本文內容主要關于流程產業MES系統模型設計和流程產業MES系統模型體系結構。MES系統是處于ERP系統和PCS之間的執行層，將經營目標轉化成生產過程中的操縱目標，通過反饋執行結果，不斷調整和優化，形成一個周期性的從生產經營到生產運行和過程控制的高效閉環系統，企業信息通過MES系統層實現了全集成。

一、流程產業MES系統模型設計

根據企業性質及建模目標的不同，企業模型可以分為多種不同層次水平和視角的模型形式。MES系統的建模目標是在對企業MES層內各種物理、功能實體間的功能關系和信息關系以及各種消息態依靠關系進行抽象描述基礎上，完成對MES層的分析和綜合，通過信息集成、過程優化及資源優化，實現物流、信息流、價值流的集成和優化運行。

1.模型層次

MES系統模型根據深度不同可以分為若干個模型層次，通常情況下可以分為三個層次：在MES系統行為水平上的模擬，即復現真實系統的行為；在MES系統狀態結構水平上的模擬，即與真實系統在狀態上互相對應，通過模型可以對未來的行為作唯一猜測；在MES系統分解結構水平上的模擬，即模型唯一地表示出真實系統內部的工作情況。上層模型可以以一種清楚的方式映射到下層模型中。對應MES系統模型可以分為MES系統總體概念模型，包括企業MES系統范圍、業務流程、功能構件；MES系統設計模型，包括物流模型、信息流模型、價值流模型；MES系統功能模型，包括完成MES系統實施的各功能模塊模型，如計劃模型、調度模型、設備治理模型、物料跟蹤模型、質量治理模型、資源治理模型等，如圖2所示。

2.模型特征

一個有效的MES系統模型必須具備以下特征：動態可維護性、可分解性、精確度、可重構性、可互用性、專業性、上下延拓性等。

1）動態可維護性。指系統模型在所有時候都可以與系統保持一致。支持模型維護操縱，如矯正維護、完善維護、適應性維護、預防性維護等功能。

2）可分解性。基于復雜模型的多層次性和多粒度性，根據業務需求不同在構成集成企業模型的各個粒度和層次上應該都可以支持對系統的動態決策和控制，并且對不同時間標準和空間標準的模型能確保一致性。

3）精確度。指模型與原形系統相一致的程度。在復雜系統建模過程中由于系統的復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反映原形系統的本質規律，即保證模型能滿足系統答應誤差要求。

4）可重構性。模型的可重構性可分為三個層次：基于動態企業模型的系統級軟件重構，滿足業務流程重組的需求；基于中間件技術的系統重構，滿足跨平臺的信息處理需求；面向對象的軟件重用，實現軟件開發中的底層模塊的重用。在模型設計時為了增強系統的柔性和可配置性，系統的基礎結構應該基于企業組件庫，企業業務功能和組件之間存在映射關系，通過捆綁定義實現系統模型與系統組件之間映射關系。

5）可互用性。根據ISO/IEC16100標準的定義，可互用性指兩個或兩個以上的軟件系統通過共同的接口共享或交換信息的能力。在企業CIMS實施過程中，它可以用來解決企業內部信息系統之間的數據和信息的交互題目，消除由于模型異構引起的系統間沖突和不一致性，進步整體協同運行的有效性。

6）專業性。在MES系統建模過程中融進了一些流程行業的專有關鍵技術，如物料平衡技術、數據校正技術、全面質量治理技術、動態本錢控制技術、設備故障監測與分析等，以滿足解決生產現場各種復雜題目的需要。

7）上下功能延拓性。MES系統與ERP系統和PCS之間有部分功能重疊的關系，固然各個層次系統中同一類模塊的側重點有所不同，但建模過程中應增強與治理系統和操縱設備的功能集成，形成流程產業企業自動化綜合系統的完整解決方案。

3.建模方法

傳統的建模主要有機理建模的方法和辨識建模法。建立的模型種類包括動態定量模型、邏輯模型、半定性與定性模型、描述性模型、統計模型等。對應于圖1PCS層的應用需求，傳統動態模型發揮了重要作用，建立了控制理論的完整體系，形成了相關的應用技術。

面向對象的建模方法沿用軟件工程中面向對象的編程思想。基于多智能體的面向對象建模方法、基于元模型的面向對象建模方法、基于框架的面向對象建模方法等都是在它基礎上衍生出來的。

1）基于多智能體的面向對象建模方法

面向MES系統服務的軟件是由不同廠家開發的，所以MES系統表現出不同程度的分散性。如何把這些開發時間不同、基于不同平臺的子系統集成起來，協調工作，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。發揮Agent自動性、反應性、社會能力、自治性的優點，采用分布式異構Agent協同求解的系統模式對系統建模。其難點在于當采用不同粒度Agent來描述對象實體的規模時，粒度的大小很難把握。假如選擇太小，生產環境中Agent的數目就多，系統的靈活性高，適應性強，但系統的組織與控制的復雜程度也隨之增加，使系統的運行效率降低。反之每個Agent的任務過重，無法體現Agent在分布式環境中的上風。

2）基于元模型的面向對象建模方法

元模型是關于模型的模型，是關于如何建立模型、模型的語義或模型之間如何集成和互操縱等信息的描述，是對某一特定領域建模環境的規范定義。元模型比模型的抽象程度高。基于元模型的建模技術可以使子系統模型在更高的層次上進行集成。在模型設計過程中以元模型中的元類為頂點自上而下逐步擴展細化，并創建一系列類簇，即包括抽象類或接口及其派生類的集合，根據具體需求可以適當地增加、刪除或者修改元類的屬性或方法，并運用標準建模語言開發成軟件組件。實現系統模型的可重用性、靈活修改性和可擴展性，方便復雜系統的模型綜合信息集成和數據集成。

3）基于框架的面向對象建模方法

隨著面向對象技術的日趨成熟，低層次的代碼復用已經不適合于特定領域大型軟件生產的需求，不僅要重用舊的代碼，而且要重用相似的分析設計結果和體系結構，來減少構造新軟件系統的代價并進步軟件的可靠性。基于框架的方式就是這樣一種面向特定領域的重用技術。為實現系統的開放性和可重構性，先后出現了以數據為中心的系統模型、以執行為中心的系統模型和面向對象的系統模型等。前兩種模型分別在數據、功能等方面實現了軟件重用，在建模領域應用基于框架的面向對象方法可以保證系統的開放性、可集成性和可重構能力，使得整個信息系統集成平臺的實施過程在集成框架的控制與指導下完成。

二、乾元坤和流程產業MES系統模型體系結構

國內外各著名的自動化軟件廠商和科研機構都提出了針對流程企業的，以MES系統為核心的綜合自動化解決方案，如Invensys、SIEMENS、Emerson、ASPENTech、Honeywell和浙大中控等。這些MES系統產品的技術構架可以分為單一模塊型、積木型、綜合集成型和概念型產品。

1.單一功能模塊型

各軟件廠商最初都經歷過設計、開發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部分的治理需求而設計，自成體系，實現物流治理、質量治理、設備治理、計劃統計、生產調度、流程模擬、數據校正等功能。
這類應用軟件由于開發本錢適中，技術門坎低，在我國石化企業的應用十分廣泛，是中小企業信息化的首選，但這類定制軟件很難適應系統資源和需求的變化。

近年來，國外應用軟件商大都采用整體軟件產品開發流程，鑒戒在產業控制領域廣泛采用的組態軟件技術，將應用軟件的功能模型與業務治理信息系統界面、數據庫維護等方面的功能分離開來。基于組態技術實現的功能模型，可組態、可配置，再根據業務治理和優化的需求，對模型進行優化計算和智能推理等數據處理，可開發出面向單一或多個功能需求的通用型軟件產品，如流程模擬、虛擬工廠模擬器、生產計劃與優化、生產調度與優化、先進控制與實時優化等應用軟件，避免了重復定制軟件的過程。

2.疏松集成和信息孤島型

由于生產治理的復雜性，必然需要開發和應用多個單一功能模塊。在網絡環境和這些功能模塊逐步建設過程中，都是以積木塊的形式搭建，利用數據庫和網絡資源集成在一起。很多 MES系統業務治理軟件和優化軟件之間缺乏有效的溝通和信息共享，使得數據庫中存在大量的數據冗余，數據存貯效率不高。另一方面為利用原有應用系統信息，有時通過設計復雜的專有的數據接口來實現某些后續應用系統，使得各應用系統間形成復雜的藕合關系，各系統的升級維護十分困難，制約了綜合自動化系統的總體效益。

3.綜合集成型

為了解決這些題目，業界開始采用同一數據平臺、軟件中間件技術，試圖把原先業已存在的各應用套件加以整合，出現了以IBM為代表的綜合數據模型模式，建立全企業同一的數據模型，為所有的應用模塊服務，大大進步了數據庫的訪問效率。
IBM的CIPROS建立了煉油企業所有裝置及其連接關系的數據模型，即以數字表示方式的煉油廠模型，并與實時數據庫實現了事件驅動連接，實現煉油廠生產數據的治理。各應用軟件通過接口程序與CIPROS核心數據庫平臺進行數據協調和溝通，集成為一個同一整體。CIPROS通過友好的用戶界面，用戶可以方便地控制和維護關系數據庫中的所有信息，使得數據一致性和可維護性進步，并大大降低了數據庫中數據的冗余度。中國石化濟南分公司于90年代后期引進了CIPROS集成平臺，成為當時其他石化企業信息化建設的標桿。CIPROS的缺點在于當應用軟件功能需求發生變化時，必須改變數據庫內核和接口程序，給系統的維護帶來了麻煩和不便。

4.概念型軟件產品

概念型軟件產品指設計理念超前，代表行業發展方向的MES系統產品，固然其技術基礎和產品成熟度仍需完善，但獨具前瞻性的用戶已開始接受產品的理念。概念型軟件產品代表了技術發展的方向。

1）同一工廠模型方案

AspenTech開放建模環境OSE是仿真工具的集成環境，答應不同的仿真模型通過標準接口接進模型。各個模型連接在一起并作為一個整體進行仿真和分析。OSE提供了一個標準的方法來連接共用的設備模型和工廠數據。其核心思想是支持在整個運作周期運用同一個功能模型，并且支持多模型應用的無縫互用。通過將過程、公用系統和基本的仿真模型結合起來，形成一個綜合的、工廠級的仿真環境，使得用戶理解并建立經濟和技術的平衡模型，實現生產設備的工廠級優化。

2）基于開發工具的集成自動化方案

西門子將MES系統建立在生產建模結構之上，用戶可以用遞階模型，將各種專用產品組件協同起來，來描述業務和生產作業。

西門子MES系統Simatic IT滿足國際標準ISA-95的要求，包括以下軟件組件：

①客戶端應用天生器：一個用于設計MES用戶界面的工程工具。它根據數據服務器或其他數據源獲得的數據，天生圖形化的用戶界面。

②數據集成服務：一個用于與業務系統通訊的工程環境，它答應在不同類型的應用程序和外部系統中進行信息交換，提供與ERP系統和Windows文件系統接口，以及用于定制接口的COM接口。

③產品定義治理器：處理所有與產品定義相關的題目，例如定義生產產品所必須的操縱步驟。把描述、組合資源和參數等產品規范集中在一起，然后利用這個規范對所有部件進行生產操縱。

④生產套件：涵蓋了MES系統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進來。通過這種方式，用戶不需要進行復雜的技術封裝就可以完成相應的解決方案。

3）虛擬工廠綜合自動化解決方案

根據中國石化MES系統開發和應用實施中碰到的實際需求，又基于研究生創新能力培養的需要，作者在流程產業智能工廠實驗系統建設的基礎上，進一步設計了虛擬工廠綜合自動化系統解決方案，如圖3所示。

MES系統是一個軟、硬件集成的生產企業模擬運行系統，利用系統建模、仿真和優化技術，在高性能計算機及高速網絡通訊的支持下，通過內建的模型和算法來模擬現實流程產業產品生產和供給鏈治理的全過程。它與現實的石化企業信息化治理系統具有相似的結構、相似的系統配置和相同的功能，可猜測產品性能、產品生產本錢、過程的可操縱性以及對環境的影響，從而實現資產優化、工藝設計和生產優化、產品創新、技術進步、資源公道配置和供求關系平衡，使企業更具競爭力。
虛擬工廠綜合自動化解決方案基于三大技術：生產過程虛擬仿真技術；由現實工廠獲取信息的技術；由虛擬世界控制現實的技術。其中，生產過程建模和虛擬仿真技術是關鍵。

在利用圖4平臺支持煉化企業MES系統研究與開發的過程中，未采用自底層設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建模方法，而是首先建立以物流跟蹤模型為主線的MES系統實施模型，然后逐步擴展，建立更大更復雜的過程仿真和決策模型，從而明顯縮短了建模周期，節約了開發本錢。使中國石化MES系統在較短的周期內完成設計、開發和應用實施工作。利用物流跟蹤模型，實現了物流、能耗數據完整性和邏輯正確性的在線檢測和維護，有效進步了企業生產績效數據的統計精度和可視化程度，MES系統用戶基于猜測績效和實測績效的對比，進行生產優化決策和精細化操縱。

最后

北京乾元坤和流程產業MES系統從單一功能模塊型、積木型到綜合模型集成型，可以清楚地看到MES系統今后的發展趨勢就是不斷滿足企業業務過程和控制過程可集成性、可配置性、可適應性、可擴展性和可靠性的要求。開發出適應于我國流程產業企業的MES系統產品，實現PCS-MES-ERP的緊密集成，進而提出我國流程產業MES系統模型設計規范與實施標準。

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