周江林，張 博，孔祥君，曹 飛，呂海洋，李文博，鐘 貞，閆晶婭

（國機智能技術研究院有限公司，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之一，可以提升制造業(yè)企業(yè)的制造和管控能力，促進企業(yè)數(shù)字化轉型升級，國家在《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中繼續(xù)將智能制造技術作為重點發(fā)展方向。隨著產(chǎn)業(yè)升級變革政策的推動，工業(yè)軟件成為了實施產(chǎn)業(yè)基礎再造工程的新“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)歷了機械化、電氣化、自動化三次技術革命后，智能制造的誕生拉開了第四次工業(yè)革命的帷幕。同時，我們發(fā)現(xiàn)制造技術的生產(chǎn)方式沿著“手工-機械化-單機自動化-剛性流水自動化-柔性自動化-集成敏捷虛擬自動化-數(shù)字網(wǎng)絡綠色智能化”方向發(fā)展。制造執(zhí)行系統(tǒng)逐步成為制造企業(yè)建設智能工廠、實現(xiàn)運營管理新模式的中心環(huán)節(jié)，是融合了先進制造技術與新一代信息技術，實現(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)品相關的市場需求、產(chǎn)品設計、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性化產(chǎn)品，并提供智能化的系統(tǒng)服務。通過制造執(zhí)行系統(tǒng)應用和實施，可以將自動控制系統(tǒng)、智能機器人技術、數(shù)字化物流技術等先進制造技術有機地結合起來，實現(xiàn)生產(chǎn)車間中人、機、料、法、環(huán)的集成。而從制造執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)展演進成制造運營管理系統(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，還能夠提供面向現(xiàn)代化車間的、加工、物流、管控技術互相融合的解決方案，將有利于制造業(yè)企業(yè)的轉型升級。

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

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

2.1 相關技術標準發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

中國際上制定的制造執(zhí)行系統(tǒng)相關標準主要有ANSI/ISA 95、OpenMES、OAGIS等。ANSI/ISA 95被 IEC/ISO（國際電工委員會/國際標準化組織）采用后形成了IEC/ISO 6224。我國現(xiàn)有的制造執(zhí)行系統(tǒng)和制造運行管理系統(tǒng)的相關標準均從IEC/ISO 6224轉化而來，如非強制性國家標準GB/T 25485—2010《工業(yè)自動化系統(tǒng)與集成制造執(zhí)行系統(tǒng)功能體系結構》、GB/T 20720.3—2010《企業(yè)控制系統(tǒng)集成 第3部分：制造運行管理的活動模型》等。

現(xiàn)有標準的模型和范圍主要是面向工業(yè)自動化系統(tǒng)和企業(yè)控制系統(tǒng)，標準將企業(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，這已不能適應智能制造技術的發(fā)展要求。智能制造要求打破原有層級的業(yè)務范圍，以定制化、個性化方式，快速實現(xiàn)市場需求的響應，實現(xiàn)從市場需求、產(chǎn)品設計、工藝設計、加工制造、售后服務的扁平化，從而靈活、高效地支持定制化產(chǎn)品制造。因此，需要將制造運營管理系統(tǒng)的范圍從制造現(xiàn)場向上層的產(chǎn)品設計、制造供應鏈以及下層的智能裝備層面擴展。

圖1 企業(yè)信息系統(tǒng)功能層次模型

2.2 相關產(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)歷了三個階段：專用MES階段、集成化MES階段以及平臺化MOM階段。隨著MES相關技術不斷進步，許多先進制造理論和生產(chǎn)現(xiàn)場管控技術也取得了突破和發(fā)展，形成了現(xiàn)代智能化車間的管控技術。國外MES技術是隨著信息技術的發(fā)展而快速發(fā)展的，呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：

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

2）智能化不斷增強。MES將逐步具備多維信息融合、復雜大數(shù)據(jù)處理和快速決策能力，可根據(jù)實時互聯(lián)感知數(shù)據(jù)和積累的知識庫實現(xiàn)智能排產(chǎn)和調(diào)度、智能診斷以及預測性維護。

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個主要MES功能模塊，并且在此基礎上不斷增加新的管控功能模塊，逐步形成包含生產(chǎn)運行、維護運行、質(zhì)量運行、庫存運行四個方面共同服務于企業(yè)制造運作全過程的MOM系統(tǒng)整體解決方案。

國內(nèi)MES技術與發(fā)達國家有一定差距。相比之下，國內(nèi)MES廠商的技術差距表現(xiàn)在產(chǎn)品的整體架構、細節(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，主要技術發(fā)展趨勢如下：

1）探索適合國情的先進制造管理與控制方法，將精益生產(chǎn)、綠色制造等先進的制造理論與管控技術應用于MES系統(tǒng)的設計。

2）吸收最先進的IT技術成果，將低代碼開發(fā)技術、插件化技術、邊云協(xié)同技術和虛擬/增強/混合現(xiàn)實技術應用于MES的開發(fā)。

3）開發(fā)適合國內(nèi)生產(chǎn)特點的行業(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)勢應用于MES的工程實施。

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

近年來國家在重點研發(fā)計劃“網(wǎng)絡協(xié)同制造和智能工廠”“工業(yè)軟件”專項，以及智能制造新模式應用、綜合標準化等專項中大力支持MES/MOM等技術產(chǎn)品的研發(fā)及應用，從戰(zhàn)略的高度上給予了相當?shù)闹匾?。目前，MES在理論研究和具體實施方面取得不少成績。伴隨著大數(shù)據(jù)、云計算、網(wǎng)絡化協(xié)同以及德國工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造2025等概念的深化應用，MES研究與應用已經(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有更大發(fā)展的系統(tǒng)。

2.3 相關軟件技術平臺發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

軟件技術平臺，是指具有跨領域、跨行業(yè)的通用型企業(yè)級應用軟件開發(fā)平臺。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，目的都是對個性化的需求進行快速二次開發(fā)/搭建。目前，市場上的企業(yè)級應用軟件技術平臺廠商都可提供自己的軟件技術平臺。

隨著信息化和智能化高速發(fā)展，軟件技術平臺在各領域的應用中的推廣程度和應用效果卻有著很大的差異性，例如在互聯(lián)網(wǎng)領域，微服務（開發(fā)）平臺已經(jīng)被普遍使用，而在電子商務領域，移動端的技術（開發(fā)）平臺（例如微信軟件開發(fā)平臺）也遍地開花。但是，軟件技術平臺在制造業(yè)中的普及程度及應用效果卻不如人意，甚至國外軟件巨頭廠商們所提供的技術（開發(fā)）平臺由于無法適應和滿足國內(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平臺能夠適應其在各領域的應用，不得不舍棄一些各領域的特性，這樣做使得平臺具有通用性的同時也失去了行業(yè)領域的特色，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)一種軟件技術平臺。

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

圖2 業(yè)務插件化框架

伴隨著邊緣計算、云計算以及大數(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變，已經(jīng)開始對生產(chǎn)設備進行智能化控制和預測性維護?？梢约訌妼吘壎松a(chǎn)設備數(shù)據(jù)采集通信、智能接入、虛擬/增強/混合現(xiàn)實、邊云協(xié)同等關鍵使能技術的研究，使生產(chǎn)設備能夠智能化互聯(lián)感知、云端化普適接入、人機交互、云邊協(xié)同優(yōu)化運行。這是企業(yè)信息化和智能化發(fā)展的一個必然趨勢，對大規(guī)模、非結構化數(shù)據(jù)進行及時處理和分析，挖掘出企業(yè)制造過程數(shù)據(jù)的價值，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)品目標市場現(xiàn)狀與需求分析

目前，我國經(jīng)濟正處于轉型發(fā)展的關鍵時期，中國制造正在向“中國智造”轉變。MES產(chǎn)品的應用符合制造業(yè)信息化發(fā)展的趨勢，在產(chǎn)業(yè)轉型升級的背景下，MES行業(yè)發(fā)展迎來機遇。

從整個MES市場來看，國內(nèi)MES行業(yè)主要集中于五大領域，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)應用的占比也呈現(xiàn)差異化。國外供應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)和集成應用，基本都沒有實現(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，提供優(yōu)質(zhì)的售后服務，通過借鑒外國MES頭部廠商的先進經(jīng)驗，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)軟件平臺構建路徑

在充分研究論證智能制造相關技術和標準體系結構的基礎上，筆者團隊依托相關項目課題，提出了自主研發(fā)新型智能制造執(zhí)行系統(tǒng)平臺軟件，其可包含技術、業(yè)務、驗證三個子平臺，以平臺化技術為基礎，通過模型驅(qū)動，實現(xiàn)廣域異構生產(chǎn)設備互聯(lián)感知、動態(tài)適配與集成優(yōu)化管控，選取典型企業(yè)開展示范應用，所遵循的平臺研發(fā)構建路徑如圖3所示。

圖3 智能制造執(zhí)行系統(tǒng)構建研究框架

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

2）研究面向工業(yè)軟件的關鍵技術，如低代碼開發(fā)平臺、插件化框架、業(yè)務流程可視化編排引擎、智能化算法引擎等，形成智能開放應用的技術平臺，構建共享開發(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)務流程功能定義的模式，將生產(chǎn)設備統(tǒng)一信息模型進行映射匹配，增強業(yè)務語義化模型驅(qū)動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)平臺的運行模型和業(yè)務范圍，執(zhí)行相關的基礎標準，如術語及模型標準、基礎構件標準、服務與集成標準。基于技術平臺，進行平臺化產(chǎn)品的開發(fā)，以及制定產(chǎn)品的實施標準，如產(chǎn)品評價標準、系統(tǒng)實施指南、系統(tǒng)服務標準等。

5）選取跨領域、跨行業(yè)的典型企業(yè)，推廣相關生產(chǎn)設備模型庫、知識庫及相關生產(chǎn)設備運行優(yōu)化構件的場景化應用，并結合智能制造運營管理系統(tǒng)驗證平臺化擴展性、集成性、協(xié)同性，并進行行業(yè)標準及產(chǎn)品功能的試驗驗證。

6）在完成的試驗驗證基礎上，對制定的標準及開發(fā)的產(chǎn)品進行完善和修改，開展標準及產(chǎn)品的推廣示范應用工作。

4 結束語

制造執(zhí)行系統(tǒng)是智能制造核心技術之一，是實現(xiàn)智能制造和企業(yè)數(shù)字化轉型升級的中心環(huán)節(jié)，發(fā)展智能制造技術、推進智能工廠最佳實踐已為大勢所趨，因而推動智能化的制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件研發(fā)和深入應用已成為必由之路，而基于平臺創(chuàng)新理念構建新型化、平臺化智能制造執(zhí)行系統(tǒng)的業(yè)務平臺、技術平臺和驗證平臺，將成為市場需求拉動產(chǎn)品研發(fā)的創(chuàng)新技術路線。