（机械电子工程专业论文）协同制造执行系统中的关键技术研究.pdf

南京航辛航天又学硼上学位论_ 盘： 摘要 协同m e 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 ，c m e s ) 尾在传统 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 l e m s ，m e s ) 基础上提出的全新概念， 它结合了早期的m e s ，实施并优化车间的各项操作，同时提升与其他系统、企 业人员以及价值链中人员的整合能力。随着信息和网络技术的发展，制造活动 的全球化进程大大加快，协同i v i e s 正为企业带来一场革命a 在充分研究国内外相关文献的基础上，本文对协同m e s 这一技术进行了详 尽阐述和深入分析，提出了协同m e s 总体框架结构，并熏点研究丁协同m e s , f = g 对传统m e g 具有明显优势的几个关键技术。 作者首先结合运筹学的整数规划法与启发式算法，以保证交货期为前提， 提出了一种新的车间异地调度算法，优化了协同制造的生产成本；然后运用微 软的远程处理框架n e tr e m o t i n g 技术，建立起对外协产品生产信息的追踪，初 步实现了协作企业间生产过程的有效监督；基于b s 结构远程监控系统，实现了 对企业制造生产过程的实时监控。从而完成了协同制造环境中工作流、信息流 和物流的信息集成与相互协调技术的初步研究。 在完成关键技术研究的基础上，构建了实验原型系统，并通过实际应用， 证明协同m e s 能够很好的支持产品整个生命周期虬客户和供应商的早期介入为 特征的客户、供应商、制造商三方协同工作模式。 关键诃：协同m e s ；远程监控；整数规划法；启发式算法；协同调度：外协产 品信息追踪 塑塑i ! 壅垫堑墨笙主塑茎壁堡查塑壅 a b s t r a e 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 ) ，ab r a n dn e w c o n c e p td e r i v i n gf r o m 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 ) ，h a sc o m b i n e de a r l i e rg e n e r a t i o nm e sf u n c t i o n a l i t yt o o p e r m ea n di m p r o v ep l a n to p e r a t i o n s ，a n dt oa d db e t t e ra b i l i t yt oi n t e g r a t ew i t ho t h e rs y s t e m sa n d p e o p l e i nt h e e 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 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o na n d n e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ep r o c e s so fg l o b a lm a n u f a c t u r i n ga c t i v i t yh a sg r e a t e rs p e e dt h e nb e f o r e ， a n d e n t e r p r i s ei sf a c i n gar e v o l u t i o nb yc m e s t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e da n da n a l y z e ds u f f i c i e n t l yt h ec o n c e p to fc - m e s ，w h i c hi s r a r e l y m e n t i o n e di nc h i n a , o nt h eb a s i so fm a n yd o m e s t i ca n df o r e i g nr e f e r e n c e s ，a n dt h e nc o n c e n t r a t e o nk e y t e c h n o l o g i e st h a th a v er e m a r k a b l ea d v a n t a g e sc o m p a r i n g t ot r a d i t i o n a lm e s f i r s t l y ，ar e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nb ss t r u c t u r eh a sb e e nb u i l to nn e t p l a t f o r m t h es y s t e mi sc o m p o s e do f e q u i p m e n tl e v e l ，m o n i t o rl e v e la n di n f o r m a t i o nl e v e l n e x t ，b ym e a n so fi n t e g e rp r o g r a m m i n go fo p e r a t i o n a lr e s e a r c ha n dh e u r i s t i ca l g o r i t h m ，t h e p r o b l e mo fj o b s h o pc o l l a b o r a t i v es c h e d u l eo nt h ec o n d i t i o no fs h o r td e l i v e r yd a t ei ss o l v e d ， r e d u c i n gt h ec o s to f n e t w o r km a n u f a c t u r i n gw h i l ed e l i v e r i n gt h eg o o d o ns c h e d u l e t h e n ，t h ei n f o r m a t i o n st r a c ko f o u t s o u r c i n ga n do p e r a t i o n a lv i t r i f i c a t i o n ，w h i c hc o o r d i n a t e s t h ep r o c e s so f p r o d u c t i o ns m o o t h l y ，a r ei m p l e m e n t e db yu s i n g n e tr e m o t i n gt e c h n o l o g y i nc o n c l u s i o n ，c - i v i e sh a s p r o v e d i t s a b i l i t yo fp r o v i d i n gb e t t e rc o n t r o lp r a c t i c e so v e r o p e r a t i o n s b e i n gf a rm o r ee f f e c t i v ei ns h a r i n gi n f o r m a t i o nw i t ho t h e rs y s t e m s ，a n dm a k i n gb e t t e r v i s i b i l i t yi n t oc o r ev a l u e a d d i n gp r o c e s s e sf o re n t i r em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa n ds u p p l yc h a i n s k e y w o r d s ：c m e s ，r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，i n t e g e rp r o g r a m m i n g ，h e u r i s t i ca l g o r i t h m ， c o l l a b o r a t i v es c h e d u l e ，o u t s o u r c i n g p r o d u c tt r a c k i n g 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研 究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：堡堡垫： 同期：。一哆- 毕j 南京航宅航天大学坝l 学位论史 注释表 c m e s - - c o l l a b o r a t i v e 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 ，协同制造执行系统 a m r a d v a n c e d m 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 m e s m a n u f a c t u r i n g e x e c u t 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 c m 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 ，协同制造 p c s p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m s ，过程控制系统 s c m s u p p l y c h m n m a n a g e m e n t ，供应链管理 c r m c u s t o m e r r e l a t i o n s h i p sm a n a g e m e m ，客户关系管理 r o i r e t u r no ni n v e s t m e n t ，投资回报 0 e m s o r i g i n a le q u i p m e m m a n u f a c t u r e r s ，原始设备制造厂商 d f s d e s i g n f o rs u p p l y ，供应设计 p d m p r o d u c td a t am a n a g e m e m ，产品数据管理 p l m p r o d u c t l i f e c y c l em a n a g e m e m ，产品生命周期管理 s c e m s u p p l y c h a i ne v e n tm a n a g e m e n t ，供应链事件管理 c i m s c o m p m 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 e r p e n t e r p r i s e r e s o u r c ep l a n n i n g ，企业资源计划 南京航空航天大学顺。学位沦史 第一章绪论 1 1 全球信息化与协同制造 随着信息技术和计算机网络技术的发展，世界经济正经历着一场深刻的革 命，这场革命极大地改变着世界经济的面貌，塑造着一种“新世界经济”，即“网 络经济”，它使世界经济全球化进程大大加速，任何国家的市场相对都显得狭 小，企业跨国家和跨行业联合进一步发展，经济活动将按网络加以组织。 纵观制造业近3 0 年的发展，从七十年代以c r m 技术为基础，主要解决分布在 企业不同的设备和数据，进行企业内部的集成，到八十年代主要以p d m 为基础， 以数据管理为目标，通过数据库服务器、客户服务器进行企业内进一步集成， 再到九十年代至今，以x m l 技术及i n t e r a c t 、i n t r a n e t 为技术基础，通过电子商务 束集成企业与供应商的关系( 供应链管理) 、集成企业与客户的关系( 客户关系 管理) 、集成企业内部资源( 知识管理) 等，实现制造协作联盟之间的开发、合 作，可以看出，企业内部到联盟之间的集成合作，目前正朝着电子化发展，通 过形成标准模块，基于自动处理的工作流，实现企业间的最佳合作，其合作及 集成的广度和深度是前所未有的，基于英特网的协同正成为制造业最重要的竞 争优势之一【训。 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 ) 概念正是在前述前提下诞生的 全新制造模式。m e s a 将其解释为：一种支持产品整个生命周期的、以客户和供 应商的早期介入为特征的客户、供应商、制造商三方协同工作模式，其目的是 让所有适合的个人和组织( 合法企业的内部和外部) 共同工作，运用即时的信 息制定更好的决议川。 面对制造环境的变化，当今世界，无论是制造商还是软件服务提供商，都 在重新定位，围绕电子市场( e m a r k e t ) 进行业务的展开和分工，以获取最大 的市场利润。如从事企业级软件开发的s a p 、o r a c l e 和从事底层自动化的 h o n e y w e l l 、s i e m e n s 、g e 、f a n u c 等软硬件厂商纷纷调整其战略部署，提升 它们的软硬件产品，为企业提供一整套的e 解决方案，这些都为更好地实施协 同制造打下了基础【4 j 。 如何缩短顾客与生产者之间的距离和产品上市时间，如何增加产品及服务 对顾客的价值，是新一代企业竞争的焦点。传统的技术改革，例如自动化生产， 协同审4 造执行系统中的关键技术研究 计算机集成制造等，都是以产品而不是以顾客和服务为中心的，均适应不了现 代制造业的需要。如何将分散在各地的营销点，把顾客订单迅速汇集起来，并 进行快速的生产编排，以代替传统的市场预测，这些已经成为现代企业制胜的 关键。通过网络实现实时的协同制造和协同贸易已势在必行。 1 2 制造执行系统的发展 制造执行系统( r n a n u f a c t t t r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 是上世纪8 0 年代开始出 现的一种新型企业生产管理系统。美国先进制造研究机构( a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ，a m r ) 将m e s 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”【5 1 。它为操作人员、管理人员提供 计划的执行、跟踪以及所有资源( 人、设备、物料、客户需求等) 的当前状态。 在m e s 的定义中强调了三点【6 j ： 1 ) m e s 的优化目标是整个生产过程； 2 ) m e s 需要收集生产过程中大量的实时数据，并且能对实时事件进行处 理： 3 ) m e s 需要同时与计划层和控制层保持双向通信能力，从上、下两层接 收相应数据并反馈处理结果、发布生产指令。 作为现代集成制造系统( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c n a i n gs y s t e m ， c i m s ) 的关键，m e s 在企业资源计划( e n t e r p d s e r e s o u r c ep l a n m n g ，e r p ) 层和 过程控制系统( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m s ，p c s ) 层之间起到了承上启下的核心作用， 其主要任务是对p c s 系统中的生产实际状况进行分析和汇总，并及时反馈回e r p 层，同时将e r p 层制定的生产订单转化为生产实际操作数据并交付p c s 系统完 成，主要包括生产计划的一体化编制和处理、生产过程动态优化调度、生产成 本的在线预测和优化控制、生产流程的质量控制和跟踪、生产设备的在线状态 检测和故障诊断等环节。 目前，传统的m e s 系统体系结构主要有两类，专用的m e s 系统和集成的m e s 系统【7 1 。专用的m e s 指为解决某个特定领域问题，如车间维护、生产调度或 s c a d a 而开发的单独应用系统等，它给出的是一些独立的、不关心其他功能的 应用：集成的m e s 贝j 针对一些特定行业，如航空、装配、半导体、食品和卫生 等而设计，具有一定的通用性，并且逐步加强了与上层事务处理和下层实时控 制系统的集成能力。 2 南京航空航天大学硕士学 芷论文 m e s 经过近l o 年的迅速发展，已经给制造企业带来了可观的经济效益，受益 于m e s 技术的制造行业覆盖机械、电子、医药、化工、通讯等各个领域。实践 证明，m e s 使制造企业在其运行及商务活动方面均受益匪浅，并在缩短制造周 期、压缩在制品、保证产品质量、提高设备利用率等方面发挥着重要作用。 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。 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。 1 ，3 协同制造执行系统及研究现状 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m e s a 在传统m e s 的模型上发展出来的新概念，是实现协同制造至关重要的一 环。 m e s a 在其白皮书中描述了协同m e s 的特性：协同m e s 系统结合了早期的 m e s ，实施并优化车间的各项操作，同时提升与其他系统、企业人员以及价值 链价值流中人员的整合能力。虽然部分数据已经通过传统的通讯方式共享，但 因特网中诸如x m l 以及w e bs e r v i c e s 等新的网络技术都为准确、快速通讯带来极 大的飞跃，从而产生更大的利甜8 1 。 协同m e s 模型具有以下优点： 1 1 成熟的公共m e s 标准和方法论； 2 ) 改变m e s 以前的角色，集中处理现在延伸的企业概念中的交互式作业； 3 ) 软件工具的可配置性提高，定制减少，这样可以通过配置组件和模板容 纳巨大的应用案例库； 4 1 通过提供配置接口和计划库，进一步减少软件工具所需接口； 5 1 功能的增多和成本的降低使协同m e s 的价值和投资回报增加： 6 1 工具功能的增加和定制程序的减少使协同m e s 的投资回报和生命周期 3 脚同制造执行系统中的关键技术研究 更容易预测。 传统的m e s 般侧重于将信息传递给进行操作的用户，比如监督人、操作 人员或管理者。而协同m e s 在与其它系统进行信息共享方面更加有效，它将生 产能力、产量、时间表和产品质量都直接显露在供应链和企业决策之中，这就 能更全面地描述实际情况，以进行决策。 从一些国家协同m e s 研究的现状可知，一些基于w e b 技术的协同m e s 平台 原型系统已经问世。这些软件系统通过将工业现场和因特网互联，使整个企业 从员工、设备、供应商、销售商、客户都能够连接在一起，提供了一个面向实 时控制、数据采集和系统控制优化的、独立的、高适应性的信息集成通讯体系 结构，从系统操作员终端、高层管理层到客户共享统一的标准，实现制造过程 的可视化，从整体上满足企业基于w e b 的信息处理的需要。这些集成平台框架 通常与通用中间件共同组成信息化集成的基础平台，支持企业内部各单元应用 系统的信息交换，提供用户访问企业信息的入口，从而达到制造商以高柔性化 及敏捷操作满足用户的需求以及实现企业间的协同合作【9 】。国际上，t e r a d y n e 公 司( 全球著名的电子测试和产品供应商) 已经开发了协同m e s 软件t e r a d y n es c e 3 0 系统 1 0 】，而i n t e r w a v e 公司( 美国一家关键的独立咨询集成商) 亦已将协同的 概念运用于其商业的m e s 软件中j 。 1 4 本课题的研究意义和目标 在当今商务活动中，贸易伙伴和全球企业团体间的协作已非常普遍，但大 部分企业协作主要集中在电子商务、产品发展、供应链计划、补给或后勤这几 方面。实际上，制造业要想适应竞争，其生产过程必须与供应链和企业的商务 活动交互，而这正是协同m e s 的任务。 近年来，一些大型的企业已经应用了诸如企业资源管理( e r p ) 、供应链管 理计划( s c m s c p ) 、客户关系管理( c r m ) 、协同设计工具、产品数据管理( p d m ) 以及由其衍生出的产品全生命周期管理( p l m ) 等软件系统。这些软件系统为 客户和供应商提供的信息虽然能缩短与供应商的沟通时间，降低成本，从而为 公司带来效益，但企业仍然无法取得最大效益，甚至存在由于获取的数据和信 息不准确而彻底失败的危险。信息的不准确或是太粗糙，是导致失败的主要原 因，而另一个主要的问题则是供应链和生产活动之间缺乏普遍的交互。 在那些产品生命周期短、更新换代快、高度创新的市场，比如电子、半导体 4 南京航空航天大学硕l 学位论文 和汽车工业，从车间获取信息不连续、不完备的问题尤为严重。这些协同制造 信息的不准确不仅使得它们在销售、出货和市场机遇等方面错失良机，还导致 基于这些信息的总资产回报率、营业毛利和按时交货比率等出现错误。 针对以上情况，侧重于企业内部信息集成的传统m e s 已经无法满足上述的需 求，而新一代的协同m e s 将在与其它系统进行信息共享方面更加有效，它将生 产能力、产量、时间表和产品质量等都直接显露在供应链和企业决策之中，其 根本是要满足各系统以及价值链中人员的紧迫需求，即准确、详细、及时地交 换数据。日益加剧的全球竞争，以及产品复杂程度的增加，都极大地推动了协 同m e s 在车间层的应用，以更好地实旄协同制造。 协同m e s 作为m e s 的最新发展趋势，目前国内很少有研究人员和研究机构 对其作深入研究，总体仍处于起步阶段。本课题主要针对协同m e s 的关键技术 进行研究，着重解决异地实时监控和信息采集、面向协同m e s 的车间作业调度 以及外协产品实时信息追踪等关键技术。 1 5 本文的主要研究内容及安排 协同m e s 是极其庞大的系统，要完成系统的所有功能模块，需要大量的时 间，本文着重研究协同m e s 相对于传统m e s 具有明显优势的关键技术。作者首 先结合运筹学的整数规划法与启发式算法，以保证交货期为前提，提出了一种 新的车间异地调度算法，优化了协同制造的生产成本；然后运用微软的远程处 理框架n e tr e m o t i n g 技术，建立起对外协产品生产信息的追踪，初步实现了协 作企业间生产过程的有效监督；基于b s 结构远程监控系统，实现了对企业制造 生产过程的实时监控。从而完成了协同制造环境中工作流、信息流和物流的信 息集成与相互协调技术的初步研究。 论文中各章节安排如下： 第二章分析了推动协同m e s 发展的因素，详细阐述了协同m e s 系统的总体 框架设计。 第三章针对协同制造环境，提出了一种新的车间异地调度算法。调度过程 中充分考虑了异地制造的运输时间和运输成本，结合运筹学的整数规划法与启 发式算法，解决了交货期比较紧的车间异地调度问题，在保证零件交货期的同 时优化了网络化制造的生产成本。 第四章在前一章协同调度生成的外协订单基础上，运用微软的远程处理框 5 协同制造执行系统中的关键技术研究 架( n e tr e m o t i n g ) 技术，实现了对外协产品生产信息的追踪，建立起工厂生产 的透明化运作，较好地完成了协调整个生产运作过程的任务。 第五章采用n e t 平台，构建了基于b s 结构远程监控系统，实现了工程人员 及其它相关人员对底层设备现场控制的网络化澡作。其通用性好、实时性较高 且层次结构划分明确。 第六章描述了协同m e s 系统在制造信息化试验系统中的应用，验证了其在 协同制造环境下的实用性和可行性。 第七章总结了本课题所作的相关研究，并对进一步的研究提出了建议。” 6 商京航空航天大学硕十学位论文 第二章协同m e s 总体框架设计 2 1 推动协同m e s 发展的因素 1 ) 市场竞争 随着竞争日益加剧，制造业市场正迅速地随之改变，这使得协同作业至关重 要。在新的环境下，各行业都呈现出以下趋势： 市场、资源供应、生产和运输工具全球化： 外协产品增多： 新产品介绍和产品革新步调加快； 产品质量提高和成本竞争激烈： 消费者需求差异性增大； 期望值水平提高。 这种激烈的竞争要求发展新的商业模式，来适应地理状况、成本基础、产品 部署，新材料和新技术的使用，以及与消费者、供应商和其它贸易伙伴相互关 系的变化。 为了在2 1 世纪的市场环境里更具竞争力，消费者、供应商和服务人员之间的 信息交流将增加并变得更加有效。当2 1 世纪的企业通过提供精确匹配消费者需 求的产品和服务来创造真正的价值时，它将设计和制造出更好、更快以及更便 宜的产品。车间层数据在协同制造中扮演着关键的角色，它是了解质量、成本 以及其它要素的钥匙。 2 ) 外协和原始设备制造厂商 联盟制造或制造业服务提供商对外协产品的需求增大，使得企业对协同m e s 的需求也随之加强。不断成长的全球市场正驱动电子、制药、医疗设备、汽车 等行业在印度、中国和东欧等经济发展中国家发展第三方供货商，并已经使北 美和欧洲的厂商开始了基于低劳动力成本的竞争。 原始设备制造厂商( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r s ，o e m s ) ，现在以其引领 市场的产品设计以及市场占有率和销售能力而著名。典型的o e m s 在设计、采购 和产品成本的方方面面都与承包商密切合作。在设计( 为制造可行性、测试所 进行的设计) 的各个方面，o e m s 和承包商都必需相互合作，就像与他们的客户 7 协同制造执行系统中的关键技术研究 和供应商那样，这样有助于选取最适合产品的材料或零件。同时，协同m e s 的 应用能为o e m s 提供途径，根据订货至交货的时间要求与价格的比较，在可行的 供应链中找出可用的材料，从而迅速推出满足市场需求的产品原型( 例如供应 设计) 。 随着o e m s 对c m 实践的改革，他们与核心供应商建立起更紧密的联系，以达 到从o e m s 的所有客户和销售渠道中预先获取整体需求和为o e m s 客户提供实时 产品记录，增强可见性的目的。 在2 l 世纪的新环境下，为了生存，各公司必须革新上世纪所用的那套经营方 法、供应系统和现有的组织结构。他们需要在安全的环境中共享数据和信息， 从而更快、更可靠地做出决策，以节约时间和成本。 3 ) 其它影响协同m e s 发展的商业因素 关于制造最优化有两种基本观点：供应链最优化和工厂最优化。 影响供应链( 流动资产) 最优化的商业因素包括供应链价值链的最优化、 精确完成订单、缩短周期、提高资产使用效率、敏捷制造、改进计划编制等。 影响工厂( 固定资产) 最优化的商业因素包括提高生产产量、产品质量、 再加工效率、生产线，减少不能增值的产品成本、新产品的研发时间和生产周 期、库存量以及制止品数量、材料和人力资源的浪费、为i t 和控制系统投入的总 成本等。 一个典型的制造商大约有7 0 的流动资产( 稀有材料和产品) 在供应链中， 而约有7 5 的固定资产在工厂里，因此两种观点都很重要。协同m e s 对提高流动 资产和固定资产的使用效率都能发挥作用。 2 2m s a 定义的协同m e s 模型 需要指出的是，自从“m e s ”概念的提出以及m e s a 组织对其核心功能的定 义之后，多年以来，市场说明了哪些功能是整合的m e s 软件系统的一部分，哪 些功能是作为单独的系统而提供。不同企业的功能需求可能不同，功能的优先 次序也可能有差别。因此，早期的单机、整合m e s 软件系统以各种形式得到应 用。为了能反映这些系统以及新的协同制造模式，m e s a 建立了一种新模型来解 释协同制造实践。 这种新的协同m e s 模型包括八个主要功能，与其它系统、企业内部人员以及 供应链中的人员进行交互，如图2 1 所示。这里要强调一点：m e s a 的协同m e s 南京航空航天大学硕士学位论文 模型是为了满足教学的目的，并不是要替代i s a 9 5 这样的m e s 标准，更不会与 这些标准产生冲突。 图2 1m e s a 定义的协同i v i e s 模型 协同m e s 模型的八个功能模块如下： 1 )资源配置及其状况 2 1分配生产单元 3 1 数据采集 4 ) 劳动力客户管理 5 ) 质量管理 6 1 过程管理 7 1产品跟踪及建立产品系列 8 ) 性能分析 这些功能横跨整个车间操作过程，并且可以在多个车间中协同工作。协同 9 协同制造执行系统中的关键技术研究 m e s 的目标是对操作过程提供更好的控制，同时为整个制造企业和供应商提高 核心增值过程的可见性。 2 3 协同m e s 总体框架设计 2 3 i 面向协同制造的网络体系结构 图2 - 2 是面向协同制造的网络体系结构。该结构基于i n t e m e t 的数据交换，将 工厂现场的操作连接到整个企业的业务系统，乃至整个供应链，使得企业的可 达范围以及协作能力得到了很大的提高。企业可以通过i n t e r n e t 接触任何地方的 用户，并可以使雇员、供应商和贸易伙伴之间的关系更加紧密，更容易从他们 那里获得大量的市场和产品反馈信息。其具体结构层次关系如下： 1 1 企业内部互联网( i n t r a n e t ) 由e r p 、协同m e s s d 底层控制组成。 e r p 系统中物料管理、生产管理、销售管理、财务管理、人力资源5 个主要 功能模块和协同m e s 之间存在非常紧密的相互作用。物料管理中物料b o m 、物 料生产工艺、库存状态和m e s 有双向信息通信：e r p 的闭环实现则主要在生产管 理与协同m e s 的集成中得以体现：销售管理是e r p 的初始输入，并通过协同m e s 的实时反馈反应客户订单的状态；成本控制是财务管理的重要方面，实际生产 成本的核算需要协同m e s 反馈的关于工时、人力、设备等诸多信息：协同m e s 对人力资源的作用主要通过工时、班组等信息核算人工工资1 1 。 协同m e s 中包括了车间控制和管理的主要功能：资源配置及其状况、分配 生产单元、数据采集、劳动力客户管理、质量管理、过程管理、产品跟踪及建 立产品系列、性能分析。结构中协同m e s 不仅包括了传统m e s 在执行层的功能， 起到连接底层控制系统与e r p 系统的作用，更重要的是它在与其它系统进行信息 共享方面更加有效，将生产能力、产量、时间表和产品质量等都直接显露在协 同制造环境下的供应链和企业决策之中。 底层控制包括自动化装配控制系统、f m s 系统、自动化物料库和刀具库控 制器等。它们一方面执行m e s 下达的操作指令，另一方面向m e s 反馈实时的信 息。 2 1 协作企业之间则通过互联网( i n t e m e t ) 交互信息，组成动态企业联盟，联合 进行产品的开发、设计与制造，实现异地人力资源与设备资源的共享，从而降低 成本、提高企业的快速响应和市场竞争力。 o 南京航守航天人学硕士学位论文 3 ) 个人产品用户可以在互联网上浏览企业开放给顾客的信息，包括产品定制信 息、产品加工过程追踪等，增加了企业产品生产过程的透明度。 一 。- _ 十1 y 一一一一一 。 e r p 协 同 m f s 底层控制 x m l 图2 2 囿向协i 司制造的网络体系结构 2 3 2 协同m e s 集成框架 作者开发的企业内协同m e s 集成框架如图2 3 所示。图中的现场控制系统主 要实现生产现场的自动化控制，它向下通过o p cc l i e n t 与o p cs e r v e r 交互，通过 o p cs e r v e r 采集底层设备数据并发送控制命令和程序，它只能在企业内联网使 用，以保证数据的准确性和实时性。 协同m e s 系统向下与现场控制系统提供的接口相交互，通过控制系统实现 对底层设备的监控，并通过数据库服务器读取控制系统写入的数据，以获取设 备参数、零件加工等信息。系统应用x m l 、w e bs e r v i c e s 及r e m o t i n g 等新的网 磊营 一 b 一 illlrlllil_i迤、 协同制造执行系统中的关键技术研究 络技术将工作流、信息流和物流信息集成，提供了一个面向实时控制、数据采 集和系统控制优化的、高适应性的信息集成通讯体系结构。 图2 3 企业内协同m e s 网络结构图 23 21x m l 数据集成交换技术 1 4 【1 5 l x m l 被公认为继j a v a p a 后i n t e m e t 上出现的最激动人一1 1 , 的技术。在过去的五 年里w w w 十分流行，被广泛地使用。通信网络，个人计算机和操作系统以及 w w w 基础技术的发展都使得对w w w 的访问和使用更加容易。x m l 克服h r m l 标准的限制。它保留s g m l 标准的大多数功能，但是在w w w 环境中它更易于使 用和实现。在1 9 9 8 年x m l 被认可为w 3 c 标准。 x m l 是通用的，不只是因为它的应用范围，而且也有它易于使用的原因： 它基于文本的特点使得工具的创建很容易，并且它还是一种开放的，自由的， 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 可跨平台的标准，这就意味着任何人都能创建，开发并使用针对x m l 的工具。 使得x m l 通用的原因是它的数据描述能力。数据以多种不同的方式在计算机内 传输并存储，最初它被存储为平面文档，有固定的长度或限定的格式，然后它 会被移动到数据库内，并且常常被变换成复杂的二进制格式。x m l 是一种结构 化的数据格式，这样它就可以存储复杂的数据，无论这些数据最初是文本的， 二进制的还是面向客体的。 在x m l 的众多特点之中，作者将其数据的集成与交换技术应用于协同m e s 系统。作为一个集成的系统，特别是涉及多个子系统、多个成员时，信息的集 成往往变得非常困难。这些成员是因为某种相互的利益而形成的合作与联盟， 在这种联盟产生之前，他们各自拥有自己的信息资源，并有自己采用的存储方 式和采用的工具，联盟成立后要实现部分和全部信息的共享就变得很困难。有 了x m l 这一标准语言使不同来源的结构化数据很容易集成起来，只要在中间层 的服务器上对从后台数据库和其它应用带来的数据进行集成，然后，数据就能 发送到其它的客户或服务器做进一步的集成、处理和转移。另外，数据源之间 通过x m l 交流。由于基于x m l 的数据都是自我描述的，数据不需要有内部描述 就能被交换和处理，速度将变得更快，扩展性和灵活性变得更大。 2322 本文研究重点 作者选择针对协同m e s 系统中作业调度、产晶追踪和设备监控这三个方面 的技术进行研究，主要是因为它们与传统的m e s 在应用范围、网络技术、以及 信息交流需求等方面完全不同，可以充分体现协同m e s 支持网络化、信息共享 以及协同作业的特点。本文主要研究了面向协同m e s 的车间作业调度、外协产 品生产状态信息跟踪以及基于b s 结构的远程监控三个关键技术。 1 1 基于交货期的面向协同m e s 车间作业调度的研究 在新的协同制造的模式下，工件往往不是在一个企业内部完成全部加工， 需要企业之间的协同合作才能完成加工生产，这就要求分布在不同地域的制造 资源和制造系统根据生产任务的变化实现快速的重组。 作者将运筹学的整数规划法与启发式算法相结合，通过调整优化模型中的 制造资源修正系数，在保证了交货期的前提下，得到一个定量的调度结果，最 大限度优化了协同制造的生产成本。调度过程中，充分考虑到了工件在协作企 业间流转的运输时间和运输成本，以及工件加工路线方案的多样性，对于协同 环境下精确制订生产计划、保证产品交货期、减少制造加工成本及提高产品竞 1 3 协同制造执行系统中的关键技术研究 争力等方面具有很大的意义。 2 1 外协产品生产状态信息跟踪的研究 国内以往针对在制品跟踪的研究主要集中在企业内部，考虑的大多是物料 在单一企业内流转的情况。丽在执同制造模式下，工件的加工生产往往要在多 个企业间流转，以往的研究已经不适应这种新的制造模式。 本文专门针对协同制造环境，重点研究在外协生产模式下车间生产信息的 共享，完成企业间订单的发送和实现产品生产状态信息的追踪，通过本系统， 定制外协生产的主生产企业可以查询其外协产品的在制情况，了解产品什么时 候开始生产、在哪里生产，生产了多少，什么时候加工完成等。企业可以随时 查询及监督其协作企业的产品加工信息，从而客观评价供应商，有利于企业正 确选择合作伙伴。 3 ) 基于b s 结构的远程监控技术研究 近年来，国内有很多研究机构针对b s 结构的远程监控技术进行了研究，其 实现有基于a s p 、a c t i v e x 控件、j a v a a p p l e t 等多种方法，但其监控效果或通用性 差，或实时性不高。作者力求在通用性和实时性之间寻求个平衡点，采用 a s p n e t 和j a v a s c r i p t 客户端技术，实现完全标准h t m l 流输出，无需用户下载任 何插件，通用性好，且保证了一定的实时刷新率。 基于b s 结构的远程监控技术研究，不仅连通了物理车间层和企业应用，同 时也为执行层和管理层提供准确、即时的加工数据和设备状态等车间层信息， 为实现协同m e s 奠定了基础。 1 4 南京航空航天大学硕七学位论文 第三章基于交货期的面向协同m e s 车间作业调度 3 1 确定性最优化方法与启发式算法比较分析 1 1 确定性最优化方法 确定性最优化方法是较早应用于车间作业计划问题的优化方法。这类方法 的思路主要是对车间作业计划问题建立整数规划模型，常见的有整数规划法、 多目标优化法和动态规划法等，然后采用枚举思想的割平面法或分枝定界法求 解【1 6 1 1 ”。 割平面法在1 9 5 8 年由高莫瑞( r e g o m o r y ) 首先提出，故又称g o m o r y 割平面 法。在割平面法中，每次增加的用于“切割”的线性约束称为割平面约束或 g o m o r y 约束。在用割平面法解整数规划时，常会遇到收敛很慢的情形，因此， 在实际使用时，往往和分支定界法配合使用。分支定界法( b r a n c ha n db o u n d m e t h o d ) 是一种隐枚举法( i m p l i c i te n u m e r a t i o n ) 或部分枚举法。它不是一种有效算 法，是枚举法基础上的改进。“分支”为整数规划最优解的出现创造了条件， 而“定界”则可以提高搜索的效率。经验表明，在可能的情况下，根据对实际 问题的了解，事先选择一个合理的“界限”，可以提高分支定界法的搜索效率， 它是求解整数规划的较好方法。 因为分支定界法在实际问题中有着广泛应用，所以求解调度优化模型一般 采用分支定界法。 使用确定性最优化方法在理论上可以求得作业计划问题的最优解，但其建 模或者求解过程中往往忽略了交货期的约束问题，其调度结果不能保证工件按 期交货f 1 8 】【1 9 1 ，从而限制了它在调度中的应用。 2 ) 启发式算法 启发式方法是相对最优化方法提出的，它是一个基于直观或经验构造的算 法，在可接受的花费( 时间、占用空间等) 下给出待解决组合优化问题每一个 实例的一个可行解，该可行解与最优解的偏离程度不一定事先可以预计。 基于规则的启发式算法应用于车间作业计划问题具有较长的历史。这类算 法是基于一组给定的规则，将作业安排到机床上，可以说，基于规则的算法核 心是对规则的研究，它是目前应用最为广泛的算法。 协同制造执行系统中的关键技求州兜 但常用的启发式规则调度针对协同i v i e s 车间作业环境无法得到以最