钣金车间MES系统数据模型的设计与实现

       天津火箭公司是我国新一代运载火箭产业化基地，钣金车间作为公司基本生产单元，主要负责运载火箭壁板、瓜瓣、框段等钣金类零件的生产。在2017年，钣金车间完成了MES系统一期建设及实施应用，打通了车间生产的信息化管理链路。但随着公司型号任务数量逐步增加，质量管控要求越来越严格，成本控制要求越来越精细，原有的MES系统数据模型不能很好适应车间日益细化的业务管理。

       天津火箭公司以“制造数据”为驱动，从产品制造过程和车间生产模式上对原有的车间数据模型进行了优化和再造，将单一的强耦合的数据模型分解为制造过程模型和业务领域模型，将车间生产物理环境和MES系统信息环境这两个孪生模型建立映射关系。一方面，通过信息环境反映真实的车间生产过程，另一方面，生产过程中的业务变化和异常情况，又可以在信息系统中快速响应和调整。通过建立MES系统的数据模型，有效提升MES系统适应公司业务变化的能力，实现了产品制造生命周期追溯和质量管控。

1 需求分析

       2017年钣金车间完成了MES系统一期建设及实施应用。一期MES系统以型号计划、月度计划、车间作业计划和班组派工单等生产计划逐级细化为主线，重点解决了业务流程中的关键节点和关键过程。但是，随着系统逐步深入应用和生产业务逐步完善，我们发现，当公司生产管理或者质量管控发生变化细化时候，车间管理方式可以快速进行调整，以满足公司新增管理规定的要求，但是原有的MES系统数据模型则需要对业务逻辑、流程数据及数据结构结构进行多处修改，甚至需要对数据模型进行“推倒重建”，才能满足业务变更需求，因此车间原有的数据模型不能很好适应车间日益细化的业务管理。MES系统一期的数据模型原理图如图1所示。

       MES系统一期的数据模型存在的详细问题如下：

       (1)无法适应车间业务变更和质量管控细化

       MES系统一期的数据模型的建设思路是以“流程驱动”为核心，重点实现关键业务的电子化。但是，当车间业务流程进行优化或者质量管控细化，车间原有的强耦合数据模型不能很好地融入现有业务之中，不仅起不到“添砖加瓦”的作用，反而成为了业务过程中的羁绊。

       (2)无法覆盖车间生产中的异常情况

       MES系统一期的数据模型重点打通了车间生产任务逐级细化和任务分解的信息化管理链路，但是车间在生产任务执行过程中，可能会遇到各种各样的异常情况，例如技术更改、工装返修、设备故障、原材料实物有划伤等等情况。这些生产异常情况在车间原数据模型是未涉及的，随着车间生产管理要求逐步细化，原数据模型无法满足车间对所有的业务过程管控需求。

       (3)无法适应职能处室业务需求变更

       在建立钣金车间数据模型过程中，不仅仅需要考虑车间业务逻辑需求，还需要考虑公司各个处室对于车间各项业务数据的需求变化，比如生产处对于车间执行情况考核数据、财务处需要的原材料成本统计、人力处需要的工时统计以及设备处需要的设备运行数据等，需要满足处室业务变更所带来的变化。

2 MES系统数据模型设计思路

       为了满足车间业务变更和质量管控细化的需求，我们从产品制造过程和车间生产模式上对原有的车间数据模型进行了优化和再造，将单一的强耦合的数据模型分解为强内聚低耦合的制造过程模型和业务领域模型，实现了车间业务变更的快速响应、覆盖车间所有业务、打通车间与职能处室壁垒。钣金车间数据模型原理图如图2所示。

       制造过程模型是产品生产制造过程的抽象，将车间每一项生产任务抽象为一个任务执行管道，管道中包括各种定制的正常节点和异常节点。通过记录生产任务执行过程中所发生的节点，还原整个生产任务的执行过程，实现生产任务全过程的流程记录和数据记录。当车间制造流程发生变更时候，仅仅需要对任务管道模板和节点进行修改，而不会影响到车间的数据结构，实现了车间业务变更的系统快速响应。

       业务领域模型是对车间业务的抽象，将车间核心域划分为16个业务领域进行建模，主要包括工艺管理、质量管理、工装管理、设备管理、工具管理、量具管理、原材料管理、成本管理、任务执行等，基本涵盖车间目前所有的业务。通过业务领域模型，将原本依据业务流程建模方式，优化为依据车间核心领域建模方式，从根本上将系统数据结构与车间管理进行了融合。业务领域模型以提供领域服务方式，被车间制造流程模型中的制造节点调用，将制造流程和业务领域进行解耦，只有当车间业务领域发生变化的时候，例如制造模式改变，才会对车间业务领域模型进行修正。业务领域模型通过消息总线的方式，与公司各职能处室的领域进行系统集成，将公司的生产管理模式由“处室提要求、车间被动执行反馈”转变为“处室订阅车间业务领域的消息，自动接收生产业务数据”新的生产管理模式。钣金车间数据模型技术架构如图3所示。

3 MES系统数据模型实现

       3.1 制造过程模型的实现

       针对公司产品生产过程的不确定性、制造管理的复杂性，设计开发了以“任务管道”运行为核心的制造过程模型，其核心思想是根据不同生产任务需求构建不同的任务管道，并为其绑定不同的制造节点。在制造执行链路执行过程中，可以对制造节点进行调整和触发异常情况，实现对产品制造过程的全生命周期管理。如图4所示。

       正常节点是构成车间任务管道执行的最基本单元，也是任务执行过程具体表现。按照正常节点的执行方式，分为白动节点和人工节点，对于自动节点，系统会自动完成该节点工作，并将结果反馈给执行角色：对于人工节点，需要执行人员在系统中进行处理和填报。自动执行节点的多少也是衡量一个车间自动化程度的重要指标。

       车间在生产任务执行过程中，会发生各种各样的异常情况，而这些异常情况处理往往是调度员和车间主管所关注的重点，这些异常情况基本都是公司各职能处室按照公司质量管理体系进行处理的。当管理颗粒度细化或者管理方式调整，异常情况处理流程需要进行更新和调整。因此，需要在任务管道中增加异常节点，以实现对异常处理过程的记录。如图5所示。

       3.2 业务领域模型的实现

       业务领域模型是对车间业务的抽象，主要包括领域服务、领域模型和数据结构。通过业务领域模型，将原本依据业务流程构建数据库结构的方式，优化为依据车间核心领域建模方式，从根本上将系统数据结构与车间管理进行了融合。业务领域模型是对车间业务管理的信息映射，只有当车间管理模式（例如制造模式、工装单件管理、工具多件管理）改变的时候，才会进行调整。

       领域服务在业务领域模型中起着承上启下作用，它是由领域模型所提供，被车间制造过程模型中的正常节点调用，通过进行数据存储，完成业务数据的持久化过程。在系统建模过程中，由于车间管理要求基本都是按照体系要求进行的，领域服务与公司质量管理系统要求是对应关系，因此领域服务搭建就是将管理体系文件的系统化过程。

4 应用效果

       钣金车间MES系统数据模型通过实际应用，取得了以下效果：

       1)通过建立车间数据模型，有效提升MES系统适应生产业务变化的能力。钣金车间数据模型建立，将业务变化和模式变化进行区分，把单一的强耦合的数据模型分解为制造流程模型和业务领域模型，有效提升了系统适应各种业务变化的能力，将原本需要2-3个月系统开发时间缩短为1周以内。

       2)实现产品生产制造的全过程追溯，有效提升产品质量控制。“生产任务管道”运行过程包含了从任务分解、任务绩效评价和产品交付整个产品制造生命周期，涉及了产品制造过程的计划、物料、生产准备、质量、进度、异常处理等所有业务流程。通过还原“生产任务管道”，实现从时间、事件、设备和人员多维度进行产品制造过程的记录和追溯。

       3)逐步形成了车间管理体系的建设路径。在钣金车间MES系统建设过程中，将车间正常节点和异常节点按照工艺、生产、质量、设备等方面进行分类汇总，形成车间管理体系建设图。通过车间管理体系建设图，为后续车间信息化建设提供了建设依据以及建设路径，将传统的“推倒重来”的系统建设方式转变为“继往开来”的建设模式，为后续公司信息化建设指明了方向。

5 结束语

       本文以“制造数据”为驱动，从产品制造过程和车间生产模式上对原有的车间数据模型进行了优化和再造，建立MES系统的数据模型，有效提升MES系统适应公司业务变化的能力，实现了产品制造生命周期追溯和质量管控。