第一章 緒論

1.1 課題背景
制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，以下簡稱 MES）是企業(yè)信息化管理的樞紐，它將企業(yè)的計劃系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)緊密的結(jié)合到一起，與二者共同組成了企業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)。MES 作為企業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)的紐帶，它使 ERP 的功能向底層延伸，承接了 ERP 系統(tǒng)和底層控制系統(tǒng)之間的過渡。為管理人員提供了豐富的信息，例如：生產(chǎn)計劃安排、執(zhí)行進度、當前物料狀態(tài)和信息等。MES 提供了一個集中的平臺，管理人員通過 MES 可以控制和調(diào)整生產(chǎn)過程中涉及的人員、設(shè)備、物料、流程、加工工藝等資源，從而實現(xiàn)對車間生產(chǎn)全過程的管理和控制。目前 MES 已經(jīng)在制造業(yè)領(lǐng)域（如：汽車、鋼鐵）得到廣泛應(yīng)用。在食品加工領(lǐng)域，還是剛剛起步。
本課題來源于食五谷集團粗糧加工車間的實際應(yīng)用需求。該集團為了建設(shè)“智能化、全自動”加工車間，尋求車間底層生產(chǎn)設(shè)備與上層計劃系統(tǒng)之間進行信息交換的解決方案，決定實施制造執(zhí)行系統(tǒng)。該項目的成功實施，實現(xiàn)了加工過程的全自動生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量控制相融合；全自動生產(chǎn)與產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度相融合；全自動生產(chǎn)與物流倉儲管理相融合。
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1.2 研究背景和意義
目前國外大型制造企業(yè)已經(jīng)普遍在使用 MES，在國內(nèi)許多企業(yè)也逐漸開始通過這項技術(shù)來提高自身的核心競爭力，早在 90 年代初期，我國就開始了對 MES的跟蹤研究，但是大多是對 MES 概念的歸納、總結(jié)。發(fā)展速度并不是很快，成熟可應(yīng)用的系統(tǒng)也是很少，在食品加工領(lǐng)域更是很難找到可以直接使用適合的系統(tǒng)。
從市場角度來看，隨著時代的發(fā)展，人們已經(jīng)不再滿足于對食品口味的要求。對食品的安全、健康以及外觀等都有了更多的期望和要求。因此粗糧食品的需求也呈現(xiàn)出品種多、變化快、數(shù)量大等特點。如何能夠提高設(shè)備使用效率，減低單品加工時間，優(yōu)化產(chǎn)能配置等問題就擺在了食品加工企業(yè)面前。
食品加工企業(yè)的生產(chǎn)模式大多是“自上而下”式，即企業(yè)根據(jù)市場反饋信息或者訂單形成生產(chǎn)計劃，計劃下達到車間后組織生產(chǎn)，生產(chǎn)完畢后出貨。這個過程中 ERP(Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計劃)負責整合企業(yè)各種資源，制定生產(chǎn)計劃。各種自動化加工設(shè)備，智能檢測儀器儀表，自動化倉庫等負責實現(xiàn)完成自動化生產(chǎn)和倉儲。市場環(huán)境瞬息萬變，企業(yè)能否在復(fù)雜的市場環(huán)境中良性運行，對市場的變化結(jié)合車間實際情況做出正確的應(yīng)對措施對企業(yè)來說尤為關(guān)鍵。目前 ERP 系統(tǒng)和各種自動化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的十分成熟， 但是 ERP 無法提供生產(chǎn)現(xiàn)場的詳細情況。自動化系統(tǒng)雖然可以提供現(xiàn)場詳細情況，但是它的對象是工程技術(shù)人員、工藝人員。管理人員無法使用設(shè)備提供的信息做出決策。因此信息在計劃層和設(shè)備控制層之間就出現(xiàn)了斷裂。例如在食品加工企業(yè)中會遇到一些實際問題：
（1）客戶在食用某一產(chǎn)品后身體出現(xiàn)不良反應(yīng)，企業(yè)能否通過識別碼追蹤到該批產(chǎn)品的原料供應(yīng)商，原料批次，加工時間，加工設(shè)備，加工工藝，加工人員，原料配比記錄，關(guān)鍵工藝參數(shù)，出廠記錄等信息。
（2）一條生產(chǎn)線加工多個產(chǎn)品時，是否是用了正確的原料配比和包裝，檢驗工藝是否進行了區(qū)別。
（3）每種產(chǎn)品單品加工的時間、工序數(shù)量。
（4）一個工作日內(nèi)產(chǎn)品的良品比例，不合格品比例，出現(xiàn)缺陷比例較高的產(chǎn)品，分析產(chǎn)品品質(zhì)波動是隨機波動還是異常波動。
（5）設(shè)備空轉(zhuǎn)和閑置比例。設(shè)備空轉(zhuǎn)或者停機的原因包含：原料短缺、調(diào)度失誤、人員操作失誤、工藝缺陷造成次品等。
（6）統(tǒng)計人員工作量。要解決以上問題，僅僅靠 ERP 或者設(shè)備提供的數(shù)據(jù)是無法完成。
通過 MES 可以將計劃層和底層控制系統(tǒng)緊密的結(jié)合到一起，形成一個完整的實時數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。這將逐步成為改進企業(yè)管理能力的趨勢。對提高企業(yè)管理水平具有重要的意義。
本課題以食五谷集團粗糧加工車間為背景，探索了一條在食品加工行業(yè)實施MES 的途徑，積累了豐富的經(jīng)驗，為該領(lǐng)域企業(yè)提供可借鑒的經(jīng)驗。該系統(tǒng)靈活性好，界面簡單，是生產(chǎn)全過程更加透明、可控。通過對比，為企業(yè)減低了成本，減少了生產(chǎn)過程中的浪費，減少了人力成本。大大縮短了訂單的響應(yīng)時間。通過本系統(tǒng)，企業(yè)優(yōu)化了管理過程，對整個加工過程的管理更加直接，快速。
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第二章 MES 理論和架構(gòu)的研究

2.1 MES 發(fā)展趨勢
2.1.1 國內(nèi)外 MES 介紹
MES 概念最早由 AMR（Advanced Manufacturing Research，美國先進制造研究中心）提出，對 MES 的定義可以歸納為：MES 是一種信息管理系統(tǒng)，它可以將企業(yè)的計劃系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)備有機的結(jié)合在一起。MES 為企業(yè)的管理者提供了豐富的信息，例如計劃執(zhí)行情況，各類資源（人員、原料、設(shè)備、倉儲等）的實時狀態(tài)等。
MES 發(fā)展至今，世界各國的研究機構(gòu)和相關(guān)設(shè)計企業(yè)對 MES 的定義都不盡相同。在眾多系統(tǒng)模型中，被廣泛采納是制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會（MESA，ManufacturingEnterprise Solutions Association）提出的系統(tǒng)模型[1]。MESA 指出：MES 具有對產(chǎn)品生產(chǎn)全過程優(yōu)化的能力。當工廠或者車間發(fā)生任務(wù)時，MES 就對該任務(wù)做出快速反應(yīng)，通過協(xié)調(diào)和配置車間的資源，對比現(xiàn)有和歷史數(shù)據(jù)等一系列動作，針對生產(chǎn)任務(wù)給出處理方法，并監(jiān)控整個生產(chǎn)過程。MES 可以提高企業(yè)的管理水平，提高企業(yè)原材料的流動速度，減低加工成本，進而提高企業(yè)投資回報率。MES 還應(yīng)具有信息的雙向交換能力，可以將車間的實時信息提供給管理層，也可以將管理層的信息下達到車間。MES 的主要特點可以歸納為：
（1）MES 是對生產(chǎn)加工全過程的整體優(yōu)化，而不是只解決生產(chǎn)過程中某個局部的問題。
（2）MES 所采集的信息必須具有實時性并可以對采集的信息進行加工并做出分析。
（3）MES 必須能與計劃層和設(shè)備控制層做信息交流，以達到實現(xiàn)企業(yè)信息流完整集成。
2.1.2 MES 系統(tǒng)研究現(xiàn)狀
目前在 MES 領(lǐng)域，世界各國的大學和研究機構(gòu)都積極的開展相關(guān)研究。例如美國賓夕法尼亞大學研制的人工智能 MES，該系統(tǒng)將仿真技術(shù)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，在不同的生產(chǎn)階段通過調(diào)用專家系統(tǒng)中的算法，采取不同的策略進行調(diào)度和控制。該系統(tǒng)的特點是可以運用知識庫，對制造現(xiàn)場反饋的信息加以處理并優(yōu)化方法，最終完成對生產(chǎn)計劃的調(diào)整。又如目前應(yīng)用較多的西門子公司開發(fā)的SIMATIC IT 系統(tǒng)，該系統(tǒng)以組件化的方式實現(xiàn) MES 設(shè)計。成功應(yīng)用于工業(yè)自動化項目，可以與 ERP 和底層控制系統(tǒng)很好的集成。
國內(nèi)高校在 MES 領(lǐng)域，也進行了廣泛的研究并取得了若干研究成果。國內(nèi)研究主要集中在企業(yè)資源集成、網(wǎng)絡(luò)化 MES、過程管理等方面。
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2.2 MES 體系架構(gòu)
目前較為流行 MES，采用了 MESA 歸納總結(jié)的架構(gòu)體系。MESA 給出的 MES架構(gòu)中 ，共有十一個模塊。分別為：工序詳細調(diào)度、資源分配和狀態(tài)管理、生產(chǎn)單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質(zhì)量管理、文檔控制、產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理、性能分析、數(shù)據(jù)采集[4]。下面詳細介紹各模塊的作用。
（1）工序詳細調(diào)度：對車間的資源進行整合與調(diào)度，合理安排產(chǎn)能，以此提高生產(chǎn)效率。包括：對生產(chǎn)任務(wù)中各獨立活動的優(yōu)先級、工藝、產(chǎn)品特性進行排序，并達到用戶設(shè)定的產(chǎn)能和性能。對優(yōu)先級相同或者可以平行進行的獨立活動進行排序，制定出設(shè)備使用安排和人員需求。
（2）資源分配和狀態(tài)管理：協(xié)調(diào)人力、設(shè)備、原料相互配合，進行生產(chǎn)。跟蹤并記錄實時工作狀態(tài)以及上一道工序的完成情況[5]，即：對設(shè)備和資源的使用歷史記錄，當前狀態(tài)的記錄。以此保證設(shè)備正確使用、物料及時到位、文檔資料齊備。
（3）生產(chǎn)單元分配：以任務(wù)單或指令的方式將物料和加工要求發(fā)送到某一工序[5-6]。依據(jù)制定的生產(chǎn)計劃，使產(chǎn)品批號、物料編碼、BOM、工藝編號、訂單編號等形式的信息流在車間正常流動。生產(chǎn)分配信息依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況出現(xiàn)。它可以修改預(yù)先制定的生產(chǎn)計劃。改變原料的配比或者加工工藝，更改產(chǎn)品加工數(shù)量。
（4）過程管理：根據(jù)實際產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和制定的生產(chǎn)計劃來制定生產(chǎn)現(xiàn)場的工作流程。該部分一般與生產(chǎn)單元分配相結(jié)合，根據(jù)產(chǎn)品的不同和客戶要求的不同，制定不同的工作流程。
（5）人力資源管理：跟蹤員工的工作狀態(tài)。一般按照分鐘級別更新數(shù)據(jù)�？梢杂涗泦T工的工時，生產(chǎn)產(chǎn)品的良品率，次品率。為考核員工提供詳細的數(shù)據(jù)支持。
（6）維護管理：通過主動控制來保證生產(chǎn)設(shè)備和其它設(shè)備正常運作，以保證加工計劃順利進行[6-7]。
（7）質(zhì)量管理：實時記錄和跟蹤設(shè)備運行情況和與生產(chǎn)相關(guān)的各種信息，分析良品比例，次品比例，缺陷原因和次品出現(xiàn)規(guī)律。一邊實現(xiàn)生產(chǎn)全過程質(zhì)量目標。
（8）文檔控制：管理和傳達加工工藝、BOM、設(shè)計文件、工程變更、加工指令等信息[8]。
（9）產(chǎn)品跟蹤和產(chǎn)品清單管理：從原材料采購進廠到制成品進入倉儲，收集并記錄每個產(chǎn)品的信息和狀態(tài)，形成完整的加工歷史記錄[5]。該記錄可以為企業(yè)提供每個產(chǎn)品使用原料情況和加工情況，便于企業(yè)追溯批次產(chǎn)品問題。
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第三章 遺傳算法及其在 MES 中的應(yīng)用....................................9
3.1 遺傳算法 .................................................... 9
3.1.1 遺傳算法的特點 ......................................... 9
3.1.2 遺傳算法的組成 ......................................... 9
3.1.3 遺傳算法的計算流程 .................................... 10
3.2 遺傳算法在 MES 中的應(yīng)用 ..................................... 11
3.2.1 車間調(diào)度問題 .......................................... 11
3.2.2 車間模型提煉 .......................................... 12
3.3 本章小結(jié) ................................................... 14
第四章 改進的遺傳算法在食品加工業(yè) MES 中的應(yīng)用.......................15
4.1 改進的遺傳算法流程 ......................................... 15
4.2 基于新遺傳算法的車間調(diào)度設(shè)計實現(xiàn) ........................... 16
4.2.1 基因鏈編碼 ............................................ 17
4.2.2 生物種群的設(shè)定 ........................................ 18
4.2.3 設(shè)計適應(yīng)度函數(shù) ........................................ 18
4.2.4 遺傳操作 .............................................. 19
4.2.5 程序設(shè)計 .............................................. 19
4.3 本章小結(jié) ................................................... 23

第五章 基于改進遺傳算法的食品加工業(yè) MES 設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 企業(yè)需求分析與設(shè)計預(yù)期
本文第二章指出制造執(zhí)行系統(tǒng)的重要作用和架構(gòu)特征就是資源的合理分配，在一定程度上實現(xiàn)資金、原料、設(shè)備、人力和時間的最優(yōu)化配置。在 MES 設(shè)計時，最核心的問題就是解決生產(chǎn)車間的調(diào)度。在本項目實施過程中，在設(shè)計車間現(xiàn)場管理時和生產(chǎn)調(diào)度管理時，采用了改進后的遺傳算法。在得到 ERP 系統(tǒng)的信息后，通過判斷訂單緊急程度、原料庫存狀況、設(shè)備當前狀態(tài)等信息，來計算和優(yōu)化產(chǎn)品加工順序，，找出滿足條件的近似最優(yōu)解。以此為參考制定合理的生產(chǎn)計劃，排除人工排產(chǎn)可能帶來的錯誤、遺漏等不良后果，使車間的管理更加的科學與客觀。
5.1.1 企業(yè)需求分析
食品加工業(yè) MES 的總體目標是：以競爭為導(dǎo)向，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以技術(shù)研發(fā)體系和經(jīng)營管理模式為核心，加強企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究，吸收精益生產(chǎn)、并行工程等先進思想和方法，充分激活企業(yè)現(xiàn)有資源，加強技術(shù)管理，健全技術(shù)創(chuàng)新環(huán)境，加強質(zhì)量計劃與控制、質(zhì)量成本評價，改革和完善現(xiàn)有管理模式，并向產(chǎn)品開發(fā)與市場開拓兩頭延伸，將公司的人與設(shè)備、技術(shù)與信息集成，成為一個整體優(yōu)化的系統(tǒng)，提高公司的核心競爭能力。
根據(jù)企業(yè)需求，食品加工業(yè) MES 應(yīng)包括以下功能：
(1)工藝流程管理：工藝流程定義；標準工藝基礎(chǔ)定義；客戶產(chǎn)品定義；標準工藝定義；產(chǎn)品設(shè)置；工藝條件版本管理。
(2)WIP（work in product）管理：主要目標在于實現(xiàn)在線對設(shè)備的批次操作，收集在線實時的數(shù)據(jù)提供給其他功能模塊，對在制產(chǎn)品發(fā)生的問題采取及時的措施，從而能夠達到控制生產(chǎn)，降低在制產(chǎn)品庫存的目的�；竟δ馨ǎ篧IP 初始設(shè)定；批次操作；批次查詢；批次跟蹤；設(shè)備監(jiān)視。
(3)車間現(xiàn)場管理：系統(tǒng)指派給實際作業(yè)人員提供一個作業(yè)的指導(dǎo)和指令；對現(xiàn)場的工藝數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)進行搜集；對材料的追蹤，通過條碼結(jié)合系統(tǒng)的條碼錄入界面，追蹤產(chǎn)品的、設(shè)備的、人員的位置和狀態(tài)信息。
(4)系統(tǒng)管理：保證 MES 的操作安全性，設(shè)定不同人員的管理權(quán)限，根據(jù)部門、職能、角色的不同來劃分用戶的使用權(quán)限和瀏覽權(quán)限。
(5)生產(chǎn)調(diào)度管理：由于食品加工業(yè)中某些設(shè)備投資巨大，根據(jù)制造流程“重復(fù)再進入”的特點，采用改進遺傳算法進行調(diào)度，對應(yīng)各種事件觸發(fā)調(diào)度引擎重新調(diào)整資源分配，調(diào)度時間為分鐘級別。同時生產(chǎn)調(diào)度與訂單管理相結(jié)合，幫助用戶確定訂單的投入時間，估計產(chǎn)出時間。同時通過對各個時刻對訂單和生產(chǎn)資源進行監(jiān)視，根據(jù)實時數(shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)度，以提高訂單生產(chǎn)安排的精度。
(6)質(zhì)量管理：基于食品加工業(yè)的特點，提供控制批次出現(xiàn)問題后的嚴格的完整流程控制。質(zhì)量管理的詳細內(nèi)容有：對質(zhì)量問題的種類進行定義；定義質(zhì)量問題現(xiàn)象；定義質(zhì)量問題的處理方式；工作所采用的流程方式；對異常批次的判斷；規(guī)定異常表單的格式；支持對返工、特采、報廢、再返工特殊流程的處理；返工流程；設(shè)定時間段內(nèi)質(zhì)量事故內(nèi)容的統(tǒng)計。所有的質(zhì)量問題處理方法都支持審批流程，并且新的處理方法將被保存到知識庫中[17-19]。
(7)設(shè)備管理：對所有設(shè)備特別是主要設(shè)備（如：攪拌機、焦化機等）在線觀察 (記錄所有設(shè)備的實時動態(tài))；設(shè)定設(shè)備維護計劃；記錄設(shè)備維護記錄；設(shè)備重要部件備件情況。
(8)預(yù)警提示：通過收集、分析實時和歷史測量數(shù)據(jù)來監(jiān)控工藝流程和設(shè)備狀態(tài)，包括：數(shù)據(jù)收集，圖表定義，自定義危險級別，自定義計算變量，根據(jù)預(yù)定規(guī)則在一定條件下觸發(fā)報警或提示。
(9)訂單管理：將訂單管理與物料管理集成，直接產(chǎn)生生產(chǎn)需求，進而產(chǎn)生生產(chǎn)批次和采購計劃；將訂單管理與銷售管理集成，獲取訂單生產(chǎn)情況及產(chǎn)品信息。包括：訂單編輯、訂單種類、投料安排、補投訂單等。
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第六章 總結(jié)與展望

6.1 研究結(jié)論與成果
本論文借助食五谷集團制造執(zhí)行系統(tǒng)項目的實施，全面的研究了制造執(zhí)行系統(tǒng)和遺傳算法的結(jié)構(gòu)與特點。就制造執(zhí)行系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)調(diào)度問題做展開研究。在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，給食品加工企業(yè)建立 MES 模型，通過改良和優(yōu)化遺傳算法，實現(xiàn)對調(diào)度算法的改進。通過本文前面章節(jié)的論述，可以得到以下結(jié)論：
第一，隨著不同企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的實施，行業(yè)模型會不斷增加，MES 會向著組件化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。而基于 B/S 結(jié)構(gòu)的 MES 以其友好的界面將更便于企業(yè)實施，會得到廣泛的應(yīng)用。
第二，制造執(zhí)行系統(tǒng)是企業(yè)信息化建設(shè)中承上啟下的橋梁和樞紐。是企業(yè)承接企業(yè)戰(zhàn)略與日常運營對接的紐帶。MES 將資源規(guī)劃管理，供應(yīng)鏈管理、客戶關(guān)系系統(tǒng)、分銷資源管理等有機的聯(lián)系在一起。使信息在企業(yè)暢通的傳遞。
第三，調(diào)度和資源配置是制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心功能之一。MES 面對車間的時間生產(chǎn)情況，信息存在著實時性和多變性。因為生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境瞬息萬變，因此對于車間資源調(diào)度，需要合理性更需要敏捷性。對于調(diào)度算法，需要具有搜索能力強、速度快的特點。要求調(diào)度算法在短時間可以找到最優(yōu)解的逼近值。
第四，通過為食品加工企業(yè)建立 MES 模型，運用改進的遺傳算法解決該模型的調(diào)度問題是完全可行的。
本課題在研究過程中的主要工作和取得成果如下：
第一，為食品加工企業(yè)建立 MES 模型，便于以后同領(lǐng)域其它企業(yè)實施 MES時，可以方便的直接借用。該系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期技術(shù)性能指標：
（1）實用性：24*7 連續(xù)在線；
（2）可靠性：故障自恢復(fù)，雙機熱備；
（3）擴展性：模塊構(gòu)件、靈活配置；
（4）開放性：統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口。
第二，通過研究傳統(tǒng)的遺傳算法，給出了改進的遺傳算法。通過設(shè)計新的算法流程和程序，實現(xiàn)了使用改進的遺傳算法求解 MES 中的調(diào)度問題。算法具有先進性和可行性。
第三，研究了 MESA 定義的 MES 模型，為食品加工企業(yè)設(shè)計了制造執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下功能模塊：（1）工藝流程管理；（2）WIP（work in product）管理;（3）車間現(xiàn)場管理；（4）系統(tǒng)管理；（5）生產(chǎn)調(diào)度管理；（6）質(zhì)量管理；（7）設(shè)備管理；（8）預(yù)警提示；（9）訂單管理；（10）成本核算；（11）產(chǎn)品生產(chǎn)分析；（12）實時報表管理。
第四，項目中運用的軟件技術(shù)具有先進性：
（1）在服務(wù)器端利用 Ajax 技術(shù)實現(xiàn)頁面的實時更新。
（2）使用接口技術(shù)使得系統(tǒng)更易維護和升級。
（3）利用設(shè)計模式組織系統(tǒng)中的對象，便于程序的編寫和修改，提高代碼效率。
（4）利用軟構(gòu)件技術(shù)提高軟件開發(fā)效率與質(zhì)量，縮短實施周期，降低軟件開發(fā)成本，提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。
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參考文獻（略）