制造业带来了活力，在制造业信息化浪潮中，m e s ( 制造执行系 统) 的出现填补了制造企业底层过程控制系统与上层企业资源计划系统间的信息鸿沟。 然而，传统v i e s 功能单一，适用范围狭窄，部署和维护复杂，已经不能满足企业信息化 建设深入开展的需要，制造企业急需一种可以在更大范围集成和应用的m e s 。因此，下 一代可集成m e s 正成为新的研究热点，m e s 的可复用性是这一热点的关键技术之一。 论文以离散制造企业生产车间为背景，针对中小型企业规模小、资金少的特点，提 出一种应用开源框架的i v i e s 实现方案，将r u p 建模过程、j p a 技术与设计模式应用到s 组件设计中，使i v i e s 具有高可复用性，以适应不同离散制造企业自身信息化建设的需要。 论文首先介绍了离散企业及离散企业m e s 的特点、软件复用技术中的设计模式与组 件、j 2 e e 平台以及j p a 等论文相关理论与技术，对采用o p e r o p a 框架设计组件进行分析后 得出可行结论。 接着，论文对系统可复用设计过程中的两大技术进行了探讨。在分析m e s 潜在问题 的基础上，从系统整体和各组件实现角度，对m e s 系统设计中应用f a c a d e 、s i n g j e t o n 、 f a c t o r ym e t h o d 和s t r a t e g y 等模式进行了较详细的阐述。从实现o r m 的原理上对j p a 技术进 行了分析，并详细讲解了j p a 组件设计过程。 然后，论文分析了m e s 各模块的功能组成，并按照r u p 建模过程，对国内某机床企 业和电子元件企业制造车间的生产管理系统进行了需求分析和问题域分析，建立起用例 模型，设计了数据库表结构、类结构模型和组件模型，并对设计过程中的复用层次做了 总结。 论文最后对应用设计模式和j p a 组件的i v i e s 进行了实现，以日作业计划相关类为例， 给出了示例代码。通过对系统的单元测试，验证了系统事务处理的正确性；通过对系统 的性能测试，得出论文给出的设计方法满足中小企业m e s 系统的要求。 关键词：制造执行系统；离散制造；复用；设计模式；组件 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yb r i n g sv i g o rt om a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a t t h ew a v eo fm a n u f a c t u r i n gi n f o m a t i z a t i o n , t h ea p p e a r a n c eo fm e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o n s y s t e m ) f i l l e dt h ei n f o r m a t i o ng a pb e t w e e np r o c e s sc o n t r o ls y s t e ma tt h ep l a n tf l o o ra n d e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n gs y s t e mo ft h ef r o n to f f i c ei nm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s w h e r e a s ， t r a d i t i o n a lm e sh a ss h o r t c o m i n g s ，s u c ha ss i n g l ef u n c t i o n , n a r r o ws c o p eo fa p p l i c a t i o na n d c o m p l e x i t yo fd e p l o y m e n ta n dm a i n t e n a n c e ，a n di t w o l l tm e e tt h en e e d sf o rf u r t h e r d e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s ei n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o n s m a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e su r g e n t l y n e e dak i n do fm e st h a tc a l lb ei n t e g r a t e da n da p p l i e dm o r ew i d e l y t h e r e f o r e ，t h e i n t e g r a t a b l em e s o fn e x tg e n e r a t i o ni sb e c o m i n gan e wh o ts p o tf o rr e s e a r c h 。t h er e u s a b i l i t y o fm e si so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nt h i sh o ts p o t t h e s i si sb a s e do nt h eb a c k g r o u n do fp r o d u c t i o nw o r k s h o po fd i s c r e t em a n u f a c t u r i n g c o m p a n i e s ，t a r g e t i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l ls c a l e ，l e s sc a p i t a lo fs m a l la n dm e d i u m e n t e r p r i s e s ( s m e s ) ，r a i s e sa nm e si m p l e m e n t a t i o ns c h e m ab yu s i n go p e ns o u r c ef r a m e w o r k , b r i n g st h er u pm o d e l i n gp r o c e s s ，j p at e c h n o l o g ya n dd e s i g np a t t e r n si n t ot h es y s t e md e s i g n , m a k e st h em e sh a v eh i g hr e u s a b i l i t yi no r d e rt oa d a p tt od i f f e r e n td i s c r e t em a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e st h e m s e l v e s i n f o r m a t i z a t i o nc o n s t r u c t i o nn e e d s a tf i r s t ，r e l e v a n tt h e o r i e sa n dt e c h n i q u e s ，t h ef e a t u r e so fd i s c r e t ee n t e r p r i s e sa n dd i s c r e t e e n t e r p r i s ei v i e s ，d e s i g np a t t e r n sa n dc o m p o n e n t si ns o f t w a r er e u s a b l et e c h n o l o g y , j 2 e e p l a t f o r ma n d 皿e t c a r ei n t r o d u c e d t h ep o s s i b i l i t yo fu s i n go p e r o p af r a m e w o r kf o rt h e c o m p o n e n t s d e s i g ni sa n a l y z e da n dt h ec o n f i r m a t i v ec o n c l u s i o ni sm a d e t h e nt w ot e c h n i q u e st h a tu s e di ns y s t e mr e u s a b l ed e s i g np r o c e s sa r ed i s c u s s e d i nt e r m s o ft h ew h o l es y s t e ma n de a c hc o m p o n e n t sr e a l i z a t i o n , t h ea p p l i c a t i o no ff a g a d e ，s i n g l e t o n , f a c t o r ym e t h o da n ds t r a t e g yd e s i g np a t t e r n si nm e ss y s t e md e s i g ni si n t e r p r e t e d ，b a s e do n t h ea n a l y s i so fp o t e n t i a lp r o b l e m si nm e s u p o nt h eo r m i m p l e m e n t a t i o np r i n c i p l e s ，t h e a n a l y s i so f j p at e c h n o l o g yi sm a d e ，a n dt h ej p a - c o m p o n e n t sd e s i g np r o c e s si se x p l a i n e d s u b s e q u e n t l y , t h e s i sa n a l y z e st h ef u n c t i o no fe a c hm o d e lo fm e s ，a c c o r d i n g l yt or u p m o d e l i n gp r o c e s s ，t a k e st h ep r o d u c t i o nw o r k s h o po fad o m e s t i cm a c h i n et o o le n t e r p r i s ea n da l l e l e c t r o n i cc o m p o n e n t se n t e r p r i s ef o re x a m p l e ，t h en e e d sa n a l y s i sa n dp r o b l e m - d o m a i n a n a l y s i so fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ma r er e p r e s e n t e d 。t h eu s e rm o d e l s ，d a t a b a s et a b l e s t r u c t u r e s ，c l a s sm o d e l sa n dc o m p o n e n tm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d t h em u l t i p l e x i n gl e v e lt h a t a p p e a r e di nd e s i g np r o c e s s i ss u m m a r i z e da tl a s t 桂林理工大学硕士学位论文 f i n a l l y , m e ss y s t e mw i t ht h ea p p l i c a t i o no fd e s i g np a t t e r n sa n dj p ac o m p o n e n t si s r e a l i z e d t a k ed a i l yt a s ks c h e m ar e l e v a n tc l a s s e sf o ri n s t a n c e ，t h es a m p l ec o d e sa r ep r o v i d e d b ym e a n so fs y s t e mu n i tt e s t s ，t h ec o r r e c t n e s so fs y s t e mt r a n s a c t i o np r o c e s s i n gi sv e r i f i e d ； w h i l eb ym e a n so fs y s t e mp e r f o r m a n c et e s t s ，t h ed e s i g nm e t h o do fm e sm e e t ss m e s p e r f o r m a n c en e e d s k e yw o r d s ：m e s ，d i s c r e t em a n u f a c t u r i n g , r e u s a b l e , d e s i g np a t t e r n , c o m p o n e n t 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的 完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) 珐蛆j 叁 签字日期：五笪弩上业 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学 校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作挚名j 陆眠澎、 签字日期：矿7 年厶自j 7 白 导师签字：勿k 忐 、 签字日期：乃年二月，2 日 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 论文的研究背景 第1 章绪论 制造业是我国国民经济重要的支柱产业，在第二产业中占据中心地位。中小企业是 我国制造业的基础。目前，全国工商注册登记的中小企业占全部注册企业总数的9 9 。 中小企业工业总产值、销售收入、实现利税分别占总量的6 0 、5 7 和4 0 ；流通领域 中小企业占全国零售网点的9 0 以上。中小企业不仅成为拉动经济的新增长点，还提供 了7 5 的城镇就业机会【l j 。 信息化掀起了网络经济的热潮，也推动着传统制造业的改造。纵观我国制造业信息 化的应用现状，建设的重点普遍放在企业资源计划( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ) 系统和现场级过程控制系统( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，p c s ) 两个方面。但是，由于e r p 运行在企业级，无法直接获取到现场级的实时资源信息、产品信息和制造过程信息，现 行的办法是要么获取p d m c a d 等未处理的信息，要么靠手工输入，其结果是消息滞后， 系统管理混乱，严重影响了制造企业信息化的进程。 制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t c m ，m e s ) 的出现，正好弥补了生产计 划与生产过程中出现的信息空白。根据国际制造执行系统协会( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o n s y s t e ma s s o c i a t i o n ，m e s a ) 的定义，i v i e s 是一些能够完成车间生产活动管理及优化的 硬件和软件的集合，这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程【2 】。 然而，传统的m e s ( t r a d i t i o n a lm e s ，t 砸s ) 绝大多数针对流程工业或离散工业 某一特定行业、特定领域开发的，如汽车行业的装配生产线m e s 。这种系统的缺点是： 功能单一、系统灵活性差、不可配置，并且其高昂的上线成本，使其往往只能运行在航 空航天、汽车制造等大型制造企业，而无法运用到中小型企业中。 上世纪9 0 年代以来，作为结构化设计和面向对象技术的延伸，组件技术得到了迅猛 发展。以此为契机，可集成制造执行系统( i n t e g e r a t a b l em e s ，i - m e s ) 通过软件结构组 件化，完全地实现了m e s 功能模块的组装、剪裁和重构，弥补了t - m e s 的不足，逐渐 成为研究热点【3 】【4 】。 本论文依托广西科技攻关项目( 面向中小企业的虚拟企业网络化服务平台技术研究 与建设，编号：桂科攻0 7 1 9 0 0 1 1 7 ) 和广西研究生教育创新基金项目( 基于组件的中小 型离散制造企业i v i e s 复用技术研究，编号：2 0 0 8 1 0 5 9 6 0 8 1 2 m 0 3 ) ，结合广西制造业信息 化推广实际情况，着重研究面向中小型离散制造企业的m e s 复用技术。 桂林理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状与发展趋势 1 2 1m e s 的发展历程 1 9 9 0 年，美国先进制造研究公司( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ，a m r ) 首次 提出了制造执行系统m e s 的概念。之后的几次里程碑式的发展主要有：1 9 9 3 年，a m r 提出了三层企业模型及i v i e s 集成系统模型，即p c s m e s e r p 模型；1 9 9 7 年，国际制 造执行系统协会( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma s s o c i a t i o n ，m e s a ) 发表了m e s 白 皮书，提出了i v i e s 的外部环境( 定位) 模型和功能模型，如图1 1 所示： ，_ 。o 。o 。_ 、 f 销铬，客户1 j 服务锊理l 一一、厅西i 丽n 仄万丽n ，2 一 生喜掣燃产嚣艺 图1 1i v i e s 功能模型 1 9 9 8 年，a m r 提出了r e p a c ( r e a d y ，e x e c u t i o n ，p r o c e s s ，a n a l y s i s ，c o o r d i n a t e ) 模型；2 0 0 0 年，a m r 发表研究报告，认为电子制造( e m a n u f a c t u r i n g ) 是电子商务 ( e - b u s i n e s s ) 中的重要组成部分，而r e p a c 模型则在电子制造中起着至关重要的作用； 2 0 0 0 年至今，m e s 正在形成i s as p 9 5 标准。该标准是仪表，系统和自动化协会提出的 企业控制系统集成标准。目前已经完成s p 9 5 0 1 2 0 0 0 “模型和术语( m o d e l sa n d t e r m i n o l o g y ) 一、s p 9 5 0 2 2 0 0 1 “对象模型属性( o b j e c tm o d e la t t r i b u t e s ) 、s p 9 5 0 3 2 0 0 2 “制造信息行为模型( a c t i v i t ym o d e l so f m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n ) 和s p 9 5 0 4 2 0 0 3 “制 造操作对象模型( o b j e c tm o d e l so f m a n u f a c t u r i n go p e r a t i o n ) 四卷标准的制定。 自m e s 概念提出至今的1 8 年间，m e s 体系结构经历了从t - m e s 向i - m e s 发展的 历程。t - m e s 是从2 0 世纪7 0 年代的零星车间级应用发展起来的，又可分为专用m e s ( p o i n tm e s ) 和集成m e s ( i n t e g r a t e dm e s ) 两类。专用m e s 是一种自成一体的应用 系统，它针对某个单一的生产问题( 如在制品库存过大、产品质量得不到保证、设备利 用率低等) 提供有限功能( 如物料管理、质量管理、设备维护、作业调度等) ，或适用某 种特定的生产环境( 如应用于半导体和m e m s 车间的m e s 、应用于f m s 系统的m e s 2 桂林理工大学硕士学位论文 等) 。专用m e s 具有实施快、投入少等优点，但通用性和可集成性差。集成m e s 系统 起初是针对特定行业( 如航空、装配、半导体、食品和卫生等) 特定的规范化环境而设 计的，目前已拓展到整个工业领域。在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实时控 制系统的集成。集成化m e s 具有丰富的应用功能、统一的逻辑数据库、产品及过程模 型等优点。但该类系统依赖特定的车间环境，柔性差，缺少通用性和广泛的集成能力， 难以随业务过程变化而重新配置。 随着软件技术和人工智能技术的发展，a m p 在分析信息技术的发展和m e s 应用前 景的基础上，提出了下一代可集成m e s ( i m e s ) 这概念【卯。i - m e s 将模块化、消息 机制、组件技术和a g e n t 技术应用到m e s 的系统开发中，是两类传统m e s 系统的结合。 从表现形式上看，i - m e s 具有专用i v i e s 系统的特点，即i m e s 中的部分功能可以作为 可复用组件单独销售；同时，它又具有集成m e s 的特点，即能实现上下两层之间的集 成。此外，i - m e s 还具有客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同 厂商之间的集成和原有系统的保护以及即插即用( p & p ) 等功削6 】【7 】。 近年来，国外目前从m e s 与e r p 、c a s e ( c o m p u t e r a i d e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g ， 计算机辅助软件工程) 等其他系统横向集成的角度，也展开了研究，提出了h m e s ( h o l o n i ei v i e s ，全过程制造执行系统) 的概念，并取得了一些研究成果【8 】【9 1 。 1 2 2m e s 现状与趋势 国外m e s 系统软件开发商大致可以分为三类，即系统集成商、针对某一行业开发 m e s 产品的厂家、开发中间组件技术的厂家。这些厂商很多都是以前从事e r p 系统或 者过程控制系统的开发，因此对制造企业的需求有较明确的认识，并积累了较强的技术 力量和研发经验，向中间层的制造执行系统层开发，以寻求新的产品和业务增长点。 目前国外m e s 系统主要有：美国c o n s i l i u m 公司面向半导体和电子行业开发的 w o r k s t r e a m ( 一代m e s ) 和f a b 3 0 0 ( 二代s ) ：美国h o n e y w e l l 公司面向制药行业 开发的p o m s v i e s ；美国i n t e l l u t i o n 公司面向汽车、石油等多种行业开发的f i xf o r w i n d o w s ；s i e m e n s 收购了了比利时c o m p e xi tp l a n ts o l u t i o n s 公司的m e s 产品p m c x ， 主要用于制药工业和生物工程；而r o c k w e l la u t o m a t i o n 推出了生产管理软件解决方案 r s b i z w a r e ，针对离散制造业和批量生产过程。这些公司的产品功能大都具有i v i e s 功能 模型中9 种以上的核心模块，涉及的离散行业包括航空航天、半导体、汽车、机械制造 等。 国内v i e s 系统软件的研究和开发起步于上世纪末，十五期间，我国开始了m e s 研 究与应用开发工作，清华大学、华中科技、上海交大、大连理工等高校纷纷对m e s 系 统软件做了研究，部分研究成果也已投入市场，如大连理工的天为m e s 等。目前国内 桂林理工大学硕士学位论文 开发m e s 系统软件的厂商主要有，广州今朝科技、普天系统集成、南航倍锐软件、大 工华铁海兴、羽冠科技( 台湾) 、深圳东洋网蓝等，涉及的离散行业主要集中在机械制造、 汽机车和航空航天。当前我国在m e s 的研究和应用方面，流程制造业已明显走在了前 面，其理论研究成果、m e s 产品、应用效益等都比离散制造业突出的多，相比之下，离 散制造业m e s 研究和应用更加任重道远【1 们。 1 3 论文的研究意义和目标 1 3 1 研究意义 功能的组件化是i - m e s 重要特征，而复用是进行系统重构的基础，为使设计的m e s 系统具备更广泛的应用领域，易于重构和剪裁，研究如何应用组件技术设计可复用m e s 系统具有重要意义。 此外，中小型离散制造企业限于公司规模和资金实力，无法购买大型商用m e s 系 统，若能设计较为廉价的m e s ，企业既满足了自身需要，又无需投入高额上线成本，便 能尽快获得投资回报，提高企业竞争力。考虑到在广西制造业中占据多数的中小型企业， 设计和开发适用于中小型企业的m e s 刻不容缓。 1 3 2 研究目标 论文设计并建立一个基于j 2 e e 技术的面向中小型离散制造企业的可复用m e s 框 架，各功能模块以组件形式整合。中小企业可以根据自身企业特点和生产要求，对框架 中的组件进行充实、剪裁等调整，以达到系统模型最优化、部署最简化和上线成本最小 化。企业采用该m e s 系统，配合e p r 和p c s 来组织生产和管理，实现全方位立体的企 业信息化，提高工作效率，增加经济效益，增强企业竞争力。 1 4 论文的研究内容 论文将针对制造业信息化建设需求，研究广西中小型离散制造企业的生产管理模式， 归纳总结出共性特点。以此为切入点，对m e s 功能模型各模块进行恰当的粒度划分， 设计适合中小型离散制造企业的m e s 组件。同时，有针对性地选择相关的设计模式进 行应用，使系统获得高可复用性。 针对中小型制造企业规模小、资金少的特点，提出一个基于j 2 e e 架构，并应用j p a 开源框架和设计模式的可复用m e s 框架系统。在该框架中，各功能模块以组件形式进 行松散组织。并以生产管理功能模块作为示例，来说明v i e s 功能模块的实现方法。中 4 桂林理工大学硕士学位论文 小企业可以根据自身的产品特点和生产要求，增加或删除系统中的这些组件化模块，以 达到系统模型最优化、部署最简化和上线成本最小化。 1 5 论文的组织结构 本文共分六章，安排如下： 第1 章：绪论。介绍论文的研究背景、现状与发展趋势，明确研究意义，阐述研究 内容和目标，最后列出文章的组织结构。 第2 章：论文相关理论与技术。分析离散企业的特点以及对m e s 系统的要求，总 结离散企业m e s 的特点。介绍设计模式和组件等软件复用技术，介绍j 2 e e 平台。最后 重点讲解j p a 技术与实现框架，并对论文拟采用的o p e r u - p a 作为j p a 实现框架进行可行 性分析。 第3 章：m e s 中设计模式与组件应用设计。在分析和总结m e s 潜在问题的基础上， 研究应用f a c a d e 、s i n g l e t o n 、f a c t o r y m e t h o d 和s t r a t e g y 等模式进行系统设计的方法。对 j p a 实现o r m 的原理进行了分析，并对应用其进行组件设计进行了探讨，给出了基于 j p a 的实体组件模型设计过程。 第4 章：基于组件的离散制造企业m e s 分析与设计。按照r u p 建模过程，在分析 离散企业i v i e s 各功能组成的基础上，重点对m e s 核心的生产管理子系统进行了详细的 需求分析、问题域分析、数据库表结构设计、静态模型设计和组件设计，并对系统设计 过程中的复用层次进行了总结。 第5 章：中小型离散制造企业m e s 的实现。按照设计的模型，对m e s 生产管理子 系统进行了实现。给出了日作业计划流程的关键代码示例，并对系统进行了单元测试和 性能测试，得出本系统框架满足中小企业m e s 设计要求的结论。 第6 章：总结与展望。对论文的工作进行总结，并展望下一步的研究工作。 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 离散企业m e s 第2 章论文相关理论与技术 离散企业生产是指，生产中物料处于离散状态，主要通过物理加工和组装实现产品 的工业生产，典型的离散制造企业主要集中在机械制造、电子电器、航空制造、汽车制 造以及军工行业【l l 】【1 2 1 。 2 1 1 离散企业的特点 目前的离散制造企业，其生产方式既有按订单生产，也有按库存生产：既有大批量 生产，也有单件小批生产。因此相对于流程型企业，这类企业具有集约度低、产品结构 复杂、制造工艺复杂、各制造过程关联性强、品种多、更新快等特点。 此外，需要特别指出的是，中小离散企业由于企业自身规模和资金有限，其生产环 境更为复杂多变，主要表现在： 1 常常有临时插单的情况发生，生产计划需要频繁调整。 2 离散企业产品部件众多，中小企业为了抢夺订单，工期安排紧张，往往需进行 独立并行加工。 3 中小企业中一台设备具有多项作业功能，通过控制程序或工具更换实现多种加 工功能，因此产品的生产周期受到重点设备生产周期的影响非常大。虽然可以通过设备 冗余的方式增加离散制造的柔性，减少设备故障等对生产造成的影响，但这样一来，制 造成本将大幅上升，且对生产调度提出了更高的要求。 4 生产过程各工序之间没有严格界限。 5 每项作业可能涉及不同的物料、设备、工具及文档等资源，中小企业中的这些 资源往往离散地分布，资源管理复杂。因此在异步、并发的离散流程中，协调在生产中 起着重要作用。 综上分析这些离散制造企业的特点，可以得出，中小离散制造企业最需要关心的问 题是如何解决生产过程中的生产调度和协调，即如何在保证流程的柔性和尽可能减少生 产成本的情况下，减少各种外来因素，如临时插单、设备故障等对现时生产所造成的影 响。 总之，离散制造业的关键是如何将技术、人、生产三个环节很好地结合在一起。技 术上追求智能化、敏捷化、可视化、低成本；而最根本的环节是需要达成决策共识，从 而能达到提高生产效率、提高制造质量、最大化客户满意度的目的；生产上能够为决策 6 桂林理工大学硕士学位论文 层提供完备、精确的制造数据、将生产意图无歧义地传递到制造执行层，并得到贯彻 1 3 1 1 1 4 1 1 1 5 1 2 1 2 离散企业对m e s 的要求 根据离散工业的特点，适合离散型制造业的生产制造解决方案应该是一个“可配置 数据处理平台+ 通用功能模块+ 可选行业功能模块+ 用户定制功能模块 的m e s 。这样的 系统将具有最大意义上的灵活性，可以形成在一个细分行业内有弹性的行业解决方案， 满足在一个细分行业内进行推广的要求。具体来说： 1 可配置的数据处理平台负责提供一个可靠的运行环境，保证系统中的所有功能 组件在同一环境下良好地工作。以一个统一的运行机制来管理所有的功能模块。 2 通用功能模块提供各种必须的基础数据管理和控制功能，如数据管理、并发控 制、权限管理、通用数据报表、通用数据分析等，是系统正常基础运行环境必须具备的 功能模块。 3 可选行业功能模块负责提供跟行业相关的各种功能，要求这些模块具有较强的 可配置性，使行业中的通用功能可以适应不同的企业。 4 用户定制功能模块可以根据企业用户实际的运行环境，定制开发适合企业实际 情况的功能模块，保证企业具有特色的生产制造流程得以保留，让企业用户能够在自己 熟悉的环境中自然地改变正在使用的信息化工具。 “可配置数据处理平台+ 通用功能模块+ 可选行业功能模块 可作为一个行业内的通 用解决方案，加上“用户定制功能模块 更可满足特定企业的实际需求。因此，系统的 各功能模块应该具备尽可能丰富的可配置项，通过配置，实现对系统模块或组件的剪裁， 满足企业综合资金、功能综合考虑的需要。此外，m e s 应支持二次开发，相关人员经过 短期培训后可完成企业定制内容的维护和后续新功能的扩展。 适应离散企业的m e s 应该全部或部分包括如下子系统：车间生产计划维护子系统、 车间数据采集子系统、车间物料管理子系统、产品追踪子系统、车间人员管理子系统、 设备管理和维护子系统、工时管理子系统、车间工艺管理子系统、车间质量控制子系统、 文档管理子系统、车间生产报警子系统、车间生产状况统计子系统。 上述功能模块所解决的都是离散制造企业在生产制造过程中遇到的相关问题，这些 功能都属于“可选行业功能模块一。通过修改配置文件相关参数，系统可在多种环境下运 行，以适应企业的实际生产制造环境【1 3 】1 1 6 】。 2 1 3 离散企业m e s 介绍 从2 1 1 节中，我们知道，离散制造企业m e s 侧重于计划与调度。它位于计划层与 7 桂林理工大学硕士学位论文 控制层之间，属执行层，主要负责生产管理和调度执行，实现质量控制、文档管理、生 产调度等功能，包括物料、设备、人员、流程指令和设施等资源管理，起承上启下的作 用，侧重于月份计划目标及每日的调度工作。m e s 执行由e r p 制定的计划，根据实时 生产信息调整生产、实施调度，并将有关资源利用和库存情况的准确信息实时地提供给 e r p 系统；将生产目标及生产规范自动转化为过程设定值，对应到阀门、泵等控制设备 的参数设置；同时，将从p c s 采集到的生产数据与质量指标进行对比和分析，提供闭环 的质量控制。v i e s 决策包括连续过程变量和离散过程变量，并通过将过程模型与优化模 型结合起来，对生产过程及产品质量进行控制【1 7 】。表2 1 分析了离散企业m e s 的特点。 耙1 离散企& m e s e 0 特点 只能从生产过程起点开始，采用物料清单制定物料需求计划； 生产计划 先制定物料需求计划，然后再制定能力需求计划；生产面向定单， 依靠作业单传递信息；作业计划限定在一定时间范围内 产品工艺结构复杂，更新周期短，产品开发和正常生产制造过 工程设计程有大量变型设计，需要进行复杂结构设计、工程分析、绘图和数 控编程 不考虑产品配方、混合、物料平衡和污染防治等，生产柔性靠 调度管理生产系统重组等技术来保证，质量控制分系统是其中相对独立的一 部分 涉及数据相对较少，工程数据库以产品设计、制造、销售和维 信息处理 护整个生命周期中的数据为主，实时性要求不强 安全可靠侧重于单个生产装置的监控，为实现柔性生产提供有用信息 注重通过单元自动化、企业柔性化等途径，来降低产品成本， 经营决策缩短生产周期，提高产品质量，增加产品品种，满足多变的市场需 求，并提高生产效率 因生产加工方式不同，其自动化程度相对较低，许多情况下需 人的作用 要人直接参与加工 理论研究经过多年的研究与应用，已形成较为完善的理论体系和规范 2 2 软件复用技术 随着计算机应用领域的急速扩大，软件规模及其复杂性的不断提高，如何提高开发 效率成为软件业的焦点，而基于组件复用的软件开发无疑是一个有效的解决方法。软件 复用是在软件开发中避免重复劳动的解决方案，其目的是应用系统的开发不再是一切重 桂林理工大学硕士学位论文 头来过，“从零开始一的模式，而是使用过去开发中积累的知识和经验，如需求分析、设 计模型、二进制代码、测试方案、测试用例等，从而将软件开发的重点集中在新系统特 有的和改进的组成部分，极大地提高了软件的开发效率，在充分利用已有的开发成果和 领域知识的同时，还避免了在重复开发中可能引入的错误，从而提高了软件的质量。 软件复用会带来以下可以预见的好处：提高软件生成率、缩短开发周期、降低软件 开发和维护费用、生产更加标准化的软件、提高软件开发质量、增强软件系统的互操作 性、减少软件开发人员数量、使开发人员能比较容易适应不同性质的项目开发等。 软件复用的定义有很多，比较权威和通用的一种是：在两次或多次不同的软件开发 过程中重复使用相同或相似软件元素的过程。早期的软件复用思想是通过建立一系列的 程序库将一些通用的“子程序一收集到其中，以供其他程序员或下次开发时使用。近年 来，面向对象技术的发展并成为主流编程技术，为软件复用提供了新的软件设计思想支 持。 软件复用的形式也很多，复用的级别根据其大小，可分为以下几种： 1 源代码模块或者类一级的复用。这是最基本的软件复用形式，其复用级别最低。 这类复用允许白盒和黑盒复用两种方式。 2 二迸制形式的复用。可看作是比较高的程序级复用，如目前广泛应用的c o m 、 c o r b a 、e j b 组件。这类复用只能是黑盒复用方式，通常只能了解组件的接口和属性等 信息。论文应用j a v a 的一种新持久化标准j p a 技术实现轻量级组件。 3 设计级别复用。其抽象级别比源程序的更高，有三种复用的途径：从现有系统 的设计结果中提取一些可复用的设计组件用于新系统的设计；将一个现有的系统的全部 设计文档在新的软硬件平台上重新实现；独立于具体应用，专门开发一些可复用的设计 组件，其中运用良好的设计模式( d e s i g np a t t e r n s ) 是一个关键因素。 4 分析级别复用。这是比设计结果更高级别的复用。它是针对问题域的某些事情 或某些问题的抽象程度更高的解法，很大部分独立于设计技术及实现条件，因而可复用 的机会更大。与设计级别复用相似，也有类似的三种复用途径。论文采用r u p ( r a t i o n a l u n i f i e dp r o c e s s ，统一开发过程) 建模过程对离散企业m e s 进行分析和建模。r u p 是一 个面向对象且基于网络程序开发的方法论。它吸收了多种开发模型的优点，具有很好的 可操作性和实用性，与此同时又是一套软件工程方法的框架。一般的r u p 工作流程为： 商业建模、需求、分析与设计、实现、测试、部署、配置与变更管理、项目管理和环境。 这些工作流程在整个软件生命周期中被迭代式地重复使用，每次复用侧重于不同的重点 【1 8 l 5 测试信息复用。主要包括测试用例的复用和测试过程信息的复用。 其中设计和分析级别复用中的三种复用途径实际上就是软件复用在时间维、平台维 9 桂林理工大学硕士学位论文 和应用维上的行为体现。这三维均体现了复用概念，但是，真正的复用及复用的主旨是 为了支持软件跨应用( 领域) 的演化，使用“为复用而开发的软件( 组件) 来更快更好 地开发新的应用系统。 从目前软件工业发展水平和软件开发人员的经验总结来看，简单的功能复用对于企 业级应用系统来说，并没有多大意义，基于组件的企业业务逻辑复用才是最有意义的。 而完全的即插即用式的软件二进制代码级的复用是不现实的，开放难度也极大。分析级 别和设计级别的复用，实现的难度相对较小，且其复用的级别也更耐1 9 】【2 0 】。 2 2 1 设计模式 设计模式是对被用来在特定场景下解决一般设计问题的类和相互通信的对象的描 述，是一种用来解决不同领域中相似问题的通用解决方案，是软件开发人员长期设计经 验的总结。设计模式确定了所包含的类和实例、各自的角色、协作方式、以及职责分配。 每一种设计模式都针对于一个特定的面向对象设计问题或设计要点，都有使用的约束条 件以及使用后产生的效果。 e r i c hg a m m a 等人提出了2 3 种常见的设计模式，可根据两条准则对设计模式进行分 类。第一条是目的准则，模式依据其目的可以分为创建型( c r e a t i o n a l ) 、结构型( s t r u c t u r a l ) 和行为型( b e h a v i o r a l ) 三种；第二条是范围准则，指定模式是用于类还是对象。设计模 式分类如表2 2 所示： 表2 2 设计模式分类 目的 范围 创建型结构型行为型 f a c t o r ym e t h o da d a p t e r ( 类) i n t e r p r e t e r 类 t e m p l a t em e t h o d a b s t r a c tf a c t o r y a d a p t e r ( 对象) c h a i no fr e s p o n s i b i l i t y b u i l d c r b r i d g e c o m m a n d p r o t o t y p ec o m p o s i t e i t c r a t o r s i n g l e t o n d e c o r a t o r m e d i a t o r 对象 f a q a d e m e m e n t o f l y w e i g h t o b s e r v e r p r o x y s t a t e s t r a t e g y v i s i t o 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