智能制造执行系统技术发展及工业软件平台构建分析

周江林，张 博，孔祥君，曹 飞，吕海洋，李文博，钟 贞，闫晶娅

（国机智能技术研究院有限公司，北京 100083）

1 引言

制造执行系统（Manufacturing Execution System,MES）作为一种典型工业软件，是智能制造核心技术之一，可以提升制造业企业的制造和管控能力，促进企业数字化转型升级，国家在《“十四五”智能制造发展规划》中继续将智能制造技术作为重点发展方向。随着产业升级变革政策的推动，工业软件成为了实施产业基础再造工程的新“五基”，有望在未来十年带来制造业的高质量发展。

制造业经历了机械化、电气化、自动化三次技术革命后，智能制造的诞生拉开了第四次工业革命的帷幕。同时，我们发现制造技术的生产方式沿着“手工-机械化-单机自动化-刚性流水自动化-柔性自动化-集成敏捷虚拟自动化-数字网络绿色智能化”方向发展。制造执行系统逐步成为制造企业建设智能工厂、实现运营管理新模式的中心环节，是融合了先进制造技术与新一代信息技术，实现工厂制造过程智能化的核心信息系统。在智能工厂中，与产品相关的市场需求、产品设计、制造工艺、制造指令等各种信息都将在这里汇聚，通过智能工厂制造执行系统与智能化的装备相连接，制造出满足市场需求的个性化产品，并提供智能化的系统服务。通过制造执行系统应用和实施，可以将自动控制系统、智能机器人技术、数字化物流技术等先进制造技术有机地结合起来，实现生产车间中人、机、料、法、环的集成。而从制造执行系统发展演进成制造运营管理系统（Manufacturing Operation Management，MOM），将不仅为制造业企业提供现代化的管控平台，还能够提供面向现代化车间的、加工、物流、管控技术互相融合的解决方案，将有利于制造业企业的转型升级。

2 制造执行系统软件技术产品发展分析

自MES国际联合会（MESA）于1997年提出MES的11个子系统（模块）起，MES在标准制定和软件产品发展上都在伴随着工业的发展不断进步。信息技术的发展也为MES发展提供了有力支撑。随着智能制造技术推动下的新型生产模式的不断演进，MES正在向更适应新生产模式的智能化、平台化方向发展。

2.1 相关技术标准发展现状与趋势

中国际上制定的制造执行系统相关标准主要有ANSI/ISA 95、OpenMES、OAGIS等。ANSI/ISA 95被 IEC/ISO（国际电工委员会/国际标准化组织）采用后形成了IEC/ISO 6224。我国现有的制造执行系统和制造运行管理系统的相关标准均从IEC/ISO 6224转化而来，如非强制性国家标准GB/T 25485—2010《工业自动化系统与集成制造执行系统功能体系结构》、GB/T 20720.3—2010《企业控制系统集成 第3部分：制造运行管理的活动模型》等。

现有标准的模型和范围主要是面向工业自动化系统和企业控制系统，标准将企业的模型划分为5层，如图1所示，其将MES/MOM限定在第3层制造现场，这已不能适应智能制造技术的发展要求。智能制造要求打破原有层级的业务范围，以定制化、个性化方式，快速实现市场需求的响应，实现从市场需求、产品设计、工艺设计、加工制造、售后服务的扁平化，从而灵活、高效地支持定制化产品制造。因此，需要将制造运营管理系统的范围从制造现场向上层的产品设计、制造供应链以及下层的智能装备层面扩展。

图1 企业信息系统功能层次模型

2.2 相关产品发展现状与趋势

国外MES/MOM软件产品的发展大致经历了三个阶段：专用MES阶段、集成化MES阶段以及平台化MOM阶段。随着MES相关技术不断进步，许多先进制造理论和生产现场管控技术也取得了突破和发展，形成了现代智能化车间的管控技术。国外MES技术是随着信息技术的发展而快速发展的，呈现如下发展趋势：

1）标准化不断提高。越来越多的企业开始寻求标准化的MES软件，它采用成熟的技术，通用化的平台，易于维护，易于使用。如西门子公司开发了50多个行业库，成为了标准化产品。

2）智能化不断增强。MES将逐步具备多维信息融合、复杂大数据处理和快速决策能力，可根据实时互联感知数据和积累的知识库实现智能排产和调度、智能诊断以及预测性维护。

3）管控功能不断完善。随着MES的不断发展，多数厂家的MES已具备了MESA提出的11个主要MES功能模块，并且在此基础上不断增加新的管控功能模块，逐步形成包含生产运行、维护运行、质量运行、库存运行四个方面共同服务于企业制造运作全过程的MOM系统整体解决方案。

国内MES技术与发达国家有一定差距。相比之下，国内MES厂商的技术差距表现在产品的整体架构、细节功能等方面。国内MES产品在经过多年的积累之后，技术日趋成熟、业绩逐渐增多，越来越多的国内MES企业逐步完善MES/MOM产品，主要技术发展趋势如下：

1）探索适合国情的先进制造管理与控制方法，将精益生产、绿色制造等先进的制造理论与管控技术应用于MES系统的设计。

2）吸收最先进的IT技术成果，将低代码开发技术、插件化技术、边云协同技术和虚拟/增强/混合现实技术应用于MES的开发。

3）开发适合国内生产特点的行业模型库和行业版产品，以熟悉本土企业专业化的优势应用于MES的工程实施。

4）发展平台化MOM产品。平台化MOM是MES行业发展过程中的一种新模式，它较好地解决了个性化定制软件和标准化套装软件之间的问题，即可以使用标准化套装软件的标准体系，为企业引进先进的管理经验，也可为企业个性化需求寻找到了一条快速而正确的定制之道。

近年来国家在重点研发计划“网络协同制造和智能工厂”“工业软件”专项，以及智能制造新模式应用、综合标准化等专项中大力支持MES/MOM等技术产品的研发及应用，从战略的高度上给予了相当的重视。目前，MES在理论研究和具体实施方面取得不少成绩。伴随着大数据、云计算、网络化协同以及德国工业4.0、工业互联网、中国制造2025等概念的深化应用，MES研究与应用已经不是以往在单一车间、单一工厂中的制造执行系统，而是在深度和广度将会有更大发展的系统。

2.3 相关软件技术平台发展现状与趋势

软件技术平台，是指具有跨领域、跨行业的通用型企业级应用软件开发平台。它可为厂商自身的开发人员、合作伙伴的开发人员以及最终用户的开发人员服务，目的都是对个性化的需求进行快速二次开发/搭建。目前，市场上的企业级应用软件技术平台厂商都可提供自己的软件技术平台。

随着信息化和智能化高速发展，软件技术平台在各领域的应用中的推广程度和应用效果却有着很大的差异性，例如在互联网领域，微服务（开发）平台已经被普遍使用，而在电子商务领域，移动端的技术（开发）平台（例如微信软件开发平台）也遍地开花。但是，软件技术平台在制造业中的普及程度及应用效果却不如人意，甚至国外软件巨头厂商们所提供的技术（开发）平台由于无法适应和满足国内制造业企业的现状和需求，因此在国内无法实现其在国际市场上所取得的市场占有额。而国内很多软件企业为了使自家的软件技术平台能够适应其在各领域的应用，不得不舍弃一些各领域的特性，这样做使得平台具有通用性的同时也失去了行业领域的特色，因此到目前为止还没有大型企业专门针对制造业研发一种软件技术平台。

近年来随着低代码开发平台的兴起，其对专业编程能力的低要求特性使得更多的业务人员能够基于它构建应用，将其应用于MES平台化的需求日益高涨。低代码开发平台能够帮助MES大幅度提升对于客户个性化业务需求的适应能力，通过低代码开发平台构建出与业务匹配的组件作为基础，并根据用户自身需求对组件使用搭建而非编码方式进行修改，逐步积累形成大量的成熟插件库。低代码开发平台搭配插件化框架可作为解决跨领域、跨行业生产管理业务的差异性问题的一把钥匙。业务插件框架如图2所示。

图2 业务插件化框架

伴随着边缘计算、云计算以及大数据的发展与普及，传统的制造业也逐步地向智能化与信息化的方向转变，已经开始对生产设备进行智能化控制和预测性维护。可以加强对边缘端生产设备数据采集通信、智能接入、虚拟/增强/混合现实、边云协同等关键使能技术的研究，使生产设备能够智能化互联感知、云端化普适接入、人机交互、云边协同优化运行。这是企业信息化和智能化发展的一个必然趋势，对大规模、非结构化数据进行及时处理和分析，挖掘出企业制造过程数据的价值，能为企业生产优化和决策提供有力的数据支持。

2.4 产品目标市场现状与需求分析

目前，我国经济正处于转型发展的关键时期，中国制造正在向“中国智造”转变。MES产品的应用符合制造业信息化发展的趋势，在产业转型升级的背景下，MES行业发展迎来机遇。

从整个MES市场来看，国内MES行业主要集中于五大领域，分别是汽车、电子通信、石油化工、冶金矿业和烟草这五大领域。从市场份额来看，一些国际巨头公司在国内不同行业应用的占比也呈现差异化。国外供应商主要集中于食品饮料、烟草、冶金/矿业、汽车等行业。截至目前，国内MES行业发展历程较短，相关企业目前普遍有规模较小、面向行业单一等特征，竞争力较弱，所研发的MES的大多属于定制化开发和集成应用，基本都没有实现产业化，还没有能够提供与国外系统竞争的平台产品，因此整体竞争力小于国外竞品。另一方面，国内软件企业往往更接近上游工业企业客户，熟悉工业生产流程，且可以快速响应，提供优质的售后服务，通过借鉴外国MES头部厂商的先进经验，根据国内不同类型厂商的需求，研制符合我国制造业特性的MES，国内未来有望崛起一批规模化、专业化的MES软件企业。

3 智能制造执行系统软件平台构建路径

在充分研究论证智能制造相关技术和标准体系结构的基础上，笔者团队依托相关项目课题，提出了自主研发新型智能制造执行系统平台软件，其可包含技术、业务、验证三个子平台，以平台化技术为基础，通过模型驱动，实现广域异构生产设备互联感知、动态适配与集成优化管控，选取典型企业开展示范应用，所遵循的平台研发构建路径如图3所示。

图3 智能制造执行系统构建研究框架

1）对当前的制造执行系统的主要技术、理论和方法进行研究。

2）研究面向工业软件的关键技术，如低代码开发平台、插件化框架、业务流程可视化编排引擎、智能化算法引擎等，形成智能开放应用的技术平台，构建共享开发社区，形成生态。

3）突破传统形式制造执行系统偏重于软件流程和业务流程功能定义的模式，将生产设备统一信息模型进行映射匹配，增强业务语义化模型驱动能力和场景化云边协同能力。

4）确定智能制造执行系统平台的运行模型和业务范围，执行相关的基础标准，如术语及模型标准、基础构件标准、服务与集成标准。基于技术平台，进行平台化产品的开发，以及制定产品的实施标准，如产品评价标准、系统实施指南、系统服务标准等。

5）选取跨领域、跨行业的典型企业，推广相关生产设备模型库、知识库及相关生产设备运行优化构件的场景化应用，并结合智能制造运营管理系统验证平台化扩展性、集成性、协同性，并进行行业标准及产品功能的试验验证。

6）在完成的试验验证基础上，对制定的标准及开发的产品进行完善和修改，开展标准及产品的推广示范应用工作。

4 结束语

制造执行系统是智能制造核心技术之一，是实现智能制造和企业数字化转型升级的中心环节，发展智能制造技术、推进智能工厂最佳实践已为大势所趋，因而推动智能化的制造执行系统软件研发和深入应用已成为必由之路，而基于平台创新理念构建新型化、平台化智能制造执行系统的业务平台、技术平台和验证平台，将成为市场需求拉动产品研发的创新技术路线。