基于微服務(wù)的業(yè)務(wù)可編排重構(gòu)MES系統(tǒng)

王美林，彭希靈

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

0 引 言

制造企業(yè)的制造模式經(jīng)歷了從傳統(tǒng)手工業(yè)作坊到大規(guī)模機器生產(chǎn)，再到個性化小批量生產(chǎn)的變遷[1]。作為制造業(yè)主力軍的中小型制造企業(yè)，隨著新一輪工業(yè)革命的到來，其制造模式正朝著多品種、小批量，按單生產(chǎn)的方向發(fā)展。這樣的模式讓中小企業(yè)的生產(chǎn)制造產(chǎn)生與以往不同的特點：

（1）生產(chǎn)業(yè)務(wù)模式多樣化。在制造執(zhí)行過程中，企業(yè)有著不同的生產(chǎn)模式，甚至對于同一產(chǎn)品，各企業(yè)的生產(chǎn)模式也不相同。

（2）業(yè)務(wù)流程多變。在企業(yè)生產(chǎn)過程中，常常會出現(xiàn)各種不可控因素，導(dǎo)致業(yè)務(wù)流程發(fā)生變化，這些因素可以分為2個方面：企業(yè)內(nèi)部因素，企業(yè)在發(fā)展過程中生產(chǎn)規(guī)模的變化導(dǎo)致企業(yè)業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級；企業(yè)外部因素，客戶訂單需求變化等。

由于中小企業(yè)制造過程的模式多樣性和流程多變性，造成普通一體化MES的重構(gòu)與實施遇到成本和技術(shù)上的障礙。因此，本文設(shè)計了一種面向中小企業(yè)實施的基于微服務(wù)的業(yè)務(wù)可編排重構(gòu)MES系統(tǒng)。該系統(tǒng)將企業(yè)的制造資源進行虛擬化和服務(wù)化封裝，形成細粒度的原子服務(wù)，再根據(jù)企業(yè)具體的生產(chǎn)模式和業(yè)務(wù)流程對原子服務(wù)和業(yè)務(wù)微服務(wù)進行編排及管理，實現(xiàn)制造業(yè)務(wù)的重構(gòu)。每一個服務(wù)部署在獨立的、隔離的微服務(wù)運行環(huán)境，可以方便地替換和擴展[2-5]。該系統(tǒng)能夠靈活響應(yīng)不同企業(yè)的生產(chǎn)模式差異以及業(yè)務(wù)流程的變化。

1 基于微服務(wù)的業(yè)務(wù)可編排重構(gòu)MES系統(tǒng)整體架構(gòu)

根據(jù)中小企業(yè)的制造特性，構(gòu)建了一個基于微服務(wù)的業(yè)務(wù)可編排重構(gòu)MES系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括智能對象層、原子服務(wù)層、業(yè)務(wù)微服務(wù)層和微服務(wù)協(xié)同云平臺等，如圖1所示。

智能對象是制造環(huán)境中參與制造生產(chǎn)的制造資源的統(tǒng)稱，包括帶有RIFD或者條形碼信息的車間生產(chǎn)硬資源（如車間員工、生產(chǎn)設(shè)備、物料資源等）和生產(chǎn)訂單、車間工藝等車間生產(chǎn)軟資源。車間智能對象類型多樣，因此需要將各智能對象轉(zhuǎn)化為具有統(tǒng)一描述的虛擬資源以便管理。該層根據(jù)企業(yè)車間制造資源的實時數(shù)據(jù)進行信息管理與虛擬化建模，將車間智能對象抽象為虛擬資源，以支持原子服務(wù)層的運行。

（2）原子服務(wù)層

原子服務(wù)層實現(xiàn)對智能對象可執(zhí)行操作的服務(wù)化封裝，完成虛擬資源與相應(yīng)資源服務(wù)化能力的映射，以支撐業(yè)務(wù)微服務(wù)層的運行。原子服務(wù)層是系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的基礎(chǔ)服務(wù)，例如訂單創(chuàng)建服務(wù)、訂單下達服務(wù)、工藝創(chuàng)建服務(wù)、工藝制作服務(wù)等。它們?yōu)闃I(yè)務(wù)微服務(wù)層提供了不可分割的、單一業(yè)務(wù)功能的服務(wù)，每一個服務(wù)都部署在獨立的、隔離的微服務(wù)運行環(huán)境，可以方便地替換和擴展。

（3）業(yè)務(wù)微服務(wù)層

業(yè)務(wù)微服務(wù)層是本框架的核心層，主要包括微服務(wù)可視化編排器、編排執(zhí)行引擎和微服務(wù)調(diào)用器。業(yè)務(wù)微服務(wù)層根據(jù)用戶實際的生產(chǎn)業(yè)務(wù)模式和業(yè)務(wù)流程，制定每個系統(tǒng)模塊的硬件/軟件資源的組合流程，并通過事件隊列的方式調(diào)用原子服務(wù)或業(yè)務(wù)微服務(wù)。業(yè)務(wù)微服務(wù)層實現(xiàn)了系統(tǒng)業(yè)務(wù)的快速重組及體系結(jié)構(gòu)中不同層次的集成，并可根據(jù)企業(yè)需求的變化和業(yè)務(wù)流程重組，實現(xiàn)原子服務(wù)的動態(tài)組合，快速形成新的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

（4）微服務(wù)協(xié)同平臺

該層主要負責(zé)原子服務(wù)層與業(yè)務(wù)微服務(wù)層的服務(wù)管理、服務(wù)發(fā)現(xiàn)及協(xié)同調(diào)用，為系統(tǒng)的運行提供支撐組件。本文使用的是Pivotal 公司的Spring Cloud框架[6]。

Development of real-time test system for rotating vibration of EFEAD system

2 主要研究內(nèi)容

2.1 智能對象描述模型

智能對象是制造環(huán)境中參與制造生產(chǎn)的制造資源與制造單據(jù)的統(tǒng)稱，包括車間員工、生產(chǎn)設(shè)備、工件以及其他帶有RIFD或條形碼信息的車間生產(chǎn)資源和訂單、工藝等。智能對象作為車間最基本的制造單元存在于制造環(huán)境中，其攜帶了一些關(guān)鍵信息，將在不同的階段或位置進行更新，通過更新的信息，各車間智能對象能夠感知、交互和報告周圍環(huán)境，以便自適應(yīng)響應(yīng)變化。智能對象類型多樣，因此需要將各智能對象轉(zhuǎn)化為具有統(tǒng)一描述的虛擬對象以便管理。根據(jù)OWL-S規(guī)范[7]，智能對象可通過虛擬化表示如下：

MS={MSBasic, MSFeature, MSQoS, MSState, MSFunction}（1）

（1）基本屬性（MSBasic）：包括描述智能對象的基礎(chǔ)信息，如ID、名稱、地址、提供商等，每個智能對象的ID唯一；

（2）特征屬性（MSFeature）：包括描述智能對象的功能特征信息，如結(jié)構(gòu)特征、幾何尺寸、質(zhì)量等級等；

（3）評價屬性（MSQoS）：包括描述智能對象的綜合評估指標(biāo)信息，如可靠性、成本、安全級別、用戶滿意度等；

（4）狀態(tài)屬性（MSState）：包括描述智能對象的狀態(tài)信息，如當(dāng)前狀態(tài)、任務(wù)隊列、已完成任務(wù)；

（5）方法集合（MSFunction）：包括智能對象被允許的操作，以及操作的輸入集合和輸出集合、狀態(tài)改變、任務(wù)量等。

以三類典型的智能對象為例，根據(jù)虛擬化表示模型進行虛擬化，這三種智能對象為：

（1）制造設(shè)備資源：進行制造任務(wù)的車間物理設(shè)備；

（2）物料資源：制造任務(wù)中制造某種產(chǎn)品所需要的毛胚和半成品等；

（3）訂單資源：生產(chǎn)訂單。

智能對象描述模型實例如圖2所示。

圖2 智能對象描述模型實例

根據(jù)圖2所示的智能對象描述模型，利用該層的虛擬化工具對智能對象進行標(biāo)準化建模，即完成這三種典型智能對象的虛擬化操作。智能對象虛擬化層形成了制造資源的規(guī)范表達，基于此對虛擬化智能對象模型進行虛擬化封裝：生成XML數(shù)據(jù)描述文檔，解析成每個智能對象描述類的對象，并把該數(shù)據(jù)載入數(shù)據(jù)庫，供原子服務(wù)使用。以某設(shè)備資源封裝為例，該設(shè)備資源的XML描述文檔如圖3所示。

圖3 某設(shè)備資源XML描述文檔

將上述描述文檔通過解析后載入數(shù)據(jù)庫，結(jié)果如圖4所示。

圖4 制造設(shè)備資源虛擬化實例

2.2 智能對象服務(wù)化

智能對象包含的各種屬性通過建立MS模型映射到數(shù)據(jù)庫。智能對象服務(wù)化即將對象的方法集合（MSFunction），封裝成原子服務(wù)。原子服務(wù)采用微服務(wù)開發(fā)方式構(gòu)建，使用RESTful架構(gòu)向外提供訪問接口，最后將其發(fā)布至云制造平臺上形成相應(yīng)的可編排原子服務(wù)資源。原子服務(wù)構(gòu)建結(jié)構(gòu)如圖5所示。每個原子服務(wù)可以通過啟動事件調(diào)用，啟動事件即原子服務(wù)的調(diào)用參數(shù)信息；當(dāng)調(diào)用事件到達原子服務(wù)后，原子服務(wù)執(zhí)行其實體操作；在操作完成后形成結(jié)束事件并將事件返回至客戶端，結(jié)束事件即原子服務(wù)調(diào)用結(jié)束的返回參數(shù)信息。每個原子服務(wù)僅負責(zé)執(zhí)行自身模型中定義的任務(wù)，以及向消息代理發(fā)送消息和接收消息，消息代理在運行時管理原子服務(wù)之間的通信。

圖5 原子服務(wù)構(gòu)建及調(diào)用方式

以訂單智能對象服務(wù)化封裝為例，訂單智能對象包含生產(chǎn)訂單創(chuàng)建、訂單狀態(tài)查詢、生產(chǎn)訂單審核等，封裝結(jié)果見表1所列。

表1 訂單智能對象包含原子服務(wù)示例

2.3 服務(wù)組合方法

為了將單個的原子服務(wù)組合成具有適當(dāng)復(fù)雜度的、可靠的、基于業(yè)務(wù)流程的業(yè)務(wù)微服務(wù)，文章使用一種基于事件的BPMN（Business Process Model and Notation, BPMN）編排方法對原子服務(wù)或業(yè)務(wù)微服務(wù)進行編排。基于事件的BPMN編排方法使用BPMN 2.0規(guī)范對微服務(wù)之間的組合方式進行可視化建模[8-9]，Activiti工作流引擎解釋執(zhí)行。基于事件的BPMN編排的微服務(wù)組合流程如圖6所示。

圖6 基于事件的BPMN編排的微服務(wù)組合流程

3 初步驗證

文章以生產(chǎn)計劃模塊作為驗證案例來驗證該框架的可行性。生產(chǎn)計劃模塊主要包括生產(chǎn)訂單管理、生產(chǎn)訂單排產(chǎn)以及生產(chǎn)進度管理等功能模塊。圖7展示了生產(chǎn)計劃模塊的功能模塊圖，表2展示了各功能模塊下的原子服務(wù)列表。生產(chǎn)訂單新增服務(wù)使用為：點擊生產(chǎn)訂單頁面“新增”按鈕后，進入訂單編輯頁面，點擊“保存”跳轉(zhuǎn)回生產(chǎn)訂單頁面并更新訂單列表，顯示新增的生產(chǎn)訂單記錄。生產(chǎn)訂單展示界面如圖8所示。訂單分批服務(wù)使用為：點擊訂單工件頁面的“分批下達”，進入分批下達作業(yè)頁面，點擊“提交”后跳轉(zhuǎn)回訂單工件頁面并更新訂單工件列表，顯示新增的訂單工件分批記錄。訂單分批展示界面如圖9所示。在制品工件詳情服務(wù)使用為：查看在制品工件列表，點擊查看在制品工件詳情，進入在制品工件詳情頁面。詳情頁展示界面如圖10所示。

圖7 生產(chǎn)計劃模塊功能模塊圖

圖8 生產(chǎn)訂單展示界面

圖9 訂單分批展示界面

圖10 在制品工件詳情展示界面

表2 原子服務(wù)列表

4 結(jié) 語

文章設(shè)計并驗證了基于微服務(wù)的業(yè)務(wù)可編排重構(gòu)MES系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，企業(yè)可根據(jù)自身的生產(chǎn)模式和業(yè)務(wù)流程對原子服務(wù)及業(yè)務(wù)微服務(wù)進行編排管理，通過對原子服務(wù)和業(yè)務(wù)微服務(wù)模塊的靈活組裝，針對不同企業(yè)的需求進行制造業(yè)務(wù)的個性化定制。