基于柔性工作流的制造执行系统的研究

岳健

（苏州经贸职业技术学院机电与信息技术学院，江苏 215009）

基于柔性工作流的制造执行系统的研究

岳健

（苏州经贸职业技术学院机电与信息技术学院，江苏 215009）

柔性工作流解决传统工作流的变更困难的问题，在柔性工作流AWF的研究基础上，研究基于柔性工作流AWF的制造执行系统（MES）。基于ESB作为数据总线进行系统内的异构系统的数据传递和清理工具，用柔性的AWF作为核心驱动，构造更为灵活智能的制造执行系统支持企业从上层管理到下层车间的复杂的业务需求。

柔性工作流；AWF；MES；ESB；OPC

0 引言

制造执行系统（MES）在企业生产制造中起着重要的中间层作用，其将生产计划向上传递给车间执行，同时将生产执行状况收集并整理向上反馈。工作流技术在系统集成、资源管理、流程定制等多个方面具有广泛的应用。本文基于工作流技术，使用柔性工作流引擎AWF作为任务调度的基础，使用企业服务总线解决了生产中异构数据集成问题，构建了新型的制造执行系统（MES）。

1 相关研究现状介绍

国际制造执行系统协会（MESA）认为MES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[1]。美国先进制造机构AMR将MES定义为位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统[2]。

制造执行系统（MES）的使用打通了上层的生产计划系统以及下层的车间底层的设备控制系统，能快速提高企业的生产效率、降低成本，是现代企业实现高效车间管理以及企业信息化的重要组成部分，有助于企业实现精益化管理。甄雪提出了基于工作流的装配执行过程集成监控与柔性业务协同技术[3]；于海斌等人提出来可集成制造执行系统的体系结构、运行机制和开发方法[4]；张晓燕设计了装配型MES的总体设计，提出了装配型MES的解决方案[5]。

但是传统的MES作为一个独立的系统，通用性不足，随着企业的发展其无法跟上相应的变化，同时其也无法与企业人力、财务等其他系统有效对接，从而形成企业的全方位信息流。本文在工作流、企业服务总线及MES相关技术的基础上研究了基于柔性工作流引擎AWF[6]的新型智能MES，通过企业服务总线采集各层数据，系统通过柔性工作流引擎作为基础驱动，涵盖了上层生产计划以及下层车间监控管理，同时打通企业其他信息系统的通道，解决了传统MES的诸多问题。下文第二节主要阐述基于工作流的制造执行系统的主要框架结构，其后部分主要就柔性工作流AWF在系统中的功能、系统中的通信及集成部分进行了详细的阐述。

2 系统框架结构

基于柔性工作流引擎AWF的制造执行系统在传统的制造执行系统之外，使用了数据驱动的方式，以企业服务总线为数据通信基础，以柔性工作流AWF作为总驱动，构建了新型的制造执行系统。

图1 系统框架结构

图1描述了系统的总体框架图，企业服务总线ESB完成对系统内所有异构数据的集成和通信，工作流引擎AWF及其相关管理工具基于ESB的数据，调度企业相关系统，实现了生产管理计划系统、设备资产管理、生产成本管理、能耗管理等相关系统的无缝集成。一方面完成了传统MES所需要完成的对于车间及生产计划的管理，同时通过企业服务总线将数据交互与格式转换单独抽象出来，通过数据接口连通，使得MES与企业内部其他系统实现数据共享和对接。

3 柔性工作流驱动

工作流系统通常用于企业内部流程控制，传统的工作流系统流程定制困难，变更困难，柔性工作流AWF克服了这些问题，使得流程定制和变更成为可能。这种可定制的流程管理使得其作为MES的底层驱动成为可能。一方面定制化的柔性工作流可作为基础平台集成生产计划系统等系统，另一方面其可往下与车间管理系统对接，获取相应的下层数据。通过流程所规定的数据流转，完成整个系统内部的数据流动与通信。

AWF支持以BPMN为描述语言定义流程，同时对语义进行了一定程度的扩充，让其支持了ECA规则模型，同时引入了可视化流程定义工具，使得流程的定义和部署简单化。同时AWF通过对流程执行审计数据的事后挖掘，对流程运行数据分析，提供可能的流程改进建议，从而使得制造执行系统可演化。对于变更的支持，需要对变更的流程定义进行验证以确保流程定义不发生冲突。通常大的流程定义进行全面的验证是一个时间开销很大的工作，AWF根据流程定义最重要的特点，重点对于流程的可达性和可结束性进行了验证。此外对于变更的可执行性，AWF通过相应的变更部分贪婪检测算法达到了较好的验证效果，同时保证了较快的检测速度[6]。

通过流程定义工具定义流程模型，关联企业内部的相关资源（包括生产车间的相应数据以及上层的各类管理系统与相应的用户和角色等），流程部署运行之后，AWF中流程引擎推动流程按描述自动运行，从而自动关联相关预定义的各类资源，使得各项工作能随着流程自动运转而不断推进。AWF同时提供了Rest等通用的接口方式，使得其方便作为系统集成的驱动核心，也为可能的新接入系统提供了灵活的接口。系统中移动现场管理即是利用AWF的Rest接口构造的移动客户端，车间相关人员使用该客户端即可完成巡检、点检、故障处理、任务分配等多种工作，同时设备资产管理等相关人员也可利用专用平板上的条码扫描工具在移动现场管理模块中迅速完成出入库等工作。灵活的接口方式使得传统的需要依靠PC完成的任务可通过专用平板移动完成，大大提高了生产和管理效率。

4 基于ESB的数据集成

企业内部各系统由于历史原因，数据格式各异，相应的接口形式也根据系统本身的特定而各具特色。对于复杂的异构系统，AWF本身有其自有的数据格式，使用AWF作为核心驱动的主要问题就是其他系统数据的对接。

企业服务总线（ESB）在系统中起着数据清理集成的关键作用。系统设计中将相应的数据格式转换功能置于ESB中，由ESB根据数据转换器自动完成相应异构数据的转换。通过此方式，使得AWF从异构数据的整合中解放出来，其仅需关注其核心任务，即推动流程运行，而无需关注不同数据格式之间繁杂的转化问题，交由ESB自动处理。数据按照预先定义好的转换规则形成转换器插入到ESB中，新的数据进入到ESB后即可根据其数据特点自动选择相应的转化器进行数据转换，从而生成所需数据格式提供给AWF以及其他各系统。通过将数据转换抽象到ESB，使得AWF专注于流程驱动。由于传统的ESB产品主要用于企业内部非实时软件系统的集成，并未有用于MES的先例，设计实现中根据MES的实时性、数据量大等特点，作了较大的改动，并从触发机制上使用了高效的实时通信、数据异步缓冲记录等技术进行了改造，使得系统中的ESB符合MES的多项特殊要求。

上位机上的实时数据和历史数据通过OPC或OLE-DB接口可进行获取，通过在ESB中开发相应的数据转换器，可以比较方便进行数据监测。ESB通过从OPC接口获取数据并转换为AWF所需格式数据，并根据流程定义触发相应的流程或者被相应流程使用，进而被上层各系统获取使用，从而使得车间生产数据能顺畅的被流程调度运送到上层相应系统中，同时上层相应系统中的数据和指令可通过相反方向的路径进入到下层车间。通过ESB完成企业内多个系统的异构数据源集成，使得基于AWF的系统集成更为方便。

5 结语

通过AWF作为流程驱动，基于ESB进行相关系统数据通信集成，实现了新型的制造执行系统，解决了传统制造执行系统与企业内部其他系统沟通不畅的问题，也使得信息系统支持车间生产制造更为灵活和高效，从而提高企业的生产效率。同时由于AWF具有适应性，使得企业能从生产实践中动态演化相应流程，也为快速稳定高效的流程再造提供了基础。

[1]MESA International.The Controls Layer:Controls Definition and MES to Controls Data Flow Possibilities，MESA International White Paper Number63，1995.

[2]AMR Research Staff.Process Industry Outlook:How and Why you Will buy E-Manufacturing Systems，2000.

[3]甄雪.基于工作流的装配执行过程集成监控与柔性业务协同技术.Information Technology and Management 6,2005：8-9.

[4]于海斌,朱云龙.可集成的制造执行系统[J].计算机集成制造系统，2000，6（6）:1-6.

[5]张晓燕.装配型MES及其生产调度研究[D].武汉:华中科技大学，2007．

[6]岳健，刘强.基于Agent的适应性工作流框架的研究.计算机科学，2007，34（9A）:56-59．

Abstract：Adaptive workflow solves the problem of traditional workflow change.Based on the adaptive workflow（AWF）,a new MES is proposed.Us⁃ing ESB as the data bus for communication and data cleaning tool between heterogeneous systems,and using AWF as the core driver,the more intelligent new MES is constructed to support the complex business requirements of the enterprise from the upper management to the lower level workshop.

Keywords：Adaptive Workflow;AWF;MES;ESB;OPC

Research on MES Based on Adaptive Workflow

YUE Jian
（Suzhou Institute of Trade&Commerce,Institute of Electrical and Information Technology,Jiangsu 215009）

1007-1423（2017）25-0007-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.25.002

苏州经贸职业技术学院院级项目（No.KY-ZR1601）

岳健（1982-），男，江苏宜兴人，硕士研究生，讲师，研究方向为移动互联网、人工智能

2017-06-20

2017-09-01