本文內(nèi)容主要關(guān)于流程產(chǎn)業(yè)MES系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)和流程產(chǎn)業(yè)MES系統(tǒng)模型體系結(jié)構(gòu)。MES系統(tǒng)是處于ERP系統(tǒng)和PCS之間的執(zhí)行層，將經(jīng)營目標(biāo)轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)過程中的操縱目標(biāo)，通過反饋執(zhí)行結(jié)果，不斷調(diào)整和優(yōu)化，形成一個(gè)周期性的從生產(chǎn)經(jīng)營到生產(chǎn)運(yùn)行和過程控制的高效閉環(huán)系統(tǒng)，企業(yè)信息通過MES系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)了全集成。

一、流程產(chǎn)業(yè)MES系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

根據(jù)企業(yè)性質(zhì)及建模目標(biāo)的不同，企業(yè)模型可以分為多種不同層次水平和視角的模型形式。MES系統(tǒng)的建模目標(biāo)是在對企業(yè)MES層內(nèi)各種物理、功能實(shí)體間的功能關(guān)系和信息關(guān)系以及各種消息態(tài)依靠關(guān)系進(jìn)行抽象描述基礎(chǔ)上，完成對MES層的分析和綜合，通過信息集成、過程優(yōu)化及資源優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)物流、信息流、價(jià)值流的集成和優(yōu)化運(yùn)行。

1.模型層次

MES系統(tǒng)模型根據(jù)深度不同可以分為若干個(gè)模型層次，通常情況下可以分為三個(gè)層次：在MES系統(tǒng)行為水平上的模擬，即復(fù)現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)的行為；在MES系統(tǒng)狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平上的模擬，即與真實(shí)系統(tǒng)在狀態(tài)上互相對應(yīng)，通過模型可以對未來的行為作唯一猜測；在MES系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)水平上的模擬，即模型唯一地表示出真實(shí)系統(tǒng)內(nèi)部的工作情況。上層模型可以以一種清楚的方式映射到下層模型中。對應(yīng)MES系統(tǒng)模型可以分為MES系統(tǒng)總體概念模型，包括企業(yè)MES系統(tǒng)范圍、業(yè)務(wù)流程、功能構(gòu)件；MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，包括物流模型、信息流模型、價(jià)值流模型；MES系統(tǒng)功能模型，包括完成MES系統(tǒng)實(shí)施的各功能模塊模型，如計(jì)劃模型、調(diào)度模型、設(shè)備治理模型、物料跟蹤模型、質(zhì)量治理模型、資源治理模型等，如圖2所示。

2.模型特征

一個(gè)有效的MES系統(tǒng)模型必須具備以下特征：動(dòng)態(tài)可維護(hù)性、可分解性、精確度、可重構(gòu)性、可互用性、專業(yè)性、上下延拓性等。

1）動(dòng)態(tài)可維護(hù)性。指系統(tǒng)模型在所有時(shí)候都可以與系統(tǒng)保持一致。支持模型維護(hù)操縱，如矯正維護(hù)、完善維護(hù)、適應(yīng)性維護(hù)、預(yù)防性維護(hù)等功能。

2）可分解性?；趶?fù)雜模型的多層次性和多粒度性，根據(jù)業(yè)務(wù)需求不同在構(gòu)成集成企業(yè)模型的各個(gè)粒度和層次上應(yīng)該都可以支持對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)決策和控制，并且對不同時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和空間標(biāo)準(zhǔn)的模型能確保一致性。

3）精確度。指模型與原形系統(tǒng)相一致的程度。在復(fù)雜系統(tǒng)建模過程中由于系統(tǒng)的復(fù)雜性必然存在一定的簡化和不完整性，在此情況下模型是否能如實(shí)反映原形系統(tǒng)的本質(zhì)規(guī)律，即保證模型能滿足系統(tǒng)答應(yīng)誤差要求。

4）可重構(gòu)性。模型的可重構(gòu)性可分為三個(gè)層次：基于動(dòng)態(tài)企業(yè)模型的系統(tǒng)級(jí)軟件重構(gòu)，滿足業(yè)務(wù)流程重組的需求；基于中間件技術(shù)的系統(tǒng)重構(gòu)，滿足跨平臺(tái)的信息處理需求；面向?qū)ο蟮能浖赜?，?shí)現(xiàn)軟件開發(fā)中的底層模塊的重用。在模型設(shè)計(jì)時(shí)為了增強(qiáng)系統(tǒng)的柔性和可配置性，系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)該基于企業(yè)組件庫，企業(yè)業(yè)務(wù)功能和組件之間存在映射關(guān)系，通過捆綁定義實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型與系統(tǒng)組件之間映射關(guān)系。

5）可互用性。根據(jù)ISO/IEC16100標(biāo)準(zhǔn)的定義，可互用性指兩個(gè)或兩個(gè)以上的軟件系統(tǒng)通過共同的接口共享或交換信息的能力。在企業(yè)CIMS實(shí)施過程中，它可以用來解決企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和信息的交互題目，消除由于模型異構(gòu)引起的系統(tǒng)間沖突和不一致性，進(jìn)步整體協(xié)同運(yùn)行的有效性。

6）專業(yè)性。在MES系統(tǒng)建模過程中融進(jìn)了一些流程行業(yè)的專有關(guān)鍵技術(shù)，如物料平衡技術(shù)、數(shù)據(jù)校正技術(shù)、全面質(zhì)量治理技術(shù)、動(dòng)態(tài)本錢控制技術(shù)、設(shè)備故障監(jiān)測與分析等，以滿足解決生產(chǎn)現(xiàn)場各種復(fù)雜題目的需要。

7）上下功能延拓性。MES系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)和PCS之間有部分功能重疊的關(guān)系，固然各個(gè)層次系統(tǒng)中同一類模塊的側(cè)重點(diǎn)有所不同，但建模過程中應(yīng)增強(qiáng)與治理系統(tǒng)和操縱設(shè)備的功能集成，形成流程產(chǎn)業(yè)企業(yè)自動(dòng)化綜合系統(tǒng)的完整解決方案。

3.建模方法

傳統(tǒng)的建模主要有機(jī)理建模的方法和辨識(shí)建模法。建立的模型種類包括動(dòng)態(tài)定量模型、邏輯模型、半定性與定性模型、描述性模型、統(tǒng)計(jì)模型等。對應(yīng)于圖1PCS層的應(yīng)用需求，傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型發(fā)揮了重要作用，建立了控制理論的完整體系，形成了相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)。

面向?qū)ο蟮慕７椒ㄑ赜密浖こ讨忻嫦驅(qū)ο蟮木幊趟枷搿；诙嘀悄荏w的面向?qū)ο蠼７椒?、基于元模型的面向?qū)ο蠼７椒?、基于框架的面向?qū)ο蠼７椒ǖ榷际窃谒A(chǔ)上衍生出來的。

1）基于多智能體的面向?qū)ο蠼７椒?/p>

面向MES系統(tǒng)服務(wù)的軟件是由不同廠家開發(fā)的，所以MES系統(tǒng)表現(xiàn)出不同程度的分散性。如何把這些開發(fā)時(shí)間不同、基于不同平臺(tái)的子系統(tǒng)集成起來，協(xié)調(diào)工作，難度很大。采用多智能體建模方法，通過選擇不同粒度的Agent來完成。發(fā)揮Agent自動(dòng)性、反應(yīng)性、社會(huì)能力、自治性的優(yōu)點(diǎn)，采用分布式異構(gòu)Agent協(xié)同求解的系統(tǒng)模式對系統(tǒng)建模。其難點(diǎn)在于當(dāng)采用不同粒度Agent來描述對象實(shí)體的規(guī)模時(shí)，粒度的大小很難把握。假如選擇太小，生產(chǎn)環(huán)境中Agent的數(shù)目就多，系統(tǒng)的靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)，但系統(tǒng)的組織與控制的復(fù)雜程度也隨之增加，使系統(tǒng)的運(yùn)行效率降低。反之每個(gè)Agent的任務(wù)過重，無法體現(xiàn)Agent在分布式環(huán)境中的上風(fēng)。

2）基于元模型的面向?qū)ο蠼７椒?/p>

元模型是關(guān)于模型的模型，是關(guān)于如何建立模型、模型的語義或模型之間如何集成和互操縱等信息的描述，是對某一特定領(lǐng)域建模環(huán)境的規(guī)范定義。元模型比模型的抽象程度高?；谠Ｐ偷慕＜夹g(shù)可以使子系統(tǒng)模型在更高的層次上進(jìn)行集成。在模型設(shè)計(jì)過程中以元模型中的元類為頂點(diǎn)自上而下逐步擴(kuò)展細(xì)化，并創(chuàng)建一系列類簇，即包括抽象類或接口及其派生類的集合，根據(jù)具體需求可以適當(dāng)?shù)卦黾?、刪除或者修改元類的屬性或方法，并運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)建模語言開發(fā)成軟件組件。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的可重用性、靈活修改性和可擴(kuò)展性，方便復(fù)雜系統(tǒng)的模型綜合信息集成和數(shù)據(jù)集成。

3）基于框架的面向?qū)ο蠼７椒?/p>

隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的日趨成熟，低層次的代碼復(fù)用已經(jīng)不適合于特定領(lǐng)域大型軟件生產(chǎn)的需求，不僅要重用舊的代碼，而且要重用相似的分析設(shè)計(jì)結(jié)果和體系結(jié)構(gòu)，來減少構(gòu)造新軟件系統(tǒng)的代價(jià)并進(jìn)步軟件的可靠性。基于框架的方式就是這樣一種面向特定領(lǐng)域的重用技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和可重構(gòu)性，先后出現(xiàn)了以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)模型、以執(zhí)行為中心的系統(tǒng)模型和面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型等。前兩種模型分別在數(shù)據(jù)、功能等方面實(shí)現(xiàn)了軟件重用，在建模領(lǐng)域應(yīng)用基于框架的面向?qū)ο蠓椒梢员ＷC系統(tǒng)的開放性、可集成性和可重構(gòu)能力，使得整個(gè)信息系統(tǒng)集成平臺(tái)的實(shí)施過程在集成框架的控制與指導(dǎo)下完成。

二、乾元坤和流程產(chǎn)業(yè)MES系統(tǒng)模型體系結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外各著名的自動(dòng)化軟件廠商和科研機(jī)構(gòu)都提出了針對流程企業(yè)的，以MES系統(tǒng)為核心的綜合自動(dòng)化解決方案，如Invensys、SIEMENS、Emerson、ASPENTech、Honeywell和浙大中控等。這些MES系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)構(gòu)架可以分為單一模塊型、積木型、綜合集成型和概念型產(chǎn)品。

1.單一功能模塊型

各軟件廠商最初都經(jīng)歷過設(shè)計(jì)、開發(fā)單一功能模塊的階段。單一功能模塊往往為滿足某一具體生產(chǎn)部分的治理需求而設(shè)計(jì)，自成體系，實(shí)現(xiàn)物流治理、質(zhì)量治理、設(shè)備治理、計(jì)劃統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度、流程模擬、數(shù)據(jù)校正等功能。
這類應(yīng)用軟件由于開發(fā)本錢適中，技術(shù)門坎低，在我國石化企業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，是中小企業(yè)信息化的首選，但這類定制軟件很難適應(yīng)系統(tǒng)資源和需求的變化。

近年來，國外應(yīng)用軟件商大都采用整體軟件產(chǎn)品開發(fā)流程，鑒戒在產(chǎn)業(yè)控制領(lǐng)域廣泛采用的組態(tài)軟件技術(shù)，將應(yīng)用軟件的功能模型與業(yè)務(wù)治理信息系統(tǒng)界面、數(shù)據(jù)庫維護(hù)等方面的功能分離開來?；诮M態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的功能模型，可組態(tài)、可配置，再根據(jù)業(yè)務(wù)治理和優(yōu)化的需求，對模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算和智能推理等數(shù)據(jù)處理，可開發(fā)出面向單一或多個(gè)功能需求的通用型軟件產(chǎn)品，如流程模擬、虛擬工廠模擬器、生產(chǎn)計(jì)劃與優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化、先進(jìn)控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化等應(yīng)用軟件，避免了重復(fù)定制軟件的過程。

2.疏松集成和信息孤島型

由于生產(chǎn)治理的復(fù)雜性，必然需要開發(fā)和應(yīng)用多個(gè)單一功能模塊。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和這些功能模塊逐步建設(shè)過程中，都是以積木塊的形式搭建，利用數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)資源集成在一起。很多 MES系統(tǒng)業(yè)務(wù)治理軟件和優(yōu)化軟件之間缺乏有效的溝通和信息共享，使得數(shù)據(jù)庫中存在大量的數(shù)據(jù)冗余，數(shù)據(jù)存貯效率不高。另一方面為利用原有應(yīng)用系統(tǒng)信息，有時(shí)通過設(shè)計(jì)復(fù)雜的專有的數(shù)據(jù)接口來實(shí)現(xiàn)某些后續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)，使得各應(yīng)用系統(tǒng)間形成復(fù)雜的藕合關(guān)系，各系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)十分困難，制約了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的總體效益。

3.綜合集成型

為了解決這些題目，業(yè)界開始采用同一數(shù)據(jù)平臺(tái)、軟件中間件技術(shù)，試圖把原先業(yè)已存在的各應(yīng)用套件加以整合，出現(xiàn)了以IBM為代表的綜合數(shù)據(jù)模型模式，建立全企業(yè)同一的數(shù)據(jù)模型，為所有的應(yīng)用模塊服務(wù)，大大進(jìn)步了數(shù)據(jù)庫的訪問效率。
IBM的CIPROS建立了煉油企業(yè)所有裝置及其連接關(guān)系的數(shù)據(jù)模型，即以數(shù)字表示方式的煉油廠模型，并與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了事件驅(qū)動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)煉油廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的治理。各應(yīng)用軟件通過接口程序與CIPROS核心數(shù)據(jù)庫平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)和溝通，集成為一個(gè)同一整體。CIPROS通過友好的用戶界面，用戶可以方便地控制和維護(hù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的所有信息，使得數(shù)據(jù)一致性和可維護(hù)性進(jìn)步，并大大降低了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的冗余度。中國石化濟(jì)南分公司于90年代后期引進(jìn)了CIPROS集成平臺(tái)，成為當(dāng)時(shí)其他石化企業(yè)信息化建設(shè)的標(biāo)桿。CIPROS的缺點(diǎn)在于當(dāng)應(yīng)用軟件功能需求發(fā)生變化時(shí)，必須改變數(shù)據(jù)庫內(nèi)核和接口程序，給系統(tǒng)的維護(hù)帶來了麻煩和不便。

4.概念型軟件產(chǎn)品

概念型軟件產(chǎn)品指設(shè)計(jì)理念超前，代表行業(yè)發(fā)展方向的MES系統(tǒng)產(chǎn)品，固然其技術(shù)基礎(chǔ)和產(chǎn)品成熟度仍需完善，但獨(dú)具前瞻性的用戶已開始接受產(chǎn)品的理念。概念型軟件產(chǎn)品代表了技術(shù)發(fā)展的方向。

1）同一工廠模型方案

AspenTech開放建模環(huán)境OSE是仿真工具的集成環(huán)境，答應(yīng)不同的仿真模型通過標(biāo)準(zhǔn)接口接進(jìn)模型。各個(gè)模型連接在一起并作為一個(gè)整體進(jìn)行仿真和分析。OSE提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方法來連接共用的設(shè)備模型和工廠數(shù)據(jù)。其核心思想是支持在整個(gè)運(yùn)作周期運(yùn)用同一個(gè)功能模型，并且支持多模型應(yīng)用的無縫互用。通過將過程、公用系統(tǒng)和基本的仿真模型結(jié)合起來，形成一個(gè)綜合的、工廠級(jí)的仿真環(huán)境，使得用戶理解并建立經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的平衡模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的工廠級(jí)優(yōu)化。

2）基于開發(fā)工具的集成自動(dòng)化方案

西門子將MES系統(tǒng)建立在生產(chǎn)建模結(jié)構(gòu)之上，用戶可以用遞階模型，將各種專用產(chǎn)品組件協(xié)同起來，來描述業(yè)務(wù)和生產(chǎn)作業(yè)。

西門子MES系統(tǒng)Simatic IT滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISA-95的要求，包括以下軟件組件：

①客戶端應(yīng)用天生器：一個(gè)用于設(shè)計(jì)MES用戶界面的工程工具。它根據(jù)數(shù)據(jù)服務(wù)器或其他數(shù)據(jù)源獲得的數(shù)據(jù)，天生圖形化的用戶界面。

②數(shù)據(jù)集成服務(wù)：一個(gè)用于與業(yè)務(wù)系統(tǒng)通訊的工程環(huán)境，它答應(yīng)在不同類型的應(yīng)用程序和外部系統(tǒng)中進(jìn)行信息交換，提供與ERP系統(tǒng)和Windows文件系統(tǒng)接口，以及用于定制接口的COM接口。

③產(chǎn)品定義治理器：處理所有與產(chǎn)品定義相關(guān)的題目，例如定義生產(chǎn)產(chǎn)品所必須的操縱步驟。把描述、組合資源和參數(shù)等產(chǎn)品規(guī)范集中在一起，然后利用這個(gè)規(guī)范對所有部件進(jìn)行生產(chǎn)操縱。

④生產(chǎn)套件：涵蓋了MES系統(tǒng)在任何制造背景下所需的核心功能。并使得第三方軟件及組件也可以加進(jìn)進(jìn)來。通過這種方式，用戶不需要進(jìn)行復(fù)雜的技術(shù)封裝就可以完成相應(yīng)的解決方案。

3）虛擬工廠綜合自動(dòng)化解決方案

根據(jù)中國石化MES系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用實(shí)施中碰到的實(shí)際需求，又基于研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要，作者在流程產(chǎn)業(yè)智能工廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了虛擬工廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)解決方案，如圖3所示。

MES系統(tǒng)是一個(gè)軟、硬件集成的生產(chǎn)企業(yè)模擬運(yùn)行系統(tǒng)，利用系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)通訊的支持下，通過內(nèi)建的模型和算法來模擬現(xiàn)實(shí)流程產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)和供給鏈治理的全過程。它與現(xiàn)實(shí)的石化企業(yè)信息化治理系統(tǒng)具有相似的結(jié)構(gòu)、相似的系統(tǒng)配置和相同的功能，可猜測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品生產(chǎn)本錢、過程的可操縱性以及對環(huán)境的影響，從而實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)優(yōu)化、產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步、資源公道配置和供求關(guān)系平衡，使企業(yè)更具競爭力。
虛擬工廠綜合自動(dòng)化解決方案基于三大技術(shù)：生產(chǎn)過程虛擬仿真技術(shù)；由現(xiàn)實(shí)工廠獲取信息的技術(shù)；由虛擬世界控制現(xiàn)實(shí)的技術(shù)。其中，生產(chǎn)過程建模和虛擬仿真技術(shù)是關(guān)鍵。

在利用圖4平臺(tái)支持煉化企業(yè)MES系統(tǒng)研究與開發(fā)的過程中，未采用自底層設(shè)備到工廠治理層的遞階建模策略，也未采用自治理層向下的企業(yè)建模方法，而是首先建立以物流跟蹤模型為主線的MES系統(tǒng)實(shí)施模型，然后逐步擴(kuò)展，建立更大更復(fù)雜的過程仿真和決策模型，從而明顯縮短了建模周期，節(jié)約了開發(fā)本錢。使中國石化MES系統(tǒng)在較短的周期內(nèi)完成設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用實(shí)施工作。利用物流跟蹤模型，實(shí)現(xiàn)了物流、能耗數(shù)據(jù)完整性和邏輯正確性的在線檢測和維護(hù)，有效進(jìn)步了企業(yè)生產(chǎn)績效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)精度和可視化程度，MES系統(tǒng)用戶基于猜測績效和實(shí)測績效的對比，進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化決策和精細(xì)化操縱。

最后

北京乾元坤和流程產(chǎn)業(yè)MES系統(tǒng)從單一功能模塊型、積木型到綜合模型集成型，可以清楚地看到MES系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢就是不斷滿足企業(yè)業(yè)務(wù)過程和控制過程可集成性、可配置性、可適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和可靠性的要求。開發(fā)出適應(yīng)于我國流程產(chǎn)業(yè)企業(yè)的MES系統(tǒng)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)PCS-MES-ERP的緊密集成，進(jìn)而提出我國流程產(chǎn)業(yè)MES系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)規(guī)范與實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。

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