CN108614526A - 一种可重构的生产过程管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重构的生产过程管理系统及方法，涉及从生产过程分析决策到生产过程跟踪、再到生产过程管控功能的系统构建过程，以及以工作流技术为支撑的业务流程设计方法和运行机制，其中系统构建过程体现以指标关联数据、以数据关联业务的设计思想；业务功能设计体现基于工作流机制的业务流程灵活配置与运行。本发明提供了统一、规范的系统构建架构、业务流程配置方法和运行机制，能够保证系统在管理需求和业务变更情况下的快速重构，有效提高系统的可扩展性和灵活性。

Description

一种可重构的生产过程管理系统

技术领域

本发明涉及工业生产过程控制领域，具体地说是一种可重构的生产过程管理系统。

背景技术

在生产制造企业信息化体系中，实现生产过程管控的执行层系统占据了核心地位。其以精益生产管理为目标，以生产工艺和标准规范为依据，按照生产计划要求组织和协调设备、物料、人员等生产资源进行生产，实现生产过程的实时监控和人员操作、物料消耗、设备运行、过程质量等生产数据的采集，为实现生产过程控制与分析决策提供了有效的支撑手段。

而在系统实际应用过程中，由于生产企业的行业特点及工艺存在多样性，系统开发往往采用功能页面及数据与生产业务流程紧密绑定、高度定制化的设计开发方法，导致在生产工艺、物理环境、业务流程等因素发生变化的情况下，系统缺少灵活的可配置手段，只能进行代码级重构，开发效率和开发质量均受到影响。因此，提供一种可重构生产过程管理系统及方法，在实现对生产过程管控的同时，能够有效增强系统的可配置性，进而提高系统重构过程的效率和质量是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可重构的生产过程管理系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种可重构的生产过程管理系统，包括：

分析决策模块，作为生产过程管理目标，用于生产过程分析与评价；

生产过程跟踪模块，用于生产过程的可视化跟踪，其跟踪指标通过生产过程管控模块提供数据支撑；

生产过程管控模块，基于生产过程业务管理流程进行设计，用于生产过程业务管控；

基础支撑模块，用于系统运行提供基础模型及数据支撑。

所述分析决策模块包括生产效率分析、生产成本分析、生产质量分析和生产绩效分析，并以此为基础建立相应的综合指标体系。

所述生产过程跟踪模块包括计划跟踪、物料跟踪、质量跟踪、设备跟踪、能源环境跟踪和人员跟踪，并分别形成相应的跟踪指标。

所述生产过程管控模块包括生产计划管理、物流及在制品管理、生产过程质量管理、设备运行维护管理、能源环境管理和人员操作管理，其中生产计划管理为计划跟踪的跟踪指标提供基础数据，物流及在制品管理为物料跟踪的跟踪指标提供基础数据，生产过程质量管理为质量跟踪的跟踪指标提供基础数据，设备运行维护管理为设备跟踪的跟踪指标提供基础数据，能源环境管理为能源环境跟踪的跟踪指标提供基础数据，人员操作管理为人员跟踪的跟踪指标提供基础数据。

所述基础支撑模块包括工厂模型、基础编码、数据采集以及系统集成。

所述基于生产过程业务管理流程进行设计的方法包括：工作流引擎、业务流程模型、资源模型、数据模型和页面模型；其中业务流程模型，基于生产业务描述，对业务流程进行定义，并通过资源映射、数据映射和页面映射分别实现对资源模型、数据模型和页面模型的关联引用；工作流引擎对业务流程模型进行解析，生成实例并对其运行进行监控、状态转换及异常处理。

所述工作流引擎包括业务流程的解析、活动实例的执行调度、活动实例运行状态的转换与监控、以及异常情况的处理；

业务流程模型包括对业务管理功能的描述、流程的定义、流程节点的资源映射属性、数据映射属性和页面映射属性的配置；

资源模型包括业务管理功能所需的设备资源、物料资源、人员资源和能源环境资源的模型；

数据模型包括业务管理功能所需的标准数据、质量数据、过程数据和消耗数据的模型；

页面模型包括业务管理功能所需的维护页面、消息页面、统计页面和专有页面的模型。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明的系统架构，突出以生产管理分析决策为应用目标的设计思想，以“生产过程跟踪”为主线集成各类关键生产业务管控功能，实现由“评价指标”到“跟踪指标”到“业务管控”再到“业务流程”的系统设计流程，这样有利于系统设计开发流程的统一与规范，有利于系统功能模块的裁减、扩展和变更，进而有效增强系统的可维护性和可重构性；

2.本发明所涉及的业务功能设计与运行机制，以工作流技术为主要支撑，实现了业务流程的规范化配置和运行控制，有利于业务管理流程的固化和持续改进。通过灵活的映射机制实现业务管理功能同业务流程、生产数据、生产资源以及功能页面的松散耦合，进而有效提高系统的重构效率和运行可靠性。

附图说明

图1为系统总体架构图；

图2为业务管控功能工作流运行机制图；

图3为流程节点实例的状态转换图；

图4为流程节点属性映射中的资源分类图；

图5为生产过程分析决策中综合指标体系的示例图；

图6为生产计划管理功能的业务流程示例图；

图7为工作流活动实例运行的时序图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

1)系统体系架构

生产过程管理系统，从功能上需要支撑生产管理的核心业务，主要包括计划管理、物料管理、质量管理、设备管理、人员管理等，能够准确采集生产过程中的各类管理数据，通过分析、统计形成企业的关键指标，进而达到有效评价生产过程、为持续改进及决策提供可靠依据的目的。因此，系统构建的关键在于以生产过程评价、分析与决策为目标导向，以核心业务功能支撑与集成为基础，实现各类生产数据的有效采集和指标的精准统计。

如图1所示为本发明的系统总体架构图。

从横向来看，系统运行的基础是模型构建与系统集成，管控过程以“生产过程跟踪”为主线贯穿于各业务功能，按照不同业务类型进行划分为计划跟踪、物料跟踪、质量跟踪、设备跟踪、能源环境跟踪和人员跟踪。跟踪过程最终为分析决策提供指标数据，基于综合指标体系开展效率、成本、质量和绩效四个方面的生产过程分析，实现生产过程的有效评价和持续改进。

从纵向来看，不同类型的过程跟踪需要业务管理功能提供支撑，计划跟踪、物料跟踪、质量跟踪、设备跟踪、能源环境跟踪和人员跟踪分别对应计划排产与调度、物流调度与在制管理、质量过程管控、设备动态运维、能源计量与安全以及规范化操作和现场管理。每类业务管理功能需按照相应的标准管理流程进行设计，并实现各流程间的紧密集成。采用可配置的工作流技术对业务流程进行设计开发，能够有效增强系统的可重构性。

2)业务功能设计方法

如系统总体架构所述，系统的业务管理功能采用可配置工作流技术进行设计，如图2所示为业务管控功能工作流运行机制图：

建立包括工作流引擎、业务流程模型、资源模型、数据模型和页面模型的统一的流程设计与开发运行机制，实现了管理功能的业务流程、功能页面、数据处理和运行控制的高度可配置，能够有效提高业务管理功能设计开发的灵活性。

其中，业务流程模型是整个机制的核心，提供业务流程的设计环境，实现基于生产流程和管控要求的业务管理流程配置，每个流程节点通过资源映射属性、数据映射属性和页面映射属性完成对资源模型、数据模型和页面模型的引用。而业务流程实例的运行及控制则由工作流引擎实现。

工作流引擎

工作流引擎为业务流程活动实例提供运行环境，包括流程图的解释、资源的分配、逻辑的控制、服务运行监视等。主要的功能包括：对过程定义进行解释；控制活动实例的启动、运行、暂停、终止等运行状态；控制活动实例间的转换，包括串行、并行、合并、异常处理等；对工作流实例的执行状态进行监控。

如图3所示为本发明的流程节点实例的状态转换图。

工作流实例包括准备(Initiated)、就绪(Ready)、执行(Active)、暂停(Suspended)、终止(Terminated)和完成(Completed)六种运行状态。其中，“准备”状态代表一个实例已经生成，但需要等待激活运行的条件，如生产计划执行流程中计划工单创建成功并等待计划管理人员下发执行指令；“就绪”状态代表实例已经可以执行，但还需等待执行条件的充分满足，如计划工单已经下达并处于等待物料齐备状态；“执行”状态代表实例已经开始执行，如计划工单进入生产执行阶段；“暂停”状态代表已经开始执行的实例暂时停止执行，如生产工单由于设备异常暂停生产，等待设备故障排除；“终止”状态代表正在执行或暂停的实例终止执行，如生产工单由于质量原因或能源供给等原因被迫终止生产。

业务流程模型

业务流程模型实现对生产管理业务的流程定义与工作流配置，包括对工作流节点间的流程关系和节点属性的配置，其中流程关系遵循工作流规范中的典型模式，包括串行、并行、循环、合并与分支五类，满足生产业务管理流程的需要。流程设计的前端采用可视化流程图方法，包括流程节点、关系连接和触发条件三类主要元素。后端采用节点关联描述法，对流程节点的前驱节点、后继节点、关联关系、触发条件进行结构化描述，以用于工作流引擎的解析和调用。

为实现流程节点的可运行，需要建立节点与业务功能的关联绑定，为此建立节点属性映射机制，包括资源映射、数据映射和页面映射，分别实现对业务执行所需的人员、设备、物料等资源的关联引用、对标准和质量等各类生产管控业务数据的关联引用、对表单维护、指标统计等功能页面的关联引用。

资源模型

资源模型主要对生产过程管理所需的各类物理资源进行模型化描述，以统一的数据结构供工作流服务调用。包含内容有结构形式(资源对象的物理属性、物理和逻辑关系)、资源能力(资源对象所能完成生产任务的能力)和资源状态(资源当前及未来的可用状态)。资源模型中各类资源需采用统一编码机制，以保证资源对象的惟一标识。

如图4所示为本发明的流程节点属性映射中的资源分类图。

资源类型主要包括设备资源、人员资源、物料资源、能源环境资源四大类，每种类型仍划分为若干子类型。设备资源按照设备用途划分为生产设备、检测设备、物流设备及工装工具；人员资源按照岗位职责划分为管理人员、操作人员、检测人员、分析人员；物料资源按照物料用途划分原材料及辅助料；能源环境资源划分为动力能源、生产环境。

数据模型

数据模型对生产管理数据的存储结构进行规范定义，按照生产管理业务类型划分为标准数据模型、质量数据模型、生产过程数据模型和消耗数据模型。

标准数据模型面向生产工艺规范、产品配方或BOM以版本的形式进行组织管理，包括版本号、产品型号、制定日期、有效日期等通用属性，并包括面向产品工艺结构的标准参数、物料明细以及检测控制要求等属性，后端采用多级链表的树状结构进行存储，以适应数据项的多层级关联。

质量数据模型面向实时监测的工艺参数和检测指标，需在过程质量参数的采集的基础上，按照质量指标的统计要求，定义出指标的计算方法以及指标间的关联关系，为指标的自动计算和指标间的关联分析提供存储结构。

生产过程数据模型面向生产过程关键操作的时序及执行情况，数据形式主要体现为以时间戳为标识，包含生产操作内容/对象、操作人员/设备以及操作结果等属性，能够为生产状态跟踪和历史回溯提供时间节点信息和过程结果信息。

消耗数据模型面向物料、能源的消耗，按照物料及能源类型对消耗进行分类计量，并按照生产单元、计划工单等、班组等维度对消耗量进行统计。

页面模型

页面模型对系统功能页面的控件、布局、样式以及数据源进行建模，为业务管理界面的设计开发提供可扩展模板，依据数据类型的不同结构实现数据的动态绑定和加载。按照业务信息处理类型划分为维护页面模型、信息查询页面模型、数据统计页面模型和专有页面模型。

维护页面模型主要针对业务信息的增、删、改、查，以数据表格控件(GRID)为主要展现形式，提供多条件组合检索和多级主从表信息的维护。适用于生产过程管理中几乎所有的信息对象。

消息页面模型主要针对不同业务处理节点间的消息通信，提供消息的发送、接收、处理功能，适用于生产过程管理中的指令下达、完工回报、消息通知等业务。

统计页面模型主要针对系统关键指标的计算和统计，以指标实时状态、历史数据明细、波动趋势等为展现内容，配合曲线、图表等综合展现方式，适用于生产过程监视、指标统计分析等业务。

专有页面针对一些特殊功能的应用提供专有的控件和页面布局，如计划高级排产(以甘特图为主要形式的可拖拽配置页面)、统计过程控制SPC(以控制图为主要形式的在线与离线分析)、设备故障分析(故障树及鱼骨图等分析工具)等。

1)构建可重构的生产过程管理系统，首先需要对生产过程分析决策的综合指标体系进行构建。按照设计方法，从生产效率、生产成本、生产质量和生产绩效四个维度建立指标的分类，并在此基础上对指标进行分解。

生产效率维度指标主要反映生产组织过程的时效，以单位时间内合格品产量为一级指标，并按照生产制造资源的类型进分解为设备运行效率、人员操作效率、物流效率等。同时，也包括生产计划的及时完工率或订单的准时交付率。

生产成本维度指标主要反映生产过程中的各类消耗情况，分解为生产物料消耗成本(主要包括原材料消耗、辅助用料消耗成本)、能源消耗成本(主要包括工业用水消耗、汽消耗、电消耗等成本)、质量消耗成本(主要包括质量检测成本、废品消耗、返工品消耗等成本)和物流消耗成本(主要为物流配送成本)。

生产质量维度指标主要反映生产过程中的质量控制情况，按照产品生产工艺过程及产品形态，分解为产成品的合格品率、各工序级半成品的质量合格率、生产过程关键工艺参数控制合格率、原材料及辅助用料质量合格率。

生产绩效维度指标主要反映生产过程中的人员操作的规范化情况，主要体现为指派工单的完成质量、及时性、规范性以及生产现场6S管理考核情况等几方面指标。

如图5所示为本发明的生产过程分析决策中综合指标体系的示例图。

2)在分析决策综合指标体系构建的基础上，实现生产过程跟踪功能。首先需要依据综合指标构建过程跟踪指标，实现指标间的关联对应。生产效率指标关联的跟踪指标包括生产计划执行进度、产成品数量、设备运行状态、停机时间等；生产成本指标关联的跟踪指标包括原辅料消耗数量、能源消耗量等；生产质量指标关联的跟踪指标包括物料检测质量、半成品及产成品检测质量、过程控制质量等；绩效类指标关联的跟踪指标包括关键生产操作记录、现场6S管理检查情况等。最终，对生成的跟踪指标按照跟踪业务的类别进行重新归类，形成生产过程跟踪功能结构。

其次，生产过程跟踪需提供可视化的指标监控画面，以准确反映生产过程的实时执行情况。同时，提供完善的通知与报警功能，当跟踪指标实时监测结果超出正常范围时，能够采取多种消息通知方式及时提醒相关工作人员进行处理。

3)在生产过程跟踪的基础上，实现生产业务管控功能。采用由指标推动业务的设计思想，依据各类过程跟踪指标设计相应类型的业务管理功能，以使得生产业务管理功能能够为过程跟踪指标的计算提供准确、可靠的基础数据来源。

依据计划跟踪指标设计生产计划管理功能，其核心业务为计划的制定、排程和工单的执行调度；依据物料跟踪指标设计物流与在制品管理功能，其核心业务为生产物料配送、在制品生产过程、产量和消耗管理；依据质量跟踪指标设计过程质量管理功能，其核心业务为过程质量在线监控与离线分析；依据设备跟踪指标设计设备运行维护管理功能，其核心业务为设备点巡检、润滑、维修维护以及故障分析；依据能源环境跟踪指标设计能源与环境管理功能，其核心业务为能源需求与计量、生产环境监测及预警；以及依据人员跟踪指标设计人员操作管理功能，其核心业务为人员上岗、任务执行、关键操作管理。

4)在业务管理功能明确管理目标的基础上，实现业务管理的工作流运行机制，以生产计划管理功能进行举例，详细说明如下：

业务流程构建

工作流程的定义遵循BPMN2.0国际标准规范，采用可视化方法操作配置，最终生成基于XML格式的BPMN流程文件。

生产计划管理的业务流程范围覆盖从计划制定至计划完工。生产计划需按照工艺规范的要求，在相应的工艺路线上执行，并受过程质量检测结果的影响存在返工等生产路径变更情况。

实施例1：

如图6所示为本发明的生产计划管理功能的业务流程示例图。

其中，整个业务流程按照通用的管控需求划分为计划制定、计划调度和计划执行3个阶段，分别对应计划制定员、计划调度员和执行操作员3个岗位。计划制定阶段包括的流程节点有计划制定与维护和计划分解与排程、计划调度阶段包括的流程节点为工艺绑定与指令下达、计划执行阶段包括的流程节点有计划执行与报完工。

在计划执行子流程中，工序节点A、B为串行关系，并与节点C形成合并关系最终到节点D。其中节点C后的质量检测节点的质量检测结果决定工序节点C是否需要重复返工。

流程节点属性配置

流程节点属性包括资源映射属性、数据映射属性和页面映射属性，节点与属性的对应关系为1对多关系，形成的数据存储结构为{流程节点ID,资源映射集合,数据映射集合,页面映射集合}。

资源映射属性中，设备资源主要针对计划执行阶段节点，按照工艺路线配置相应的工序设备以及工位计算机终端；人员资源按照流程阶段对应的工作岗位配置相应的人员，信息来源于系统的组织人员管理，通过系统角色选择人员；物料资源针对计划执行阶段节点，依据生产BOM信息指导物料的需求和配送；能环资源针对计划执行阶段节点，依据工艺要求对能源供给和生产环境提出要求。

数据映射属性中，在计划制定阶段主要包括生产订单、月/日生产计划以及BOM等信息；在计划调度阶段主要包括计划工单、工艺标准等信息；在计划执行阶段主要包括计划工单、工艺指令、质量检测信息等。

页面映射属性中，在计划制定阶段主要包括计划信息的维护和计划排产页面；在计划调度阶段主要包括工艺标准绑定和计划指令下达页面；在计划执行阶段主要包括在制管理页面、质量检测页面和报完工页面。

活动实例运行

工作流运行主要依靠工作流引擎实现，主要包括流程解析、资源调用和状态控制三部分内容。

如图7所示为工作流活动实例运行的时序图。

流程活动实例的运行时序体现为：

在流程初始阶段，流程解析依据导入的流程文件对流程的合理性进行检查，包括流程路径和状态转换条件。同时，通过资源调用获取流程节点的属性映射内容，确定流程节点的可用性。

在流程启动阶段，完成活动实例和相应流程节点实例的创建，动态加载流程节点的绑定的页面资源、数据资源、设备资源、人员资源等要素，实现相应物理设备(计算机终端)的消息通知、人员登录及操作权限校验、业务管理功能的页面装载和数据装载功能。

在流程运行阶段，流程节点对应的业务功能处理业务逻辑和数据存储，并依据实际生产情况反馈执行过程情况，包括工序完工、物料呼叫等正常操作信息，也包括设备故障、质量异常等异常信息，工作流引擎将依据此类信息生成条件触发信号，对整个工作流节点的状态进行控制。

5)可重构处理过程，体现在以下两个方面：

系统架构层面

由分析决策指标到过程跟踪、再到管控功能、再到业务流程的系统构建架构，保证了系统面向不同生产行业或企业的结构统一，可以按照不同需求增加或裁减业务功能。

功能开发层面

采用工作流技术的业务功能设计方法和运行机制，能够通过配置方式完成系统的快速重构。以生产计划管理流程为例，包含的典型重构场景有：操作人员配置可以适应人员岗位的变更；生产执行中生产流程的配置可以适应产品工艺路线的灵活调整；设备资源的映射配置可以适应生产设备及计算机终端与应用程序的灵活绑定；数据资源的动态装载可以适应生产数据结构的变更；页面布局及风格的配置可以适应用户的操作体验更新。

Claims (7)

1.一种可重构的生产过程管理系统，其特征在于，包括：

分析决策模块，作为生产过程管理目标，用于生产过程分析与评价；

生产过程跟踪模块，用于生产过程的可视化跟踪，其跟踪指标通过生产过程管控模块提供数据支撑；

生产过程管控模块，基于生产过程业务管理流程进行设计，用于生产过程业务管控；

基础支撑模块，用于系统运行提供基础模型及数据支撑。

2.根据权利要求1所述的可重构的生产过程管理系统，其特征在于，所述分析决策模块包括生产效率分析、生产成本分析、生产质量分析和生产绩效分析，并以此为基础建立相应的综合指标体系。

3.根据权利要求1所述的可重构的生产过程管理系统，其特征在于，所述生产过程跟踪模块包括计划跟踪、物料跟踪、质量跟踪、设备跟踪、能源环境跟踪和人员跟踪，并分别形成相应的跟踪指标。

4.根据权利要求1所述的可重构的生产过程管理系统，其特征在于，所述生产过程管控模块包括生产计划管理、物流及在制品管理、生产过程质量管理、设备运行维护管理、能源环境管理和人员操作管理，其中生产计划管理为计划跟踪的跟踪指标提供基础数据，物流及在制品管理为物料跟踪的跟踪指标提供基础数据，生产过程质量管理为质量跟踪的跟踪指标提供基础数据，设备运行维护管理为设备跟踪的跟踪指标提供基础数据，能源环境管理为能源环境跟踪的跟踪指标提供基础数据，人员操作管理为人员跟踪的跟踪指标提供基础数据。

5.根据权利要求1所述的可重构的生产过程管理系统，其特征在于，所述基础支撑模块包括工厂模型、基础编码、数据采集以及系统集成。

6.根据权利要求1所述的可重构的生产过程管理系统，其特征在于，所述基于生产过程业务管理流程进行设计的方法包括：工作流引擎、业务流程模型、资源模型、数据模型和页面模型；其中业务流程模型，基于生产业务描述，对业务流程进行定义，并通过资源映射、数据映射和页面映射分别实现对资源模型、数据模型和页面模型的关联引用；工作流引擎对业务流程模型进行解析，生成实例并对其运行进行监控、状态转换及异常处理。

7.根据权利要求6所述的可重构的生产过程管理系统，其特征在于，所述工作流引擎包括业务流程的解析、活动实例的执行调度、活动实例运行状态的转换与监控、以及异常情况的处理；

业务流程模型包括对业务管理功能的描述、流程的定义、流程节点的资源映射属性、数据映射属性和页面映射属性的配置；

资源模型包括业务管理功能所需的设备资源、物料资源、人员资源和能源环境资源的模型；

数据模型包括业务管理功能所需的标准数据、质量数据、过程数据和消耗数据的模型；

页面模型包括业务管理功能所需的维护页面、消息页面、统计页面和专有页面的模型。