基于智能数学的协同制造执行系统关键技术研究(PDF 128页).pdf

摘要 协同制造执行系统 c o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y S t e m s C M E S 是在传 统制造执行系统 m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y S t e m s M E S 基础上提出的面向协同制造 的新一代M E S 模型 C M E S 既继承了传统M E S 的功能特点 也提升了企业资源系统的 整合能力 又突出发展了与企业资源系统等整个价值链中各种个体的信息集成与分析决 策能力 为此 本文的目的就是对C M E S 在性能 操作可预测性 可重构性和可集成性 等关键技术方面的研究 本文的主要内容和贡献如下 1 介绍C M E S 的基本概念基础上 提出并分析了面向服务的C M E S 体系结构 制 定了面向服务的C M E S 框架 2 引入 智能数学 的概念 这是一种将人工智能和逻辑数学相结合的研究工具 可以认为是知识推理 机器学习和自然语言理解等方面的方法 应当把它作为一个基础 而在此基础上进而会发展出诸如专家系统以及本文中探讨的人工神经网络 遗传算法和 P e t r i 网 都可看作是智能数学在不同范围内的应用 3 提出把本体理论引入领域分析的过程中 与基于特征的领域分析方法相结合 对 C M E S 领域进行详细分析 建立了相关的领域模型 并提出C M E S 领域本体的半自动化 创建方法 4 在对C M E S 中的资源重构的研究问题上 为保证构件的提取目标 提出基于人 工神经网络和遗传算法两种不同的C M E S 领域构件提取方法 在研究异构信息集成技术 的课题上 以信息集成过程为目标 通过P e t r i 网建立的智能数学模型进行问题的求解 关键词 协同制造执行系统人工神经网络遗传算法P e t r i 网构件 A bs t r a c t C o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s C M E S i san e wm o d e lo ft h en e x t g e n e r a t i o no fm a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s M E S w h i c hi sb a s e d o nt r a d i t i o n a lM E Sa n d f a c e dt oc o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n g T h eC M E Si n h e r i t st h ef u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h et r a d i t i o n a lM E S p r o m o t e st h ei n t e g r a t i o nc a p a b i l i t yw i t he n t e r p r i s er e s o u r c es y s t e m s s t r e n g t h e n st h ea b i l i t yo fa n a l y s i sa n dd e c i s i o n m a k i n g a n da d d sb e t t e ra b i l i t yt oi n t e g r a t e w i t ho t h e rs y s t e m sa n dp e o p l ei nt h ee n t e r p r i s ea n dv a l u ec h a i n s t r e a m T h u s t h eo b j e c t i v eo f t h i st h e s i si st os t u d ys o m ek e yt e c h n o l o g i e so nC M E Si n c l u d i n gi t sh i g ha n dp r e d i c t a b l e c a p a b i l i t y r e c o n f i g u r a t i o na n di n t e g r a t i o n T h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sc o n c e n t r a t e di nt h ef o l l o w i n gi s s u e s 1 T h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p to fC M E S p u t sa n da n a l y s e sn e wi d e a sa b o u t C M E Sw i t hs o m ek i n do fS O A S e r v i c e o r i e n t e dA r c h i t e c t u r e 一b a s e ds y s t e m a n dp r o v i d e s o n ef r a m e w o r kw i t hi t sc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n a l i t y 2 O n ek e yc o n c e p ti si n t r o d u c e d m i n t e l l i g e n tm a t h e m a t i c s r e g a r d e da ss o m ek i n do f r e s e a r c ht o o l i sac o m b i n a t i o no ft h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n dt h el o g i c a lm a t h e m a t i c s w h i c h C a nb es e e no n em e t h o do fk n o w l e d g er e a s o n i n g m a c h i n e o r i e n t e ds t u d ya n dn a t u r a l l a n g u a g eu n d e r s t a n d i n g a n dS Oo n I ts h o u l db el o o k e da sab a s i s o nw h i c h s o m e t h i n gw i l l b ed e v e l o p e dt os u c ha se x p e r ts y s t e m sa n du s e f u lm e t h o d sa sm e n t i o n e di nt h i sp a p e r i n c l u d i n gt h eA r t i f i c i a lN e u r a lN e t w o r k A N N t h eG e n e t i cA l g o r i t h m G A a n dt h eP e t r i N e t P N 3 T h eo n t o l o g yt h e o r yi ss u p p o s e dt ob ei n t r o d u c e di nt h ed o m a i na n a l y s i s c o m b i n e d w i t ht h em e t h o db a s e do nd o m a i nf e a t u r e s t om a k ead e t a i li n v e s t i g a t i o no nt h ed o m a i no f C M E S w i t ht h ee s t a b l i s h m e n to fs u c ho n t o l o g ym o d e l s M e a n w h i l e as e m i a u t o m a t e d m e t h o df o rC M E Si sd e v e l o p e dt oc r e a t et h ed o m a i no n t o l o g y 4 F o ro n ep r o b l e mo nt h er e s o u r c er e c o n f i g u r a t i o ni nC M E S w h i c hW a ss u p p o s e dt o o b t a i nt h ec o m p o n e n ti m p l e m e n t a t i o n i tc a nb es o l v e d 谢me i t h e rt h eA N No rt h eG A W h i l e f o ra n o t h e rs t u d yo nt h et e c h n o l o g yo fh e t e r o g e n e o u si n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n a1 i n do f i n t e l l i g e n tm a t h e m a t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t ha l lo b j e c to fa ni n t e g r a t e dp r o c e s sw i t h t h eP N K e yw o r d s c o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k g e n e t i ca l g o r i t h m P e t r in e t c o m p o n e n t I I 图清单 图1 1C o n t r o l s M E S E P R 实时对比关系 6 图1 2 论文内容结构图 1 3 图2 1C M E S 定位模型 1 8 图2 2C M E S 功能模型 1 9 图2 3C M E S 的功能活动模型D E F O 图 2 1 图2 4C M E S 的功能活动模块各子活动的协作关系图 2 2 图2 5S e r v i c e s 的架构的三种角色的关系图 2 4 图2 6S O A 实现模型 2 6 图2 7面向S O A 的C M E S 框架 j 2 8 图3 1面向S O A 的C S 的可重构软件开发模型 3 2 图3 2 人工神经元模型 3 9 图3 3 人工神经网络的分类 4 0 图3 4 联想式神经网络的数学模型图 4 1 图3 5 构件提取的网络模型 4 4 图3 6 标准G A 算法框图 4 9 图3 7 某企业C S 生产管理模块 5 5 图4 1 各种领域特征关系及其表示 6 0 图4 2 制造企业本体的顶层概念 6 3 图4 3C S 领域功能特征模型 6 7 图4 4C M E S 技术特征模型 6 8 图4 5C S 领域静态模型 6 9 图4 6 各种本体的关系 7 0 图4 7 基于本体的C M E S 信息集成原理 7 1 图4 8C m S 的系统集成过程建模工具集 7 2 图4 9C 砸S 信息集成系统模型 7 7 图4 1 0C l V I 卫S 集成过程建模形式化过程 7 8 图4 1 1 某变速箱厂系统环境 8 1 图4 1 2C M E S 顶层用例图 8 3 V I I 图4 1 3 生产管理控制顶层类图 8 4 图4 1 4 生产管理控制顺序图 8 5 图4 1 5 生产管理控活动图 8 6 图4 1 6 活动的P e t r i 子网模型 8 9 图4 1 7 控制链的P e t r i 子网模型 8 9 图4 1 8 数据链的P e t r i 子网模型 9 0 图4 1 9 生产管理控制P e t r i 网模型 9 0 图5 1C M E S 软件层次 9 3 图5 2 企业应用系统抽象功能模型 9 5 图5 3 基于S O A 的多层企业应用框架 9 6 图5 4 服务管理模块组 9 8 图5 5 服务管理控制的运行流程 1 0 0 图5 6S C M E S 平台界面 1 0 1 图5 7S C M E S 界面各项功能 1 0 1 图5 8D S C M E S 主要功能模块 1 0 5 图5 9D S C 砸S 主界面 1 0 7 图5 1 0 生产管理子系统的用户界面 1 0 7 图5 1 l库存管理子系统中入库管理的用户界面 1 0 8 图5 1 2 库存管理子系统中库存信息查询的用户界面 1 0 8 图5 1 3 物料管理子系统中物料基本信息的用户界面 1 0 9 图5 1 4 物料管理子系统中物料准备计划的用户界面 1 0 9 图5 1 5 设备管理子系统的用户界面 y 1 1 0 图5 1 6 成本管理子系统的用户界面 1 1 0 图5 1 7 人工管理子系统的用户界面 1l1 图5 1 8 报表管理子系统的用户界面 1 1 1 图5 1 9 质量管理子系统的用户界面 1 1 2 图5 2 0 系统管理子系统的用户界面 1 1 2 V I I I 表清单 表3 1 功能元素编号表 5 3 表3 2 人工分析结果 5 6 表4 1 领域词典结构和实例 6 3 表4 2 概念之间的基本关系 6 5 表4 3 企业本体中概念之间的关系 O m 6 5 表4 4 生产管理控制P e t r i 网库所的含义 9 0 表4 5 生产管理控制P e t r i 网变迁的含义 9 1 I X 英文缩略语对照表 A M A 百1 eM a n u f a c t u r i n g 敏捷制造 A M I 一A d v a n c e dM a n u f a c t u r i n g I n s t i t u t e 先进制造研究所 A M R 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 美国先进制造研究机构 B O M B i l lo fM a t e r i a l 物料清单 C A D C o m p u t e r A i d e dD e s i g n 计算机辅助设计 C A M o m p u t e rA i d e dM a n u f a c t u r i n g 计算机辅助制造 C A P P C o m p u t e rA i d e dP r o c e s sP l a n n i n g 计算机辅助工艺过程设计 C M C o I n p u t e rI n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n g 计算机集成制造 C I M S C o m p u t e rI n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n gS y s t e m 计算机集成制造系统 C M 叫o l l a b o r a t i v eM a n u f a c t u r i n g 协同制造 C M E S o l l a b o r a t i v eM a n u f a c t u r i n gE x e c u t i o nS y s t e m s 协同制造执行系统 C R M u s t o m e rR e l a t i o n s h i p sM a n a g e m e n t 客户关系管理 E R P E m e 印r i s eR e s o u r c eP l a n n i n g 企业资源计划 F M S F l e x i b l eM a n u f a c t u r i n gS y s t e m 柔性制造系统 G T G r o 印T e c h n o l o g y 成组技术 S I n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n gS y s t e m s 智能制造系统 M T m e l h g e mM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y 智能制造技术 L P L e a I lP r o d u c t i o n 精良生产 M A C E M o d u l eA p p l i c a t i o nC o m p o n e n tE n v i r o n m e n t 模块化应用组件环境 M E S M a n u f a c t u r i n gE x e c m i o nS y s t e m 制造执行系统 M E S A M a n u f a c t u r i n gE n t e r p r i s eS y s t e mA s s o c i a t i o n 制造企业系统协会 N C N u m 嘶c a lC o n t r o l 数字控制 O Q 刈b j e c tO r i e n t e d 面向对象 P D M P r o d u c tD a t aM a n a g e m e n t 产品数据管理 P I M P r o d u c tL i f e c y c l eM a n a g e m e n t 产品生命周期管理 Q O S Q u a l i t y O fS e r v i c e 服务品质 S C M S u p p l yC h a i nM a n a g e m e n t 供应链管理 S O A S e r v i c e o r i e n t e dA r c h i t e c t u r e 面向服务架构 诳 二v j I t l a lM a n u f a c t u r i n g 虚拟制造 W S D I m 协S e r v i c e sD e s c r i p t i o nL a n g u a g e W e b 服务描述语言 Q 以I E x t e I l s i b l eM a r k u pL a n g u a g e 可延伸性标示语言 X 论文独创 i t 声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 爱概坤加0 7 年 月刁日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归 属学校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请 专利等权利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 蟊西b 呻 如回年4 J l 刁日 别嘴 轹J 廉7 旷白 a 哮叼时月夕 别雅轹叙纽蜂叼穆月吵 长安大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 随着科学技术的飞速发展和市场竞争日益激烈 越来越多的制造企业开始将大量的 人力 财力和物力投入到先进的制造技术和先进的制造模式的研究和实施之中 伴随着 世界经济全球化进程的不断加速 许多制造企业都在调整自己的后端生产模式和制造组 织方式 逐渐由面向产品转变为面向客户 面向需求和面向服务 企业必须有能力对任 何客户的需求 市场机遇或外部挑战做出快速响应 动态调整其生产制造模式和经营策 略 才能在竞争中处于优势地位 而我国制造科学技术虽有日新月异的变化和发展 但 与先进的国家相比仍有一定差距 为了迎接2 1 世纪的挑战 必须认清制造技术的发展 趋势 缩短与先进国家的差距 使我国的产品上质量 上效率 上品种和上水平 因此 对机械制造趋势 制造技术及制造模式的研究和实施是摆在我们面前刻不容缓的重要任 务 随着信息技术 特别是网络技术 I n t e m e t 技术的迅速发展 各种先进的制造模式 应运而生 根据国际生产工程学会的统计 目前研究者提出的先进生产制造模式至少有 3 0 多种 l 如本文以下将要介绍的敏捷制造与虚拟制造 集成制造与智能制造等 协同 制造执行系统正是在这些先进制造模式的大环境中产生的新一代制造执行系统理念 本章首先介绍先进制造的各种模式及其发展趋势 由此引出M E S 的产生背景 接 着讨论了M E S 的不足和缺点 提出其解决的办法 即C M E S 协同制造执行系统 的介绍 和应用 在分析C M E S 所面临的问题和难度的基础上 提出使用智能数学的方法加以解 决的思路 接着介绍智能数学的内涵和特点 说明用智能数学的方法可以解决C M E S 问题 最后概括介绍了论文的研究思路和研究安排等 1 2 先进制造模式 机械制造业发展趋势表明 只有采用先进的制造技术 并能实施在相匹配的制造模 式中才符合其发展趋势 制造模式是指企业体制 经营 管理 生产组织和技术系统的 形态和运作模式 1 2 1 先进制造发展趋势 先进的制造业是将物料 能源 设备 资金 技术 信息和人力等制造资源通过先 进的制造技术 先进的管理技术和先进的制造过程转变成人类需求产品的行业 2 制造 业追求的目标是t 高质量 高效率 高柔性 低成本 低劳动力 低消耗 品种多和规 第1 章绪论 格全的产品 因此 面向2 1 世纪的机械制造技术的发展趋势体现在以下几个方面 第一 精密化 精密加工 超精密加工技术 微型机械是现代化机械制造技术发展的方向之一 精 密和超精密加工技术包括精密和超精密切削加工 磨削加工 研磨加工以及特种加工和 复合加工 如机械化学研磨 超声磨削和电解抛光等 三大领域 超精密加工技术己经向 纳米技术发展 纳米技术己在纳米机械学 纳米电子学和纳米材料技术得到了应用 因 此 它促进了机械科学 光学科学 测量科学和电子科学的发展 据国外预测 2 l 世纪 将是微型机械电子技术和微型机器人的时代 因此有人将纳米技术与微型机械称为2 l 世纪的核心技术 第二 自动化 自动化技术的成功应用 不但提高了效率 保证了产品质量 还可以代替人去完成 危险场合的工作 对于批量较大的生产自动化 可通过机床自动化改装 应用自动机床 专用组合机床 自动生产线来完成 小批量生产自动化可通过N C N u m e r i c a lC o n t r 0 1 C A M C o m p u t e r a i d e dM a n u f a c t u r i n g F M S F l e x i b l eM a n u f a c t u r i n gS y s t e m C I M C o m p u t e rI n t e g r a t e dM a n u f a c t u r i n g I M S I n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n gS y s t e m s 等来完 成 在未来的自动化技术实施过程中 将更加重视人在自动化系统中的作用 第三 信息化 信息 物质和能量是制造系统的三要素 随着计算机 自动化与通讯网络技术在制 造系统中的应用 信息的作用越来越重要 产品制造过程中的信息投入 己成为决定产 品成本的主要因素 制造过程的实质是对制造过程中各种信息资源的采集 输入 加工 和处理过程 最终形成的产品可看作是信息的物质表现 因此可以把信息看作是一种产 业 包括在制造之中 为此一些企业开始利用网络技术 计算机联网 信息高速公路 卫星传递数据等实现异地生产 使生产分散网络化 以适应2 l 世纪高柔性生产的需要 第四 柔性化 随着科学技术的飞速发展和人民生活水平的不断提高 促使产品更新换代的速度不 断加快 这就要求现代企业必须具备一定的生产柔性来满足市场多变的需要 所谓柔性 是指一个制造系统适应各种生产条件变化的能力 它与系统方案 人员和设备有关 系 统方案的柔性是指加工不同零件的自由度 人员柔性是指操作人员能保证加工任务 完 成数量和时间要求的适应能力 设备柔性是指机床能在短期内适应新零件的加工能力 柔性制造自动化的形式很多 如美国提出的敏捷制造 A M A g i l eM a n u f a c t u r i n g 其主 2 长安火学硕士学位论文 线就是高柔性生产 第五 集成化 集成的作用是将原来独立运行的多个单元系统集成一个能协调工作的和功能更强 的新系统 集成不是简单的连接 是经过统一规划设计 分析原单元系统的作用和相互 关系并进行优化重组而实现的 集成化的目的是实现制造企业的功能集成 功能集成要 借助现代管理技术 计算机技术 自动化技术和信息技术实现技术集成 同时还要强调 人的集成 由于系统中不可能没有人 系统运行的效果与企业经营思想 运行机制 管 理模式都与人有关 因此在技术上集成的同时 还应强调管理与人的集成 集成化生产 将成为面向2 1 世纪占主导的生产方式 1 2 2 精良生产与独立制造岛 9 0 年代美国麻省理工学院 M I T 提出精良生产 L P L e a nP r o d u c t i o n 概念 其特征是 重视客户需求 以最快的速度和适宜的价格提供质量优良的适销新产品去占领市 场 并向客户提供优质服务 重视人的作用 强调一专多能 推行小组自治工作制 赋予每个工人有一定的独 立自主权 运行企业文化 精简一切生产中不创造价值的工作 减少管理层次 精简组织结构 简化产品开 发过程和生产过程 减少非生产费用 强调一体化质量保证 精益求精 持续不断的改进生产 降低成本 零废品 零库存和产品品种多样化 独立制造岛是一种根据在引进先进技术的同时 必须改革生产组织的角度提出新的 生产模式 独立制造岛的技术构思是 以成组技术 G T G r o u pT e c h o n o l o g y 为基础 以N C 机床为核心 强调信息流的自动化和以人为中心的生产模式 它的特征是 组织 人员和技术三者的有机集成 面向车间 权力下放 综合治理 并以获经济效益为主要 目标 A M I A d v a n c e dM a n u f a c t u r i n gI n s t i t u t e 是发展中国家走向工厂自动化的重要途 径 它的推广对中国机械制造业转向市场机制 参与国际竞争意义重大 1 2 3 敏捷制造与虚拟制造 美国通用汽车公司与里海大学于1 9 8 8 年提出了敏捷制造 A M A g i l e M a n u f a c t u r i n g A M 是在不可预测的持续变化的竞争环境中取得繁荣成长 并具有能对 客户需求的产品和服务驱动市场做出迅速响应的生产模式 A M 的特征是 3 第l 章绪论 企业间联作集成 充分发挥各企业的长处 针对限定市场的目标要求共同合作 完成任务 具有高度的制造柔性 制造柔性是指制造企业对市场要求迅速转产和能实现产 品多品种变批量的快速制造 充分发挥人的作用 不断提高企业职工素质和教育水平 优化人机功能分配 虚拟制造 V M V i r t u a lM a n u f a c t u r i n g 是国际上提出的新概念 V M 与A M 联系密切 V M 的特征是 当市场新的机遇出现时 组织几个有关公司联作 把不同的公司 不同地点的 工厂或车间重新组织协调工作 在运行之前必须分析组合是否最优 能否协调运行 以及投产后的效益和风险 进行评估 这种联作公司称虚拟公司 虚拟公司通过虚拟制造系统运行 因此研究开发虚拟制造技术 M T 和虚拟制造系统 V M S 意义重大 美国称A M 为 2 1 世纪制造业发展战略 1 2 4 集成制造与智能制造 美国哈林顿博士在 计算机和集成制造 一书中提出计算机和集成制造 C I M 的概 念 集成制造的核心内容是 制造企业从市场预测 产品设计 加工制造 经营管理直 至售后服务是一个不可分割的整体 需要统筹考虑 整个制造过程的实质是信息采集 传递和加工过程 最终生产的产品可看作是信息的物质表现 集成是C I M 的核心 这 种集成不仅是物的集成 更主要的是以信息集成为特征的技术集成和功能集成 计算机 是集成的工具 计算机和辅助各单元技术是集成的基础 信息交换是桥梁 信息共享是 关键 集成的目的在于制造企业组织结构和运行方式的合理化和最优化 以提高企业对 市场变化的动态响应速度 并追求最高整体效益和长期效益 智能制造 I M 是美国出版研究I M 和I M S 书籍中首先提出的 它的特征是 在制造 工业的各个环节的高度柔性与高度集成的方式 通过计算机和模拟人类专家的智能活 动 进行分析 判断 推理 构思和决策 旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳 动 并对人类专家的制造智能进行收集 存储 完善 共享 继承与发展 制造智能的 目的是 通过集成知识工程 制造软件系统 机器人视觉和机器人控制来对制造工人技 能与人类专家知识进行建模 以使智能机器能够在没有人干预情况下进行小批量生产 4 长安大学硕士学位论文 1 3M E S 概述 为了有效的解决 或E R P 系统在生产管理方面的限制和不足 并且能够实时 地从底层生产过程控制系统采集数据 提高计划的实时性和灵活性 美国A M R 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 I n c 在上世纪9 0 年代初提出了制造执行系统 M a n u f a c t u r i n gE x e c u t i o nS y s t e m M E S 3 4 5 的概念 制造执行系统把上层计划和车 间作业现场控制联系起来 从而弥补了计划层与控制层之间的空白 在生产计划的优化 调度 生产过程的改进等方面起着越来越重要的作用 并得到工业界广泛的认可和应用 1 3 1M E S 的含义 目前人们对M E S 尚无统一的定义 大家较为接受的是制造执行系统协会 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 所下的定义 3 1 M E S 通过信息 传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理 M E S 提供从接受订货到 制成最终产品全过程的生产活动实现优化的信息 它采用当前的和精确的数据 对生产 活动进行初始化 及时引导 响应和报告工厂的活动 对随时可能发生变化的生产状态 和条件做出快速反应 重点削减不会产生附加值的活动 从而推动有效的工厂运行和过 程 M E S 改善运行设备的回报 以及改善及时交货 库存周转 毛利和现金流通性能 M E S 通过双向通信 提供整个企业的生产活动以及供应链中以任务作为关键因素的 m i s s i o nc r i t i c a l 信息 其关键词是精确的实时数据 这是以业务基础E R P t r a n s a c t i o n b a s e d 和M R P I I M a n u f a c t u r i n gR e s o u r c eP l a n n i n g 系统未曾加以考虑的 M E S A 在M E S 定义中强调了以下三点 1 S 是对整个车间制造过程的优化 而不是单一的解决某个生产瓶颈 2 M E S 必须提供实时收集生产过程中数据的功能 并且做出相应的分析和处理 3 M E S 需要与计划层和控制层进行相应的信息交互 通 过企业的连续信息流来实现企业乃至整个供应链的信息集成 美国A M R 研究公司对M E S 也有自己的定义 M E S 是一个常驻工厂层的信息系统 介于企业领导层的计划系统与主生产过程的直接工业控制系统之间 它以当前视角向操 作人员 管理人员提供生产过程的全部资源 人员 设备 材料 工具和客户要求 的数 据和信息 其着重点是将信息技术运用于改善制造过程 在A M R 的M E S 集成企业模 型中分为3 层 承担企业全面管理 包括会计 财务系统的管理决策层E R P 承担工厂 级协调 跟踪发现并监控趋势的执行层M E S 承担工厂生产控制的控制层 美国的国 家标准研究所 N I S D 有关定义的表述是 为使从接受订货到制成最终产品全过程 MES 的管理活动得以优化 采集硬件软件的各种数据和状态信息 5 第1 章绪论 由上可知 关于M E S 的定义存在一些不同的表述 但是 以下几点共识还是普遍 被接受的 M E S 在整个企业信息集成系统中承上启下 是生产活动与管理活动信息沟通的 桥梁 g M E S 采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态信息 目的在于 优化管理活动 它强调是当前视角 即精确的实时数据 从对实时的要求而言 如果说控制层要求的实时的时间系数为1 那么M E S 的 时间系数为1 0 E R P 的时间系数为1 0 0 其关系可如图1 1 所示 人员 设备 生产方法 手人员设备 岂产结果与 人员反馈 没备运行 输入 输出I 数据采集值 M R P I I E R P 时间因子 1 0 0 X 要生产f 1 么 M l c S 时间因子 1 0 X 如何生产 生产指令 C o n t r o l s 时间因子 I X 刀 广叫 生产厂 什么 操作状态 与结果 入 厂 囤 围 困 图1 1C o n t r o l s M E S E P R 实时对比关系 M E S 可以说是C I M 的集成思想和A M 的敏捷思想在车间管理系统方面的集中体现 它强调将车间生产过程中的相关的人力 技术 设备 材料及信息流和物流进行有机集 成并优化运行 M E S 能将企业全局的业务规则与车间局部的最优化运行有机地结合到 管理视图中 使各层管理人员不但知道当前产品制造的执行状态 而且清楚下一步应该 采取何种措施来到达企业的经营目标 从而使生产过程变成一个连续的 优化的 动态 的价值实现过程 1 3 2M E S 的发展趋势 1 系统化 6 M E S 是面向车间现场管理的信息系统 M E S A 将M E S 的功能归纳为1 1 个主要功 6 长安大学硕士学位论文 能模块 1 0 它们侧重于执行单元内部的管理控制 但执行单元间的系统协作管理功能在 敏捷制造和网络制造环境下显得更为突出 此外 现有的研究主要集中在生产任务调度 和自动化设备控制 其他功能的研究显得薄弱 如人力资源的分配和管理等等 2 网络化 7 传统的制造车间是封闭的 单一的 在地理位置上集中的制造组织单元 按照这样 的车间模式定制的传统的M E S 在系统结构上也是集中管理式的 但随着先进制造模式 的不断提出 特别是敏捷制和网络化制造模式下的动态联盟 需要根据市场的变化把不 同的制造单元组织在一起 要满足这样的要求 M E S 也必须是分布式的 3 集成化 8 M E S 集成性主要体现在三个层次 1 1 1 2 1 单元内决策算法的集成 例如单独用一 种方法来求解调度问题 往往存在一定的缺陷 而有针对性地将互补的调度算法或机制 集成起来 就可以提高系统运行的质量 2 M E S 之间的集成 传统的M E S 是通过上 级计划系统发生关系 但在虚拟企业的环境下 供应链上的组织单元都存在直接协调和 协作关系 3 M E S 与制造系统中的其他应用系统的集成 这些系统包括E R P A u t o m a t i o n C R M T L C M C P D M 等 尤其是与企业计划系统 E R P M R P I I 和底 层控制系统的集成 4 组件化 9 传统的软件开发模式如瀑布型软件开发模式 每次软件开发都需要经历需求分析 设计 实现 测试等各个环节 难以复用以前的软件开发知识 容易造成软件开发成本 高 时间长 质量不高等后果 组件式的软件工程从模块化的角度 把可以复用的领域 知识组织起来 当再次开发相似的系统时 可以尽量复用以前的知识 达到缩短开发时 阿i 降低开发成本 提高软件质量的目的 总之 在激烈的市场竞争中制造业不断提出新的需求 促使制造执行系统研究的不 断深入 随着信息技术的不断发展 M E S 呈现出系统化 网络化 集成化 组件化等 趋势 1 4C M E S 技术 1 4 1M E S 的不足 虽然在应用需求的驱动下M E S 的研究取得了许多积极的成果 但相对于其它企业 应用系统 如E R P C A D C A F P C o m p u t e rA i d e dP r o c e s sP l a n n i n 等 M E S 发展的时间 还比较短 同时由于制造执行系统本身固有的复杂性 制造执行系统这一研究领域仍然 7 第1 章绪论 存在许多问题 突出表现在以下几个方面 1 3 1 4 M E S 的范围定义不够明确 M E S 是定义在计划层和控制层之间的执行层 而企业中的情况非常复杂 由于不 同企业之间的管理模式 组织架构千差万别 从而导致企业中的计划层 执行层 控制 层中功能模块的定义与划分不明确 这也是到目前为止M E S 还没有统一的定义的原因 由于M E S 功能模块不明确 造成与其他信息系统的集成问题也难以解决 缺少适合中国制造业现状的M E S M E S 是美国A M R 机构提出来的 我们认为在引入M E S 概念和吸收国外研究成果 的时候 还应该充分结合中国的国情 从实际出发提出解决不同制造模式的相应的M E S 方案 如在中国还有很多企业自动化水平不高 在信息化带动工业化的过程中 要研究 这样的企业是否适合应用M E S 和如何应用等问题 只有把软件系统的先进性和实际应 用环境的现实性结合在一起考虑 才能切实的推动国家的工业化进程 M E S 通用性差 可扩展性不足 由于制造企业千差万别的特点 不同的企业采用不同的制造模式和管理模式 当前 开发出的制造执行系统通用性差 并且缺乏可扩展和适应能力 难以随业务过程变化而 进行相应的功能配置 这使得制造执行系统软件可重用水平低 软件开发周期长 M E S 可集成性不强 可集成的制造执行系统本质上是模块化应用组件环境 M o d u l eA p p l i c a t i o n C o m p o n e n tE n v i r o n m e n t M A C E 下的信息控制 必须具备客户化 可扩展和互操作等 分布计算能力 但由于目前采用的C O R B A 和C O M D C O M 等分布计算技术本身存在的 缺陷 其紧耦合的体系结构使得可集成的制造执行系统的实际应用很难达到预期效果 一 M E S 开放性差 互操作性差 在敏捷制造和网络化制造模式下 车间环境是不断变化的 不断有新功能或者新设 备加入或失效 系统应能够容易地接受这一变化 并能够根据这一变化对系统重新配置 同时网络化制造要求从不同的M E S 系统中裁剪不同的功能 以满足某个特定任务的需 要 实现互操作 当前I V I E S 因缺乏一种开放的体系结构而限制了这些功能的实现 总的来说 随着全球信息网络技术的发展 全球化市场的形成及技术变革的加速 制造业面临着新世纪的挑战和机遇 虚拟企业 动态联盟等先进制造思想己被广泛接受 并逐步实施 企业间的交互与协作也越来越频繁 这种交互和协作在产品生命期内占据 越来越重要的作用 当前M E S 解决方案大多是单一的离散模型 面向单个制造企业 8 长安大学硕一f 学位论文 不能满足发展的需要 因此 有必要在新的环境下 建立新一代的制造执行系统模型 针对当前M E S 面临的种种问题 M E S A 已经开始着手研究下一代C M E S 模型 其特点 主要是强调可集成性 可交互性和灵活重构的能力 面向服务的体系结构可以为此提供 良好的支持 从软件开发的形式上来看 面向服务的软件工程可以说是基于构件的软件工程的扩 展 基于构件的软件工程 主要着眼于通用构件的研究 如G U I O D B C 等 这些通用 构件的应用曾经对软件的快速开发有过很大的推动作用 但这种通用构件粒度太小 很 难包含领域知识 因此在专用软件领域应用并不十分理想 而服务是面向业务的 把领 域知识封装到领域服务中 形成可复用的大粒度的领域服务组件 才能真正实现系统的 可重构和可配置 从系统体系结构上来说 面向服务的制造执行系统可以真正实现应用集成 当前应 用集成主要的难点在于缺乏一个被业界广泛认可的统一标准 使得许多所谓的可集成系 统只能是一个特定的范围内进行集成 而不是以一种开放的形式面向广泛的企业和其应 用系统 面向服务的体系结构因其广泛接受的规范 更易于实现应用集成 1 4 2C M E S 的产生 近年来很多学者对M E S 进行了深入的研究 M E S 取得了长足的发展 特别是在国 外 M E S 的思想和方法已被制造业广泛接受 也形成了一些比较成熟的标准 在M E S A m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s es y s t e ma s s o c i a t i o n 的早期描述中 M E S 的功能 主要分为核心功能模块和外围功能模块二部分 将生产计划与数据采集 物流管理等模 块合并起来形成核心功能模块 而其它诸如质量管理 维护管理 文档管理等模块则形 成外围功能模块 一 而M E S A 在此后的描述中 已不再突出这种功能上的主次之分 而是强调了协同制 造 c o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n g C M 的概念 这主要是为了适应经济全球化的发展 同时 为应对更加激烈的市场竞争 M E S A 将M E S 的外延扩大 加入了一些原本属于 E R P 范畴的内容 如供应链管理 s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t S C M 客户关系管理 c u s t o m e rr e l a t i o n s h i p sm a n a g e m e n t C R M 等 正如本文上节论述 M E S 本身存在诸多不足 同时 随着市场竞争的全球化 扩 大化 先前主要以单一独立的企业为目标的M E S 模型已不适应时代的需求 M E S 的任 务正在不断改变 开始注重于在扩展的企业中的交互过程 此时 C M E S 协同制造执行 系统 的概念应运而生