作為企業(yè)上層計劃決策系統(tǒng)和底層過程控制系統(tǒng)之間的橋梁，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)在車間生產(chǎn)的計劃調(diào)度、過程管理等方面起到了越來越重要的作用。在當(dāng)今敏捷制造與網(wǎng)絡(luò)化制造的模式下，傳統(tǒng)的制造執(zhí)行系統(tǒng)難以滿足車間生產(chǎn)管理的需求，主要表現(xiàn)在：a)集成困難。通常是在設(shè)計開發(fā)完成后，再著手解決與其他企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)集成的問題，由于企業(yè)各應(yīng)用系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和成熟的技術(shù)支持，集成起來格外困難。b)可重構(gòu)性差。普遍采用的緊耦合、僵硬脆弱的架構(gòu)往往固化了系統(tǒng)的大部分功能，只余小部分可以進(jìn)行參數(shù)的配置，難以保證企業(yè)的敏捷性，無法支持企業(yè)快速適應(yīng)市場和生產(chǎn)環(huán)境的變化。c)開發(fā)周期長。傳統(tǒng)MES普遍存在定制工作量大、成本高、周期長的問題，阻礙了MES應(yīng)用于不同類型、特點的企業(yè)和車間。

　　面向服務(wù)架構(gòu)(SCA)的制造執(zhí)行系統(tǒng)基于開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有語言獨立性、松散耦合、跨平臺、良好的封裝性、位置透明等特點。這些特點使得制造執(zhí)行系統(tǒng)能夠快速地按需應(yīng)變以滿足制造管理的需求。面向服務(wù)架構(gòu)的制造執(zhí)行系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的熱點，目前的研究尚未提出較為完整的面向服務(wù)制造執(zhí)行系統(tǒng)體系架構(gòu)，對面向服務(wù)在MES集成、配置和產(chǎn)品化中的作用分析不足。針對以上問題與現(xiàn)狀，本文基于SOA的核心標(biāo)準(zhǔn)，建立了MES的面向服務(wù)技術(shù)體系，深入研究面向服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)在MES中的應(yīng)用。

　　1 面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)

　　面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)表示層主要是MES的人機交互界面，提供Web、無線等多種方式的訪問。系統(tǒng)平臺層包括企業(yè)數(shù)據(jù)庫、車間遺留系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)器和ISA95領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)等。在服務(wù)構(gòu)件層，車間業(yè)務(wù)按照SCA(服務(wù)構(gòu)件體系)規(guī)范被封裝為一系列粗粒度的服務(wù)，這些服務(wù)相對獨立。自包含、可重用，其接口采用中立的、基于標(biāo)準(zhǔn)的方式。MES服務(wù)通過服務(wù)總線層進(jìn)行交互、調(diào)用。服務(wù)流程層以BPEL(業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言)與BPMN(business process modeling notation，業(yè)務(wù)流程建模符號)為標(biāo)準(zhǔn)，對MES服務(wù)進(jìn)行復(fù)合、編排，以實現(xiàn)端到端的車間業(yè)務(wù)流程建模與執(zhí)行。

　　2 基于SCA的MES服務(wù)設(shè)計與裝配

　　SCA是OpenSOA組織提出的一種全新的編程模型。服務(wù)構(gòu)件是SOA中的基本構(gòu)件單位，封裝了MES的業(yè)務(wù)功能與邏輯規(guī)則。服務(wù)構(gòu)件具有比面向?qū)ο蟾玫闹赜眯?，使得MES能夠以一種搭積木的方式快速地開發(fā)實施。服務(wù)構(gòu)件將MES服務(wù)分為接口與實現(xiàn)兩部分。服務(wù)接口使用WSDL(web service description language，Web服務(wù)描述語言)描述該服務(wù)的所有功能方法和相關(guān)信息。服務(wù)實現(xiàn)是服務(wù)對接口定義功能的具體實現(xiàn)方式，具有跨平臺的特點，Java、C++等語言以及EJB、CORBA、.NET等技術(shù)體系都可以作為MES服務(wù)構(gòu)件的實現(xiàn)。例如，自動排產(chǎn)算法構(gòu)件通過服務(wù)接口為MES系統(tǒng)提供算法生成的詳細(xì)作業(yè)計劃，通過接口引用從其他MES服務(wù)得到任務(wù)信息、產(chǎn)品信息和加工能力信息等作為算法約束。服務(wù)的實現(xiàn)可以是自適應(yīng)離散粒子群算法、改進(jìn)的遺傳算法、模擬退火算法等，算法代碼所采用的語言平臺不受限制。

　　根據(jù)SCA規(guī)范，多個關(guān)聯(lián)的服務(wù)構(gòu)件裝配得到MES服務(wù)模塊(composite)。服務(wù)模塊是MES最小的部署單位，能夠?qū)⒛K內(nèi)構(gòu)件的部分接口提升作為自身服務(wù)。一個服務(wù)模塊可以作為另一模塊內(nèi)部構(gòu)件的服務(wù)實現(xiàn)進(jìn)行嵌套式的裝配。在MES的設(shè)計開發(fā)過程中，選擇合適的裝配對象、設(shè)計合理的裝配方式，可以對應(yīng)實現(xiàn)MES層次化的功能模型。

　　MES通過服務(wù)構(gòu)件的封裝與裝配，提高了服務(wù)的粒度，便于系統(tǒng)的重用。以航天系統(tǒng)的離散制造車間為例，典型的MES服務(wù)有：a)多層生產(chǎn)計劃服務(wù)。依據(jù)主生產(chǎn)計劃以及產(chǎn)品、資源等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對任務(wù)項進(jìn)行批次分解得到批次生產(chǎn)計劃，并進(jìn)一步手動或自動地制定詳細(xì)作業(yè)計劃。b)動態(tài)調(diào)度服務(wù)。按照生產(chǎn)計劃向工位或工人實際派發(fā)加工任務(wù);針對加工過程中出現(xiàn)的質(zhì)量超差、緊急任務(wù)、設(shè)備故障等問題協(xié)調(diào)質(zhì)檢員、工藝員等角色進(jìn)行生產(chǎn)異常處理。c)加工狀態(tài)服務(wù)。(工人)接收加工任務(wù)，報告加工過程中出現(xiàn)的異常，并在加工完畢后提交;(調(diào)度員)在必要時直接修改加工狀態(tài)，中斷或停止當(dāng)前任務(wù)。d)質(zhì)量管理服務(wù)。查詢并記錄加工任務(wù)首件三檢、總監(jiān)、軍檢的結(jié)果，作為計劃制訂和統(tǒng)計分析的依據(jù)。e)條碼標(biāo)志/RFlD服務(wù)。對物料、工裝等資源的條碼號或射頻卡進(jìn)行查詢、管理。f)在制品追蹤服務(wù)。對在制品所處的位置(工位、緩存區(qū)、庫房)進(jìn)行精確定位，以縮短周轉(zhuǎn)時間。除此之外，還包括資源管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)集成、外協(xié)生產(chǎn)等服務(wù)。

　　3 基于總線的MES服務(wù)集成與系統(tǒng)集成

　　傳統(tǒng)的分布式MES架構(gòu)中，各項業(yè)務(wù)功能之間相互依賴、密不可分，導(dǎo)致重構(gòu)困難，原因在于功能構(gòu)件之間的調(diào)用存在著明確的指向性。功能構(gòu)件的URL等位置信息需要修改或者整個構(gòu)件被刪除時，依賴于該構(gòu)件的其他部分必將出現(xiàn)運行異常。另外，構(gòu)件通信技術(shù)往往也是固定的，新加入的構(gòu)件傳輸協(xié)議不匹配也會阻礙系統(tǒng)的重構(gòu)，如EJB只能接收RMI，無法兼容JMS協(xié)議的構(gòu)件。

　　面向服務(wù)的MES系統(tǒng)采用總線模式對系統(tǒng)內(nèi)各種服務(wù)進(jìn)行集成、注冊和管理，并保證系統(tǒng)的擴展性和兼容性。服務(wù)總線主要有兩個組成部分：一是服務(wù)注冊表，保存連接在該服務(wù)總線上所有服務(wù)的注冊信息;二是服務(wù)路由器，負(fù)責(zé)消息轉(zhuǎn)發(fā)、格式轉(zhuǎn)換、協(xié)議映射等功能。服務(wù)總線思想的核心是服務(wù)消費者和提供者之間松散耦合、彼此透明。尤其是對于跨子系統(tǒng)的MES服務(wù)調(diào)用，服務(wù)消費者能在協(xié)議不限(SOAP、EJB、JMS)且無須了解提供者位置的前提下，與特定協(xié)議特定位置的服務(wù)提供者進(jìn)行交互。在服務(wù)總線的支持下，MES應(yīng)用可以根據(jù)車間的業(yè)務(wù)需求對系統(tǒng)中的功能進(jìn)行添加、刪除、修改等操作而不會造成系統(tǒng)整體的異常。除了內(nèi)部的服務(wù)集成，服務(wù)總線還可以支持MES與ERP、SCM、PDM等企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的集成。MES通過服務(wù)總線提供服務(wù)供其他系統(tǒng)調(diào)用，并調(diào)用其他應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)間的互操作。

　　MES與ERP集成的典型場景。服務(wù)總線首先為ERP(服務(wù)消費者)和MES(服務(wù)提供者)分別創(chuàng)建入站和出站端口。MES在服務(wù)注冊表發(fā)布WSDL描述文件，ERP檢索注冊表后向服務(wù)總線發(fā)布請求信息，經(jīng)路由器中轉(zhuǎn)交給MES。MES收到請求后完成服務(wù)內(nèi)容，并將包含了生產(chǎn)進(jìn)度的響應(yīng)信息沿相反路徑返回。在該場景中，MES向ERP提供了以下服務(wù)：訂單進(jìn)度監(jiān)控服務(wù)負(fù)責(zé)在ERP系統(tǒng)發(fā)出服務(wù)請求后，反饋某零件產(chǎn)品的當(dāng)前生產(chǎn)進(jìn)度信息;物料消耗反饋服務(wù)根據(jù)車間物料庫存情況與生產(chǎn)計劃的對比結(jié)果向ERP提出集中配送要求;短期生產(chǎn)計劃服務(wù)提供車間當(dāng)前一段時間的任務(wù)安排與加工能力狀態(tài)，作為企業(yè)級決策的依據(jù)。