本文在前人研究的基础上，以面向服务的系统体系结构为中心，以制造业务为驱动，综合应用集成化计算机辅助制造系统功能建模方法(inte—grated computer aided manufacturing define 0，IDEFO)、业务流程管理(business process management，BPM)分析方法和基于UML流程分析方法对面向服务的制造执行系统进行建模，为制造执行系统的实现提供业务对象模型、功能模型、过程模型、组件模型、服务模型及服务交互模型，最后在实际的制造执行系统的建模过程中进行了验证。

1 面向服务架构的制造执行系统体系结构

    参照IBM面向服务的系统体系结构，结合MES的构成和特点，提出了一种面向服务架构的MES体系结构，如图1所示。面向服务的MES体系结构包括企业资源层、组件层、服务层、业务流程编排层、功能模块展现层、系统集成框架层及安全、事务和服务质量管理层。其中企业资源层

图1 面向服务的MES系统体系结构

    主要包括制造企业现有的IT资产的数据库、数据文件及MES系统所需要的系统软件；组件层是实现制造执行系统的基本功能和技术构件；服务层的服务与制造业务相对应，实现制造过程的业务管理功能；业务流程编排层通过服务的组合和编排来实现制造执行系统的制造业务流程管理；展现层连接着MES的人机交互界面与系统业务功能，提供多种方式的访问协议和接口；系统集成框架以企业服务总线为核心实现MES内部功能的集成以及MES与其他信息系统的集成；安全、事务和服务质量层为系统可靠安全运行提供了保证。

    从面向服务的制造执行系统构成的层次框架可以看出，企业资源层、组件层、服务层和业务流程编排层是制造执行系统功能实现的载体。面向服务的系统建模主要通过对企业资源层、组件层、服务层和业务流程编排层进行建模，以建立系统的业务对象模型、功能模型、过程模型、组件模型、服务模型和服务交互模型。

2 面向服务的MES系统建模方法

    目前在软件系统建模领域已经有一些比较成熟的系统建模方法，如面向对象的系统分析和设计、基于IDEF的系统功能建模和信息建模、基于BPM的业务流程建模等。这些建模方法和工具各有特点，如IDEFo是一种有效的功能建模方法，能够直观便捷地进行系统功能及其联系的建模，可以很好地对制造执行系统的功能域进行建模；基于BPM的业务流程建模方法能够很好地支持以业务为中心，面向流程的系统建模与分析；而基于UML的面向对象分析和设计方法则能够可视化地建立与现实世界相对应的系统模型，并支持模型之间的转换。但是这些方法都侧重于系统建模的某一个方面，或者在特定的建模环节存在一定的缺陷，如IDEFO方法不能很好地对业务过程进行建模等。而面向服务的MEs系统建模是个复杂的过程，它包括建立系统的业务对象模型、功能模型、过程模型、组件模型、服务模型和服务交互模型，目前还没有一种方法或工具能够完整支持面向服务的系统建模过程，本文结合面向服务系统架构的特点，遵循面向服务的系统建模思想、综合应用IDEFO、BPM、UML等已有的建模工具和方法进行MES系统的建模。

 2．1 面向服务的MES系统建模方法框架

    根据面向服务的制造执行系统的系统体系结构和系统全程建模要求以及IDEF0、BPM、UML建模工具和方法的特点，面向服务的制造执行系统集成化建模方法框架如图2所示。

图2 面向服务的制造执行系统建模方法框架

    面向服务的制造执行系统建模方法框架由系统体系结构层次框架层、建模工具与方法层以及系统模型层构成。其中，系统体系结构层次框架层主要根据面向服务的制造执行系统的体系结构确立系统建模的主要对象；建模工具与方法层包括IDEF0、BPM和UML建模方法，根据建模对象的要求，采用合适的方法与工具对建模对象进行系统建模，如采用IDEFo方法对系统功能模块及展现层进行建模，采用BPM及UML的活动图、UML时序图在不同阶段对系统的业务流程层进行建模等；系统模型层主要包括系统建模完成后的各种系统模型，包括系统的业务对象模型、功能模型、过程模型、组件模型、服务模型和服务交互模型，同时，一种模型可以作为下一种模型建模的基础或者构成要素。

    2．2 面向服务的MES系统建模过程

    结合IDEFO、BPM和UML建模方法在不同层面系统建模的优点，应用上述的面向服务的制造执行系统建模方法框架，面向服务的MES系统建模过程可以分为功能模型建模、过程模型建模、功能组件建模、业务对象建模、服务建模、服务交互模型建模等6个部分。

    采用IDEF0建模方法进行功麓建模．建立MES系统的功能模型MES系统功能模型的建立可先从MES的体系结构和实现领域上着手，总体分析和设计MES系统所包含的子系统、功能模块，并识别功能模块之间的关系。IDEFo功能建模方法是从逻辑上而非物理上抽象MES的子系统和功能模块，从而对MES功能进行宏观上的把握。IDEF0是一种有效的功能建模分析方法，可用于描述系统功能活动及其联系。IDEFo方法采用自顶向下、逐层分解的方式建立面向服务的MES系统功能模型，包括MES系统顶层功能模型、子系统功能模型、模块功能模型及子系统功能模型等。图3是基于IDEF0的MES第一层功能模型图实例。

图3 MES第一层IDEFD功能模型

    2.2.2 基于BPM方法堆行流程建立MES系统的过程模型

    面向服务的MES系统是面向流程、以业务为中心的车间制造信息化管理系统。在功能建模的基础上，根据MES的每个功能模型，采用UMI.活动图，根据BPM方法分析车间运作流程，包括物流、信息流、事件流和控制流等，并分析业务规则，进行业务流程的设计和优化，建立MES系统的流程模型。在MES流程建模过程中，以功能模型为基本单位分别建立功能模型对应的过程模型，综合考虑流程的优化和流程之间的集成。图4是工票管理的过程模型实例。

图4 工票管理过程模型

    2.2.3功能组建建模

    功能组件是可复用的、提供明确接口完成特定功能的程序代码块。功能组件是面向服务的ME5的基本功能单位，是MES系统功能服务的基本组成元素。在面向服务的MES系统中，应用UMI_组件模型、根据MES系统的每个流程模型的流程执行功能点进行业务功能的识别，作为建立功能组件的基础，如在工票管理流程中，可以根据流程的功能控制点建立工票创建、工票下达、工票发料、工票完工确认、完工人库、成本核算、工票关闭等功能组件。在此基础上、根据预先制定的组件设计原则和粒度的要求进行组件的评价、合并或者拆分成粒度更细的功能组件。
 2.2.4 业务对象建模

    在面向服务的MES系统中，功能组件针对特定的业务对象实现的特定的功能，可以根据特定的业务对象对功能组件进行分类，以此作为系统服务设计的基础。因此，业务对象的识别和建模是连接功能组件和服务的桥梁。可以采用UML类图，根据特定的功能域进行业务对象模，分析车间制造业务，其包括的业务对象有产品、设备、工艺路线、产品结构物料清单(bill ofmaterial, BOM)、工票、库存、质量、成本等。

    2.2.5 服务建模

    服务是面向服务的MES系统的基本组成元素，根据已经识别的车间制造业务对象，把按业务对象归类的功能组件，封装成具有一定粒度、完成特定功能的业务服务，并通过服务契约对服务的接口和实现分别进行描述，发布到服务注册中心，供其他服务和应用进行绑定和调用，根据实际可建立工票执行服务、产品服务、质量服务、库存服务、成本核算服务等。同时，根据需要可以通过服务合成把若干个粒度较细的服务合成粒度较粗的合成服务，并采用同样的方法进行服务描述与发布。

    2.2.6 服务交互模型建模

    面向服务的MES系统是面向流程、以业务为核心的制造信息、管理系统，在建立业务服务的基础上，下一步就是要根据MES的过程模型，进行服务的编排，通过服务的编排和交互来实现车间制造管理业务流程，可以通过UMI时序图建立服务的交互模型并应用基于可扩展置标语言(extensible markup language, XML)的商业流程执行语言(business process execution language,BPEL)对由服务编排形成的车间制造管理业务流程进行形式化的描述。图5是一个基于时序图的工票执行流程服务编排的服务交互模型。

图5 工票执行流程服务交互模型

    2.3 方法验证

    上述建模方法在国家863/CIMS课题数字化制造管理与执行关键技术研究与应用课题的车间无纸化生产管理系统(一种面向离散车间的制造执行系统)的建模和设计中得到了应用。结合IDEFo在功能建模的优点，应用IDEFO建立了系统的功能模型，包括从顶层的车间无纸化生产管理系统功能模型、第一层的车间生产管理、车间物料管理、车间在线质量管理、车间甩图纸管理、制造资源管理等子系统间相互关联的功能模型，以及各子系统相对应的业务模块的功能模型;在功能建模的基础上，应用BPM业务流程分析方法和UML活动图，对每个功能模型中及功能模型间涉及到的车间制造过程业务流程进行了分析和建模，建立了车间作业计划制定和下达流程、生产派工流程、车间发料流程、物料工序间转移流程、生产完工流程、工序质量检验流程等车间无纸化生产管理过程模型;基于上述过程模型及系统组件设计的原则，应用面向对象方法及UML的组件图构建了车间无纸化生产管理的业务功能组件，如车间作业制定组件、作业下达组件、物料发料组件、工序间物料搬运组件等;在此基础上，应用UML类图对车间生产过程中涉及到的业务对象进行了识别和建模，建立了产品、设备、工艺路线、产品结构BUM、工票、库存、质量、成本、工具等业务对象模型;应用上述的建模成果，根据业务对象及相关组件的功能，应用UML的组件图建立了车间无纸化生产管理系统的服务模型，如作业计划服务、派工单服务、物料移动服务、工序质量检验服务等，并对相关的服务进行了实现和部署;最后根据系统的过程模型，常用服务组合和编排的方式，应用UML时序图的基础上，常用BPEL对车间业务流程进行了模型实现。

    在建模实现的基础上，基于Java 2平台企业版(Java 2 enterprise edition, J2EE)开发架构，应用Web服务技术，开发了面向服务的车间无纸化生产管理系统，系统由数据采集与信息交互平台、车间制造过程管理功能子系统、系统集成框架等部分构成，开发的系统已经获得国家软件著作权并在重庆卡福汽车制动转向系统有限公司、重庆齿轮箱厂等企业进行了实施和应用，运行良好。

3 结论

    本文提出了一种以系统体系结构为中心，制造业务驱动的，综合应用IDEFD BPM业务分析方法和UML的面向服务的制造执行系统建模方法。通过面向服务的制造执行系统体系结构的分析，确定了以企业资源、组件、服务和业务流程作为建模的主要对象，并综合应用IDEFO , BPM和UML建立了系统的功能模型、过程模型、组件模型、业务对象模型、服务模型和服务交互模型。最后，在车间无纸化生产系统开发中的应用验证了方法的可行性，从而为新一代的面向服务的制造执行系统建模提供了一种可行的方法。