1 MES介紹以及目前建模技術(shù)現(xiàn)狀
MES(Manufacturing Execution SyStem)直譯成制造執(zhí)行系統(tǒng)(以下簡稱MES)，屬于生產(chǎn)管理系統(tǒng)。被定義為：“通過信息的傳遞對從生產(chǎn)指令下發(fā)到產(chǎn)品完工入庫的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理。”它與上層ERP等業(yè)務(wù)系統(tǒng)和底層DCS等生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)一起構(gòu)成制造企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)，不單是面向生產(chǎn)現(xiàn)場的系統(tǒng)，而是作為上、下兩個層次之間雙方信息的傳遞系統(tǒng)，是連結(jié)經(jīng)營層和現(xiàn)場層，改善生產(chǎn)經(jīng)營效益的關(guān)鍵系統(tǒng)。
當(dāng)前，MES是制造企業(yè)應(yīng)用熱點之一。實現(xiàn)MES系統(tǒng)時，工程師使用的建模語言、工具和技術(shù)種類很多，如行為圖、IDEF0圖，ARIS企業(yè)建模工具等，這些建模方法使用的符號與語義不同，彼此之間不能相互操作和重用。雖然UM L設(shè)計初衷是為軟件開發(fā)提供一種標(biāo)準(zhǔn)建模語言，但畢竟UML不是系統(tǒng)工程專用建模語言，在使用和實現(xiàn)上有一定的局限性。
2 SysML產(chǎn)生以及主要特點
SysML(systems modeling language)是UML 2.0在系統(tǒng)工程應(yīng)用領(lǐng)域的延續(xù)和擴展，是一種新的建模語言，一種可視化、圖形化建模語言。作為系統(tǒng)工程的標(biāo)準(zhǔn)建模語言，和其他系統(tǒng)工程建模語言相比，它提高了描述的正確性，增強了描述的可讀性，消除了不同建模方法在表達和術(shù)語上的差異，避免了符號表示和理解上不必要的混亂 SysML的定義主要包SysML 語義和SysML表示(圖形)法兩個部分。
SysML語義是指為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，行為模型需求模型和參數(shù)模型定義了語義，圖形表示是SysML 的可視化表示，是用來為系統(tǒng)建模的工具。SysML 定義了需求、行為圖、類圖、裝配圖、活動圖、用例圖九種基本圖形來表示模型的各個方面。
SysML與UML相比具有以下三方面的特點。一是采用更為準(zhǔn)確的系統(tǒng)信息分析方法，增添了需求模型；二是綜合了面向?qū)ο蠓椒ê兔嫦蜻^程方法的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)點，能更方便地描述系統(tǒng)問的連接與數(shù)據(jù)交換，方便系統(tǒng)設(shè)計單元分解，從系統(tǒng)節(jié)點分解到組件系統(tǒng)單元及系統(tǒng)組件；三是活動圖支持系統(tǒng)工程的加強型功能流塊圖。
3 基于SysML的MES系統(tǒng)建模應(yīng)用
由于MES系統(tǒng)是制造企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)管理系統(tǒng)，功能需求比較復(fù)雜，本文將以SysML建模語言三大特點為基礎(chǔ)，用三個典型SysML圖形來給出MES系統(tǒng)的部分建模方案，分別為：需求圖、用例圖、功能圖在MES系統(tǒng)的建模應(yīng)用。
3.1 需求圖在MES的建模應(yīng)用
傳統(tǒng)的需求都被表示為文檔的形式，它們經(jīng)常與數(shù)據(jù)和圖表聯(lián)系在一起，存儲在文件或數(shù)據(jù)庫中。但是SysML中的需求用圖形來表示，能夠描述需求和需求之間以及需求和其他建模元素之間的關(guān)系。
圖1 需求圖在MES生產(chǎn)作業(yè)計劃管理應(yīng)用
圖2 用例圖在MES計劃調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用
需求是系統(tǒng)必須滿足的能力或條件，一個需求能夠分解成多個子需求。SysML用《requirement》說明需求，用戶可以定義自己的子需求，如操作系統(tǒng)、功能需求、接口需求、性能需求等等。使用導(dǎo)出關(guān)系《derive》表示一個需求可以從另一個需求產(chǎn)生，使用滿足關(guān)系《satisfy》表示一個需求能被其它的模型元素實現(xiàn)，使用驗證關(guān)系《verify)壤示需求能被測試例子驗證。“生產(chǎn)作業(yè)計劃管理”是MES系統(tǒng)中的關(guān)鍵需求，下面以“生產(chǎn)作業(yè)計劃管理”需求為例，說明需求圖在MES系統(tǒng)建模應(yīng)用。
《requirement》是來說明需求的，“制定生產(chǎn)計劃”需求也是一個類，有兩個屬性：text 和id，前者是需求的文本描述，后者是需求的標(biāo)識符。同時需求“制定生產(chǎn)計劃”使用導(dǎo)出關(guān)系《derive》導(dǎo)出了“制定生產(chǎn)計劃性能需求”、“車間制定生產(chǎn)計劃需求”和“生產(chǎn)計劃結(jié)果查詢”。
MES中一個需求可以分為多個子需求，圖1中“生產(chǎn)計劃結(jié)果查詢”需求可以細分為“任務(wù)周計劃查詢”和“設(shè)備周計劃查詢”。
《satisfy》表示一個需求能被其他的模型元素實現(xiàn)，圖1中“車間制定生產(chǎn)計劃”需求用“計劃排產(chǎn)子系統(tǒng)”進行實現(xiàn)。《verify》表示一個需求能被測試例子驗證。圖1中“車間制定生產(chǎn)計劃”需求用“計劃排產(chǎn)測試用例”進行驗證。
通過需求圖能夠描述MES中主要需求的分解、細化、實現(xiàn)以及驗證過程。這是SysML對MES建模應(yīng)用的最大特點。
3.2 用例圖在MES的建模應(yīng)用
SysML語言用例圖描述了外部參與者對系統(tǒng)的使用，是通過系統(tǒng)向參與者提供一系列服務(wù)來實現(xiàn)的。用例圖包括用例、參與者以及它們之間的通訊。用例之間的關(guān)系有包含關(guān)系、擴展關(guān)系和泛化關(guān)系。下圖是一個MES生產(chǎn)計劃排產(chǎn)系統(tǒng)的SysML 用例圖：
SysML把需求圖和用例圖結(jié)合起來，從兩個角度共同完成對系統(tǒng)的需求分析。這使得MES需求更易理解與實現(xiàn)。
3.3 功能塊圖在MEs的建模應(yīng)用
功能模塊圖征MES的建模應(yīng)用分為：MES系統(tǒng)整體功能圖和MES分解功能圖。
從業(yè)務(wù)流程角度出發(fā)，本人認為MES要有五大子系統(tǒng)：計劃管理、物流管理、績效考核，質(zhì)量管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。
計劃管理予系統(tǒng)是指企業(yè)從接收訂單開始，計劃排產(chǎn)、派工單下達，直至訂單任務(wù)完成整個過程。其核心是作業(yè)任務(wù)調(diào)度。
物流管理子系統(tǒng)是指在生產(chǎn)指令的驅(qū)動下，工件經(jīng)過領(lǐng)料、周轉(zhuǎn)、加工、入庫等過程它需要隨時提供工件在任意時刻的位置、數(shù)量等動態(tài)信息。
質(zhì)量管理子系統(tǒng)主要指企業(yè)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量信息流，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類質(zhì)量有關(guān)事件。
績效考核子系統(tǒng)主要用于評價一個企業(yè)各個環(huán)節(jié)的健康指數(shù)，包括計劃履約率，產(chǎn)品合格率及成本消耗情況等。
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理主要包括產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的Item 主信息，工藝管理、BOM 信息。
SysML功能塊圖能夠?qū)攲酉到y(tǒng)、子系統(tǒng)、邏輯組件及物理組件等各層次系統(tǒng)的接口進行描述。SysML提供了標(biāo)準(zhǔn)端口對塊之間的交互進行描述，標(biāo)準(zhǔn)端口是按照它所能提供的和所需求的建立相應(yīng)的Require／Provide端口。
圖表3中詳細描述MES五個子系統(tǒng)，即計劃管理、物流管理、質(zhì)量管理、績效考核、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理的特征以及它們各自的接口情況。
MES各子系統(tǒng)都需要進一步細化內(nèi)部功能模塊，如計劃管理子系統(tǒng)就需要進一步細化，分成訂單管理，任務(wù)分解、計劃任務(wù)管理子系統(tǒng)及計劃排產(chǎn)子功能模塊。對每個子功能模塊SysML可以進一步細化其內(nèi)部功能模塊圖。
圖3 MES系統(tǒng)整體功能塊圖
4 結(jié)語
SysML是一種先進實用、功能強大的標(biāo)準(zhǔn)建模語言，能對系統(tǒng)工程的各種問題進行建模，適用于系統(tǒng)工程的不同階段。在MES的開發(fā)過程中，采用SysML進行系統(tǒng)建模后，我們可以根據(jù)對系統(tǒng)工程需求的全過程進行跟蹤，包括定義新需求，處理需求的變更和細化，需求的實現(xiàn)，測試用例的編寫。而基干SysML的MES建模實現(xiàn)能有效地縮短開發(fā)測試周期，而且為模型驅(qū)動提供了可能性。用該建模語言管理復(fù)雜系統(tǒng)，可以提升系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)質(zhì)量。
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本文標(biāo)題：基于SysML的MES系統(tǒng)建模應(yīng)用
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