面向CPS的制造執行系統的六維管控（1）

趙宏軍，楊 松，李 凡，康進港

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

信息物理系統（Cyber-Physical Systems，簡稱CPS）是最早由美國國家航天局（NASA）提出，隨著信息技術在制造業應用的深入，傳統的信息技術（IT，Information Technology）的概念無法有效的描述嵌入式系統在工業領域的深度應用，2006年，由美國國家科學基金會（NSF）的科學家海倫·吉爾（Helen Gill）等，對CPS的內涵其內涵進行進一步的討論和闡述，提出CPS是：“為了計算算法和物理現實組件無縫融合基礎上的依賴于這個融合的人工系統”[1]。

制造執行系統（MES）是美國先進制造研究機構(AMR)在1990年提出的概念。ARM最初將MES定義為：“位于上層的計劃管理系統與底層的工業控制之間的面向車間層的管理信息系統，就工藝本身指導工業控制”[2]。其核心內容是通過制造執行系統的運用，實現企業ERP、MES和車間控制層的信息集成和有效管控。

近年國內生產企業對MES系統的廣泛應用，隨著應用的深入發現MES系統對于外界狀態數據的獲取、對數據的實時分析和處理，并根據分析和計算的結果，實現物理的精準執行的要求越來越高，而此正是CPS研究的范疇，所以深入研究面向CPS的MES則變得尤為迫切，在中國制造轉型升級的趨勢下，面向CPS的MES將成為中國制造業提升制造能力的有力支撐。

本文旨在討論CPS環境下的MES系統應具備的基本功能和設計思路，由于篇幅限制，本文首先提出面向CPS的MES的整體架構，并就其中的六維業務中的工藝執行、計劃排程部分進行探討。

1 整體架構

生產車間是一種復雜的組織體，其核心功能是計劃調度、工藝執行、過程質量、生產物流、設備管理、生產協同等六個業務維度。在六個業務維度的基礎上，將云計算、大數據、物聯網、人工智能等新技術與生產過程進行有效的融合，以解決生產管理過程中計劃多變、設備運行不穩定、產品品質不一致等難題為目標，以減少生產異常發生頻度，預測、預防、快速響應生產異常為主線，通過數據自動流動驅動生產過程，實現生產管理、設備管理、過程質量管理等業務的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環管理，降低復雜生產系統的不確定性。

面向CPS的制造執行系統核心功能應包括基礎云平臺、智能感知與互聯平臺、業務平臺、大數據分析與決策平臺、生產指揮平臺、系統集成平臺六大平臺。通過六大平臺的結合應用，從計劃調度、工藝執行、過程質量、生產物流、設備管理、生產協同六個維度建立狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的業務閉環管理，實現生產協同、知識重用與信息共享，促進企業生產管理能力的螺旋上升。

圖1 生產信息建模

2 面向CPS的MES的業務關鍵要素

2.1 車間生產基礎信息

面向CPS的MES系統首先需要構建車間生產的基礎信息，包括工廠布局、工藝信息、產品信息，其中物料、工藝以及生產資源信息是核心。

物料是MES系統的基本管理對象之一。通過與ERP、PLM系統的集成，MES將實現與ERP、PLM共享物料數據,以保證跨系統物流信息的一致性。

工藝信息包括制造BOM、產品結構、工藝路線、質檢標準等，其描述了如何加工出來的，以及在加工過程中所有的約束條件。

生產資源包括設備、人員、工裝、工位等，可以由ERP維護并傳遞到MES系統，也可以在MES系統中進行維護。

在面向CPS的環境中制造執行系統所需的數據應有更為廣泛的來源，是包括企業已有的信息系統、物理系統以及相關的設施、設備、傳感器、讀寫器等的綜合利用的結果。

2.2 面向CPS的工藝執行

在離散制造業的工藝設計過程中，借助于仿真分析手段使設計的精度得到大幅度提高，并且通過產品的試制、首件檢驗等方法在一定程度上保證了工藝的有效性。但由于缺少足夠的實際數據，從而影響了設計和工藝設計的可靠性和正確性，導致難以對工藝參數進行科學的分析優化。

關鍵工藝參數的設置直接影響了產品質量的好壞，并且工藝參數之間也存在耦合關系共同影響產品質量，因此，對于工藝參數進行分析并進行工藝參數優化就顯得尤為重要。

2.3 面向CPS的計劃排產

制造業企業是一個復雜的有機整體，而計劃排產則是保證企業能否有機協調運轉的核心，企業通過計劃排產牽動著產、供、銷、庫存、物流、財務、人力等一系列業務的正常運轉，各業務部門的實際執行情況的反饋，又會驅動計劃排產活動的更新響應，企業需通過制定合理的策略與機制，以實現計劃的閉環管理。

傳統MES系統計劃體系大多基于MRP計劃原理進行設計，基于后向式計劃，由物料需求計劃MRP確定生產計劃與原材料采購計劃，最后再由能力需求計劃確認生產能力能否滿足需求，其計劃過程實際是一種手工閉環，計劃編制過程中沒有考慮約束條件（能力約束、物料約束等），無法幫助企業決定如何優化安排生產，不能很好地解決當下面臨的多目標、多約束條件下生產計劃優化排產問題，難以快速對客戶需求進行響應、實時同步生產計劃、精準保證交貨期。

企業實際排產過程面臨的是一種多約束求解問題，客戶訂單數量、客戶優先級、成本因素、訂單變更、設計變更、設備故障、設備能力、外協能力、原材料供應問題、前序計劃執行等都會影響到生產的排產以及優化。企業需要基于某種合理有效的算法，針對自身行業、企業特點，綜合考慮各種生產資源要素對生產計劃排產的限制，并考慮生產調度與執行的反饋閉環，不斷提高生產排程的準確性、及時性與可執行性。

生產模式由傳統的大批量生產轉換為多品種、小批量的生產模式，進一步加劇了動態排產的復雜型。傳統的MES系統大多都還采用靜態排產的方式，經過系統排產后，仍需要人工介入，根據現場的實際情況進行認工排產。在面向訂單需求不確定的多品種、變批量、定制化生產模式下，企業生產計劃排產過程需要能夠適應客戶訂單靈活多變特性，以滿足客戶交期、控制生產成本、保證產品質量、提高生產效率等為優化目標，基于人員、設備、物料、工具工裝等多約束條件并充分考慮約束條件的可伸縮性，自動獲取庫存與生產執行情況反饋實現計劃閉環，最后進行訂單投產優化、生產計劃與排產。計劃排產的可行性和效率決定了企業的生產組織是否有效，合理的計劃排產，能夠提升企業的生產能力，降低企業庫存，提高訂單及時交付率，幫助企業獲得競爭優勢。

3 面向CPS的MES的設計思路

3.1 工藝執行設計思路

面向CPS的工藝執行實現了大數據、人工智能等技術在工藝執行過程中的應用，通過生產過程信息采集、模型建立及分析、業務優化決策和業務執行四個循環過程形成管理閉環，通過四個閉環的循環過程實現工藝執行的不斷迭代優化。

1）數據采集

對生產過程中的工藝數據進行采集，例如設備的運行參數（例如機加工中刀具的切削參數、電機功率參數等），質量檢驗數據（外觀尺寸、表面形狀、理化性質等），車間環境（溫度、濕度等）等數據進行采集。

2）數據建模分析

數據建模分析的過程，是經過實時分析環節，利用模型庫、算法庫，例如田口正交法、灰度關聯理論法、機器學習、聚類分析等數據處理分析技術對數據分析，并建立和分析數據之間的關聯關系，例如工藝參數和設備運行參數之間、工藝參數與質檢數據之間的聯系等。

3）工藝優化決策

決策是根據積累數據、對現狀的評估和對未來趨勢的預測，為了達到明確的目的，在一定的條件約束下，所做的最優決定。對分析的數據進行綜合的處理。

在MES系統中獲取PLM系統中的工藝信息，包括產品圖紙、工藝、作業指導書、工序、工藝的環境要求、工具工裝要求等信息，幫助執行生產任務的車間工人獲取與生產任務相關的產品文檔、工藝規程等技術資料及車間資源信息。根據實時分析得到的數據、以及以現有的工藝方案、工藝規范作為支撐，形成制造工藝優化方案。對信息進行分析和判斷，不斷的進行迭代，逐步形成工藝知識庫，指導企業工藝決策。例如對于數控加工工藝設計以及工藝參數最優問題，詳細分析數控加工工藝的設計方案，建立工藝參數優化的數學模型，分析加工工藝過程中的力學約束、運動學約束、加工質量約束、加工效率約束等約束條件，采用遺傳算法、關聯分析等算法對進給量、主軸轉速、切削速度等工藝參數進行優化。

4）業務執行

業務執行是對工藝優化決策的物理實現，對于一些工藝場景，發現質量參數有偏差，可以實時的對工藝參數進行調整，實現工藝參數的自優化，保證產品質量。有些場景，需要有經驗的人員有針對性的調整的工藝路線、工藝參數，使得工藝更加合理，實現工藝的改進，進一步提升工藝的有效性和科學性。

圖2 工藝管理

通過工藝優化決策的精準執行，然后繼續進行生產過程的信息采集，數據的分析、決策，再次得到新的工藝優化方案，進行執行，通過數據的自動流動，實現對工藝進行持續的優化改進。

3.2 計劃排產設計思路

面向CPS的計劃排產實現了大數據、人工智能等技術在計劃排產過程中的應用，通過生產過程信息采集、模型建立及分析、業務優化決策和業務執行四個循環過程形成管理閉環，通過四個閉環的循環過程實現計劃排產的不斷迭代優化。

1）生產過程信息采集

企業需要對生產執行過程中的過程信息實時采集，包括對人員信息（可作業人員數量、可作業人員可用工時、各作業人員生產效率等）、物料信息（相關任務物料及替換物料在制數量、物料可用狀態、物料位置、物料報廢數量等）、設備信息（運行狀態、修理情況、保養情況、設備可用時間、設備故障情況、設備稼動率等）、工具工裝信息（相關工具工裝所屬設備、工具工裝狀態、工具工裝損耗情況）、計劃執行信息（生產準備執行情況、派工報工信息、報警信息等）等進行數據采集。

2）模型建立及分析

計劃的合理編制必須建立在有效切合生產實際的模型基礎之上。計劃編制之前需要對物料、生產資源、生產工藝過程等過程要素進行模擬仿真，建立生產仿真模型；計劃編制過程中，需要對生產執行過程中采集的現場反饋信息進行篩選處理，建立高級計劃排產的優化模型。

生產仿真模型的建立需要對物料數據、生產資源、生產工藝過程等信息進行詳細描述。

基本信息包括名稱、規格、型號、單位、種類等，其中種類包括產品類、原材料類、自制件類、采購件類、工裝類、輔料類、工具類等。

生產資源包括日歷班次、人員、工具工裝、設備、生產車間、工作中心、生產線等生產資源。

生產線：對于按照生產線流水方式組織生產的生產類型，定義生產線編碼、生產線節拍、生產線開線準備時間等基本信息。

生產工位：工位是流水線生產過程管理的最小粒度，計劃制定、生產任務派工、生產進度跟蹤等均以工位為基本單位；生產工位的屬性包括工位編號、所屬車間、生產資源配置（人員、工裝、設備）、工位控制屬性（是否質檢、是否完工匯報）、生產節拍（產能）等。

工作中心：對于離散機臺式生產組織方式，工作中心是一個生產作業單元，包括機器、人和設備。計劃制定、生產任務派工、生產進度跟蹤等均以工作中心為基本單位。工作中心的屬性包括所屬車間、生產資源配置（人員、工裝、設備）等。

設備：機加、裝配、質檢等設備的編碼、名稱、安裝位置、設備功能、設備檔案等，關聯設備臺賬，作為設備管理的基本信息。

圖3 計劃排產

工裝：工裝編碼，所屬設備、工裝狀態（在庫、在用、維護）等，關聯工裝臺賬。

人員：車間員工的唯一編碼、所屬車間、所屬班組、人員權限、人員資質等，作為人員管理的基本信息。

日歷：企業中的日歷可以有企業日歷、車間日歷、班組日歷等不同層次的日歷，企業、車間、班組根據自身能力和任務編制各層級日歷。

生產工藝過程建模是從產品生產的角度描述產品的結構，在制造BOM里面定義了產品的制造結構，主要包括：產品結構、工藝路線等內容。

產品結構：產成品與各原材料直接的關系、各物料定額等；生產線工位物料清單，描述產成品與生產線上各工位裝配零部件直接的關系、各零部件定額等。

工藝路線：描述產品制造過程、加工要求、順序等的文件，具體包含生產線、生產工位、加工路徑、加工方法、加工資源、定額工時等。

計劃排產優化模型的建立需要包括約束條件、優化目標和實時反饋等信息。

約束條件：約束條件是計劃排產過程中必須進行考慮的各種限制因素，具體包括人員、設備、工具工裝、物料等。

優化目標：優化目標是計劃排產決策的依據，企業需要根據企業發展戰略、生產經營策略，結合企業當前發展階段、市場環境、運行狀況等因素，綜合決定計劃排產優化目標，企業通常需要考慮的優化目標有生產效率、生產成本、庫存成本、交貨期、生產質量、設備利用率等。

實時反饋：實時反饋是指需要實時采集人、機、料、任務執行情況等現場生產執行過程信息，計劃排產時，需要基于最新的生產執行過程反饋數據。

MES基于所建立的生產仿真模型和計劃排產優化模型，根據MRP計劃結果，進一步進行車間計劃排產，編制按生產線組織生產的車間級生產線日計劃和按工作中心組織生產的車間工序作業計劃。

3）業務優化決策

MES基于所建立的生產仿真模型和計劃排產優化模型，根據MRP計劃結果，進一步進行車間計劃排產，編制按生產線組織生產的車間級生產線日計劃和按工作中心組織生產的車間工序作業計劃。

根據計劃執行結果，實時采集生產執行過程數據，并與對應計劃進行比對，根據計劃達成情況，分析對計劃造成影響的相關因素，通過大量數據的分析，識別關鍵影響因素。相關管理人員根據所識別出的結果，分析決策后輸出相關處理措施計劃，如人員限制因素明顯，則決策后可輸出對應的人員招聘計劃、員工培訓計劃。

4）業務執行

業務執行是對業務優化決策的物理實現，對于通過采集、分析、決策等過程識別出的問題及輸出的相應決策，進行具體的措施執行，相關措施包括需求管理、約束管理、目標管理等過程。需求管理可以通過銷售訂單管理、預測模型建立等方法進行執行；約束管理可通過員工招聘計劃、員工培訓計劃、設備采購計劃、設備維修保養計劃、物料配送計劃、物流優化等一系列措施進行優化生產過程相關的人、機、料、法、環、測等要素的管理水平，最終實現保證交期、降低成本、提高質量與效率的運營目標。通過采集、分析、決策、執行閉環流程不斷進行優化，提高企業計劃排產水平。

4 結語

面向CPS的MES系統是制造執行系統的發展方向，是對新一代信息技術的和理論的最新應用和實踐的必然產物。通過CPS原理的應用和MES系統的改進，將有效的改善企業的生產運營，實現價值流的有效遞增。本文為面向CPS的MES的實現總結業務關鍵要素和設計思路。本文在提出的六大平臺和六維管理的思路，則從車間管理的主要業務出發，總結了面向CPS的MES的總體架構和主要核心業務，這些將為企業進一步完善和拓展制造執行系統的應用奠定基礎。本文由于篇幅所限，僅介紹了面向CPS的MES的工藝執行和生產計劃部分，后續將在此基礎上介紹生產物流、過程質量、設備管理、生產協同幾個維度的關鍵要素和設計思路。