面向机床装备云服务的制造执行系统

1、面向机床装备云服务的制造执行系统*基金项目：国家863/CIMS主题资助项目(2012AA040914).Foundation item: Project supported by the National High-Tech. R&D Program for CIMS, China (No. 2012AA040914)摘要：为支撑云制造服务模式在制造行业的推广应用，及企业从传统生产型制造向服务型制造转型，在分析当前广大企业面向服务的生产制造过程管理需求的基础上，提出了下一代制造执行系统的发展方向面向机床装备云服务的制造执行系统(CloudMES)。构建了一种CloudMES的体系架构

2、和运行模式，建立了CloudMES的技术体系，并分析了系统实现的部分关键技术及研究思路。最后，结合课题组前期研究成果进行了初步应用验证，取得了良好的验证效果。关键字：机床装备；云；云制造；云服务；MES 中图分类号：TH166；TP391 文献标识码：AA cloud service of machine tools oriented manufacturing execution system (State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400030)Abstract: T

3、o support popularization and application of cloud manufacturing service mode in the manufacturing industry and to promote the transformation of enterprises from traditional production intensive manufacturing to service oriented intelligent manufacturing, the requirements of the service oriented mana

4、gement of manufacturing process for current enterprises were analyzed, a manufacturing execution system (CloudMES) for machine tool cloud services was proposed, which is a development direction of the next generation of manufacturing execution system. The architecture, running mode and technology sy

5、stem of CloudMES were constructed, some key technologies and their research thought involved in the development of CloudMES were analyzed systematically. Finally, based on previous research results, a typical application of the prototype system of CloudMES was introduced and good application effect

6、was achieved. Key words：machine tool; cloud; cloud manufacturing; cloud service; MES0引言（邱磊）我国“两化融合”（信息化与工业化融合）战略的实施以及云计算(Cloud Computing)、物联网(Internet of Things, IoT)、面向服务的计算(Service oriented Computing, SOC)等先进信息技术在制造行业领域的不断成熟应用，催生了一种基于网络的、面向服务的智慧化制造新模式云制造1(Cloud Manufacturing, CMfg)。它利用现代服务技术对广域、分散

7、、异构制造资源进行物联化、虚拟化、服务化、协同化和智能化处理，并通过网络和云制造服务平台实现对封装制造资源及服务的集中管理和高度共享，为企业制造全生命周期过程提供可靠的个性化服务2-5。云制造“制造即服务”6的核心思想与当前企业向服务型制造模式转型的战略要求不谋而合，并得到了广大科研院所及企业的广泛研究和初步应用，如基于云仿真原型平台( COSIM-CSP)1、基于语义Web的云设计服务平台7、BIRIS-SSP智慧服务平台8、模具行业云制造平台9，等等。然而这些云制造服务大多是在制造软资源、制造能力及计算资源层面上展开的，如何结合现有的信息技术和系统方法，深入到企业车间底层，实现量大面广数控

8、机床、加工中心等机床装备硬资源的云端化管理，支持企业机床装备资源网络化集成运行、协同化加工生产、工艺参数实时优化决策等生产过程云服务的开展，一直是制约云制造模式快速发展的瓶颈。制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)在制造行业中的广泛应用为以上问题的解决提供了可能。MES位于管理层与工业控制底层之间，支持对企业生产制造信息的集成管控，可为生产过程云服务的运行提供技术支撑和交互环境13-14。但传统MES对生产过程中人、机、物、料、环、法等信息的管理运营大都限定在生产车间内部局域范围内（如文献15提出的面向敏捷制造的MES系统，文献16提出的网络化制

9、造环境下以人为中心的MES系统，文献17提出的基于普适计算的协同MES等），难以支撑云制造环境下资源广域时空共享、网络化大制造的服务要求。优化传统MES技术架构，提升在MES运行环境下车间机床装备资源网络化集成共享能力，已成为广大云制造服务提供企业和应用企业的共性需求。为此，论文结合课题组在云制造和MES方面的研究成果，在分析企业对面向服务的生产过程管理的相关需求基础上，提出了下一代制造执行系统的发展方向面向机床装备云服务的制造执行系统(CloudMES)，并从系统体系架构、运行模式、关键技术等方面对CloudMES进行了探讨，从而促进面向云服务的MES系统的研究、开发及应用，为云制造模式向企

10、业车间装备层发展提供相应的技术支撑。1面向服务的生产过程管理需求（潘正兵）云制造是云计算在制造业领域的应用和发展，其服务内容主要包括基础设施即服务(Infrastructure as a Service, IaaS)、平台即服务(Platform as a Service, PaaS)、软件即服务(Software as a Service, SaaS)和制造即服务(Manufacturing as a Service, MaaS)四部分组成，其中制造即服务是云制造的核心和主体。随着云制造服务模式向车间机床装备层的延伸，传统的生产过程管理方式已难以支撑企业多元化综合业务的发展。改善并利用传统信

11、息技术及系统特别是位于企业管理层与工业控制层的传统MES，实现面向服务的生产过程标准化管理是广大制造企业的现实需求。（1）面对经济的全球化发展以及激烈的市场化竞争，当前广大制造企业采用的面向产品的生产密集型制造模式由于存在生产服务类型单一、制造流程灵活性较差等缺陷，已不能充分满足客户快速变更的个性化需求。因此，结合面向服务制造、云制造等理念，优化传统MES系统及技术，支持制造资源灵活快速的组织以及企业制造业务流程的优化与重构，实现面向服务的生产过程管理，支撑企业产品网络化协同设计、制造任务网络化协同加工、工艺参数实时优化决策等多元化云服务的开展，从而提升企业对市场需求的快速响应能力和生产制造能

12、力，已成为广大制造企业的迫切需求。（2）目前，集团型企业和科研院所制造能力富余、制造资源大量闲置与广大中小型企业生产能力不足、制造资源严重匮乏的矛盾已日益突出。云制造模式能有效实现集团型企业和科研院（云服务提供企业）“高、精、尖”制造资源的高度集成与共享，并为处于制造链底层的中小企业（云服务应用企业）提供优质、高效、按需、基于网络的协同制造服务，为这一矛盾的解决提供了崭新的解决思路。但如何在面向服务的生产过程管理环境下，综合网络、技术等壁垒对自身经营信息保密的考虑，实现制造资源特别是机床装备资源的虚拟化云端接入与服务化集成应用，并支持企业生产过程信息（如生产计划信息、生产质量信息、制造工艺信息

13、等）在内部信息系统与云制造公共服务平台之间的实时交互，一直是广大制造行业企业搭建和应用云制造服务的技术瓶颈。（3）机床装备是企业生产运营的核心资源，数量众多，且通常来自不同地域和厂家，具有广域性、异质异构性、技术封闭性等特点，一旦出现故障，则须相应厂家技术人员进行现场诊断并提供维修维护服务。而传统MES系统仅是从机床装备维修计划、维修记录等方面进行管理，这种事后维修维护服务和信息化管理模式不仅体现出维修知识与经验难以积聚、服务智能化程度不足、维修周期长、效率低、成本高等短板，也不符合云制造理念对生产过程管理的智能化要求，极大地制约着企业生产计划的优化执行以及生产效益的提高。因此，融合应用先进信

14、息技术与制造技术，实现企业机床装备资源的网络化在线运行，并为其提供机床装备运行状态实时监控、故障在线诊断与预警、远程维修维护等基于网络协同的MRO服务，已成为制造企业提升机床装备维修维护能力和生产制造能力的关键。2面向机床装备云服务的制造执行系统(CloudMES)（冯伟娇、杨云）针对上述面向服务的生产过程管理需求，结合课题组在生产过程信息化管理(MES)及云制造方面的研究成果，论文提出了一种面向机床装备云服务的制造执行系统(CloudMES)，并从系统实现思路、体系架构及运行模式等角度对其进行了探究。2.1系统实现思路CloudMES系统向下需实现对企业车间生产制造过程中的制造资源和制造信息

15、的标准化、集成化管理，以支持企业生产过程的高效、优化运行；向上需将制造资源进行服务化封装，形成相应的虚拟构件，以便接入到云制造公共服务平台，为各类云服务提供资源载体，支持生产过程云服务实时运行。因此在实现思路上：一方面，CloudMES采用面向服务的技术架构(SOA)，将复杂的车间管理业务定义为松散耦合的服务组件，支持企业根据服务内容及要求的不同，对车间业务流程进行灵活、动态地重构，实现车间生产过程的服务化管理；另一方面，CloudMES需融合物联网、云计算等技术，支持制造资源及生产过程实时信息的智能感知与云端化接入，以承接车间底层云制造服务的应用，如图1所示。图1 面向机床装备云服务的制造执

16、行系统(CloudMES)实现思路与传统MES相比，CloudMES具有如下几个特点：制造物联性：利用传感网络、RFID等物联技术对生产过程多源信息进行智能感知、采集和预处理，以支持异构制造资源的虚拟化描述与封装，使其映射为逻辑制造资源，进而实现虚拟制造资源间及制造资源与CloudMES系统间的物联。信息开放性：CloudMES可突破传统信息系统对生产制造信息的闭塞保护，将企业内部制造资源信息（机床装备运行状态、当前负荷状态、能耗监测信息等）、生产任务信息（进度信息、质量信息、物流信息等）及订单相关信息等共享于云制造公共服务平台，以便云用户实时了解该企业生产实时情况，提供优质的制造服务。服务多

17、元性：结合现代服务理念，对企业生产过程进行服务化管理，可将企业闲置制造资源接入至云制造服务平台，并提供机床装备网络化协同加工、生产运行状态远程实时监控、生产过程质量实时分析与预警等云服务，支持企业从单纯的产品制造向多元的服务制造方向发展。知识聚集性：CloudMES系统在支持企业制造资源服务化，为需求企业提供相关云服务的同时，能积累各类制造知识与经验，包括：生产工艺知识、产品质量优化方案、机床装备维修经验等。2.2系统体系架构CloudMES系统的体系架构主要由基础支撑层、物理资源层、资源感知层、虚拟化层、服务组件层、服务模型层、业务流程层和用户层等构成，如图2所示。其中基础支撑层和用户层分别

18、为CloudMES系统提供网络运行支撑环境和用户交互接口，是通用的系统层次结构，故不做详述。物理资源层：该层由企业车间生产过程中的各类制造资源组成，包括：机床装备、工模量具等制造硬资源，车间管理系统、仓储管理系统等制造软资源，以及制造工艺知识、数控程序代码、零部件标准库等制造能力资源。资源感知层：通过各类传感器、RFID、智能终端、软件集成接口及文件传输接口实现对制造硬资源、软资源及能力资源的信息采集。虚拟化层：根据资源感知层采集的资源信息，利用该层的虚拟化工具（虚拟描述工具、虚拟镜像工具、虚拟部署工具等）对各类制造资源进行标准化信息建模和管理，并形成相应的虚拟资源池。服务组件层：对车间生产制

19、造过程中的原子业务进行定义和服务化封装，以实现虚拟资源与相应CloudMES服务的映射，支撑服务模型层的运行。该层由各种粗细粒度不同的服务组件构成，包括生产服务类组件、质量管理类组件、系统管理组件以及云端管理类组件等。服务模型层：支持CloudMES原子服务和复合服务的构建，实现对企业车间生产制造过程中的综合业务，及与云制造服务平台对接的云服务业务的运行管理。业务流程层：在服务模型层的支撑下，根据用户实际应用需求，编排和管理相应的业务流程，形成服务业务模型，以供用户配置调用。图2 面向机床装备云服务的制造执行系统(CloudMES)体系架构2.3系统运行模式CloudMES系统的运行模式有两条

20、主线：生产过程管理主线和机床装备云服务主线，如图3所示。生产过程管理主线是传统MES的运行功能主线（图3中运行主线一，由于篇幅所限，不作详述），主要对车间生产计划、车间作业、制造设备、生产工艺、在制品、生产质量等生产制造信息进行实时采集、管理与统计分析，以优化和提升企业整个车间生产制造过程。与传统MES运行模式不同，CloudMES系统在对车间生产制造过程进行管控的同时，可根据企业的实际服务需求，利用系统中配置的云端管理组件将采集和管理的生产制造信息共享至云制造服务平台上，以支撑企业实时发布或更新相关的云服务和云需求。机床装备云服务主线是CloudMES运行模式的核心部分，是生产过程云服务在云

21、制造公共服务平台和CloudMES系统的交互实现过程。云服务提供者利用CloudMES系统中的资源感知工具和虚拟化工具将车间闲置制造资源进行虚拟描述和服务封装，映射为粗细粒度不同的服务组件，并通过云端管理组件将服务组件注册、发布至云制造公共服务平台上，形成各类生产过程云服务，以供平台用户调用；云服务需求者则在CloudMES运行环境下，根据车间制造服务需求，将采集的生产过程实时信息（包括制造资源信息和产品制造信息）通过云端交互接口集成至云制造公共服务平台，并通过平台中的需求描述工具注册、发布形成生产过程云需求；在云制造公共服务平台供需匹配工具、服务组合工具等服务运行工具集的支持以及CloudM

22、ES系统的网络安全防护下，云服务需求者与提供者便可进行生产过程云服务信息实时交互，实现云服务的安全运行。图3 面向机床装备云服务的制造执行系统(CloudMES)运行模式综上分析，CloudMES系统的运行模式具有以下显著特点：（1）基于云服务的生产过程管理 该特点主要体现在两个方面：一方面，在CloudMES系统支撑下，企业可根据生产管理过程中的瓶颈问题，在云制造服务平台上发布云需求，匹配、运行相关云服务；另一方面，企业为摆脱纷繁复杂的车间生产过程管理，提升其核心业务竞争力，可在市场安全保障许可下，将生产过程管理业务整体打包给云制造服务平台中的解决方案提供商，真正实现生产过程管理的云服务理念

23、。（2）制造资源高度共享 企业可运用CloudMES系统中的服务工具对广域、异构制造资源进行虚拟描述和服务化封装，并云端化至云制造服务平台，承载相应的制造云服务，体现出分散资源统一管理，统一资源高度共享和充分服务的特点。（3）按需的生产制造服务 CloudMES系统与云制造公共服务平台的集成应用，可使企业根据车间生产制造过程中的数控程序编制、制造工艺优化、机床装备能耗评估等不同业务需求，购买按需的制造云服务，提升其生产制造能力。3系统关键技术及其研究思路面向机床装备云服务的制造执行系统涉及云计算、服务计算、云制造等多领域的理论和方法，不仅在服务内容、系统架构和运行模式上与传统MES存在一定的不

24、同，在系统开发实现所涉及的关键技术方面也有着较大的差异。为此，论文结合第二章所构建的CloudMES系统的体系架构及运行模式，提出了支持CloudMES系统开发实现的关键技术体系，如图4所示。图4 面向机床装备云服务的制造执行系统(CloudMES)关键技术体系其中，标准与技术规范是推动CloudMES系统应用和发展的关键，可结合传统MES及云制造相关标准，从CloudMES通用术语、车间制造信息统一描述、机床装备资源接入、数据传感网络构建等标准和技术规范方面进行研究；CloudMES系统支撑技术主要研究机床装备、质检设备、传感装置等异构制造资源的虚拟接入以及生产过程进度、质量、能耗等多源制造

25、信息的采集与融合处理方法，包括异构制造资源智能感知与适配、基于语义的制造资源全信息模型、生产过程多源信息实时采集与监控等；业务管理综合技术是在沿袭和优化传统MES的业务功能基础上，为车间生产过程云服务的实现提供使能技术和服务化运行环境支撑，如业务流程动态编排与重构、车间生产任务执行全过程可视化监控、生产设备运维管理、CloudMES公共服务平台等；系统应用模式主要探究面向典型行业（装备制造业、汽车、摩托车等行业）、典型区域、典型企业的CloudMES推广应用范式，使其适应量大面广制造企业的生产模式和特点，推动企业信息化发展；CloudMES具有开放、自治等自然属性，构建其安全与网络管理体系，亦

26、是支撑CloudMES系统集成、可靠和稳定运行的关键技术内容，主要有车间混合异构网络部署、车间网络可靠性监测与评估，以及CloudMES与云制造服务平台进行云数据交互时所涉及的可信接入、可信交互、企业信息保护与信任管理等。以上部分关键技术已在传统MES应用过程中进行了一定的探索，但还需结合CloudMES的功能需求和特点，进行相应完善和拓展。由于篇幅所限，论文将重点对面向云服务的车间异构制造资源感知与适配、面向云服务的生产设备运维管理、系统云端管理平台等技术进行论述。3.1车间异构制造资源感知与适配研究各类异质异构、高度自治的制造资源的智能感知和适配接入20-22，是CloudMES系统实现制

27、造资源虚拟化管理与调度的基础。对于数控机床、加工中心等制造硬资源，由于设备构造的技术封闭性以及车间制造环境的复杂性，可研究如何在这些制造资源内部或外部部署包括速度、位移、转矩、温度、热量等传感器，分析各类传感器与制造资源的配置关系和拓扑结构，建立面向生产车间的传感器网络配置模型以及随车间生产工艺不同而变化的车间传感网优化配置方法；研究各类制造硬资源的嵌入式适配装置及多信息融合处理技术，以支撑CloudMES环境中制造硬资源虚拟化封装及生产过程多源制造信息实时采集与监控等服务的运行。对于车间管理系统、仓储管理系统等制造软资源，可结合本体和智能Agent等技术，攻克各系统间信息的数据异构、功能异构

28、等问题，研究多信息系统集成应用实现框架与技术，开发相应的系统集成接口，以实现车间各类信息系统与CloudMES间的集成运行。而对于工艺知识、零部件标准库、设备维修经验等制造能力，当前大多是以纸质或电子文档的形式进行分散管理，因此可在系统分析各类制造能力的属性特征基础上，综合粗糙集、模糊集等理论，研究各类制造能力的发现、获取、描述、存储等方法和技术，以实现基于知识的制造能力管理和重用。图5 异构制造资源智能感知与适配接入示意图3.2面向云服务的生产设备运维管理CloudMES的生产设备运维管理功能已突破传统MES对设备进行计划调度、运行状态记录、设备档案管理、异常事件跟踪及周期性或应急性维护等企

29、业内部的管理活动范围23-24。为支持机床装备资源远程维修维护、网络化集成共享等云服务，它还应包括设备运行状态在线远程诊断、设备加工任务及加工进度信息实时发布、广域时空范围内的设备网络化集成运行等功能。其中，设备运行状态在线远程诊断功能应是将利用传感网络、RFID等物联技术实时采集的设备运行状态信息（磨损、能耗等）集成至云制造服务平台，以便各个远程维修维护服务商调用和分析诊断，并提供相应的远程维修维护服务的过程；设备加工任务及加工进度信息实时发布功能需满足云服务提供者对车间生产过程透明化、可视化管理要求，使云服务需求者能及时了解所预订设备的加工任务情况，并实时跟踪加工任务的进度、质量等；而广域

30、时空范围内的设备网络化集成运行功能则将通过虚拟化、人工智能等技术克服企业间地域、时间和空间限制，实现生产设备在网络环境下的充分集成和高度共享，从而支持企业向服务型制造发展。3.3CloudMES公用服务平台CloudMES是基于云服务的生产过程管理信息系统，在实现车间生产过程服务化、透明化管理的基础上，需支撑各类生产过程云服务的高效运行，这就要求CloudMES系统必须具有强大的海量数据处理、智能交互、容灾备份等能力。然而，由于在先进制造理念、技术、人才和资金等方面的不足，广大制造企业特别是中小制造企业难以独立、系统地开发、实施和管理CloudMES系统，也无法构建健全的数据中心来支持Clou

31、dMES系统的运行。因此，需借鉴云计算、高性能计算等先进信息技术，积聚社会优质制造资源，搭建一个集云服务提供方、CloudMES整体方案解决方及平台运营方为一体的云制造服务子平台CloudMES公用服务平台，研究该平台的体系结构、关键技术和商务推广应用模式，并运用该平台为广大企业CloudMES系统的开发、实施和运维，以及生产过程云服务的运行提供良好的技术和服务支撑环境；同时，公用服务平台的建立也能催生并推动CloudMES、生产过程云服务等现代新兴制造服务产业的发展。4初步试验验证（潘正兵）基于以上研究思路及现有研究成果，课题组对原有可配置MES系统进行了改善性设计（采用SOA架构及VMwa

32、re虚拟化技术）和功能性完善，开发形成了CloudMES原型系统。同时将该系统与前期开发的机床装备云制造服务平台实现集成运行，并部署在重庆大学一机加试验车间，完成了CloudMES系统的初步应用验证，如图6所示。下面论文将以汽车零部件托架加强铁组件在四轴联动立式加工中心（型号TV5）上的加工工艺优化决策云服务为例对试验验证过程进行介绍。（1）设备封装部署：服务需求方在分析四轴联动立式加工中心的属性特征（图6A）的基础上，利用WSMO Studio工具和WSDL2Java、JDBC等Java技术对该设备进行分别本体描述和Java实现类封装（图6B），并注册、部署于CloudMES系统中，形成TV

33、5加工中心虚拟资源（图6C）；（2）服务环境搭建：配合传感器、RFID等物联设备，将网络化信息交互终端（发明专利号ZL02113585.1）布置在机加实验车间，并集成于CloudMES系统，实现对TV5加工中心运行状态信息的动态采集和监控（图6D）。同时通过CloudMES中的云端管理组件将TV5加工中心虚拟资源和托架加强铁组件加工工艺特征发布至云平台（图6F），从而为工艺优化云服务提供运行支撑环境；（3）服务的试运行：服务提供方根据托架加强铁组件加工工艺特征的描述，调用TV5加工中心的运行状态信息，在机床装备云制造服务平台上对其进行加工工艺决策优化服务，并提供相应的工艺优化报告（图6G）。图

34、6 实验验证过程图例通过以上试验，课题组基本实现了CloudMES环境下托架加强铁组件在四轴联动立式加工中心（型号TV5）上的加工工艺优化决策云服务的运行，初步验证了面向机床装备云服务的制造执行系统(CloudMES)对车间生产过程云服务的支持效用和可行性，为各类车间生产过程云服务的优化运行提供了相应的技术支撑。5结论（邱磊）论文在分析了广大企业在面向服务的生产制造过程管理中的特点及需求基础上，提出了下一代制造执行系统的发展方向面向机床装备云服务的制造执行系统(CloudMES)，研究了该系统的体系架构、运行模式，并对所涉及的关键技术及其研究思路进系统阐述。给出的应用案例验证了CloudMES

35、系统的实际应用价值。随着企业信息化进程的不断开展以及云制造服务的推广应用，本文所提出的面向生产过程服务化、智能化管理的CloudMES系统也将得到进一步研究和发展。课题组后续工作将围绕CloudMES系统的业务流程动态编排与重构、制造工艺参数动态优化决策、机床装备资源能耗评估与优化等业务功能方面持续展开。参考文献1 LI Bohu, ZHANG Lin, WANG Shilong, et al. Cloud manufacturing: a new service-oriented networked manufacturing modelJ. Computer Integrated Manu

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37、nese). 李伯虎,张 霖,任 磊,等云制造典型特征、关键技术与应用J.计算机集成制造系统, 2012,18(7): 1345-1356.3 LI Bohu, ZHANG Lin, REN Lei, et al. S Further discussion on cloud manufacturingJ. Computer Integrated Manufacturing Systems,2011,17(3):449-457 (in Chinese). 李伯虎,张 霖,任 磊,等. 再论云制造J. 计算机集成制造系统,2011,17(3):449-457.4 LI Xiaobin, YIN C

38、hao, GONG Xiaorong et al. Cloud manufacturing service platform for Machine tool and processingJ. Computer Integrated Manufacturing Systems,2012, 18(7):1605-1612 (in Chinese)李孝斌,尹超,龚小容,等. 机床装备及其加工运行过程云制造服务平台J, 计算机集成制造系统, 2012, 18(7):1605-1612.5 YIN Chao, HUANG Biqing, LIU Fei, et al. Common key techn

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