可重构流程模型驱动和组件化的MES流程进化

李亚杰，何卫平，陈金亮，董 蓉，和延立

（1．西北工业大学 现代设计与集成制造教育部重点实验室，陕西 西安 710072；2．西安建筑科技大学 工业设计系，陕西 西安 710075）

0 引言

现有制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的业务流程在建模与实现时采用基于功能分解的模式，将流程分解为一系列有逻辑顺序的功能，通过功能间的相互调用实现流程逻辑，将流程逻辑固化在功能模块中。功能模块间因数据依赖关系而使系统的流程逻辑与业务逻辑紧密耦合，很难进行分离。采用这种方式开发的MES流程具有很大的刚性，难以快速灵活地响应业务流程重构需求，会出现由很小的需求变化引起很大改动，即“牵一发而动全身”的情况，很难满足由于企业进行业务流程重组（Business Process Reengineering，BPR）［1］以及应用网络化制造［2］、敏捷制造［3］、精益制造［4］等先进制造模式而产生的流程重构需求。

围绕流程的重构，许多研究者进行研究并取得了丰富的成果：文献［5］对 YAWL（yet another workflow language）进行扩展，为YAWL增加了可配置元素，通过对可配置元素进行配置，实现对流程模型的重构；文献［6］提出基于 Web服务与Agent的业务过程管理三层体系结构，采用这种体系结构构建了分布式业务流程管理（Business Process Management，BPM）系统；文献［7］提出支持动态特性的工作流过程元模型，对工作流管理联盟的工作流元模型进行了扩展，为动态过程模型的设计提供了指导。以上研究从不同角度探索了流程变化的解决方法，但都没有针对流程业务逻辑之间由于数据依赖而产生的耦合关系进行分析，因此没有真正地将流程逻辑与业务逻辑分离。

结合软件工程中的“软件进化”理论［8］与组件化技术，本文提出一种可重构流程模型驱动的组件化MES流程进化方法，通过对MES流程模型进行模块化划分，实现了MES流程的流程逻辑与业务逻辑的分离，解除了两者间的耦合关系，使流程模型具有良好的可重构性；在流程模型驱动下使MES流程能够不断满足用户业务流程变化，随业务流程变化进行持续、增量式的重构，最终实现两者的同步演化。

1 制造执行系统流程进化概述

进化是指在自然界不同领域中涉及的一系列实体，如物种、社会、概念、理论和思想等，这些实体的某些属性随时间进行着不断前进的改变的过程［9］。在软件工程中，软件进化指在软件产品交付给用户后对软件的修改与维护，即应用程序在投入使用后，随着使用环境的变化，其功能不断改进的过程［10］。对于MES流程而言，进化指MES开发完成后，在实施阶段，系统流程随车间业务流程变化而不断重构，逐步完善的有序、递增的过程，其核心是对MES流程的继承与重构，即在对系统重构时针对不适应需求的流程部分进行重构，继承系统中不需要修改的流程部分。

业务流程指在生产过程中为了实现特定业务功能或生产目标所进行的一系列有逻辑顺序的活动。业务流程主要包含以下几个元素：①功能活动，即业务流程中包含的具有独立业务功能的活动；②信息流，即有相互关系的活动在执行时传递的信息；③控制流，即活动间的执行顺序。业务流程分为以下两类：①制造流程，包含毛坯或零部件的整个生产过程，包括从生产准备计划（不同于企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）等系统的生产准备，此处的生产准备指零件投产前在车间内部进行的刀具、工装等准备）开始，到车间生产计划制定、排产、加工、工序检验、生产调度和成品检验的整个过程，以及生产过程中出现不合格品时对不合格品的处理流程等；②管理流程，这类流程是在企业规章制度或管理精细化程度要求下进行的，包括计划制定完成后的审批流程、工艺规程的审核流程等。业务流程重构需求主要来自以下两个方面：

（1）企业业务过程重组

随着市场经济全球化的发展，企业面临着崭新的市场环境，主要表现在：①客户需求日趋个性化、多样化，产品呈现多品种、小批量的趋势，客户的满意程度成为决定企业成败的主导因素；②企业间的竞争不仅表现在价格上，也表现在质量、类型、售前、售后等方面；③客户和竞争对手不断变化，变化速度也越来越快。传统管理模式暴露出了效率低下、管理环节多、出错概率大、部门间容易冲突等弊端，信息技术在企业的应用只是作为提高工作效率和自动化程度的手段，并没有改变企业的业务过程与组织机构运行模式，限制了企业管理水平的提高［11］。为了在以客户、竞争、变化为特征的新的竞争环境中取得优势，要求企业能够对其业务过程进行根本性的思考与彻底重建，进行业务过程重组以在成本、质量、服务和速度等方面取得显著性改善［12］。车间层负责产品在企业中的整个生产过程，是产生制造成本的主要场所，企业业务过程重组客观上要求车间层进行相应调整，对车间层业务流程进行优化，提高其生产效率与快速响应能力。

（2）车间层内部

车间层作为敏捷制造、精益制造等先进制造理论与技术的主要应用场所，其业务流程需要进行调整以适应先进制造理论的应用；为获得更低的能耗、更高的效率、更高的产品质量、更好的生产柔性，车间层会对其业务流程进行调整，优化管理策略以减少无附加值的活动；随着设备精度的提高与加工技术的进步，车间层的工艺过程与制造流程会发生不同程度的改变，例如设备由3轴数控机床升级为5轴数控机床后，由于设备加工能力的提升，原来需要多个工序多台设备才能完成的加工过程变成在一台设备上进行一次加工就能完成，工序间的执行顺序由串行变为并行执行。

MES流程模型是对车间业务流程的抽象，是业务流程在MES中的映射，业务流程改变后MES流程也要相应地进行调整。现代生产方式提倡持续、渐进地对生产系统进行改进，车间层业务流程也在随之不断变化，同时也向MES流程模型提出了频繁的重构需求，要求MES流程能够进行持续、增量式的重构，以保证两者的一致性，该过程即为MES流程的进化过程。

本文提出的流程进化是在可重构MES流程模型驱动下采用组件技术实现的。模型驱动架构（Model Driven Architecture，MDA）是对象管理组织（Object Management Group，OMG）为了分离业务功能的设计和实现技术之间的紧耦合关系，使技术变化对系统影响达到最小化而提出的软件开发过程。MDA的核心思想是抽象出与实现技术无关、完整描述业务功能的核心模型——PIM（platformindependent model），然后通过映射规则及辅助工具将PIM转换成与具体实现技术相关的应用模型——PSM（platform－specific model），最后在一定程度上将PSM自动转换成代码［13］，从而将开发人员从繁琐、重复的低级劳动中解脱出来，更多地关注业务逻辑层面［14］。但 MDA的各层次模型间的转换复杂［15］，很多理论和方法并不成熟，并且缺乏成熟的工具支持。因此，本文采用模型驱动思想，但不局限于OMG组织的MDA规范，通过对MES流程模型（MES Process Model，MPM）进行模块化分解解除了由于数据依赖而造成的耦合关系，建立了可重构MES流程模型，在此基础上进一步封装流程模型得到MES流程组件，并利用组件生成MES系统流程。在业务流程发生改变后通过对改变前后的MPM进行分析得到MES流程中发生变化的部分与变化内容，利用分析结果驱动组件进行重构，完成对系统流程的进化。采用这种方法一方面省略了由PIM到PSM、PSM到代码的转换过程，降低了进化实现的难度；另一方面从模型的抽象层次对进化进行整体规划，使进化过程变得可控制，弥补了组件技术抽象层次低、重构过程不易控制的不足，同时可以基于目前主流的组件模型，如微软公司的组件对象模型（Component Object Model，COM＋）、Sun公司的服务器端组件模型、企业级Java Bean（Enterprise Java Beans，EJB）、公共对象请求代理体系结构组件模型（Common Object Request Broker Architecture Component Model，CCM）和现有中间件开发平台创建组件，灵活地以组件增加、修改、删除的方式实现MES流程的进化。

2 可重构制造执行系统流程建模

2．1 制造执行系统流程模型结构

为解除流程模型中流程逻辑与业务逻辑的耦合关系，使MPM能够快速、灵活地随业务流程变化进行重构，首先对业务流程变化情况进行分析，将变化分为以下几种：①增加功能活动；②删除功能活动；③改变功能活动执行顺序；④功能活动本身的变化；⑤以上几种情况的组合，例如增加功能活动可能会造成已有活动执行顺序的变化。第①，②，④种变化属于对业务活动的修改，第③种变化属于对业务活动执行顺序的修改，第⑤种变化包含了两种情况。针对以上情况，将MPM从整体结构上分为业务活动与控制结构两部分。业务活动用于实现流程中独立的操作，控制结构用于连接业务活动，定义业务活动的执行顺序与执行路径，对这两部分进行建模得到业务活动模型与业务事件模型，业务活动模型提供对业务流程中包含的功能活动的定义，业务事件模型提供对业务流程控制结构的定义。

在这种结构下，流程的可变性被封装在业务活动与业务活动的连接方式，即业务事件中。采用该结构的MPM的业务活动之间不发生直接交互，而是通过业务事件进行连接，例如业务活动对象A与业务活动对象B的交互在这种结构下是通过业务活动对象A、业务事件对象E、业务活动对象B三者彼此交互完成的，对模型的调整集中在两种模型与模型接口上。业务流程的5种变化情况在MES流程模型中最终落实为对业务活动模型与业务事件模型的修改，包括增加／删除业务活动接口中输入／输出的消息、修改业务活动实现方式、增加／删除业务事件的输入活动、改变业务活动类型。因为在建模过程中对模型的可变因素分别进行了封装，所以对模型进行修改时不会影响不需要修改的部分。每次在业务流程发生变化后对MPM的修改，都可以在上一次修改得到模型的基础上针对受业务流程变化影响的部分进行。因此，在MES的实施过程中，MPM能够灵活地随业务流程变化进行持续、增量式的重构，通过重构不断保持流程模型与业务流程的一致性，使MES流程模型始终能够对系统流程起指导作用。MPM的巴科斯范式（Backus Normal Form，BNF）定义如下：

式中：BAM为业务活动模型，BEM为业务事件模型，这两个模型将在后面进行详细说明；BMS为业务活动间传递的业务消息。业务消息按作用范围分为流程类消息、活动内部消息和交互消息。流程类消息类似于数据类型中的全局变量，存在于流程的整个运行周期，在流程的组件中共享；活动内部消息只作用于业务活动内部，在业务活动执行完成后销毁；交互消息是在业务活动间进行传递的数据，作用于业务活动的交互过程，交互过程结束后销毁，由于业务活动间不产生直接调用关系，交互消息只依赖于产生该消息的业务活动。

2．2 业务活动模型

业务活动指在产品制造过程中为了实现特定目标（如改变在制品或其他制造资源位置、状态、数量等）而进行的一系列操作，包括生产准备、计划制定、领活、完工和检验等。业务活动模型是对完成这些操作所需的资源和操作的完成方式、操作完成后产生的结果等的抽象，包括事件监听器、输入、业务逻辑和输出几个部分，如图1所示。

业务活动由业务事件触发，按照预先设定的业务逻辑对数据进行处理，产生相应的输出。按粒度大小分为原子活动与分子活动，原子活动指不能再进行分解的可以独立运行的活动，分子活动可以进一步分解为多个原子活动。监听器负责监听业务流程运行过程中对业务活动的调用，当监听到对其所属业务活动的调用时激活业务活动；业务逻辑包括业务活动实现过程中进行的操作与操作间的关系、对数据或流程状态的修改等；输入为业务活动要运行时需要对外请求的数据；输出为业务活动执行完成后对外提供的数据。

2．3 业务事件模型

业务事件提供对流程控制结构的定义，包括业务活动执行顺序与执行路径的路由判断。业务事件接收业务流程执行过程中产生的消息，按照预先定义的逻辑对这些消息进行运算，根据运算结果确定需要触发的新业务活动，其模型如图2所示。

业务事件包括前向活动集、触发条件、后续活动集、活动触发逻辑、输入与监听器六部分。前向活动集为业务事件向前连接的业务活动或业务事件的集合；后续活动集为业务事件向后连接，由业务事件触发的业务活动或业务事件的集合；触发条件为业务事件运行所需要满足的条件，即业务事件激活时其前向活动集需要满足的条件；活动触发逻辑是当业务事件激活后对其后续活动的触发条件。业务活动的执行顺序分为顺序执行、并行执行和选择执行三种，映射到业务事件的触发条件与活动触发逻辑上，可分为与（∨）、或（∧）、异或（⊕）三种逻辑关系。在触发条件中，与表示所定义的触发条件必须全部满足才能激活业务事件；条件或表示至少满足定义的触发条件中的一个才能激活业务事件；条件异或表示有且只有一个条件满足触发条件时能够激活业务事件。在活动触发逻辑中，与表示全部触发，或表示至少触发一个，异或表示触发且只能触发一个。输入为业务事件运行所需要接收的流程执行过程中产生的消息，业务事件只按照输入进行逻辑判断，并不对信息进行处理。监听器负责监听前向活动集的执行状态，并按照触发条件进行判断，当满足条件时触发业务事件执行。业务事件的工作过程如下：

（1）监听前向活动集中的业务活动或业务事件的执行状态。

（2）按照触发条件判断监听器监听到的状态，满足条件时触发业务事件执行。

（3）业务事件触发后，按照输入中的定义从流程数据区中读取数据。

（4）按照活动触发逻辑对输入进行判断，触发后续活动集中符合条件的业务活动或业务事件。

2．4 模型合理性验证

在MES流程模型建立或修改后需要保证其控制逻辑的正确性，以使流程能够顺利运行，这里给出模型的合理性定义。

定义1 当一个流程模型满足以下条件时，称该流程是合理的：

（1）流程的逻辑判断在语义上是正确的，即业务事件的触发条件与活动触发条件不存在歧义与矛盾。

（2）流程中的业务活动都能被启动，即流程中不存在没有被业务事件调用或启动条件不能被满足的业务活动。

（3）流程中的业务事件都能被触发，即流程中不存在触发条件不能被满足的业务事件。

本文设计了两种算法分别验证以上条件。

算法1 判断MES流程中是否存在没有被调用的业务活动，算法中GetActivity（Ej）的含义为获得业务事件Ej调用的业务活动集合。

输入：MES流程中所有业务活动对象与业务事件对象集合分别为A＝ ｛A1，A2，…，Ai，…，An｝，E＝ ｛E1，E2，…，Ej，…，Em｝。

算法2 判断MES流程逻辑语义的正确性，当业务事件触发条件与业务活动触发条件在语义上正确时，可以保证业务事件与业务活动能够正常启动，因此条件2中对业务活动启动条件的判断与条件3中对业务事件触发条件的判断也包含在该算法中。

输入：MES流程业务事件集合E＝ ｛E1，E2，…，Ei，…，En｝。

3 制造执行系统流程组件模型与进化方法

组件是可以独立开发和部署并通过特定外部接口进行组装的软件单元［16］。以组件方式实现MES流程，可以提高系统流程的柔性、快速定制与重构流程，是业务流程驱动的MES流程进化的关键技术。

在系统建模阶段，将MES流程模型分为业务活动模型与业务事件模型，通过业务事件实现业务活动的连接，分离了业务逻辑与流程逻辑，使系统流程模型本身具有良好的可重构性，从模型的抽象层次提供对车间流程变化的支持。在此基础上，相应地将MES流程划分为业务活动组件与业务事件组件，分别对建模时得到的业务活动与业务事件进行进一步封装，基于这两种组件进行组装，得到MES系统流程。这种组件划分方式继承了MES流程模型的可重构性，在对变化部分组件进行重构时不会影响到不需要修改的部分，符合进化对变化部分重构与对不变部分继承的特性。下面对组件模型与组件化MES流程进化方法进行详细说明。

3．1 组件模型

MES流程模型仅为对模型及模型间组成关系的定义与描述，而MES中有很多不同的流程，并且同一个流程会有很多实例同时运行。因此，为了在不同流程间进行区分，保证组件运行过程中组件调用顺序与组件间消息传递的正确性，需要扩展MES流程模型，为流程模型赋予运行时的特征后才能得到流程组件模型。为了方便模型到组件的封装，组件采取与模型一致的粒度划分方式，即将模型中的每个业务活动与业务事件都封装为组件。流程组件模型如图3所示。

流程、业务活动组件、业务事件组件除了具有MES流程模型中的属性外，还增加了流程ID、流程实例ID、业务活动组件ID、业务事件组件ID属性，这些属性的含义与作用如下：

（1）流程ID 组件化流程类在MES中的唯一标志。由于车间中存在诸如主生产流程、不合格品处理流程、车间作业计划审批流程等不同的业务流程，对这些业务流程进行建模得到相应的流程模型，在利用组件实现这些模型并在系统中存储时，采用流程ID进行组件化流程类间的区分。

（2）流程实例ID 流程在运行过程中的唯一标志。流程ID实现了在系统存储时对流程的识别，但在系统运行时会有大量流程实例同时运行，采用流程ID无法对同一个流程的不同实例进行区分，因此加入流程实例ID属性，在流程运行时对该属性进行赋值，用于区分运行过程中的流程实例。

（3）业务活动组件ID和业务事件组件ID 业务活动组件和业务事件组件的唯一标志。在流程组装与运行过程中，当组件间出现相互调用关系时需要准确定位到所调用的是哪一个组件，而业务活动组件与业务事件组件具有的业务属性无法满足这种定位需求，因此采用业务活动组件ID和业务事件组件ID实现组件的识别与定位。在流程组装阶段通过“流程ID＋业务活动组件ID（业务事件组件ID）”，在流程运行阶段通过“流程实例ID＋业务活动组件ID（业务事件组件ID）”，可以准确地实现对组件的调用与组件间信息的传递。

3．2 组件化制造执行系统流程进化方法

MES流程进化是对系统中不符合车间实际情况的流程进行持续重构的过程，包括对变化部分的重构与对不变部分的继承两层含义。MES流程模型与组件模型的结构，保证了在对变化部分进行修改时不会影响到不变部分。要实现进化，需要分析出系统流程中不符合实际情况的部分，针对这部分进行重构，完成进化。由于MES流程组件直接由MES流程模型封装得到，可以通过分析变化前后的MES流程得到系统流程中的变化部分。MES流程进化包括以下3个步骤：①修改MES流程模型；②对比修改前后的MES流程模型，得到流程的变化部分与发生变化的内容；③以变化部分为驱动对组件进行修改，并对修改后的流程进行测试，测试通过后交付用户使用。这3个步骤在实施过程中不断循环、不断改进和完善MES流程，体现出了进化实施的特性。

按照2．1节中的结构对 MES流程进行建模后，业务流程的变化最终体现在业务活动的变化与业务事件的变化中。按照业务流程的5种变化情况对MES流程进行分析，可将业务活动模型的变化分为增加／删除业务活动、增加／删除输入／输出接口、修改业务逻辑3种；业务事件模型的变化分为增加／删除业务事件、增加／删除前向活动、增加／删除后续活动、改变业务事件触发条件、改变后续活动触发逻辑5种。据此设计了两种算法，分别对业务活动与业务事件的变化进行分析，将以上几种变化情况作为结果进行输出。

算法3 业务活动接口变化分析算法。

输入：修改前的业务活动模型BAM（old），修改后的业务活动模型BAM（new）。

输出：增加的输入接口集合AddIptList，删除的输入接口集合DeleteIptList，增加的输出接口集合AddOptList，删除的输出接口集合DeleteOptList。

对于同时存在于BAM（new）与BAM（old）中的业务活动BA：

通过分析得到MES流程中的变化部分后，还需要将变化映射到流程组件中的驱动组件重构，最终完成对流程的进化。针对MES流程模型在重构前后的变化情况设计了24种组件调整算法，包括对业务活动组件的增加／删除、业务活动组件输入／输出接口的增加／删除、业务事件组件的增加／删除等。首先对MES流程模型进行分析，得到流程组件的变化类型，再通过变化类型调用组件调整算法，实现对业务活动输入／输出以及业务活动执行顺序的修改。业务活动组件的业务逻辑包含复杂的判断与操作，无法预先列出所有的变化情况并设计算法对其进行重构，因此这部分重构需要软件开发人员进行，无法通过算法完成。由于MES流程组件直接由流程模型封装得到，流程重构之后可以利用2．4节中的模型合理性验证算法进行合理性验证。下面以增加业务活动 AddActivity（A，Ei，Ej）作为例，通过该算法实现在业务事件组件Ei与Ej之间增加业务活动A。

输入：调整前的流程F，需要添加的业务活动A，业务事件组件Ei，Ej。

其中，由于Ei的活动触发方式与Ej的触发方式不同，分别调用了不同的方法实现A的添加。添加后，A与Ei的其他输出活动、Ej的其他输入活动形成不同的逻辑关系：AddInputActivity（E，A）／AddOutputActivity（E，A）与其他活动并行执行，AddoptionalInput（E，A，C）／AddOptionalOutput（E，A，C）与其他活动选择性执行，AddXORInput（E，A，C）／AddXOROutput（E，A，C）与其他活动互斥性执行，C为活动A触发业务事件E或业务事件E触发活动A的条件。

4 应用实例

以航天某设备制造厂的数控车间主生产流程为例说明MES流程的进化过程。该车间主要承担各种航天零部件的精加工任务，生产具有多品种小批量、研制混线的特点，其产品中试制件较多，多数工艺为试制工艺，制造过程处于经常变动的状态。在以上背景下进行了MES项目的开发与实施，系统采用表示层／逻辑层／中间件层／数据库层（Oracle 9i）四层结构框架，采用Rational Rose进行建模，在上海普元EOS中间件平台上进行组件开发与部署。在系统建设初期，车间主生产流程中每道工序加工完成后都需要检验员进行检验，合格后才能进入后续工序生产，采用这种方式对产品质量进行控制。随着任务量的加大，现场同时进行的工序有很多，检验员需要对大量在制品进行检验，其工作量大，容易造成在制品积压，影响现场生产顺利进行，因此车间对生产流程进行改造，将原来每道工序都需要检验改为只对关键工序进行检验，其余工序检验由工人自己进行互检完成，要求MES流程适应其最新的生产流程。变化前后的流程如图4所示。

MES流程经历了如下进化过程：

步骤1 按照2．1节中的模型结构进行建模，得到如图5和图6所示的模型（由于篇幅限制，只给出了模型的局部）。

步骤2 利用3．2节中的模型分析算法对两者进行分析，得出如下需要修改的组件内容：

（1）增加业务活动组件互检。

（2）增加业务事件组件关键工序判定，前向活动为加工完成业务事件，后续活动为选择执行的业务活动组件检验与互检，输入接口为工序信息。

（3）将业务活动互检增加到业务事件检验结果判定的前向活动中。

步骤3 按照3．2节中的组件调整算法，这些变化属于增加业务活动组件、增加业务事件组件、增加业务事件组件的前向活动，按照变化类型分别调用相应的调整算法进行组件重构。

步骤4 按照2．4节中的合理性验证算法对调整后的组件进行验证，验证通过并经过测试后交付用户使用，至此，本次流程进化完成。

因为MES流程组件间是相互独立的，在进化时不需要考虑流程中的不变部分，所以尽管MES流程非常复杂，但每次进化都只针对变化部分进行，减少了进化的工作量。在该车间的MES实施过程中，车间的流程重构需求提出后，最多需要两个工作日就能完成对系统流程的进化，大大提高了重构效率。目前，系统已经上线实施了半年时间，在这半年时间里，系统流程按照用户需求不断进化，已经完全符合车间实际情况，进入稳定运行阶段，得到了良好的实施效果。

5 结束语

本文基于车间层对MES流程的重构需求，提出一种可重构流程模型驱动的MES流程进化实施技术。通过分析MES流程模型的可变性，将其划分为业务活动模型与业务事件模型，并分别建立模型，通过业务事件实现业务活动执行顺序的连接，使模型本身具有良好的可重构性。在模型基础上，基于组件技术进行封装，得到组件化的MES流程，当业务流程发生变化后，通过分析变化前后的MES流程模型，得到流程中发生变化的部分，由组件调整算法和实施人员参与，将变化映射到流程组件中实现MES流程进化。通过进化使MES流程始终与车间层业务流程保持一致，实现两者的同步演化。最后以某航天厂的进化实施过程为例进行了说明。

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