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实现基于 WebAPP 制造执行系统的软件框架
Pingyu Jiang*, Chaoyang Zhang**, Jiewu Leng***, Jinwei Zhang****
西安交通大学制造系统工程国家重点实验室中华人民共和国西安市
*e-mail: pjiang@mail.xjtu.edu.cn
** e-mail: xjtuzcy@stu.xjtu.edu.cn
*** e-mail: lengjiewu@stu.xjtu.edu.cn
**** e-mail: lengjiewu@stu.xjtu.edu.cn
摘要：针对传统MES的不足，如菜单引导特性和弱适应能力，本文提出了基于WEBAPP的MES软件框架，具有模块化、分散化和可伸缩性等优点。此外，本文还讨论了三项关键的扶持技术，即多用户角色配置和控制、WebAPP-MES的WebAPP分解策略和WebAPP-MES的Web数据库设计。最后，开发了一个原型系统，以证明WebAPP-MES的可行性和适用性。
关键词：WebAPP、制造执行系统、访问控制、数据库设计
1. 介绍
为了开发一个完全自动化和一体化的制造管理环境，我们对制造执行系统（MES）进行了大量研究，以整合ERP和物理操作系统（Huang，2002）。然而，当前MES的菜单导向特性和弱适应能力限制了它们对动态变化进行高效响应的能力，而后者具有集中和分层的菜单控制结构。此外，随着外包、分包和面向服务的制造在行业中日益普遍，单一MES是不够的，有必要开发分布式和基于Web的MES来整合分布式运营。
未来MES被迫提供快速重新配置控制软件和应用程序的能力（Lepuschitz等人，2011）。重新配置的目标是允许 MES 能快速、经济高效地从当前配置更改为另一种配置，而无需在生产需求突然变化或 MES 某处发生故障和中断等不可预知事件时脱机维护。还需要将新应用程序和新功能快速集成到现有 MES 中，并缩短启动新系统的提前期。
在这种情况下，基于 Web 的应用程序方法 （webAPP） 具有模块化、分散性、自主性、可扩展性和可重用性等优点，被公认为是设计和实现下一代分布式和可重新配置 MES 的扶持技术。WebAPP 已成为商业、商业、通信、教育、工业、政府以及可能影响我们社会生活的所有领域不可或缺的技术(Pressman and Lowe, 2009)。然而，在工业中，在可重新配置MES的背景下开发的基于WebAPP的框架的应用非常罕见，并且由于操作和维护的不便，实现的功能通常受到限制。
MES 的下一代基于 WebAPP 的软件框架以个人功能为导向，以数据库为中心，对所有参与开发过程的人员提出了许多挑战，而旧的开发方法在很大程度上依赖于非正式性、紧迫性、直觉的组合。此外，传统的文献学方法并不适合利用现有技术和满足用户要求。因此，必须制定一个标准框架来构建和实施这种基于 WebAPP 的 MES （webAPP-MES）。考虑到它对于制造系统的适当功能至关重要，在本文中，我们将重点介绍新的框架和一些关键的启用技术，包括 WebAPP-MES 的设计、开发、配置和使用。
2. 基于 WEBAPP 的软件框架
基于 WebAPP 的软件框架如图 1 所示。可以清楚地看到，框架中有四个层，即基础结构层、数据库层、应用程序层和表示层。
基础设施层作为基于WebAPP的软件的基本层，提供系统的基本硬件环境，如计算设备，包括Web服务器和数据库服务器，收集由质量检测、跟踪、能量采集设备等组成的设备，以及覆盖互联网、局域网、路由器等的传输单元。在数据库层，有三个部分，即 WebAPP-MES 数据库、平台数据库和数据库接口。 WebAPP-MES数据库类似于传统的MES，包含切削刀具、加工设备、产品加工质量、库存管理、跟踪和监测等数据。由于 WebAPP-MES 数据库中的数据表彼此关联，MES 中的 Web APP 的规模和数量取决于 WebAPP-MES 数据库。平台数据库主要支持WebAPP-MES的访问控制;数据库接口可以保证WebAPP-MES、平台数据库和其他企业管理系统之间的数据交互，如企业资源规划（ERP）、制造资源规划（MRP）等。
在应用层，WebAPP-MES根据其功能分解为多个子系统，子系统由多个可以执行特定功能的 Web APP 组成。为了实现用户的访问控制，采用了基于任务角色的访问控制策略 （T_RBAC），其中不同角色拥有不同的权限，并且为用户分配了多个角色。此外，在演示层，用户不仅可以通过传统的 Web 浏览器访问 WebAPP-MES，还可以使用手机或平板电脑访问 WebAPP-MES。
图1 基于 WebAPP 的软件框架
3. WEBAPP-MES 的关键支持技术
为了成功实施拟议的WebAPP-MES，本文详细讨论了三项关键扶持技术，即多用户角色配置和控制、WebAPP-MES的WebAPP分解策略和WebAPP-MES的Web数据库设计。
3.1 多用户角色配置和控制
由于 WebAPP-MES 中的用户种类很多，包括生产规划人员、物料分析人员、工具库存经理、质量检验员等，并且不同用户应拥有不同的权限，因此使用T_RBAC来解决多用户角色配置和控制问题。考虑到 WebAPP-MES 的特定要求，T_RBAC中用户角色-任务/权限的关系转换为用户角色配置/webAPP 的关系，因为某些角色（如车间经理或子系统经理）具有角色配置和用户配置的权限。然后，基于实体关系模型 （ER 模型）， 建立 webAPP-MES 的用户角色配置/webAPP 模型， 如图 2 所示。在模型中，实体 Config 通常代表 webAPP 配置、角色管理或用户管理，实体角色捐赠制造车间的特定工作。此外，图 3 显示了配置用户角色-配置/webAPP 关系的简单示例，其中具有车间经理角色的用户 2 可以访问五个 Web APP 并管理 WebAPP-MES 的角色。
图2 webAPP-MES 的用户角色配置/webAPP 模型
图3 配置用户角色-配置/webAPP 关系的简单示例
3.2 WebAPP-MES 的 WebAPP 分解策略
WebAPP-MES作为一个个体功能引导系统，由各种网络AP组成，每个WebAPP都包含处理特定任务的某些功能，因此对WebAPP-MES的WebAPP进行分解是十分复杂的。本文提出了基于GKA（k-means遗传算法）（Lu等人，2004）的分解方法，基本流程如图4所示。首先，以节点的形式收集客户需求并将其提取到许多元函数中。函数标记和角色标记表示为矢量，用于对这些节点进行建模并计算任意两个节点之间的相似性。然后采用GKA聚类算法对功能节点进行聚类，并在不同聚类数条件下对聚类结果进行评估，以便在聚类中高内聚性评估标准下选择最佳聚类结果，群集之间的低耦合。最后，这些群集函数以 WebApps 的形式实现，所有这些 Web APP 都将与 MES 数据库和角色相关联，以形成 WebAPP-MES。分解策略的详细信息将在下面描述。
图4 基于GKA的分解方法
- 功能节点的相似性度计算
在以节点的形式收集并提取到多个元函数后，首先需要对这些节点进行相似性度计算。相似性度是两个或两个以上对象之间的相似度指标，相似度越大，相似度越高。根据相似性理论，计算函数节点的相似性度有两个主要步骤，即函数节点的数学表示和相似性计算。
首先，参照IFPUG方法（Cuadrado-Gallego等人，2010），函数节点（FN）通过数据标记和操作标记进行建模。如果软件系统拥有 W 函数节点，则数据 fag 矩阵 （M 1 ） 和操作 fag 矩阵 （M 2 ） 可以表示如下：
其中 DataTag i和 OpeTag i 表示数据标记和操作标记，DT ij 表示第 i 个函数节点，OT ij 的 第j 数据组件是第 i 函数节点的第j操作组件。
然后，根据相似度的子数公式计算方法，得到函数节点的总相似度。
2） 基于GKA的聚类功能节点
为了获得最优的聚类结果，基于上述函数节点的相似性度计算，建立了聚类优化模型。在各种聚类算法中，K-means算法由于操作简单、时间复杂度低，在科学研究和工程应用中得到了广泛的应用。然而，K-means算法是一种局部搜索算法。
为了克服其缺点，采用GKA求解模型，因为GKA不仅具有遗传算法的全局搜索特性，而且通过k-means算法提高了搜索效率。为了实现集群内的高内聚性和集群之间的低耦合，聚类优化模型如下所示：
图5 k-means遗传算法的流程图
3） 聚类结果的粒度评估
针对GKA在优化模型之前需要输入聚类数的缺点，提出了一种粒度评价方法，以求得到没有聚类数的最佳聚类结果。显然，不同数量的聚类会产生不同的聚类结果。因此，粒度评估函数如下：
当聚类数量等于 k（1lt;klt;M/2）时，T（W*,k）是最佳聚类结果。具有最高V的聚类方案将被视为最佳聚类结果。
3.3 WebAPP-MES 的 Web 数据库设计
由于MES数据库必须针对工厂的具体情况设计（Zhou等人，2005），MES的关键基础设施是数据库系统，该系统可以促进和提供一个通用和适应性强的数据模型。数据库设计的一般任务是将给定的实际应用程序映射到给定数据库管理系统的正式数据模型中。数据库设计包括以下步骤：需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计。
为了在分布式制造环境中实现 WebAPP-MES 的功能，构建了一个双层数据库系统，如图 6 所示。关键步骤是将操作层的信息需求（包括资源、计划、状态和配置）映射到控制层的 Web APP。实体之间的关系通过两个实体之间的多对一 （N：1） 和多对多 （M：M） 建立，以及操作层内的子集层次结构和通用层次结构。数据库系统的目标是支持实现MES功能的各种网络APP的网上重新配置和维护。通过这种方式，WebAPP开发人员可以在数据库系统的基础上开发各种MES函数。
图6 webAPP-MES的数据库框架
4. 开发、配置和使用WEBAPP
为了建立拟议的WebAPP-MES，这是开发WebAPP的第一步，也是最重要的一步。本节详细介绍了 WebAPP 的开发、配置和使用，以进一步说明 WebAPP-MES 开发的关键步骤。
4.1 开发 WebAPP
考虑到移动互联网是现代制造环境中最有前途的技术，该原型在浏览器端使用Html5和Jquery编程，在服务器端使用Javaservlet和MySQL进行编程。采用异步JavascriptXML（AJAX）技术实现浏览器端和服务器端之间的交互，JavaScript （JS）用于与用户交互、控制浏览器、异步通信以及更改文档显示的内容。其他丰富的互联网应用 （RIA） 技术，包括画布 （HTML5） 和 WebGL，也可以应用，使系统在用户界面上更加丰富和易于使用。
4.2 WebAPP 的配置
开发 WebAPP 后，应配置 WebAPP 以将其与系统集成，并且有四个步骤：
1）数据库配置：设置WebAPP的数据库信息，连接WebAPP-MES数据库，包括数据库名称、数据库URL、端口、用户名和密码;
2） 应用程序发布：将 WebAPP 部署到 Web 服务器，以实现浏览器的访问;
3） 系统配置：创建特定的子系统，并将 WebAPP 的名称、URL 和图标添加到 WebAPP-MES 中;
4） 角色关联：将 WebAPP 与相关角色关联，以实现访问控制。
4.3 使用 WebAPP
用户登录到 WebAPP-MES 后，他只能根据 Web 数据库中预先设置的用户角色-配置/webAPP 关系访问一些可用的 Web APP。但是权限控制关系不是静态的，用户可以在必要时向系统管理员申请更改其角色。
总之，从传统MES分解的所有网络AP都可以以上述方式开发和配置，并最终形成WebAPP-MES。
5. 实施网络系统
为了验证上述理论和技术，我们开发了一个webAPP-MES的原型系统。
原型的主要三个方面介绍如下：首先，系统管理员需要配置子系统和网络AP，并能够在'AppStore'中检查它们，或者修改和删除现有的子系统和网络AP，如图7所示。然后，图 8 说明系统管理员可以为 WebAPP-MES 系统创建、修改或删除角色和普通用户。此外，还可以创建子系统管理员来分担角色和用户管理的责任。最后，普通用户可以登录到系统以使用可用的 Web APP。很明显，在系统中，桌面代表一个子系统，用户可以切换子系统。如果用户无法访问 WebAPP，系统将在尝试打开 WebAPP 时给出提示。
图7 子系统和webAPP配置
图8 角色和用户配置
6. 结论
本文提出了一个基于WEBAPP的MES软件框架。WebAPP-MES作为一种单功能引导系统，具有模块化、分散性和可扩展性等优点。此外，还讨论了三项关键
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