张卫东① ZHANG Wei-dong；邵景峰② SHAO Jing-feng
（①西安工程大学人事处，西安 710048；②西安工程大学管理学院，西安 710048）
（①Department of Human Resource，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China；
②School of Management，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）
摘要： 为解决纺织企业计划层与车间制造层之间数据表示、集成问题，首先，对制造过程中业务及数据流程问题进行了分析，构建了面向制造层面的纺织制造执行系统体系框架；然后，对制造执行系统中的数据约束规则、数据形式化表示、异构数据库的集成原理进行了设计与优化。其次，在局域网环境下，开发了一种面向制造层面的纺织制造执行系统。通过系统功能的实际应用，结果表明：经数据问题设计与优化后，制造执行系统有效实现了计划层与车间层之间数据的有效衔接，解决了企业内部数据重复度高，利用率低的问题。
Abstract： In order to solve the problem of data expression and integration between production planning layer and shop manufacturing layer in the textile enterprise， first， the workflows for business and data was deeply analyzed， and a system framework oriented to manufacturing layer for textile manufacturing execution system was built. Then， data constraint rules， formal representation， heterogeneous database integration principle in the manufacturing execution system were designed and optimized. Second， in the LAN environment， a textile manufacturing execution system oriented for manufacturing-level was developed. As verified in the practical application of the system， the results have shown that manufacturing execution system has achieved effective data convergence between production planning layer and shop manufacturing layer after designing and optimizing the data problem， and solved the problem of high duplication degree and low utilization of internal data.
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关键词 ： 制造执行系统；纺织企业；数据集成；数据表示 ing
Key words： manufacturing execution system；textile industry；data integration；data expression
中图分类号：TS103.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0047-06
收稿日期：2015年5月13日。
基金项目：陕西省科技计划项目（2013KRM07）；陕西省社科基金项目（13D026）；陕西省社科界重大理论与现实问题研究项目（2014Z039）；中国纺织工业协会指导性计划项目（2014076，2013068，2011081）；陕西省教育科学“十二五”规划课题（SGH140649）；陕西省教育厅科研计划项目（2013JK0742，11JK10550。
作者简介：张卫东（1979-），男，陕西西安人，硕士，工程师，主要研究方向为纺织生产过程管理；邵景峰（1980-），男，陕西西安人，博士生，副教授，硕士生导师，主要研究方向为智能信息处理。
0 引言
制造执行系统（Manufacturing Execution System，简称MES）是美国AMR（Advanced Manufacturing Research，Inc.）公司在90年代初提出的，其目的在于将企业资源计划层同车间现场控制，通过执行系统联系起来，实现企业生产信息的有效整合[1]。纺织企业作为传统的制造业，在ERP或设备控制系统设计实施时都涉及中间的车间管理层，对MES的需求就应运而生，其效果也逐步显现[2]。
国外从很早以前就开始研究纺织制造执行系统了，如Colorni A M[3]等人在1991年开始研究纺织制造执行系统；1995年Geroge Coppus等人，为纺织企业开发了一种制造信息系统（MIS），其属于制造执行系统的范畴；在1996年Dorigo M[4]等人研发了一种面向纺织企业的制造执行系统；1998年Tanju Yurtsever[5]等人，为纺织企业构建了一种集生产监控与调度功能于一体的制造执行系统；而且，Michael N Huhns[6]等人在深入研究流程企业制造执行系统的基础上，在2005年开发了纺织企业的制造执行系统等，促进了纺织制造执行系统的发展。我国关于纺织制造执行系统的研究起于20世纪80年代初[7]，虽然当时我国的纺织业发展良好，但是设备自动化水平低的问题不容忽视，再加上信息技术力量薄弱，生产管理方式落后等原因，造成我国一直没有建立完善的的纺织企业的制造执行系统，只在某一特定领域建立了相应的制造执行系统。直到1991年，Cheng Fantien[8]等人提出一种面向纺织企业的制造执行系统框架，我国的相关专家才开始研究这方面的内容。如郑永前[9]等人，提出了一种基于UML的面向服务的MES模型；董玉倩[10]等人对制造执行系统的关键技术进行了研究，并将其应用于纺织企业，同时，于冬青[11]等人将制造执行系统应用于纺织企业等。通过分析这些文献发现，我国关于纺织制造执行系统的研究比较单一，忽视了对制造层面的纺织制造执行系统的研究。因此在中国纺织工业联合会制订的“十二五”规划中[12]，首次将面向制造层面的制造执行系统作为了研究重点对象，这无疑推动了我国纺织制造执行系统的研发和进步。
通过文献回顾发现：国内外很多专家都把研究重点放在了系统模型的构建、先进技术在系统中的应用等方面，对系统体系结构的整合方面研究不足，在这种形势下，现有的系统虽然具有良好的先进性和兼容性，但是并没有面向制造层面的纺织制造执行系统。为此，本文将整个纺织过程的业务作为切入点，在原有各个车间监控系统的基础上，进行系统体系结构的构建，以实现上层计划层与车间现场控制层间信息的有效衔接。
1 系统结构
要想实现企业资源计划（ERP）层与车间生产控制层（PCS）之间的良好沟通，纺织制造执行系统需要起到一个承上启下的作用，为实现上述目的，应将纺织制造执行系统定位成一个多功能为一体的创新服务平台，该平台的最终目的是实现企业内部各类数据的共享共用，避免出现企业信息“孤岛”问题。具体操作如下：首先通过增量聚类算法进行聚类，并从中抽出潜在的知识规则；然后，通过数据表名称及字段的冲突处理，实现异构数据库间数据表中相应信息的统一；其次，借助数据接口，从各异构数据库中获取实时数据，建立多数据表间的品种数据信息链接，其目的是通过品种数据信息建立多数据表间的相关性，可以增强底层生产控制层数据的采集、处理、分析和存储能力；最后，通过这种关系规则，实现生产计划层与车间制造层之间数据的有效对接，进行数据的融合处理。
这样，在系统结构构建过程中，将其设计为计划层、执行层、控制层三部分。其中，计划层的主要作用是将各类车间监控系统中的异构数据进行集成，并进行数据的通信、存储以及加工。具体而言，就是实时地接收生产控制层所回送的各类生产数据，经过数据融合处理后，将其结果一方面存储在本地数据库TextileDB中，另一方面同步转储给上层ERP系统。
执行层的主要目的是进行各异构数据库记录的冲突处理，并通过数据接口进行数据的融合、存取和链接。
控制层用来统一管理制造层面的车间生产数据，主要通过实时数据与历史数据的分离方法来有效保证生产数据的实时性、完整性和正确性。这样，所构建的系统体系结构如图1所示。
2 数据问题
2.1 数据关联规则约束
纺织企业是一个多车间、多部门、多设备、多用户的企业，加之，企业内部数据众多、业务规则复杂、管理系统繁多、数据库类型各异，使得多用户在同一时间并发操作数据库时，使得系统服务器的负载过大，在这种情形下，需要对系统数据库进行合理的设计，并对各个异构数据库中的数据进行合理地规范，以提高系统数据库的反馈、效率，从而达到数据共享共用的目的[13]。
具体的设计过程为：首先，将对象及对象之间的关系映射成关系数据库中的表元素；然后，将对象属性映射成关系数据库的列，同时将对象间关联、组成和聚合等关系映射成关系数据库中完整性等约束。而对象又包含多个属性，其构成状态集反映静态特征和当前所处的状态。业务对象的行为是业务对象完成其功能的基础，如品种数据的录入、原料信息的入库、品种试验数据的录入、纱织疵信息的导入导出等；同时，根据纺织企业的业务管理规则，即各个业务对象之间并非独立，而是存在多种联系的规则。如在机品种信息的翻改、生产计划的调整与调度、纱织疵信息的反馈等业务规则，而这些规则对业务对象的属性、行为和关系产生了约束。为了使各个对象之间具有良好的衔接性，在系统数据库设计阶段，设置了两个表来完整映射一个对象，即：一个是体现业务对象静态特征的业务表，另一个是反映实际业务流程信息的流程表。通过这两个表，使得业务对象内部的流程关系以及各业务对象之间的业务规则关系，通过业务逻辑层映射成表内或表间的关联关系或约束来体现[14]。
2.2 数据形式化表示
就纺织业务过程而言，主要涉及从订单到计划，再从纤维到纺织成品的整个过程，分别解释纺织品成形过程对应的what，how，who，why，where，when问题，则整个业务流程对应的业务数据可以包括（以下用B表示）主要包括过程对象集O、工艺计划集H、原料集R与设备集D、制造过程集T以及织物集S，由此，纺织业务数据B可用一个如下所示的六元组来表达[15]。
B：：={O，H，R，D，T，S} （1）
上式中，由于H与T在整个纺织制造过程中表达了织物成形过程的时序变化，并按照H的计划进行控制着织物成形过程的前进，以及T的过程监控从而演绎出纺织成品的结果数据。同时，对纺织过程的业务流程而言，其对应制造过程数据可以按照织物质量形成过程的时序与逻辑关系，通过工序间的“输入——输出”关系，在具体形式表达时解析成网络结构，用以实现制造过程数据的有效集成。而多色集理论为纺织过程异构数据的集成和形式化建模提供了理论依据。
由此，基于多色集合理论[16]，对加工过程中产生的各类数据进行统一描述。具体流程为：首先从集成数据库中抽象出构建多色集合的基本元素集合，并将抽象到的数据形成网络结构，同时定义对应的节点集为：Ns={Ni|1?燮i<n}，其中，Ni是集合Ns的具体实体，主要包括工艺计划集H、原料集R 、设备集D、制造过程集T以及织物集S等具体具体对象，当然，也可以包括与具体对象相关的多个关联节点。在纺织数据集成过程中，Ni可以表示与数据相关的O、H、R、D、T、S中任意一个对象或者对象的组合，而这个对象或对象的组合可以在多色集合中被虚拟地染上一种颜色，借助聚类方法实现对象类型的区分。
假设A={a1，a2，…，aj，aj+1，…，an}表示纺织过程中工序之间数据的活动节点集，并以两两节点组合（ai，aj）表示多色集元素，则工序间活动节点之间关系可以表示为多色集的围道，即Fk（ai，aj），其中k=1，2，…，5。当k=1时，（ai，aj）为顺序连接，k=2时，（ai，aj）为与分连接，k=3时，（ai，aj）为与合连接，k=4时，（ai，aj）为或分连接，以及k=5时，（ai，aj）为或合连接。现根据上述两两节点组合关系，建立表示数据节点集对应的“活动—活动”关系布尔矩阵模型，记为[（A*A）*F（A*A）]，则具体的形式如式（3）所示。
根据订单信息和纺织企业的生产状况，安排具体的生产计划任务，并确定具体的生产加工路线，并借助纺织生产过程关系模式进行表达，其中v1、v2、v3、v4表示纺织过程数据活动节点并包括具体的工序流程对应的数据节点，以及节点之间的相互关系如图2所示。例如v1：：=a2→a3→a4→a5，各数据节点的具体表示过程如表1所示，具体的“工序—工序”之间的关系布尔矩阵如表2所示。其中，若行列之间存在关联关系则对应表2中的“1”，否则，对应表2中的“0”。
2.3 异构数据库集成
在系统数据集成过程中，为保证各工序间信息的有效衔接，采取XML技术与全局数据模式相结合的方法[20]，使所有的数据交互操作在中间件中以XML文档形式存在，对异构数据库中的数据进行转换，其优点是在数据交互过程中，保持了一定的独立性，降低了数据间的耦合度，提高了数据的重用性[21]。异构数据库间的集成方案如图3所示。
由图3可见，整个集成方案包括应用层、中间件层和数据源层三层。其中中间件层的目的是通过集成各个车间的异构数据源，实现纺织制造执行系统数据库中数据的共享。中间件层中的注册器主要负责各异构数据库的注册服务，并生成公共模型；查询处理器需要根据用户提交的查询请求，并提交给包装器进行执行，结果处理器将包装器中的执行结果进行汇总，并以XML的格式返回；包装器主要用于底层数据源的交互，实现数据位置和访问的透明性。
为此，该异构数据库的集成工作原理与实现流程为：首先由客户端发出一个全局查询请求，其可能涉及到异构数据库中的数据，例如查询品种的生产执行情况，可能涉及到细纱、筒并捻、准备、织布，以及整理等车间的生产信息监测系统，信息管理系统等；然后，应用服务器确认接收到客户端的请求时，由中间件层接收客户端的查询请求，具体的处理步骤是：首先，对异构数据源所注册的共享信息进行分析，然后，将全局查询分解为具体的数据库子查询，并将子查询发送到对应的数据源。
其次，处于数据层的所有数据库管理系统接收到查询中间件层传输的查询请求后，它首先从数据库中查询相关信息，然后把查询结果返还给结果处理器，由结果处理器将其合并成同一条数据记录，并将所需要的查询结果返还给应用服务器，由应用程序服务器再将用户的请求结果返回给用户。
2.3.1 关系模式转换算法的设计
关系模式的转换包括两个部分：一是数据库关系模式的提取；二是关系数据模式到XML Schema 的转换。前者的目的是构建共享数据库的关系模式，进而保证数据提取的完整性。
在关系数据模式到XML Schema模式的转换过程中，由于客观原因的限制，使用DTD 无法对关系表之间的约束进行转换[22]，为此，在关系模式转换过程中，通过XML Schema 转换算法来实现数据库关系模式到XML 的转换。其算法的构建过程如下：
①针对纺织制造执行系统中的每一个异构数据源，首先为其XML Schema的转换结果定义一个唯一的命名空间；
②然后，为异构数据库中的每张表T和表T中的字段A1，…，An，创建复杂类型元素和子元素A1，…，An，并设置子元素的数据类型；
③在XML Schema中，为数据库TextileMesBase增加一个TextileMesBase元素，并为其插入一个复合类型元素，使其子元素分别为T1，…，Tm，这样，各子元素对应的数据类型为每个表创建的复杂类型；
④表中主键映射的属性或元素定义为key属性，外键映射的属性或元素定义为keyref属性。根据主外键之间的关系，创建子元素，若一个表中的外键作为另一个表中的主键或主键的一部分，则同一字段为外键的表映射为父元素，而另一个表映射为子元素。
2.3.2 基于GAV的查询分配方法设计
以XML作为数据交换语言，通常查询分配方式有两种：一是LAV（Local As View）方法；二是GAV（Global As View）方法[23]。鉴于GAV方法具有查询转换简单的特点，所以本系统设计过程中采用了GAV方法，其转换后的重要数据表之间的关系如图4所示。
3 系统实现
当合法系统用户登录系统后，系统管理模块要根据用户登录信息表中的用户角色和权限来自动判断用户的类型，通过这种角色——权限——类型的系统安全管理机制，系统会自动屏蔽无权操作的系统功能模块和系统子菜单，有效防止了非法用户的访问。
系统主要具有六大功能，分别是系统管理、数据录入、实时监测、数据查询、参数设置、报表输出。这些功能可有效实现相应车间的动态数据采集和信息化管理，不仅面向了整个纺织业制造层面，也能够具体到某一特定车间的监测系统功能。如通过制造执行系统可进行并粗车间机台岗位的动态设置，此动态设置功能与并粗车间监控系统中的岗位设置功能是同步的，详见图5所示。
若某个部门想查询或者调用其他部门的生产数据时，需系统功能授权。在拥有系统功能权限后，可通过制造执行系统实现数据的共享。如计划调度科需调用各车间的棉纱产量数据时，系统根据计划调度科的用户角色，自动分配系统功能权限，其通过通用数据接口，实现数据的访问和报表的统计分析，具体的实现功能界面如图6所示。
4 结论
根据纺织企业生产管理的实际需要和发展需求，结合企业生产制造过程的特点，围绕纺织企业MES项目的建设目标，进行了面向纺织企业制造执行系统（MES）关键技术研究，以及MES系统的设计和开发。纺织执行制造系统作为纺织企业现代集成制造系统中制造管理自动化领域的一项重要技术，一方面，MES可以对来自ERP的生产管理信息进行细化、分解，将计划层操作指令传递给底层控制层；另一方面，可以采集设备的状态数据，以实时监控底层设备的运行状态；同时，可以为ERP提供生产现场的实时数据，实现生产数据的自动化采集，从而加强计划管理层与底层控制之间的沟通，起到了承上启下的作用，弥合了企业计划层和生产车间过程控制系统之间的间隔，通过强调制造过程的整体优化来帮助企业实施完整的闭环生产，同时也为企业信息化的建设提供了良好的基础。
纺织企业MES系统主要面向制造层面，具有良好的灵活性、可维护性，使MES在生产管理中发挥重要的作用，为企业实时成本的计算、生产过程的管理而提供基础数据，并将全面提高纺织企业的信息化管理水平。
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