近年来，国内大型石油化工企业购买SAP、Aspentech、Honeywell等国外知名厂商的产品，或者自主研制开发，很大程度地提高了生产管理水平。然而SAPR/3系统、Aspentech调度优化软件ORIONHoneywell的软件都分别定义了工厂模型。系统之间不能共享模型。如果同时使用这些软件，就要求人为保证其一致性。平衡数据不能直接用于调度优化，生产数据需要经过人工处理才能导入ERP。企业应用和控制系统集成往往通过定制接口实现，代价高而实时性低。因而ERP、MES和LIMS等系统之间仍然存在着巨大的信息鸿沟。另一方面，企业规模庞大，其生产动态跟踪和生产调度优化等需要建立的模型繁杂，且众多因素互相影响，功能实现复杂。如果MES采用传统的软件开发方法，一旦开发完毕，就不能随生产因素的变化而及时调整。以上情况直接导致系统功能的环境适应性不强，自主研发的成本，收益也很难控制。所以，提高软件抽象层次和集成度，一直以来都是MES软件开发方法的热点和难点。Honeywell DOME是较为出色的、可视化的元建模上具。其优点是可以最大程度地复用已有建模工具，并使用不同的建模工具建立不l刊的视图。然而这种方法尚不成熟，还有许多问题需要解决，包括关系模型、元模型转换和代码生成等，且不能在线修改程序逻辑。西门子公司提出1种软件应用程序、软件体系结构和尤其为MES系统产生软件应用程序的专利。该专利的特点是基于元信息的运行时系统。其整个功能都由分层树的结构导出，具有高可重用性。但是对象持久化存储网难，且由于未涉及领域模型及其层次，它产生的应用系统跨行业的适用性弱。综合上述分析，目前MES的软件开发和维护成本居高不下、应用效果不理想。特别是，流程工业企业的信息化环境还远没有达到褚健和孙优贤等人提出的以生产过程MES为主的企业综合自动化水平。

    高层体系结构，是美国国防部用于通用目的的分布式仿真系统框架。通过多年实践，美国国防部已经认识到了HLA存在的问题和技术局限性，认为HLA是必要的，但仅有HLA却不够。对象管理组织OMG提出1种基于模型驱动架构的软件开发方法。其目的是将业务逻辑与底层平台彻底分离，使模型成为软件开发的核心制品，提升软件开发的抽象层次，从而提高软件开发效率和软件的可维护性。提出MDA和HLA融合的方法，实现具有互操作性和重用性的建模仿真解决方案。本文针对传统MES存在的问题和缺点，提出了1种基于MDA的软件基础设施，用于构建下一代柔性的流程工业MES。其总体目标，是使MES软件在满足流程工业普适性需求的同时，也能适应特定的企业环境。基于层次化设计，系统分为CIM、PIM和PSM。在PIM软件基础设施之上，CIM又包括3个领域模型：功能模型分析需求并描述功能，逻辑模型使用自描述的建模方法，定义工厂对象模型、用户接口和工作流程，科学计算模型将工厂对象模型转换为数学模型，实现数据协调和生产优化的闭环管理。原型验证及工程实践表明，系统能够实现与传统MES相一致的领域模型，并显著缩短产品交付时间，降低项目成本。

2 层次化设计

    MDA包括3层模型：计算独立模型CIM、平台无关模型PIM和平台相关模型PSM。CIM又称作领域模型，扮演了重要的角色，它负责描述需求、术语等领域知识，在MES领域专家和软件系统专家之间建立了桥梁。PIM独立于平台实现，提供一系列的通用服务，如：事件处理、持久化、模型转换和算法等。PIM根据不同的部署要求，自动映射到不同目标的技术平台，即平台相关模型PSM，如.NET、Java等平台之上的程序实现。基于MDA的层次化设计，本部分给出了流程工业MES系统的体系结构，如图1所示。

图1  系统体系结构

    CIM提供在纵向和横向2个方向上的划分。横向划分为：功能模型、逻辑模型和科学计算模型。功能模型描述MES领域的术语和功能，逻辑模型为功能模型提供工厂对象模型、用户交互接口和工作流程的定义。而科学计算模型将工厂对象模型转换为数学模型计算求解。纵向划分为：领域无关模型、流程工业MES平台、行业MES解决方案以及个性化的企业应用。领域无关模型使用元模型的方法实现对逻辑模型的自描述能力。流程工业MES平台在领域无关模型上，以实时数据库接口作为PCS层数据自动采集界面，辅以人机交互手段，将原始数据结构化组织起来，并转换为科学计算的输入。其输出为本期成本核算和下期生产优化方案提供高精度的过程数据。行业MES解决方案面向细分行业，扩展流程工业MES平台的基础功能，针对特定的专业术语和生产工艺过程，向行业用户提供最终的软件服务。例如，具有罐区操作管理等功能的炼油行业MES解决方案。个性化的仓业应用层基于行业解决方案，建立工厂实体模型反映具体企业实际的生产流程，并按需定制部分管理功能。最终，企业形成具有自身特色的MES应用环境，完成生产过程管理信息化建设。软件基础设施处于PIM层，为上层MES应用提供了柔性、可扩展的计算平台，它包括可视化的建模工具(和实体建模工具)、运行时引擎、科学计算算法包及KPI计算等。基于.NET平台实现的软件基础设施，属于PSM层。

    本部分实现了软件和模型抽象水平的层次化，兼具灵活性和可复用性。基于统一的平台，系统允许不同角色的人从不同的切入点共同参与MES的应用与研究。

3 模型设计

    CIM纵向划分的每个层次上都包括功能模型、逻辑模型和科学计算模型。功能模型从分析需求出发，定义企业生产管理功能的输入、输出及其之间的关系。逻辑模型基于功能视图，描述对象结构、用户接口和工作流程。科学计算模型主要包括数学求解器，以及工厂对象模型与数学模型之间的转换方法。

3.1 功能模型

    ISA-95定义了生产操作管理的需求和活动。生产操作管理需求包括4个方面：产品操作管理、维护操作管理、质量操作管理和库存操作管理。生产操作管理活动，是达成这些管理需求所要完成的动作和步骤。在需求分析和功能模型设计过程中，首先识别出每个细分行业的具体用例，与ISA-95对比，泛化处理这些用例为基本用例和扩展用例，并将这些用例分解为1组活动，设计出支持这些活动的系统功能。在流程工业MES平台中给出具有普适性的基本用例、活动和系统功能等。同时在行业MES解决方案中，描述相应的行业扩展。例如，炼油行业罐区管理可作用于油品储运车间，有油罐收付、检尺以及油品调和等活动。该管理功能为炼油行业MES解决方案的一部分，是流程工业MES平台之上的行业扩展。它与仓库管理共享流程工业平台统一提供的库存操作管理等功能接口。

3.2 逻辑模型

    MDA将模型定义为4个层次：元-元模型、元模型、模型和实体。元模型是MDA的关键，目前MDA有3种元模型规范：基于统一建模语言的面向对象元模型、通用数据仓库元模型和本体论。系统引入面向用户界面建模的对象扩展模型描述对象结构及其界面布局与绑定。同时基于CWM规范的实体，关系元模型定义存储视图。数据存取服务实现对象模型与实体一关系的双向转换：界面绑定的对象转换为记录，按E-R模型存储；E-R模型的记录组装成对象，并自动映射到用户界面。

3.2.1 面向对象元模型

    本部分由包、类、属性、关联和基本数据类型等元素组成，如图2所示。

图2  面向对象元模型

3.2.2 实体一关系元模型

    本部分由模式、表、字段、主键和外键等元素组成，如图3所示。

图3  实体-关系元模型

3.2.3 元模型转换

    本部分使用MDA中的QV规范实现面向对象元模型和实体一关系元模型之间的映射。例如，类和表的转换如图4所示。

    设备的层次结构和从原料经生产加工成产品的工厂拓扑模型，是对象模型的重要组成部分。随着信息集成需求的日益突显，要求模型能够在时间、空间、物料等多维度上体现层次性。

    在建模阶段，领域设计人员采用多分辨率物料模型的建模方法，可以满足上述要求，如图5所示。其中工厂模型组(包括若干工厂元素，如：节点、区域、连接器和物料等。1组Indicator形成技术经济指标体系，它与多个元素关联，形成多维指标立方体。节点、区域和物料具有自包含关系，使工厂模型组之间的工厂元素形成1对多的函数映射。

图5  工厂对象模型

    根据以上所述，领域设计过程采用面向对象分析与设计方法，将功能模型转换为逻辑模型，由软件基础设施的PSM实例加载运行。可视化的面向对象元模型直观，且与ISA-95一致。基于E-R模型的物理视图与使用传统开发方法实现的MES系统兼容。基于QVT模式匹配的转换服务实现了模型之间的映射。因而，本部分的设计可行，并解决了现有工具存在的诸多问题。

3.3 科学计算模型

    科学计算模型主要包括最优化算法等，以及工厂对象模型与数学模型之间的映射关系。系统根据调度优化、数据协调和显著误差诊断的要求建立物料平衡、能量平衡、相平衡及组分归一等方程，作为约束条件，并集成线性规划GLPK、非线性规划IPOPT和2次规划qpOASES等开源算法包。同时，混合使用启发式等智能决策方法，缩小可行解空间的搜索范围，提高计算性能。

3.3.1 调度优化模型

    随着全球化竞争加剧，企业希望实现利润最大化的优化目标。该问题复杂度高，存在大量非线性问题。Whchter等人提出1种大规模非凸面约束的NLP算法。形式化表示为：

                   （1）

    其中，f（x）为利润函数，C（x）=O表示装置平衡方程、性质硫平衡方程和产品调合等约束方程。特别地，加工成本与加工量之间呈非线性关系，性质硫平衡方程也为非线性约束。

3.3.2 数据协调和显著误差诊断模型

    通过仪表测量获取过程数据存在误差或失灵，有时管网和容器还有泄漏。企业考虑技术和成本因素，模型还存在未测量变量。因此需要数据校正、过失误差诊断与剔除技术，并估计未测量变量，满足各种平衡方程，提高模型数据的质量和完整性。目前的显著误差诊断方法主要包括MT等。假设初始模型中，有n个已测量值η，m个未测量变量ξ。该模型的计算框架，形式化表示为：(1)根据式(2)，求解已测量变量的协调值而和未测量变量ξ.
 

                   （2）

4 软件基础设施

    软件基础设施提供一系列平台无关的服务：可视化的面向对象元建模工具定义工厂对象结构模型，实体-关系元建模工具将OO模型自动转换为E-R模型，与关系数据库建立1对1的映射。元模型由XMI文件格式存储，它还可以和Rational Rose等设计工具实现交互。界面设计工具定义形式丰富的用户界面，系统实现从对象模型到其界面细节构成的自动化映射。数据访问器负责数据对象的存取。面向对象的数据访问器根据00模型与E—R模型的映射关系，调用SQL数据访问器生成SOM。PSM实例根据特定的数据库平台生成SQL语句，提交数据库执行，返回数据记录。最后，界面运行时环境加载界面布局文件，引入动态语言运行时引擎Lua解析动态脚本，作为“胶水”代码，控制界面逻辑，调用数据访问器或者执行科学计算包等服务实现功能模型。基于资产利用率的考虑，企业希望集成现有其他软件系统。系统设计允许逆向工程：使用ERM工具从关系数据库反向生成实体-关系模型，然后将它输入OOM工具生成面向对象模型。根据以上描述，图6和图7分别展示了软件基础设施的构件图和类图。

图6  软件基础设施

    图7中，Lua Interpreter将各种功能集成起来。类设计过程中，除了完成对服务及构件的支撑外，还应用观察者模式，并通过建立数据关联的有向无环图，实现实体模型和用户界面的局部更新。同时，系统使用备忘录模式，并采用命令模式将每个操作封装为对象，提供撤销和重做功能。本部分与基于MDA的传统系统相比，最大的优势是增加了解释性的动态语言，而不是由PSM自动生成C++或Java的框架代码再人工完善并编译。系统允许领域设计人员在编译期之后，运行时在线修改应用系统的模型、外观和行为。

5 工程实践

    中国石化SMES软件自2004年，先后在多家大型化工企业实施，并按照ISA-95标准建立了工厂模型。本文基于.NET平台实现了软件基础设施的部分构件，使用面向对象元建模工具定义了与SMES 3.O一致的工厂模型，如图8所示。图9展示了交互界面设计和运行时系统。图9  界面设计和运行时系统

     由此可见，本文即符合工程实践的需要，又使MES开发和应用变得更有效率：基于软件基础设施，首先在领域设计过程中建立MES功能模型，并转换为MES逻辑模型。系统运行时加载模型，自动生成组态工具，实现流程工业操作管理功能的一般性需求，并快速生成适用于化纤和乙烯等行业分线分品种、在制品折算等个性化功能。实施．T程师使用这些工具导入工厂主数据，并进行流程测试。根据实际情况，工程师还可以选取各种科学计算模型，解决现场复杂的物料平衡和调度优化问题。各独立运作的功能模块基于统一的基础设施平台和模型设计，且不存在跨系统访问数据的障碍。一旦软件系统专家实现软件基础设施，领域专家可独立完成整个领域建模过程，并最终生成流程工业的生产执行系统。

6 结论

    本文提出的软件基础设施，与传统MDA系统相比，更具运行时动态特征，领域模型能够在编译期后被方便地修改，使UML等设计工具的输出不再仅仅是文档，而成为可执行的产物。本文为下一代流程工业MES确立了理想的思想、体系和结构，是1种实现企业综合自动化切实可行的解决方案，能更好地满足生产企业精细化管理和快速发展的需要。下一步的工作目标是结合具体项目，完成软件基础设施，并为大规模应用提供佐证材料。