0 引言
制造执行系统(Manufacturing Execution System，简称MES)是近10年来在国际上迅速发展、面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。MES可以为用户提供一个快速反应、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业有效降低成本提高产品质量和服务质量。制造执行系统适用于钢铁、家电、半导体、医药等不同行业，能够为单一的大批量生产和既有多品种小批量生产又有大批量生产的混合型制造企业提供良好的企业信息管理。
目前，全球各大IT巨头正以前所未有的规模投入到云计算技术及其产品的普及中，云计算作为一种商业计算模型和服务模式，它将任务分布于由大量计算机构成的IT资源池，形成“云”，使得各种应用系统能够根据需要直接从云端获取计算能力、存储空间和各种应用服务。通过云端动态资源的调用，有利于提高效率、降低成本和技术创新。私有云是云计算存储模式中的一种，主要为企业单独提供数据存储和业务访问。
云计算作为21世纪IT应用和计算模式的发展趋势，可以为MES提供很好的技术支持环境，从而满足离散制造业需求多样化、技术自动化的发展趋势。基于上述分析，本文将“制造即服务”作为核心理念与云计算结合，利用私有云通过最佳策略动态地分配网络和存储的优势，增强企业内部数据信息整合、存储能力，为企业信息管理提供超大容量存储空间。围绕系统资源的分布式虚拟化计算，研究可扩展的模型方法库，为下料过程优化和合理决策提供了重要支撑；拓宽产品的适用范围，对多型材变截面一维下料和板材二维下料优化设计等关键问题进行深入研究。
1 MES下料优化业务介绍
下料配切是基础零部件生产的首要环节，是广泛存在于制造型企业中的重要工序，对于离散制造型企业成本消耗的控制至关重要。如何通过改进工艺水平，降低原材料消耗是每个制造型企业关注的焦点。目前离散制造业企业生产环节主要存在以下问题：
(1)在下料方案处理上，对于多品种、小批量、混合型生产的制造过程，产品质量和生产成本的控制难度都很大，每次几十种甚至上百种产品的下料方案如果完全靠人工计算，方案的优化程度较低；部分企业从国外引进相应软件，但因系统的优化算法等与公司实际不甚相符，不能达到预期效果；部分企业委托科研机构研发相应系统，针对性较强，但适用性不够广泛，体系结构不甚明朗，运行效率有待进一步提高。
(2)由于ERP系统对底层的车间层管理流程不提供直接和详细的支持，而现场自动化系统的功能主要在于对现场设备和工艺参数实施监控并向管理人员提供现场检测和统计数据，所以，对于用户车间层面的调度和管理需求，ERP系统和现场自动化系统之间出现了管理信息方面的“断层”。从上述分析来看，处于计划层和现场自动化系统之间的MES，主要负责车间生产管理和调度执行。
一个设计良好的MES(Manufacturing Execution System)系统可以在统一平台上集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等诸多管理功能。MES通过对企业制造过程的整体优化协助企业建立一体化和实时化的信息体系。
目前，对于云计算的研究集中于私有云架构的构建。离散制造企业传统的模式是众多下料部门都拥有自己的下料方案形成的计算中心，中心备有众多硬件设备，并且需要大量人员进行维护，造成企业资源的浪费和信息服务的流失。构建私有云环境下离散型制造业下料优化系统体系结构整合了分散的IT基础信息服务资源，有效减少资源的浪费。最重要的是借助云计算这种先进的计算模式提高下料优化方案形成的计算速度。传统的硬件服务计算能力由数据中心可用计算机数量决定，云计算具有可扩展性，它可以整合企业全部硬件设备来完成其相应计算，也可以根据任务紧急程度调度部分硬件资源参与下料方案的形成。
2 MES下料优化需求分析与设计
通过对大型离散制造业企业下料优化现状进行深人调研发现，为了增强所开发系统的适应性，离散型制造业企业MES下料优化模块主要有提高下料优化效率、适应集中下料模式、注重客户个性需求、统筹原料／余料下料、速成下料优化方案、集成其他信息系统这6个需求。为满足以上需求，下料优化模块可从功能上划分为数据维护、订单管理、下料优化、配尺表管理和用料管理5个子模块。每个功能模块实现一组相关功能，各功能模块内部以及模块之间的数据存储、交互和处理通过云计算中心实现。系统的主体功能模块构成如图1所示。
图1 系统功能结构
2.1 功能体系设计
1)数据维护模块。进行下料优化之前，要做一些相关的数据准备工作，本功能模块就是针对下料的准备工作而设置的，包括数据管理和下料参数设置2个基本功能。
数据管理包括：①云知识库管理。充分利用
云存储的高效性和动态性，把下料方案(配切表)与对应的生产产品的信息以案例的形式实时地存入知识库中，实现知识的累积与共享，为后续的下料优化提供有参考价值的数据和图形信息；对知识库中的案例进行数据操作，包括案例查询、删除和打印。②云数据库维护。通过云平台中的数据访问接口对云数据库进行数据库的备份、还原和数据操作(包括数据的查询、删除和增加)。
下料参数设置包括：①优化目标与期望设置。用户设定达到材料利用率最优或者是达到生产效率和材料利用率综合最优的决策参数；设定选定的优化目标的用户期望值。②优化类型设置。可以选择单型材的下料优化，也可以选择多型材的下料优化，在系统中对每种优化类型都设计了专门的模型与算法，可以直接调用模型库和方法库进行求解优化。
(2)订单管理模块。生产计划部提供的生产订单可能是以产品、部件或零件的形式给出，系统录入后结合交货期等相关提示信息通过产品类型、工艺路线等要求对其进行整合。订单整合功能包括：①人工录入订单。对于小批量、临时性的生产订单，可以直接人工输入订单数据。根据生产产品的产品类型、工艺路线将订单统一分解成零件生产订单。②自动录入订单。对于大批量的生产订单，系统定义了统一格式的订单清单，通过该功能批量读取订单实现订单自动录入。在导入过程中所有订单都被分解为面向零件的生产订单。③订单整合。根据零件的材质和工艺类型对订单进行归类、整合，形成新的零件订单。订单查询主要指对整合后的订单进行查询、修改、删除等数据操作。
(3)下料优化模块。选取系统整合后的面向零件的订单，分解成下料任务，根据原料需求、下料参数选择不同的优化方法进行优化。下料任务到达后，利用云计算的快速搜索能力，在知识库中寻找出相同的符合要求的配切方案，作为优化结果；根据下料任务对材料和毛坯形状的要求，从模型库中调用连铸配切、模铸配切、板材配切的模型，从方法库中调用相应的求解算法进行求解，得到优化方案。生成下料轮廓图，下料轮廓图表达了最终的下料加工毛坯的实际切割轨迹；显示配尺表(配切方案)的详细信息，包括各规格原料的总长、编号、材质、生成产品所需原料的数量、配切率最高的切割方案；统计下料过程中消耗的原料，计算下料方案的配切率，通过对比图进行直观的显示。
(4)配尺表管理模块。配尺表管理包括配尺表审批和配尺表发布。①配尺表审批。管理人员可以对配尺表进行查询、审核和删除。系统提供2种查询方式，即生成配尺表的时间和配尺表的状态；配尺表的状态分为“计划”和“审核”，进行审核后“计划”状态的配切表就转为“审核”，经过审核后的配切表才可以进入下一步的工作中；删除是将那些不满意的未经过审核的配切表还原为未切割待选状态，重新进行下料的优化。②配尺表发布。审核后的配尺表发布到排产部门，进行下一步的排产工作；配尺表的相关数据和图形信息传输到数据维护模块，存人历史数据信息库，为以后的下料优化提供参考。
(5)用料管理模块。为了更好地利用物料资源，尽量减少物料资源的损耗，需要通过库存原料管理和余料管理了解当前库存原料以及以前产品加工中剩下的边角余料情况。管理选用的原材料的规格信息，每次下料后记录生成的余料信息，为基于库存下料提供支持。
2.2 系统架构设计
企业私有云架构的实现必须借助虚拟化技术，通过虚拟化技术企业私有云计算可同时为内部云用户提供同样的服务。
本系统构建私有云体系结构部署在企业级的虚拟化层面上，该系统与内、外部实体也存在着实时、动态的交互，外部实体客户借助其客户端的浏览器访问系统表示层的应用程序界面提交相关订单；企业内部实体下料车间主要是按照系统生成的下料方案执行配切任务，它直接与系统的功能层产生交互，同时系统也会在求解下料方案时统一调度其信息资源快速生成下料方案。
图2所示为系统服务平台与内、外部实体的结构示意图。
图2 系统服务平台与内、外部实体结构
3 MES下料优化系统功能实现
系统在分析和设计过程中精准定位于离散型制造企业，以提高其下料配切率为目标，以智能算法和科学模型为内核，整合了企业内部分散的基础信息服务资源，构建了私有云环境下企业信息服务架构。为了提高系统的鲁棒性和兼容性，系统在Microsoft Windows 2000Sever环境下部署Oracle 9i大型数据库，智能算法及业务流程采用Visual C++6．0开发，客户端只需要安装能接人互联网络的浏览器，真正体现了云环境下“瘦客户”端的特征。本系统从众多原料配切方案中筛选出配切率最高的一种方案生成配尺表，克服了以往手动计算配切率低下、对工人专业和经验要求较高的限制，从而使系统具备良好的应用前景和推广价值。
本系统主要利用离散制造大型企业Oracle 9i数据库中的块、表、队列等方式进行存储，通过REST(表述状态转移)方式对其进行操作。同时数据库提供了REST所有编程接口，开发中只需引用该project或者把它编译为DLL(动态链接库)即可把数据层和功能层进行衔接。
私有云环境下的离散制造业下料优化系统的体系结构如图3所示。考虑到私有云环境下离散制造业下料优化系统的功能扩展性和开发的效率，确定按层次化、模块化的思路构建系统的3层体系结构模式。这种架构不仅有“瘦客户”端优点，更能体现云计算无需考虑初始化基础设施，自动完成后继扩展性的特点。
图3 私有云环境下的离散制造业下料优化系统体系结构
系统分为表示层、功能层、数据层3个层次，这3个层次的云服务都被搭建在虚拟化层面上。其中，位于底层的数据层，包括了系统需要的数据库(模型库、方法库、知识库、原料／余料库)；位于中间的功能层，包括了系统服务平台完成下料优化所有的功能；上层的表示层是为用户提供一个友好的操作界面。底层通过构建模型库、知识库、方法库，依据客户需要的信息首先调用模型库中能解决该问题的数学模型，再由模型关联下料配切方法并具体设定相关系数生成该问题的下料方案供客户选择，客户确定具体下料方案后送达下料车间完成下料配切任务，也可利用系统的可扩展性对优化方法进行补充更新，为后续订单提供更优良的方案配置。这种体系架构，一方面支持网络与存储的动态分配，依托云端数据中心，构建超大容量存储空问，集中整合信息服务资源；另一方面，通过虚拟化技术组合完成对客户大量订单的高性能计算处理与信息回馈，使计算处理速度能够达到单线程信息处理速度的数倍。图4所示为最终可实现的下料优化系统显示界面。
图4 下料优化结果显示界面
4 结束语
离散制造企业中经营与生产的脱节、效率低下等问题不利于企业发展，而只具备基本功能的MES也已不能满足企业的需求。随着企业信息化应用的逐步深入，为提升企业核心竞争力，以过程优化为核心的MES系统正在逐步兴起。本文提出的基于云环境的离散制造业MES下料优化系统，采用开放性的可扩展的云环境体系结构，以数据中心形式提供了底层资源应用，注重对生产过程产生的知识操作工人或专家等的经验的提取与重用，对实现生产过程的最优计划与模型库方法库更新等功能都有所贡献，但对于系统适用产品维度和云架构的安全性问题，还有待做出进一步研究。
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本文标题：云环境下离散制造业MES/ERP下料优化系统分析与设计
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