汽車工業是我國的支柱產業，在國民經濟中占有舉足輕重的位置。在汽車行業中，支持柔性生產的汽車制造執行系統是汽車制造領域的一個關鍵系統；其業務內容覆蓋并貫穿目前整車制造常見的5大制造過程，即：沖壓件制造過程、車身制造過程、涂裝過程、動力總成制造過程以及總裝過程。在老牌的汽車巨頭中，如：通用和豐田，整車的生產執行系統都不是由一套完整的系統組成，而是由大大小小多個零散的系統組成。之所以形成這種架構，是由于技術的更新在當時沒有跟上不斷發展的業務需求而產生的一種妥協。但從目前技術和業務的成熟度以及生產執行系統的未來發展趨勢來說，汽車廠的生產執行系統將會最終統一到一個集成的制造執行平臺之下。
1 系統架構設計的目標
上海汽車集團股份有限公司(以下簡稱上海汽車) 是國內汽車業的龍頭企業之一，通過20多年的合資合作，積累了豐富的汽車設計、制造以及相關的管理經驗。在汽車制造的信息化建設中，上海汽車在國內率先提出了集成的支持柔性生產的汽車制造執行系統平臺IFLEX，以提升自主品牌汽車的設計和制造水平。從圖1可以看出，上海汽車集成的支持柔性生產的汽車制造執行平臺是上海汽車核心應用架構的重要組成部分，由整車制造執行系統和發動機制造執行系統兩大系統組成，其中整車制造執行系統采用J2EE架構，而發動機制造執行系統采用微軟的技術架構，本文重點介紹發動機制造執行系統的架構設計與實現。
圖1 上海汽車核心應用架構
系統架構是企業應用設計的核心，一個優秀的企業應用的系統架構，必須有一個明確的設計目標，集成的支持柔性生產的汽車制造執行系統的架構設計目標如下：
a. 建立系統平臺框架，可以支持上海汽車整車廠、動力總成廠和零部件廠的模塊部署。
b. 完成企業級制造執行系統的架構建設，為實現集成制造，物流和質量全生命周期管理打下堅實的基礎。
c. 設計方案立足于先進技術，采用最新的成熟的軟件技術，以使該系統的建設達到和具備國際先進水平，并處于國內領先地位。
d. 為了保證該系統的正常穩定地運行，系統建設采取目前已經在業界經過考驗、論證的技術和方案，盡量采用成熟穩定的產品和集成技術。
e. 遵循ISA95和MESA國際標準，同時具有良好的開放性，可以和不同廠家的產品互操作和互連。
f. 采用SOA架構，將該系統的應用程序功能彼此分開，以便這些功能可以單獨用作單個的應用程序功能或“組件”。這些組件可以用于在企業內部創建各種其他的應用程序，并能迅速修改業務流程模型。
g. 集成的系統必須降低系統維護的難度和要求，方便用戶使用、管理和日常維護。系統架構和功能在設計的同時，必須完成相關的系統管理和維護設計，保證系統未來穩定運行。
2 發動機制造執行系統架構設計
2.1 功能架構設計
發動機制造執行系統的功能架構設計充分結合ISA 95和上海汽車動力總成車間實際的業務模式，功能架構設計如圖2所示。
圖2 發動機制造執行系統功能架構
發動機制造執行系統的功能架構主要包括以下6大核心功能模塊。
a. 主數據管理(Master Data Administrator，MDA)：維護該系統用到的基礎數據，包括手工維護、批量導入和通過接口導入等。
b. 生產計劃和排產(Production Planning and Scheduling，PP&S)：為機加工線、分裝線和總裝線提供生產計劃及排產，并對執行情況進行監控。
c. 生產過程控制(Production Control，PC)：對生產過程數據采集、匯總和分析。
d. 產品質量和追溯(Production Quality and Traceability，PQ&T)：對產品的質量及生產過程進行控制與追溯，并監控每個缺陷變化的狀態。
e. 生產監控和分析(Production Monitoring and Analyzing，PM&A)：針對生產中的生產能力、設備狀態進行監控，并通過按燈、終端等方式顯示報警處理，最終進行統計分析。
f. 物料管理(Material Management，MM)：生產過程中所有的物料需求由生產需求向供應商拉動，力求降低零件庫存到最少。
2.2 系統邏輯架構設計
發動機制造執行系統的邏輯架構設計如圖3所示。
圖3 發動機制造執行系統邏輯架構
該系統的邏輯架構由制造執行系統門戶、手持終端設備、現場監控客戶端、供應商客戶端及報表子系統組成，子系統與子系統及子系統和第三方系統的交互都通過WCF實現，而每個子系統模塊之間的交互都是通過傳統的3層架構完成，這樣最大限度地實現了高內聚、低耦合的設計理念，也大大增強了系統擴展性及性能。
基于WPF的生產監控客戶端系統實現了最新的用戶界面技術，支持對區域監控畫面的無級縮放和其他人性化的顯示功能。制造執行系統的Web端采用Asp.Net技術實現B/S架構，并且在實時性高的功能中將采用AJAX技術實現無需刷新網頁即可獲取最新信息的用戶體驗。手持終端采用Socket方式與Windows服務通訊，完成功能的實現，并且最大限度地提高性能，達到快速響應的目的。數據報表將采用SQL Server報表進行設計和展示，這也是為了配合今后使用的商業智能技術做的鋪墊。
2.3 物理架構設計
發動機制造執行系統的物理架構設計如圖4所示，該物理架構設計充分保障了系統的可靠性。物理結構設計說明：
圖4 發動機制造執行系統物理架構設計
a. 數據庫服務器將各安裝2塊網卡，其他服務器將各安裝1塊網卡，分別連接至2組交換機，每組交換機各2臺，3臺Web服務器使用負載均衡，2臺數據庫服務器連接到磁盤陣列設備，并且采用故障轉移群集技術。手持設備將通過無線網絡連接。
b. 由2組(每組2臺) 具有路由功能的3層千兆交換機保持千兆的線速交換。每臺服務器連接2組交換機，如果一臺交換機失效，則自動把流量切換到連接另一臺交換機上，做到雙機熱備。
c. 采用思科公司的air-wlc4402-50-k9產品和air-lap1242AG-c-k9產品組成網絡骨架，進行無線信號的傳輸，做到至少雙點覆蓋，在發生單點無線接入點故障的情況下，仍能保證整個生產環境的信號覆蓋。
2.4 發動機制造執行系統架構設計優點
a. 使用微軟WCF技術構建基于SOA的基礎架構，確保系統架構的可擴展性。WCF是使用托管代碼建立和運行面向服務(Service Oriented)應用程序的統一框架。它使得開發者能夠建立一個跨平臺的安全、可信賴、事務性的解決方案，且能與已有系統兼容協作。WCF是微軟分布式應用程序開發的集大成者，它整合了.Net平臺下所有的和分布式系統有關的技術，例如.Net遠程調用、微軟消息隊列等。以通信范圍而論，它可以跨進程、跨機器、跨子網、跨企業網乃至跨萬維網；以宿主程序而論，可以以Asp.Net、可執行文件(EXE)、WPF、Windows表單(Forms)、NT服務(Service) 、COM+(組件) 作為宿主( Host) 。WCF可以支持的協議包括TCP、HTTP、跨進程以及自定義，安全模式則包括SAML、Kerberos、X509、用戶/密碼、自定義等多種標準與模式。也就是說，在WCF框架下，開發基于SOA的分布式系統變得容易了，微軟將所有與此相關的技術要素都包含在內。
發動機制造執行系統使用了企業服務總線的方式和第三方系統交互，如工控、企業資源管理系統、供應商客戶端等，因此采用WCF分布式技術實現了服務總線，并且在WCF中使用了wshttp的綁定方式，使數據傳輸更加安全。WCF的使用需要宿主程序，本系統分別采用了IIS7.0和Windows服務2種宿主方式，WCF在該系統中的使用可以用圖5來表示。
圖5 發動機制造執行系統WCF應用模式
b. 使用微軟WPF技術解決了現場監控顯示技術難題，現場監控一般使用昂貴的專用軟件，在IFLEX Powertrain系統中，采用WPF技術，不僅顯示效果好，而且還大大節約了成本。WPF是微軟新一代圖形系統，運行在.Net框架架構下，為用戶界面、2D/3D圖形、文檔和媒體提供了統一的描述和操作方法。基于DirectX 9/10技術的WPF不僅帶來了前所未有的3D界面，而且其圖形向量渲染引擎也大大改進了傳統的2D界面。WPF相對于Windows客戶端的開發來說，向前跨出了巨大的一步，它提供了超豐富的.NET用戶界面框架，集成了矢量圖形、豐富的流動文字支持浮動文本支持，三維視覺效果和強大無比的控件模型框架。
c. 采用多層計算結構，從邏輯角度看，系統分成客戶端、Web服務器、應用服務器、數據庫服務器4層；從物理角度看，應用服務器可以視用戶并發數從1到N臺進行擴充，以保證客戶端用戶的響應要求。每一層可以被單獨改變，而無需其他層的改變；降低了部署與維護的開銷，提高了靈活性、可伸縮性；瘦客戶端的引入使Internet接入方便，而計算被集中至服務器端，使性能提高成為可能。
d. 應用程序各部分之間松耦合，因而應用程序各部分的更新相互獨立；業務邏輯集中放在服務器上由所有用戶共享，使得系統的維護和更新變得簡單，也更安全。數據庫不再和每一個活動的用戶保持一個連接，而是由應用程序組件負責與數據庫打交道，降低數據庫服務器的負擔，提高了性能。
3 結束語
集成的支持柔性生產的汽車制造執行平臺完成后，帶來了以下效益：
a. 使上海汽車擁有一個具有自主知識產權的統一的制造執行系統，這是很大的無形資產。
b. 該平臺封裝了汽車制造領域的核心功能，不僅可以在整車廠、發動機廠使用，也可以直接應用于汽車零部件生產企業，可以為上海汽車從零部件到整車整個生產制造鏈上下游節約數千萬的開發費用。目前，該系統不僅用在上海汽車集團下的乘用車動力總成廠，還用在上海汽車集團下的變速箱等生產企業。
c. 在上海汽車集團內部使用統一的汽車制造執行系統后，非常方便系統和軟件的維護；上海汽車集團下屬制造鏈上下游中的各個企業每年的軟件維護費可以節約數百萬。同時，該項目完成后，也會給中國的汽車工業，尤其是自主品牌的發展帶來以下效益：
(1)上海汽車集團20多年的合資合作經驗可以充分體現在該軟件的功能設計上，為中國的汽車制造執行系統樹立了標桿。
(2) 在自主品牌的制造過程中打造出中國品牌的特色。
d. 集成的支持柔性生產的汽車制造執行系統(IFLEX)還獲得了國家試點項目(兩化融合)稱號，同時也得到了國內權威專家的認同。
e. 基于該系統架構的系統目前已經成功實施，自2010年1月上線使用以來，已經為上海汽車生產出各種型號的發動機共30余萬臺，取得了良好的經濟效益，也充分證明了該系統架構設計的合理性。
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