1 MES介紹以及目前建模技術現狀
MES(Manufacturing Execution SyStem)直譯成制造執行系統(以下簡稱MES)，屬于生產管理系統。被定義為：“通過信息的傳遞對從生產指令下發到產品完工入庫的整個生產過程進行優化管理。”它與上層ERP等業務系統和底層DCS等生產設備控制系統一起構成制造企業的神經系統，不單是面向生產現場的系統，而是作為上、下兩個層次之間雙方信息的傳遞系統，是連結經營層和現場層，改善生產經營效益的關鍵系統。
當前，MES是制造企業應用熱點之一。實現MES系統時，工程師使用的建模語言、工具和技術種類很多，如行為圖、IDEF0圖，ARIS企業建模工具等，這些建模方法使用的符號與語義不同，彼此之間不能相互操作和重用。雖然UM L設計初衷是為軟件開發提供一種標準建模語言，但畢竟UML不是系統工程專用建模語言，在使用和實現上有一定的局限性。
2 SysML產生以及主要特點
SysML(systems modeling language)是UML 2.0在系統工程應用領域的延續和擴展，是一種新的建模語言，一種可視化、圖形化建模語言。作為系統工程的標準建模語言，和其他系統工程建模語言相比，它提高了描述的正確性，增強了描述的可讀性，消除了不同建模方法在表達和術語上的差異，避免了符號表示和理解上不必要的混亂 SysML的定義主要包SysML 語義和SysML表示(圖形)法兩個部分。
SysML語義是指為系統的結構模型，行為模型需求模型和參數模型定義了語義，圖形表示是SysML 的可視化表示，是用來為系統建模的工具。SysML 定義了需求、行為圖、類圖、裝配圖、活動圖、用例圖九種基本圖形來表示模型的各個方面。
SysML與UML相比具有以下三方面的特點。一是采用更為準確的系統信息分析方法，增添了需求模型；二是綜合了面向對象方法和面向過程方法的體系結構設計優點，能更方便地描述系統問的連接與數據交換，方便系統設計單元分解，從系統節點分解到組件系統單元及系統組件；三是活動圖支持系統工程的加強型功能流塊圖。
3 基于SysML的MES系統建模應用
由于MES系統是制造企業現場生產管理系統，功能需求比較復雜，本文將以SysML建模語言三大特點為基礎，用三個典型SysML圖形來給出MES系統的部分建模方案，分別為：需求圖、用例圖、功能圖在MES系統的建模應用。
3.1 需求圖在MES的建模應用
傳統的需求都被表示為文檔的形式，它們經常與數據和圖表聯系在一起，存儲在文件或數據庫中。但是SysML中的需求用圖形來表示，能夠描述需求和需求之間以及需求和其他建模元素之間的關系。
圖1 需求圖在MES生產作業計劃管理應用
圖2 用例圖在MES計劃調度系統的應用
需求是系統必須滿足的能力或條件，一個需求能夠分解成多個子需求。SysML用《requirement》說明需求，用戶可以定義自己的子需求，如操作系統、功能需求、接口需求、性能需求等等。使用導出關系《derive》表示一個需求可以從另一個需求產生，使用滿足關系《satisfy》表示一個需求能被其它的模型元素實現，使用驗證關系《verify)壤示需求能被測試例子驗證。“生產作業計劃管理”是MES系統中的關鍵需求，下面以“生產作業計劃管理”需求為例，說明需求圖在MES系統建模應用。
《requirement》是來說明需求的，“制定生產計劃”需求也是一個類，有兩個屬性：text 和id，前者是需求的文本描述，后者是需求的標識符。同時需求“制定生產計劃”使用導出關系《derive》導出了“制定生產計劃性能需求”、“車間制定生產計劃需求”和“生產計劃結果查詢”。
MES中一個需求可以分為多個子需求，圖1中“生產計劃結果查詢”需求可以細分為“任務周計劃查詢”和“設備周計劃查詢”。
《satisfy》表示一個需求能被其他的模型元素實現，圖1中“車間制定生產計劃”需求用“計劃排產子系統”進行實現�！秜erify》表示一個需求能被測試例子驗證。圖1中“車間制定生產計劃”需求用“計劃排產測試用例”進行驗證。
通過需求圖能夠描述MES中主要需求的分解、細化、實現以及驗證過程。這是SysML對MES建模應用的最大特點。
3.2 用例圖在MES的建模應用
SysML語言用例圖描述了外部參與者對系統的使用，是通過系統向參與者提供一系列服務來實現的。用例圖包括用例、參與者以及它們之間的通訊。用例之間的關系有包含關系、擴展關系和泛化關系。下圖是一個MES生產計劃排產系統的SysML 用例圖：
SysML把需求圖和用例圖結合起來，從兩個角度共同完成對系統的需求分析。這使得MES需求更易理解與實現。
3.3 功能塊圖在MEs的建模應用
功能模塊圖征MES的建模應用分為：MES系統整體功能圖和MES分解功能圖。
從業務流程角度出發，本人認為MES要有五大子系統：計劃管理、物流管理、績效考核，質量管理、基礎數據管理。
計劃管理予系統是指企業從接收訂單開始，計劃排產、派工單下達，直至訂單任務完成整個過程。其核心是作業任務調度。
物流管理子系統是指在生產指令的驅動下，工件經過領料、周轉、加工、入庫等過程它需要隨時提供工件在任意時刻的位置、數量等動態信息。
質量管理子系統主要指企業生產過程中的質量信息流，生產過程中產生的各類質量有關事件。
績效考核子系統主要用于評價一個企業各個環節的健康指數，包括計劃履約率，產品合格率及成本消耗情況等。
基礎數據管理主要包括產品生產過程中的Item 主信息，工藝管理、BOM 信息。
SysML功能塊圖能夠對頂層系統、子系統、邏輯組件及物理組件等各層次系統的接口進行描述。SysML提供了標準端口對塊之間的交互進行描述，標準端口是按照它所能提供的和所需求的建立相應的Require／Provide端口。
圖表3中詳細描述MES五個子系統，即計劃管理、物流管理、質量管理、績效考核、基礎數據管理的特征以及它們各自的接口情況。
MES各子系統都需要進一步細化內部功能模塊，如計劃管理子系統就需要進一步細化，分成訂單管理，任務分解、計劃任務管理子系統及計劃排產子功能模塊。對每個子功能模塊SysML可以進一步細化其內部功能模塊圖。
圖3 MES系統整體功能塊圖
4 結語
SysML是一種先進實用、功能強大的標準建模語言，能對系統工程的各種問題進行建模，適用于系統工程的不同階段。在MES的開發過程中，采用SysML進行系統建模后，我們可以根據對系統工程需求的全過程進行跟蹤，包括定義新需求，處理需求的變更和細化，需求的實現，測試用例的編寫。而基干SysML的MES建模實現能有效地縮短開發測試周期，而且為模型驅動提供了可能性。用該建模語言管理復雜系統，可以提升系統設計開發質量。
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本文標題：基于SysML的MES系統建模應用
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