基于微服務(wù)架構(gòu)的整車制造倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

0 引言

在數(shù)字技術(shù)的推動(dòng)下，企業(yè)的系統(tǒng)架構(gòu)正在發(fā)生一場(chǎng)深刻的變革，其特點(diǎn)是支持業(yè)務(wù)從過去“單證+文檔”的流程驅(qū)動(dòng)方式向新一代的以管理殼承載業(yè)務(wù)邏輯、以“工業(yè)4.0組件”之間通過服務(wù)請(qǐng)求和服務(wù)執(zhí)行的數(shù)字和流程混合驅(qū)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變[1]。微服務(wù)架構(gòu)和容器技術(shù)的出現(xiàn)，可以通過對(duì)傳統(tǒng)單體架構(gòu)應(yīng)用的改造，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)彈性資源擴(kuò)容、流量負(fù)載均衡和熱點(diǎn)微服務(wù)的實(shí)時(shí)水平拓展[2]，順應(yīng)了該變革的技術(shù)需要，已然成為了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展方向。

與此同時(shí)，隨著汽車大規(guī)模定制化生產(chǎn)方式的日益普及，整車制造企業(yè)越發(fā)傾向于準(zhǔn)時(shí)制的物料供應(yīng)方式以減輕庫存大幅增長的壓力[3]。這對(duì)倉儲(chǔ)管理提出了更高的要求，其作用也不再僅限于商品存儲(chǔ)、保管，而成為了整體供應(yīng)鏈的平衡機(jī)制；倉儲(chǔ)信息的及時(shí)交互與共享，對(duì)于保證準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)的可靠性、實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。

因此，以整車制造所面臨的現(xiàn)代化倉儲(chǔ)管理需求為藍(lán)本，本文研究和總結(jié)了基于微服務(wù)架構(gòu)的整車制造倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱WMS）設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)功能需求、設(shè)計(jì)原則、開發(fā)過程、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)予以闡釋，為離散制造類倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)開發(fā)提供了通用的設(shè)計(jì)流程和參考標(biāo)準(zhǔn)，也為開發(fā)滿足未來定制化、準(zhǔn)時(shí)制的現(xiàn)代倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)提供了基于微服務(wù)架構(gòu)的開發(fā)思路。

1 系統(tǒng)需求分析

本文以某品牌汽車總裝車間為例，經(jīng)過多次實(shí)際調(diào)研與研究，綜合梳理了整車制造倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的主要需求特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)狀況的遠(yuǎn)程掌控；（2）貨品品質(zhì)管理和問題追溯分析；（3）產(chǎn)品損耗、貨位跟蹤、庫存管理；（4）科學(xué)分配資源，合理安排作業(yè)；（5）揀貨快速準(zhǔn)確，準(zhǔn)時(shí)發(fā)貨出庫；（6）庫存異常，及時(shí)報(bào)警提示；（7）自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確客觀；（8）報(bào)表自動(dòng)及時(shí)生成，無紙化；（9）員工作業(yè)跟蹤，考核依據(jù)客觀。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）適用性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足企業(yè)實(shí)際倉儲(chǔ)管理的信息化需求，以技術(shù)合理運(yùn)用，功能適用為原則，利于生產(chǎn)執(zhí)行，利于提升效率。

（2）可靠性。在規(guī)定的條件約束下，系統(tǒng)應(yīng)具備保持其自身性能的能力?？煽啃园ǎ狠^好的容錯(cuò)能力，防止因意外的操作給系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p失；系統(tǒng)的恢復(fù)以及故障處理能力較高；具備一定的業(yè)務(wù)操作穩(wěn)定性能。

（3）安全性。系統(tǒng)應(yīng)具有安全管理機(jī)制，包括用戶權(quán)限設(shè)定、密碼策略等，并應(yīng)保證系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的安全性。

（4）可擴(kuò)展性。業(yè)務(wù)邏輯擴(kuò)展：系統(tǒng)應(yīng)具有熱部署特性，當(dāng)業(yè)務(wù)出現(xiàn)變動(dòng)或業(yè)務(wù)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，不需要變動(dòng)已經(jīng)部署的系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)信息點(diǎn)，在不影響系統(tǒng)其他部分業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下修改和擴(kuò)展相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯。

系統(tǒng)性能擴(kuò)展：橫向擴(kuò)展，應(yīng)可實(shí)現(xiàn)集群控制和負(fù)載均衡；縱向擴(kuò)展，應(yīng)可兼容升級(jí)硬件性能。

（5）可移植性。系統(tǒng)應(yīng)使用應(yīng)用配置管理的概念，通過修改應(yīng)用配置等實(shí)現(xiàn)不同工廠之間的可移植性。

（6）可監(jiān)控性?？杀O(jiān)控性分為實(shí)時(shí)顯示和異常報(bào)警。系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)控重要的系統(tǒng)狀態(tài)，如網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)內(nèi)存、CPU負(fù)載等信息及時(shí)顯示在監(jiān)視屏上以便實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況；同時(shí)，根據(jù)事先設(shè)定的報(bào)警指標(biāo)，當(dāng)被監(jiān)控值達(dá)到和超過監(jiān)控限額時(shí)系統(tǒng)將產(chǎn)生報(bào)警，中控室管理人員可以根據(jù)不同情況作出相應(yīng)的處理。

（7）可集成性。系統(tǒng)應(yīng)綜合采用標(biāo)準(zhǔn)集成技術(shù)（如JMS、Web Service、Adapter、EJB）和非標(biāo)準(zhǔn)集成技術(shù)（如接口表、HTTP、Socket），通過集成平臺(tái)（如ESB）實(shí)現(xiàn)應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)集成、流程基礎(chǔ)及界面集成等。

（8）柔性化配置。系統(tǒng)內(nèi)部自帶符合WFMC 規(guī)范的引擎（如WorkFlow），允許用戶以圖形化的方式定義業(yè)務(wù)流程及流程上各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)。系統(tǒng)支持服務(wù)交互觸發(fā)機(jī)制，通過事件或時(shí)間周期觸發(fā)預(yù)定義的活動(dòng)；同時(shí)提供自定義業(yè)務(wù)流程上的Web Services服務(wù)和接收外部Web Services服務(wù)的接口。

（9）標(biāo)準(zhǔn)一致性。系統(tǒng)開發(fā)過程應(yīng)符合現(xiàn)有信息管理系統(tǒng)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)開發(fā)流程

WMS 系統(tǒng)軟件開發(fā)需經(jīng)過需求分析、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、代碼設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試、部署上線五個(gè)階段。

3.1 需求分析

獲得倉儲(chǔ)需求信息和基本功能定義，明確WMS系統(tǒng)的詳細(xì)功能，形成基本功能描述。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

包括概念設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

（1）概念設(shè)計(jì)。在WMS 系統(tǒng)需求分析得到數(shù)據(jù)流程圖、數(shù)據(jù)字典的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)規(guī)范化理論，用概念數(shù)據(jù)模型明確地表達(dá)出用戶的數(shù)據(jù)需求。

（2）邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)數(shù)據(jù)概念模型及所選定的某DBMS的特性，按照一定的轉(zhuǎn)換規(guī)則把概念數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為此DBMS所能接受的數(shù)據(jù)模型，即邏輯數(shù)據(jù)模型。

（3）物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)所選定的軟硬件運(yùn)行環(huán)境，權(quán)衡各種利弊因素，確定物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

3.3 代碼設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)編寫程序代碼，包括選擇數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)、功能設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)三個(gè)部分。

（1）選擇數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)：根據(jù)WMS 系統(tǒng)的應(yīng)用要求選擇合適的數(shù)據(jù)庫。

（2）功能設(shè)計(jì)：對(duì)WMS 系統(tǒng)的功能進(jìn)行更加詳細(xì)的定義，每個(gè)功能都有詳細(xì)的功能描述和模塊簡(jiǎn)要的工作流程圖。

（3）功能實(shí)現(xiàn)：在功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，編寫程序代碼，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

3.4 軟件測(cè)試

對(duì)已開發(fā)的系統(tǒng)軟件進(jìn)行單元、集成、用戶驗(yàn)收測(cè)試、壓力測(cè)試工作，包括以下步驟：（1）準(zhǔn)備測(cè)試環(huán)境；（2）準(zhǔn)備測(cè)試場(chǎng)景及測(cè)試計(jì)劃；（3）進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，編寫測(cè)試報(bào)告；（4）制定用戶手冊(cè)并對(duì)用戶進(jìn)行培訓(xùn)。

3.5 部署上線

將開發(fā)階段的測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)容部署到生產(chǎn)環(huán)境中去，包括以下步驟：（1）編寫上線切換方案；（2）進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)的搭建；（3）編寫培訓(xùn)文檔；（4）按照培訓(xùn)計(jì)劃進(jìn)行上線前培訓(xùn)。

4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體采用分層架構(gòu)模式，主要區(qū)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、客戶端層、接口層四部分。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包含了數(shù)據(jù)庫配置管理模塊以及數(shù)據(jù)歸檔模塊，數(shù)據(jù)庫配置管理模塊提供了對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫及歷史備份數(shù)據(jù)庫的可視化界面對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的定義、初始化、版本升級(jí)、全局系統(tǒng)屬性配置的功能。數(shù)據(jù)歸檔模塊提供了對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)遷移等功能。提供redis 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冷熱分離，將讀寫頻次高的數(shù)據(jù)同步放入redis中。

4.2 服務(wù)層

服務(wù)層分為web端服務(wù)層、核心基礎(chǔ)業(yè)務(wù)層兩層。

（1）web端服務(wù)層：采用微服務(wù)架構(gòu)，將單一應(yīng)用程序劃分成一組小的服務(wù)，服務(wù)之間相互協(xié)調(diào)、互相配合，為用戶提供最終價(jià)值。每個(gè)服務(wù)運(yùn)行在其獨(dú)立的進(jìn)程中，服務(wù)和服務(wù)之間采用輕量級(jí)的通信機(jī)制相互溝通（通常是基于HTTP的Restful API)。每個(gè)服務(wù)圍繞具體業(yè)務(wù)進(jìn)行構(gòu)建，并且能夠被獨(dú)立的部署到生產(chǎn)環(huán)境、類生產(chǎn)環(huán)境中。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)模塊按需進(jìn)行分開獨(dú)立部署。

（2）核心基礎(chǔ)業(yè)務(wù)層使用EJB3.0 的方式構(gòu)建企業(yè)級(jí)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一次部署、多處使用的核心業(yè)務(wù)模塊。核心服務(wù)器支持集群管理，具備生產(chǎn)業(yè)務(wù)壓力實(shí)行負(fù)載均衡和故障轉(zhuǎn)移的能力；對(duì)主要離散型業(yè)務(wù)模型提供了支撐，包括了工廠建模、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計(jì)劃管理、生產(chǎn)過程管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等主要標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)管理模型。兩層之間通過使用J2EE的標(biāo)準(zhǔn)化RMI協(xié)議實(shí)現(xiàn)與核心服務(wù)的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)高速的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 客戶端層

客戶端主要由基于HTML5、CSS3 的網(wǎng)頁客戶端、基于JAVA 的安卓客戶端和基于Object C 的IOS客戶端組成，方便系統(tǒng)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下通過各類便攜式設(shè)備進(jìn)行訪問。

4.4 接口層

接口服務(wù)端是基于Java的集成了各類協(xié)議的小型服務(wù)器，包含了WebService 接口、Socket 接口、OPC接口、JMS標(biāo)準(zhǔn)化接口以及定時(shí)任務(wù)接口。方便產(chǎn)品與各類外部應(yīng)用或是企業(yè)級(jí)服務(wù)總線ESB 進(jìn)行接入。同樣具備了二次開發(fā)和方便部署的能力。

5 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

WMS系統(tǒng)的對(duì)外接口系統(tǒng)主要是企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“ERP”）、供應(yīng)商管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“SRM”）等，對(duì)接應(yīng)遵循XML、EDI等接口標(biāo)準(zhǔn)，使用PO、WebService、Restful API、WebAPI等通信協(xié)議進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

5.1 與ERP接口設(shè)計(jì)

（1）接口數(shù)據(jù)類型。與ERP 接口數(shù)據(jù)類型描述如下：源系統(tǒng)WMS，目標(biāo)系統(tǒng)ERP：包括物料盤點(diǎn)信息、物料入庫信息、物料出庫信息、物料庫存信息等；源系統(tǒng)ERP，目標(biāo)系統(tǒng)WMS：包括物料信息、BOM 信息、供應(yīng)商信息、組件裝配工位信息、生產(chǎn)計(jì)劃信息等。

（2）接口設(shè)計(jì)規(guī)范。系統(tǒng)與ERP 調(diào)撥出入庫單接口字段格式（部分字段可省略）見表1。

表1 系統(tǒng)與ERP接口字段格式

5.2 與SRM接口設(shè)計(jì)

（1）接口數(shù)據(jù)類型。與SRM接口數(shù)據(jù)類型描述：源系統(tǒng)SRM，目標(biāo)系統(tǒng)WMS：包括ASN 單信息、供應(yīng)商信息、運(yùn)單/訂單信息等。

源系統(tǒng)WMS，目標(biāo)系統(tǒng)SRM：包括物料收貨上傳、物料拉動(dòng)單上傳、物料排序單上傳、物料退貨上傳、質(zhì)檢信息上傳SCM等。

（2）接口設(shè)計(jì)規(guī)范。WMS 系統(tǒng)拉取SRM 系統(tǒng)ASN收貨數(shù)據(jù)字段格式見表2。

表2 ASN收貨數(shù)據(jù)字段格式

WMS 系統(tǒng)拉取SRM 系統(tǒng)供應(yīng)商數(shù)據(jù)字段格式見表3。

表3 供應(yīng)商數(shù)據(jù)字段格式

WMS拉取SRM中入庫單數(shù)據(jù)字段格式見表4。

表4 入庫單數(shù)據(jù)字段格式

6 結(jié)語

本文對(duì)倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的功能需求特點(diǎn)、設(shè)計(jì)開發(fā)原則、開發(fā)過程進(jìn)行了總結(jié)闡述，為系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)提供了借鑒；將微服務(wù)架構(gòu)引入到整車制造倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，給出了整體技術(shù)框架，滿足了企業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)微服務(wù)化的變革需要，符合未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)；對(duì)倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的典型對(duì)外接口進(jìn)行了設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了接口數(shù)據(jù)類型和字段格式，為其他離散制造類企業(yè)的相關(guān)設(shè)計(jì)提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。