摘要
随着第四次工业革命的发展，制造企业之间的竞争日益激烈，快速响应市场需求成为企业提升自身竞争力的有效途径，制造企业亟需利用信息技术和先进制造的理念打造“按需生产”的能力。制造执行系统（MES）是生产系统的重要组成部分之一，在生产过程中起到对计划资源层和现场设备层的连接作用，具备强大重构能力的MES有助于企业在激烈的竞争中获得优势。 目前MES开发普遍采用单体式架构，单体式架构虽然易于开发和部署，但是也带来扩展性差、可持续维护性差、可靠性差的问题，面对市场需求和制造模式的快速变化MES的响应能力弱。微服务架构实现业务功能细粒度的解耦，具有扩展性强、去中心化等特性，为MES的快速重构带来技术支撑。目前基于微服务的MES相关研究较少，而已有研究中存在功能分解方法较为主观、分解粒度过细等问题。鉴于此，本文通过分析MES的重构需求，以实现MES面对需求的快速重构为目标，通过融合微服务技术，在分析MES可重构架构的基础上聚焦MES微服务的分解粒度、MES的分层重构方法等关键问题，展开相关技术方法的研究，通过原型系统的开发进行技术验证，具体内容如下： （1）针对MES重构能力弱的问题，从制造模式、信息技术、生产柔性等方面研究了重构的需求体系，提出模块化、可集成、松耦合、适应性、低成本、可扩展的重构目标，并设计基于微服务的MES运行架构。 （2）提出一种可量化的MES微服务分解方法。首先本文参考ISA-95、制造执行系统体系架构等标准，利用数据流图（DFD）建模方法实现MES的功能建模；其次通过本文设计的数据耦合性分析方法评估DFD中MES功能之间的依赖关系，并以依赖关系作为依据分解MES功能；最后对MES分解后的功能进行聚类，利用软件开发中常用的耦合性和内聚性指标评估MES微服务的聚类结果，得到最佳的微服务划分粒度，为后续的微服务业务流程重构奠定基础。 （3）设计了基于微服务的MES分层重构方法。首先结合微服务技术与软件开发的三层架构，将MES分为代表用户与系统交互的人机界面层、代表流程逻辑的业务流程层、代表数据库连接和操作的数据访问层。其次结合微服务技术的特性，为MES不同层级设计可解耦的重构模型。最后通过代码复用、接口映射等方法，实现不同层级之间的配置与绑定，提升了面对不同需求的MES重构能力。 （4）基于上述研究成果，通过搭建微服务开发环境，开发了基于微服务的MES原型系统。结合实际生产背景，对MES的数据访问层、业务流程层、人机界面层的快速重构进行验证，结果表明基于微服务的MES可以快速响应车间业务流程和制造模式的需求变化。
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