周江林，張 博，孔祥君，曹 飛，呂海洋，李文博，鐘 貞，閆晶婭

（國機(jī)智能技術(shù)研究院有限公司，北京 100083）

1 引言

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System,MES）作為一種典型工業(yè)軟件，是智能制造核心技術(shù)之一，可以提升制造業(yè)企業(yè)的制造和管控能力，促進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，國家在《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中繼續(xù)將智能制造技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展方向。隨著產(chǎn)業(yè)升級變革政策的推動(dòng)，工業(yè)軟件成為了實(shí)施產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)再造工程的新“五基”，有望在未來十年帶來制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

制造業(yè)經(jīng)歷了機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化三次技術(shù)革命后，智能制造的誕生拉開了第四次工業(yè)革命的帷幕。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)制造技術(shù)的生產(chǎn)方式沿著“手工-機(jī)械化-單機(jī)自動(dòng)化-剛性流水自動(dòng)化-柔性自動(dòng)化-集成敏捷虛擬自動(dòng)化-數(shù)字網(wǎng)絡(luò)綠色智能化”方向發(fā)展。制造執(zhí)行系統(tǒng)逐步成為制造企業(yè)建設(shè)智能工廠、實(shí)現(xiàn)運(yùn)營管理新模式的中心環(huán)節(jié)，是融合了先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工廠制造過程智能化的核心信息系統(tǒng)。在智能工廠中，與產(chǎn)品相關(guān)的市場需求、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、制造指令等各種信息都將在這里匯聚，通過智能工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)與智能化的裝備相連接，制造出滿足市場需求的個(gè)性化產(chǎn)品，并提供智能化的系統(tǒng)服務(wù)。通過制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用和實(shí)施，可以將自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能機(jī)器人技術(shù)、數(shù)字化物流技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間中人、機(jī)、料、法、環(huán)的集成。而從制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展演進(jìn)成制造運(yùn)營管理系統(tǒng)（Manufacturing Operation Management，MOM），將不僅為制造業(yè)企業(yè)提供現(xiàn)代化的管控平臺(tái)，還能夠提供面向現(xiàn)代化車間的、加工、物流、管控技術(shù)互相融合的解決方案，將有利于制造業(yè)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

2 制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展分析

自MES國際聯(lián)合會(huì)（MESA）于1997年提出MES的11個(gè)子系統(tǒng)（模塊）起，MES在標(biāo)準(zhǔn)制定和軟件產(chǎn)品發(fā)展上都在伴隨著工業(yè)的發(fā)展不斷進(jìn)步。信息技術(shù)的發(fā)展也為MES發(fā)展提供了有力支撐。隨著智能制造技術(shù)推動(dòng)下的新型生產(chǎn)模式的不斷演進(jìn)，MES正在向更適應(yīng)新生產(chǎn)模式的智能化、平臺(tái)化方向發(fā)展。

2.1 相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

中國際上制定的制造執(zhí)行系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有ANSI/ISA 95、OpenMES、OAGIS等。ANSI/ISA 95被 IEC/ISO（國際電工委員會(huì)/國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）采用后形成了IEC/ISO 6224。我國現(xiàn)有的制造執(zhí)行系統(tǒng)和制造運(yùn)行管理系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均從IEC/ISO 6224轉(zhuǎn)化而來，如非強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25485—2010《工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成制造執(zhí)行系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)》、GB/T 20720.3—2010《企業(yè)控制系統(tǒng)集成 第3部分：制造運(yùn)行管理的活動(dòng)模型》等。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的模型和范圍主要是面向工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和企業(yè)控制系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)將企業(yè)的模型劃分為5層，如圖1所示，其將MES/MOM限定在第3層制造現(xiàn)場，這已不能適應(yīng)智能制造技術(shù)的發(fā)展要求。智能制造要求打破原有層級的業(yè)務(wù)范圍，以定制化、個(gè)性化方式，快速實(shí)現(xiàn)市場需求的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)從市場需求、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、加工制造、售后服務(wù)的扁平化，從而靈活、高效地支持定制化產(chǎn)品制造。因此，需要將制造運(yùn)營管理系統(tǒng)的范圍從制造現(xiàn)場向上層的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造供應(yīng)鏈以及下層的智能裝備層面擴(kuò)展。

圖1 企業(yè)信息系統(tǒng)功能層次模型

2.2 相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

國外MES/MOM軟件產(chǎn)品的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：專用MES階段、集成化MES階段以及平臺(tái)化MOM階段。隨著MES相關(guān)技術(shù)不斷進(jìn)步，許多先進(jìn)制造理論和生產(chǎn)現(xiàn)場管控技術(shù)也取得了突破和發(fā)展，形成了現(xiàn)代智能化車間的管控技術(shù)。國外MES技術(shù)是隨著信息技術(shù)的發(fā)展而快速發(fā)展的，呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：

1）標(biāo)準(zhǔn)化不斷提高。越來越多的企業(yè)開始尋求標(biāo)準(zhǔn)化的MES軟件，它采用成熟的技術(shù)，通用化的平臺(tái)，易于維護(hù)，易于使用。如西門子公司開發(fā)了50多個(gè)行業(yè)庫，成為了標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

2）智能化不斷增強(qiáng)。MES將逐步具備多維信息融合、復(fù)雜大數(shù)據(jù)處理和快速?zèng)Q策能力，可根據(jù)實(shí)時(shí)互聯(lián)感知數(shù)據(jù)和積累的知識(shí)庫實(shí)現(xiàn)智能排產(chǎn)和調(diào)度、智能診斷以及預(yù)測性維護(hù)。

3）管控功能不斷完善。隨著MES的不斷發(fā)展，多數(shù)廠家的MES已具備了MESA提出的11個(gè)主要MES功能模塊，并且在此基礎(chǔ)上不斷增加新的管控功能模塊，逐步形成包含生產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)運(yùn)行、質(zhì)量運(yùn)行、庫存運(yùn)行四個(gè)方面共同服務(wù)于企業(yè)制造運(yùn)作全過程的MOM系統(tǒng)整體解決方案。

國內(nèi)MES技術(shù)與發(fā)達(dá)國家有一定差距。相比之下，國內(nèi)MES廠商的技術(shù)差距表現(xiàn)在產(chǎn)品的整體架構(gòu)、細(xì)節(jié)功能等方面。國內(nèi)MES產(chǎn)品在經(jīng)過多年的積累之后，技術(shù)日趨成熟、業(yè)績逐漸增多，越來越多的國內(nèi)MES企業(yè)逐步完善MES/MOM產(chǎn)品，主要技術(shù)發(fā)展趨勢如下：

1）探索適合國情的先進(jìn)制造管理與控制方法，將精益生產(chǎn)、綠色制造等先進(jìn)的制造理論與管控技術(shù)應(yīng)用于MES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2）吸收最先進(jìn)的IT技術(shù)成果，將低代碼開發(fā)技術(shù)、插件化技術(shù)、邊云協(xié)同技術(shù)和虛擬/增強(qiáng)/混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于MES的開發(fā)。

3）開發(fā)適合國內(nèi)生產(chǎn)特點(diǎn)的行業(yè)模型庫和行業(yè)版產(chǎn)品，以熟悉本土企業(yè)專業(yè)化的優(yōu)勢應(yīng)用于MES的工程實(shí)施。

4）發(fā)展平臺(tái)化MOM產(chǎn)品。平臺(tái)化MOM是MES行業(yè)發(fā)展過程中的一種新模式，它較好地解決了個(gè)性化定制軟件和標(biāo)準(zhǔn)化套裝軟件之間的問題，即可以使用標(biāo)準(zhǔn)化套裝軟件的標(biāo)準(zhǔn)體系，為企業(yè)引進(jìn)先進(jìn)的管理經(jīng)驗(yàn)，也可為企業(yè)個(gè)性化需求尋找到了一條快速而正確的定制之道。

近年來國家在重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造和智能工廠”“工業(yè)軟件”專項(xiàng)，以及智能制造新模式應(yīng)用、綜合標(biāo)準(zhǔn)化等專項(xiàng)中大力支持MES/MOM等技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)及應(yīng)用，從戰(zhàn)略的高度上給予了相當(dāng)?shù)闹匾?。目前，MES在理論研究和具體實(shí)施方面取得不少成績。伴隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同以及德國工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造2025等概念的深化應(yīng)用，MES研究與應(yīng)用已經(jīng)不是以往在單一車間、單一工廠中的制造執(zhí)行系統(tǒng)，而是在深度和廣度將會(huì)有更大發(fā)展的系統(tǒng)。

2.3 相關(guān)軟件技術(shù)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

軟件技術(shù)平臺(tái)，是指具有跨領(lǐng)域、跨行業(yè)的通用型企業(yè)級應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)。它可為廠商自身的開發(fā)人員、合作伙伴的開發(fā)人員以及最終用戶的開發(fā)人員服務(wù)，目的都是對個(gè)性化的需求進(jìn)行快速二次開發(fā)/搭建。目前，市場上的企業(yè)級應(yīng)用軟件技術(shù)平臺(tái)廠商都可提供自己的軟件技術(shù)平臺(tái)。

隨著信息化和智能化高速發(fā)展，軟件技術(shù)平臺(tái)在各領(lǐng)域的應(yīng)用中的推廣程度和應(yīng)用效果卻有著很大的差異性，例如在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，微服務(wù)（開發(fā)）平臺(tái)已經(jīng)被普遍使用，而在電子商務(wù)領(lǐng)域，移動(dòng)端的技術(shù)（開發(fā)）平臺(tái)（例如微信軟件開發(fā)平臺(tái)）也遍地開花。但是，軟件技術(shù)平臺(tái)在制造業(yè)中的普及程度及應(yīng)用效果卻不如人意，甚至國外軟件巨頭廠商們所提供的技術(shù)（開發(fā)）平臺(tái)由于無法適應(yīng)和滿足國內(nèi)制造業(yè)企業(yè)的現(xiàn)狀和需求，因此在國內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)其在國際市場上所取得的市場占有額。而國內(nèi)很多軟件企業(yè)為了使自家的軟件技術(shù)平臺(tái)能夠適應(yīng)其在各領(lǐng)域的應(yīng)用，不得不舍棄一些各領(lǐng)域的特性，這樣做使得平臺(tái)具有通用性的同時(shí)也失去了行業(yè)領(lǐng)域的特色，因此到目前為止還沒有大型企業(yè)專門針對制造業(yè)研發(fā)一種軟件技術(shù)平臺(tái)。

近年來隨著低代碼開發(fā)平臺(tái)的興起，其對專業(yè)編程能力的低要求特性使得更多的業(yè)務(wù)人員能夠基于它構(gòu)建應(yīng)用，將其應(yīng)用于MES平臺(tái)化的需求日益高漲。低代碼開發(fā)平臺(tái)能夠幫助MES大幅度提升對于客戶個(gè)性化業(yè)務(wù)需求的適應(yīng)能力，通過低代碼開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建出與業(yè)務(wù)匹配的組件作為基礎(chǔ)，并根據(jù)用戶自身需求對組件使用搭建而非編碼方式進(jìn)行修改，逐步積累形成大量的成熟插件庫。低代碼開發(fā)平臺(tái)搭配插件化框架可作為解決跨領(lǐng)域、跨行業(yè)生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)的差異性問題的一把鑰匙。業(yè)務(wù)插件框架如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)插件化框架

伴隨著邊緣計(jì)算、云計(jì)算以及大數(shù)據(jù)的發(fā)展與普及，傳統(tǒng)的制造業(yè)也逐步地向智能化與信息化的方向轉(zhuǎn)變，已經(jīng)開始對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行智能化控制和預(yù)測性維護(hù)?？梢约訌?qiáng)對邊緣端生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集通信、智能接入、虛擬/增強(qiáng)/混合現(xiàn)實(shí)、邊云協(xié)同等關(guān)鍵使能技術(shù)的研究，使生產(chǎn)設(shè)備能夠智能化互聯(lián)感知、云端化普適接入、人機(jī)交互、云邊協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行。這是企業(yè)信息化和智能化發(fā)展的一個(gè)必然趨勢，對大規(guī)模、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理和分析，挖掘出企業(yè)制造過程數(shù)據(jù)的價(jià)值，能為企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化和決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2.4 產(chǎn)品目標(biāo)市場現(xiàn)狀與需求分析

目前，我國經(jīng)濟(jì)正處于轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，中國制造正在向“中國智造”轉(zhuǎn)變。MES產(chǎn)品的應(yīng)用符合制造業(yè)信息化發(fā)展的趨勢，在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的背景下，MES行業(yè)發(fā)展迎來機(jī)遇。

從整個(gè)MES市場來看，國內(nèi)MES行業(yè)主要集中于五大領(lǐng)域，分別是汽車、電子通信、石油化工、冶金礦業(yè)和煙草這五大領(lǐng)域。從市場份額來看，一些國際巨頭公司在國內(nèi)不同行業(yè)應(yīng)用的占比也呈現(xiàn)差異化。國外供應(yīng)商主要集中于食品飲料、煙草、冶金/礦業(yè)、汽車等行業(yè)。截至目前，國內(nèi)MES行業(yè)發(fā)展歷程較短，相關(guān)企業(yè)目前普遍有規(guī)模較小、面向行業(yè)單一等特征，競爭力較弱，所研發(fā)的MES的大多屬于定制化開發(fā)和集成應(yīng)用，基本都沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還沒有能夠提供與國外系統(tǒng)競爭的平臺(tái)產(chǎn)品，因此整體競爭力小于國外競品。另一方面，國內(nèi)軟件企業(yè)往往更接近上游工業(yè)企業(yè)客戶，熟悉工業(yè)生產(chǎn)流程，且可以快速響應(yīng)，提供優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)，通過借鑒外國MES頭部廠商的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)國內(nèi)不同類型廠商的需求，研制符合我國制造業(yè)特性的MES，國內(nèi)未來有望崛起一批規(guī)?；?、專業(yè)化的MES軟件企業(yè)。

3 智能制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件平臺(tái)構(gòu)建路徑

在充分研究論證智能制造相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，筆者團(tuán)隊(duì)依托相關(guān)項(xiàng)目課題，提出了自主研發(fā)新型智能制造執(zhí)行系統(tǒng)平臺(tái)軟件，其可包含技術(shù)、業(yè)務(wù)、驗(yàn)證三個(gè)子平臺(tái)，以平臺(tái)化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過模型驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)廣域異構(gòu)生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)感知、動(dòng)態(tài)適配與集成優(yōu)化管控，選取典型企業(yè)開展示范應(yīng)用，所遵循的平臺(tái)研發(fā)構(gòu)建路徑如圖3所示。

圖3 智能制造執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)建研究框架

1）對當(dāng)前的制造執(zhí)行系統(tǒng)的主要技術(shù)、理論和方法進(jìn)行研究。

2）研究面向工業(yè)軟件的關(guān)鍵技術(shù)，如低代碼開發(fā)平臺(tái)、插件化框架、業(yè)務(wù)流程可視化編排引擎、智能化算法引擎等，形成智能開放應(yīng)用的技術(shù)平臺(tái)，構(gòu)建共享開發(fā)社區(qū)，形成生態(tài)。

3）突破傳統(tǒng)形式制造執(zhí)行系統(tǒng)偏重于軟件流程和業(yè)務(wù)流程功能定義的模式，將生產(chǎn)設(shè)備統(tǒng)一信息模型進(jìn)行映射匹配，增強(qiáng)業(yè)務(wù)語義化模型驅(qū)動(dòng)能力和場景化云邊協(xié)同能力。

4）確定智能制造執(zhí)行系統(tǒng)平臺(tái)的運(yùn)行模型和業(yè)務(wù)范圍，執(zhí)行相關(guān)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，如術(shù)語及模型標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)與集成標(biāo)準(zhǔn)?；诩夹g(shù)平臺(tái)，進(jìn)行平臺(tái)化產(chǎn)品的開發(fā)，以及制定產(chǎn)品的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，如產(chǎn)品評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)實(shí)施指南、系統(tǒng)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)等。

5）選取跨領(lǐng)域、跨行業(yè)的典型企業(yè)，推廣相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備模型庫、知識(shí)庫及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化構(gòu)件的場景化應(yīng)用，并結(jié)合智能制造運(yùn)營管理系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)化擴(kuò)展性、集成性、協(xié)同性，并進(jìn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品功能的試驗(yàn)驗(yàn)證。

6）在完成的試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，對制定的標(biāo)準(zhǔn)及開發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行完善和修改，開展標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品的推廣示范應(yīng)用工作。

4 結(jié)束語

制造執(zhí)行系統(tǒng)是智能制造核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)智能制造和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的中心環(huán)節(jié)，發(fā)展智能制造技術(shù)、推進(jìn)智能工廠最佳實(shí)踐已為大勢所趨，因而推動(dòng)智能化的制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件研發(fā)和深入應(yīng)用已成為必由之路，而基于平臺(tái)創(chuàng)新理念構(gòu)建新型化、平臺(tái)化智能制造執(zhí)行系統(tǒng)的業(yè)務(wù)平臺(tái)、技術(shù)平臺(tái)和驗(yàn)證平臺(tái)，將成為市場需求拉動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)路線。