20世紀90年代，美國先進制造協會(AMR)首先提出了制造執(zhí)行系統（Manufacturing Execution Systern，MES）的概念并引起廣泛關注。工業(yè)發(fā)達國家對MES技術開展了系統的研究，提出了完整的軟件體系架構，研制開發(fā)了許多比較成功的MES軟件產品。國內對MES的研究起步較晚．在國家863計劃資助下進行了流程工業(yè)MES的理論、內涵、體系結構、軟件和應用等方面的廣泛和深入的研究。并取得了一定的成果。但是在面向離散制造行業(yè)的制造執(zhí)行系統軟件方面相對較弱。由于生產模式的多變性以及自動化程度的差異性。MES的實施和應用受到了極大的挑戰(zhàn)。我國航天制造企業(yè)的生產特點是單件、小批量、多品種、批產與研制相結合。由于起步比較晚，自動化程度比較低，信息化環(huán)節(jié)較薄弱，存在的普遍問題有：

    (1)紙質卡片貫穿在整個零件加工過程中，零件加工的每一個步驟都需要人工填寫相應的生產數據。

    (2)管理層信息化程度比較高，ERP／MRPⅡ得到了廣泛的應用，但車間層基本上仍然采用傳統的手工作坊式生產與管理，自頂向下表現為對生產指令的反應緩慢，自底向上表現為生產執(zhí)行信息不能及時得到反饋。

    (3)缺乏有效的監(jiān)控生產運行的手段，進度信息以紙質文檔或口頭的形式傳達，缺乏實時性，有效性也存在問題。

    (4)車間管理層與控制層之間缺乏良好的信息交互手段，與生產相關的各部門間信息流通不暢，信息粗糙、滯后，追溯困難。

     本課題針對某航天制造企業(yè)的生產模式和單件小批量、產研結合的生產特點，以實現MES系統最終目標為指導并結合車間的實際情況．成功地構建并實施了MES系統的解決方案。

1 系統設計

    1．1 總體架構設計

    經過需求調研分析，該MES系統應用的部門有科研生產處、加工車間、數據中心和倉庫等，地理位置分散。結合企業(yè)軟硬件的實際情況，分析了3種網絡體系結構的優(yōu)缺點，采用瀏覽器／服務器(BrowsedServer)的3層網絡體系結構，標準的關系型數據庫以及J2EE平臺作為系統的運行環(huán)境，來構建基于B／S的車間制造執(zhí)行系統?？傮w結構包括用戶界面層、應用系統層、系統支持及數據庫層等三大部分。為適應網絡應用和擴展性的需要，系統開發(fā)實現中采用Freemarker+Webwork+Spring+Hibemate的多層B/s架構，在應用實現的層面上對MES系統體系結構作了進一步的劃分。系統總體架構如圖1所示。

    (1)用戶界面層(即表示層)。通過瀏覽器作為系統的前端，實現信息的錄入、查詢與分析結果的可視化展現。這一層包括采用符合MVC模式的Freemarker／Webwork取代傳統JSP／Servlet的界面開發(fā)方式，以實現更為靈活、柔性的用戶交互界面。

    (2)應用系統層。該層是所有業(yè)務邏輯的實現層，是MES系統的核心部分。這一層負責接收客戶端的請求，并將數據庫層返回的業(yè)務數據進行運算處理返回到用戶界面。OSWorkflow工作流引擎負責驅動零件加工流程的自動流轉。在Hibernate基礎之上封裝了持久性訪問層，把所有的持久性邏輯全部放到這一層實現。為了能夠最大程度地重用系統模塊，同時又能和工作流引擎很好地配合。采用了輕量級的Spring框架體系。

    (3)系統支持及數據庫層。使用Hibernate取代JDBC數據連接和操作方式，實現關系數據到可操作對象實例的映射，并維護數據庫連接和數據緩存，提升效率。

    1．2 系統功能設計

    該系統實施的目標生產車間存在的主要問題是完全沒有作業(yè)計劃，生產計劃的執(zhí)行和進度的控制由若干名計調員人工掌握，經常導致生產任務不能按節(jié)點完成；加工過程的流轉以紙質零件周轉卡為中心．負責任務的標識和派發(fā)，記錄質量檢驗的數據等。容易造成生產數據的遺失而無法在出現質量問題時得到很好的追溯。該系統主要包括計劃調度、派工管理、質量管理、監(jiān)控管理、用戶權限管理和資源管理模塊。

圖2 MES系統功能樹

    (1)用戶權限管理。按照用戶、角色、權限的層次關系構造本系統的權限管理。系統中定義多個不同的角色，每個角色被賦予各自的功能權限。注冊用戶被賦予一個或多個角色．建立用戶與權限的映射關系。通過在系統的入口處對登陸用戶的權限實施強行檢查。

    (2)計劃調度。通過與計劃系統的接口獲取生產計劃和月考核計劃，結合車間設備的生產能力，對下發(fā)的生產計劃進行分解，制定具有可執(zhí)行性的生產作業(yè)計劃。通過手工拖動可編輯的甘特圖實現作業(yè)計劃的調度排序并給相應的任務分配制造資源。

    (3)質量管理。該模塊分為質量檢驗和質量問題統計兩大部分。質量檢驗有首件三檢、工序檢驗、總檢和軍代表檢驗；質量問題統計則是對采集到的質量數據進行統計分析并以圖表的形式展現給用戶，有利于管理者確定出現質量問題的生產環(huán)節(jié)并采取相應的措施加以控制。

    (4)派工管理。該模塊主要根據甘特圖排產的結果生成派工單。如果是開始工序則打印零件周轉卡，將生產任務派發(fā)到人或設備進行生產。

    (5)監(jiān)控管理。監(jiān)控每一項生產計劃的實施進度和每一批零件的工序進度，同時監(jiān)控設備和人員的實時狀態(tài)．為生產任務的派工提供依據。

    (6)資源管理。包括工藝文檔的借閱管理，工裝、刀具的出入庫管理。設備基本信息的維護和設備保養(yǎng)、維修的管理15l以及人員管理，用以保證生產的正常進行，提供資源使用情況的歷史記錄，確保設備能夠正確運轉，同時提供資源的實時狀態(tài)信息。

    1．3 數據庫設計

    使用Embarcadero公司的CASE工具產品ER—Studio建立數據庫邏輯模型和物理模型，在轉換為平臺相關的物理模型之前將邏輯模型進行了嚴格的規(guī)范化，使數據庫的設計完全符合第三范式的要求，消除數據冗余，消除部分依賴和傳遞依賴。

    整個數據庫的結構在邏輯上分為3部分：第1部分是支持用戶權限管理模塊的系統用戶表、角色表、權限表和維護它們之間對應關系的分解表；第2部分為支持工作流引擎運行所必需的系統表．考慮到該工作流系統只是在車間內部運行，用戶權限管理模塊定義的表已能夠很好地滿足要求。因此沒有定義額外的與工作流相關的組織機構管理表；第3部分也是最重要的部分，是支持企業(yè)商業(yè)規(guī)則的一系列的表。考慮到企業(yè)的生產性質，通過在第3部分的每一張表里添加一個標識位以達到數據假刪除的目的，雖然在表現形式上數據已被刪除，但用戶的刪除操作只是改變數據的標識位而該記錄仍然存在于數據庫相關表中。這種做法的缺點是隨著數據的日積月累，數據量的不斷增大而導致系統性能的降低，考慮到企業(yè)在數據維護方面的技術能力比較強，可以通過人為的定期備份或刪除一定的數據來達到瘦身的目的。

2 關鍵技術

    2．1 工作流模型驅動

    OSWorkflow是Opensymphony組織開發(fā)的一個基于JAVA的開源工作流引擎，它的最大特點就是極高的靈活性，更重要的是它可以很容易地同MES系統使用的輕量級J2EE框架Spring整合到一起并很容易地得到依賴解析、組件裝配和生命周期管理的支持。

    OSWorkflow的核心是XML格式的工作流描述文件。一個工作流描述文件描述了針對特定流程所有的步驟(Steps)、狀態(tài)(States)、路徑(Transitions)和方法(Functions)。在MES系統中，從CAPP系統獲得的零件生產工藝規(guī)程就是工作流描述文件自動生成的依據。每一道工序對應工作流的一個步驟，每一個步驟有一個或多個動作，動作可以被設置為是否自動執(zhí)行．或者通過與用戶的交互來由程序選擇執(zhí)行，因此零件生產過程中的首件檢驗、工序檢驗就是流程中步驟的動作，在步驟的動作里完成零件生產執(zhí)行數據的持久化和跳轉到下一個步驟。由于零件的生產過程必須嚴格按照工藝規(guī)程定義的工序步驟順序進行，完成了上一道工序的加工才能進入到下一道工序的加工，因此每一個流程都只有一條路徑。描述文件生成后立即被加載到工作流引擎解釋執(zhí)行，調度員可以根據實際情況選擇掛起或終止某一個流程。

    2．2 數據對象的持久化

    傳統的JDBC連接方式存在的問題是，每一次數據訪問必須經過建立數據庫連接、打開數據庫、存取數據、關閉數據庫這一系列步驟，這樣既消耗資源又費時．頻繁發(fā)生會導致系統性能急劇下降，甚至崩潰，如果在程序段中沒有正確關閉ResuhSet、Statement、Connection資源，執(zhí)行該段程序時留下沒有關閉的連接，還會造成數據庫連接泄露。MES系統采用對象關系映射(Object—Relation Mapping，ORM)工具Hibernate完成對數據的持久化操作。Hibernate內建的連接池提供和控制開放的數據庫連接，因此可以重用已經存在的數據庫連接，避免打開和關閉數據庫帶來的延遲：二級的數據緩存機制顯著地降低了數據庫的操作頻率：數據庫中的關系數據被映射成為操作方便的普通JAVA對象，提高了開發(fā)效率。

    2．3 基于模版的表現層技術

    Freemarker是基于JAVA實現的模版引擎技術。模版+數據模型=輸出，通過改變數據模型的內容實現數據的動態(tài)輸出。與傳統的HTML頁面不同的是，用Freemarker標記替換需要動態(tài)輸出的部分，形成模版文件，服務器端根據客戶端請求返回數據內容，將對應的模版文件加載到模版引擎中，在引擎中完成模版與數據模型的綁定，并用數據模型中的內容替換模版中的相應標記，最后把最終結果返回到客戶端。通過使用Freemarker模版技術，能夠很好地將表現層和邏輯層分離開來。

3 系統實現及特點

    3．1 生產進度實時監(jiān)控

    在MESA定義的MES系統功能模型中，非常重要的一個功能點就是生產過程的實時監(jiān)控。當生產任務開始執(zhí)行后。工作流引擎解釋過程模型文件，根據過程模型和工作流相關數據為批次作業(yè)的生產過程進行導航，提供便捷的現場信息采集與執(zhí)行反饋的實現手段，利用客戶端采集的任務狀態(tài)數據驅動過程執(zhí)行，并實時通知工人更新任務監(jiān)視界面，保證正確的工人在正確的時候得到正確的信息，實現在制品加工過程的自動流轉。同時工作流引擎根據客戶端采集的工序加工的進度和質量信息，匯總后為管理員提供圖形化的實時生產進度信息。

3．2 強大的統計分析能力

    (1)工作流引擎在驅動生產過程自動運行的同時，在每一個活動都會把重要的生產信息通過Hibernate提供的接口存入到數據庫中，為后續(xù)的統計分析提供信息的來源。

    (2)質量信息統計與分析：分類查看不同時間段內生產過程中發(fā)生質量問題的次數以及相應的處理情況，并以圖形化方式匯總展現質量問題產生的原因。

    (3)工時信息的統計：多層次統計零件生產工時信息，包括工人工時、班組工時、產品工時、車間月工時統計，一方面為工人報酬計算提供可靠的數據，另一方面為零件工藝規(guī)程的改進提供參考。

    3．3 可配置與可重用

    (1)可配置主要體現在系統功能上。系統管理員根據人員的變動和角色的轉換，為用戶靈活分配系統操作權限，在避免越權行使職能的同時也解決了重要系統用戶無法完成本職工作而導致業(yè)務邏輯無法順利執(zhí)行的問題。

    (2)可重用主要體現在功能模塊上。得益于系統架構的靈活性，MES系統各功能模塊是相互獨立、完備的功能模型，通過不同的組合適應企業(yè)發(fā)展過程中需求的變更，具備良好的可重用性和可擴展性。

    3．4 甘特圖排產

    車間詳細作業(yè)計劃的制定和排產是MES的核心功能之一，是提高車間生產效益的基礎和關鍵。系統通過采用富客戶端技術。實現了對作業(yè)計劃進行基于甘特圖的可視化的拖動編輯。為車間制定計劃時提供每一臺設備完整的任務信息。減少了計調員的工作量。極大地提高了系統的易操作性

4 結束語

    本課題最終實現了面向航天離散制造企業(yè)的MES系統，目前已在該企業(yè)得到全面的應用，在很大程度上改善了車間的生產管理，在提高車間執(zhí)行能力和應變能力的同時為企業(yè)領導層決策提供準確的信息。促進了企業(yè)信息化的發(fā)展進程。下一步工作將是根據用戶的需求對功能進行完善和擴展。