1 引 言

　　全球化进程所加剧的市场竞争、生产自动化水平提升所形成的高速运作、企业规模扩大和分工细化所导致的复杂企业内部关系、企业间协作形成的动态供应链等堵多因素对企业管理提出了更高的要求。ERP(Enterprise Resources Planning)作为先进的企业管理模式和先进信息系统，正为越来越多的企业所按受。虽然ERP的实施极大地提高了管理计划层的自动化水平和各战略管理部门间的集成，但由于工厂层的动态变化特性和生产过程中的大量不确定性，常常造成战略管理部门制定的计划和工厂层的实际情况相脱节。另外，计划在工厂层执行时要涉及具体的产品、工艺和流程，基于商业模型的ERP系统难以较好地进行调度和执行。而面向设各和流程的控制层的模型则过于具体，也无法完成信息提取和调度执行功能。因此在工厂层出现了能够完成上述功能、更好地实现计划层和控制层之间联系的信息系统——制造执行系统(Manufacturing Execution System，简称MES) 。在国外MES得到越来越多的应用，特别是近十年来MES市场发展迅速。国内对MES的认识和研究尚处于起步阶段，随着企业信息化进程的不断深入，企业信息系统体系的建立成为企业关注的重点，而MES作为整个企业信息系统中承上启下的重要环节，迫切需要在理论上和应用上对其进行深入的研究。

　　2 MES产生的原因

　　在MES研究中，了解其产生的原因及在企业信息系统中所起的作用，有助于更好地对其进行研究和发展。

　　企业的需求是MES研究的出发点，企业需要从整体的高度制定计划，进行统筹管理，在宏观上使企业运行处于最优状态。正因为如此，以企业战略管理和资源计划为核心的ERP赢得了越来越多企业的认可，获得了巨大的市场成功。如SAP、Oracle、Baan、Peoplesoft和J.D.Edward、等主要的ERP系统软件公司过去几年每年总的ERP系统销信额达几十亿美元。但随着ERP应用深入，企业又发现两方面新的问题：一方面，ERP以利润最大化为目标从全局高度制定计划和进行管理时主要是基于工厂层的统计信息，如定单的进度、物料的有效利用率、设各的使用情况等都是需要工厂层为ERP提供的重要信息，因此，许多公司计划制定者发现，为了从供应链计划和ERP应用中获得最大的利益，需要实时了解工厂的信息和实际性能;另一方面，计划层在计划制定时不可能把生产和市场的不确定性及未来的变化趋势等未知因素准确地考虑在内，因此ERP下达的计划在执行过程中常需要根据条件的变化人为地修改和调整。这些成为企业竞争力的进一步提高的瓶颈，但由于内在特性的限制，ERP系统和控制系统都不能解决上述两方面的问题。

　　由于ERP是管理层信息系统，抽象程度较高，相对底层而占属于静态的管理。特别是企业规模的大型化和企业生产的国际化使得由ERP直接实现对成千上万的人员和复杂多样的设各的实时管理是不可想象的。数据的绝对量和复杂性以及现代自动化工厂所要求的对异常条件的响应能力是摆在传统的管理层信息系统模型面前的主要问题。从表1可以看出企业从上至下内各层数据较大的差异。实现高效率的生产意味着尽可能地降低成本、缩短生产周期和提高质量，这就要求对生产全过程进行跟踪管理，去除掉不产生价值的工作，及早发现、解决生产过程中的“瓶颈”和质量问题，对意外情况采取及时有效的措施，从而实现低成本、短周期、高质量的生产。从另一方面看，尽管控制层设各和装置的自动化水平在不断提高，但控制系统针对某一设备和过程进行控制的本质并没有改变，所以其难以完成对工厂层生产过程所涉及的作业、人员、物料和设备等的管理、调度和跟踪及相关数据和信息的收集和提取。

　　表1 企业中生产数据主要性质比较

　　3 MES发展的概况

　　MES是为ERP系统和控制系统提供关键联接，能自动执行计划层制定的生产计划实现工厂层管理，并具有实时收集数据并从中提取ERP等系统所需信息等功能的面向执行的工厂层信息系统的总称。MES既包括如SQC(Statistical Quality Control) 、LIMS(Laboratory Information Management System)、SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)等完成特定功能的系统，也包括集成生产各要素管理及数据采集和信息提取等功能的集成MES系统。由于企业生产的差异造成不同行业、不同企业的MES有很大的差别，因此和CIMS一样，虽然有多种MES定义但还没有一个经典定义。根据MES功能间的集成能力，从产生至今，大致可以分为二类MES：单一功能MES、集成MES(integrated MES)和可集成的MES(integratable MES)。

　　单一功能MES MES的发展开始于70年代早期，单一功能MES是最早产生并且至今仍占很相当大比重的一类MES。其主要特点是针对性强、实施周期短、资金投入少，但不同功能MES相互间集成困难、可扩展能力差，例如SCADA，维护管理、LIMS及SQC等系统。

　　集成MES 由于单一功能MES相互间独立存在，无法实现实时通讯和数据共享，阻碍了各MES间的相互支持和信息综合。而MES间的集成及其与其它主要信息系统间的集成不但是充分发挥MES优势也是发挥其它信息系统各种性能的关键，于是出现了把各种功能有机集成在一起的集成MES。虽然集成MES比单一功能MES功能强大，但这也造成其实施时间氏和所需资金多等缺点。集成MES的另一问题是没有一种能应用于所有工业，某一个集成MES通常针对需求大致相同的工业群体，例如石油化工、制药、航空等行业。

　　在MES产生后的一十多年时间里，工厂信息系统的内涵及其与企业其它信息系统间的界限模糊不清。1990年AMR的报告中首次提出MES这一概念，接着又于1992年提出了AMR三层模型(如图1，左图)。AMR把企业信息系统分为三层：计划层、执行层和控制层，用MES以描述计划和控制层间，即MRPⅡ和控制系统间模糊的区域。1992年由处于MES开发和应用前沿的公司组成的商业协会——MESA International在美国成立。这二件事是MES从应用实践走向理论研究高度的里程碑，此后MES成为企业信息系统研究领域的新热点。管理层MRPⅡ系统逐步被ERP代替，及其他如供应链管理系统(SMC)、销售服务管理(SSM)、产品/过程工程(P/PE)等系统的发展使企业信息系统模型发生演变，如图1所示。由于单一功能MES和集成MES互有利弊，人们希胡能把两者的优势结合起来，于是提出了可集成的MES，使MES的发展实现了质的飞跃。

　　图1 企业信息系统模型的演变

　　可集成的MES 由于通常企业希望根据生产需求和自身能力逐步建立和发展MES，因此各功能的MES应既能单独应用又能方便地集成。随着信息技术发展为软件的可集成性提供了技术基础，90年代中期开始了对可集成MES的研究。利用CORBA、XML、COM/DCOM等先进信息技术开发具有可集成性、可扩展性、可配置性的MES是当前MES发展的趋势。

　　由于MES处于企业信息系统的重要环节，集成的功能较多、功能间的关系比较复杂，并且与其他系统又有功能上的重叠(如图1，右图)，给MES的可集成研究带来很大困难。因此MES体系结构，特别是功能模型的研究对可集成MES的研究和发展具有重要作用。

　　4 MES功能模型的研究

　　MES既联系ERP系统又联系控制系统，涉及生产各要素的管理和控制，所以建立合理的MES功能模型是MES体系结构研究的重点之一。图1的右图是MESA International提出的MES功能模型，集中了各生产模式中主要的11种功能，功能间可以多种不同方式联接。该模型不能清晰地表示MES在企业信息系统中所起的作用，而且功能间不确定的复杂关系给MES的可集成性造成困难。在其基础上，为了提高各功能模块的独立性，简化并尽量明确MES功能间的关系，我们提出如下MES功能模型，如图2所示。

　　图2 MES功能模型及企业信息系统关系

　　根据MES各功能在企业信息系统中所起的作用，把MES的功能划分为两大部分：与计划执行与工厂管理部分、数据采集与处理部分。把大量通讯和计算、复杂数学模型包含在数据采集与处理部分的功能中，不仅降低了生产过程模型集成的复杂性而且使模型实现方法和数据处理过程对其它功能模块透明化，同时也使计划执行部分内部功能间关系清晰、各功能目的明确，有利于功能模块间的集成和扩展。

　　4.1 计划执行和工厂管理部分

　　计划执行和工厂管理部分是MES中直接实现工厂管理的部分，信息流在该部分的方向是由上往下。为了提高模块独立性，其功能主要按照所管理生产要素划分，包含7个功能模块。其中生产调度和资源配置功能及生产过程管理功能在MES中起着工厂整个生产过程的调度、协调和管理。各功能模块的主要作用如下：

　　生产调度和资源配置：根据ERP的生产计划制定具体的生产作业时间表，并对各作业作相应的物料、设各、劳动力等的配置，为各资源的管理提供依据，根据实际生产情况的变化及时调整生产调度和资源配置。

　　生产过程管理：执行生产作业，对生产过程进行实时监控和管理，协调各要素的管理;按照精良生产(Lean Production)策略指导生产过程;提供对异常情况处理和在线帮助。

　　设备管理：根据生产作业安排对设备、工具的准备和维护，确保生产的顺利进行，跟踪设各、装置和工具的维护活动并提供决策支持帮助。

　　物料管理：根据生产作业及时准确地将相关的物料输送到制定位置，提供物料的特性、数量等信息，并跟踪物料的使用情况。

　　产品管理：跟踪产品的生产，辅助产品质量检测，提供实时统计质量分析并提供产品质量控制的决策支持。(对于生产过程中间产品，是某一作业的产品也是另一作业的物料，因此需要针对具体的作业对其进行划分)。

　　劳动力管理：根据生产调度进行劳动力的管理;跟踪记录个人的技术、工作等信息，为任务分配和综合评价提供参考。

　　技术和资料管理：包括技术、配方、图表、程序、相关法规等信息的管理，为生产操作和管理提供技术和信息的在线支持。

　　4.2 数据采集与处理部分

　　辅助计划执行与工厂管理部分，并为其它系统提供实时信息支持，信息流在该部分的方向是由上往上。其功能主要由3个模块组成，各模块的主要作用如下：

　　数据采集和获取：采集控制系统数据，并从工厂层获取物料、产品和劳动力等的必要数据，为工厂层的调度管理、数据综合和模拟分析等提供数据基础。

　　数据综合：为工厂层调度和管理、ERP等系统从相关的数据中提取所需的正确信息，如成本核算信息、产品质量信息、定单完成情况及设各故障诊断信息等。

　　模拟分析：基于生产过程模型提供模拟分析和过程优化功能，为工厂调度管理、ERP管理、流程改进提供决策支持。

　　上述功能模型通过数据采集和处理部分辅助生产计划的执行、优化生产过程并对ERP、供应链管理、销信及服务管理等系统提供信息支持，提升整个企业信息系统的性能。计划执行和工厂管理部分实现了对工厂层人员、设备、物料、技术等资源管理在广度和深度上的有机结合，为企业在实现精良生产、提高对市场的反应能力等方面莫定良好的基础，我们将在此基础上对可集成MES体系结构作进一步深入研究。

　　5 结 论

　　本文介绍了MES产生的原因和发展概况，提出了由计划执行与工厂管理、数据采集与处理相关两大部分、包含10种功能的MES功能模型。为解决管理层信息系统和控制系统间存在的差异、提高整个企业信息系统的自动化程度而提出的工厂级信息系统MES,既能动态地管理、调度工厂的生产，自动执行管理层制定的生产计划，又能从实时数据中提取ERP等系统所需的正确信息，进一步提高其它信息系统的性能和企业的竞争力。由于认识到MES的重要性，美国己经开始实施为企业内或企业间的MES以及企业各信息系统间能够实现集成和互操作而发展的信息基础设施计划NIIIP/SMART，这将为其MES的发展打下良好的基础。随着我国企业信息化进程的不断深入，MES在企业信息系统体系中的作用会越来越突出，对其在理论和应用上的研究也将会有更迫切的市场需求。

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