05 面向業(yè)務(wù)領(lǐng)域建模

我們的確需要功能強(qiáng)大的通用建模工具，用于去開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。同時(shí)，我們也需要面向不同領(lǐng)域的一系列更簡(jiǎn)潔、更易用的專用建模工具，這些工具可以提供給不同的領(lǐng)域工程師使用，更高效的開發(fā)和維護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)，而不是IT工程師。

那么什么是專用建模工具？對(duì)于MES/MOM系統(tǒng)來(lái)說，系統(tǒng)需要提供哪些領(lǐng)域相關(guān)的建模能力？我們舉個(gè)實(shí)際的例子。如下圖，對(duì)于一個(gè)高度柔性自動(dòng)化的數(shù)字孿生智能工廠，我們對(duì)生產(chǎn)排程、倉(cāng)儲(chǔ)物流、質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)維等進(jìn)行建模。

圖 基于模型定義高度柔性自動(dòng)化的數(shù)字孿生智能工廠

建模包括兩個(gè)方面：靜態(tài)的部分和動(dòng)態(tài)的部分。

結(jié)構(gòu)建模通常是靜態(tài)的，用于映射工廠的對(duì)象和結(jié)構(gòu)關(guān)系，例如組織結(jié)構(gòu)、班組/工段、車間布局、工位和連接關(guān)系、工位配備的資源，如設(shè)備、人力、工具工裝，倉(cāng)庫(kù)、存儲(chǔ)分區(qū)、貨位結(jié)構(gòu)、車間緩存區(qū)、物流配送點(diǎn)、物流設(shè)備/容器、配送路線等。

行為建模通常是動(dòng)態(tài)的，用于定義系統(tǒng)的行為，包括數(shù)據(jù)處理、分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制等，例如：用戶權(quán)限規(guī)則、日歷/資源產(chǎn)能配置、生產(chǎn)排程和調(diào)度策略、倉(cāng)儲(chǔ)上/下架策略、物流拉動(dòng)/配送規(guī)則、物流擁塞控制規(guī)則、質(zhì)量預(yù)警規(guī)則、設(shè)備預(yù)防性維護(hù)策等。

通常需要提供一系列建模工具，分別提供給不同角色的業(yè)務(wù)人員使用，當(dāng)工廠的生產(chǎn)布局、工藝流程、組織架構(gòu)、生產(chǎn)設(shè)備、物流路線等發(fā)生變化時(shí)，主要由這些業(yè)務(wù)工程師負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)的模型進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整之后不需要生成代碼立刻生效，不需要交給程序員去修改代碼。

圖 面向業(yè)務(wù)工程師的建模能力

圖 生產(chǎn)監(jiān)控圖形化布局設(shè)計(jì)

圖 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)建模工具

通過這些建模工具，實(shí)際上MES/MOM系統(tǒng)面向業(yè)務(wù)工程師開放了某種業(yè)務(wù)領(lǐng)域的建模能力，或者提供了一種面向領(lǐng)域，更加圖形化、簡(jiǎn)單和易于使用的用戶界面，或提供了一系列面向領(lǐng)域的建模語(yǔ)言（DSMLs，Domain-Specific Modeling Languages），用來(lái)幫助業(yè)務(wù)人員更高效地創(chuàng)建系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)解析的模型。

需要說明的是：雖然提供了面向不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的建模工具，但是這些建模工具所定義的模型不是彼此獨(dú)立的，而是互相關(guān)聯(lián)的，大家共同創(chuàng)建和持續(xù)維護(hù)和優(yōu)化整個(gè)工廠模型。例如，物流模型配送點(diǎn)通常會(huì)連接到車間布局中的工位，生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)計(jì)劃也需要與生產(chǎn)資源相匹配。

系統(tǒng)提供通用建模能力當(dāng)然是必要的，因?yàn)橥ㄓ?，所以更?fù)雜，有更高的門檻，這些通用建模工具通常應(yīng)該面向IT工程師。業(yè)務(wù)人員并不需要學(xué)習(xí)一種強(qiáng)大的、且通用的建模語(yǔ)言，而只需要掌握與各自業(yè)務(wù)相關(guān)的建模工具，熟悉相關(guān)的概念和建模方法就可以，這極大降低了系統(tǒng)使用的門檻。

圖 同時(shí)提供面向IT和業(yè)務(wù)的建模工具

06 分層擴(kuò)展的架構(gòu)

當(dāng)然有好的架構(gòu)還不夠，有遠(yuǎn)見的MES廠商必須注重產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)現(xiàn)分層擴(kuò)展、打造合作伙伴生態(tài)，否則將很難做大規(guī)模。對(duì)于MES和MOM來(lái)說，下圖是建議的分層的擴(kuò)展方式。

圖 MES/MOM更好的拆分方式是分層

技術(shù)平臺(tái)可以解決架構(gòu)和技術(shù)問題，屏蔽技術(shù)細(xì)節(jié)和復(fù)雜性，并提供低代碼開發(fā)的相關(guān)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展性和靈活性。

MES/MOM產(chǎn)品平臺(tái)解決提供覆蓋制造運(yùn)營(yíng)全業(yè)務(wù)流程的共性模塊，從而最大限度實(shí)現(xiàn)重用，滿足共性需求，滿足跨組織的協(xié)同要求，封裝內(nèi)部的復(fù)雜性。

行業(yè)擴(kuò)展?jié)M足特定行業(yè)的擴(kuò)展，例如提供各個(gè)行業(yè)層的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)分領(lǐng)域的深耕，從而更好為細(xì)分領(lǐng)域客戶創(chuàng)造價(jià)值。

客戶擴(kuò)展是為單個(gè)客戶而開發(fā)的，滿足單個(gè)客戶的共性需求。

其中，第1、2層應(yīng)該由業(yè)界有實(shí)力的公司研發(fā)，需要很大的投入。第3、4層可以由具有領(lǐng)域Know How和商業(yè)資源的集成服務(wù)商、實(shí)施服務(wù)商承擔(dān)，這樣可以很好分工，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，建立合作伙伴生態(tài)。

圖  MES/MOM產(chǎn)品線業(yè)務(wù)范圍、知識(shí)產(chǎn)權(quán)范圍

這里所說的分層擴(kuò)展并不僅限于基于模型的擴(kuò)展，系統(tǒng)可提供快速模塊化選配能力，包括開發(fā)新的插件，采用層次化、模塊化、可插拔的體系架構(gòu)，可通過現(xiàn)有模塊的選配、替換和擴(kuò)展開發(fā)提供快速滿足需求的能力，而且在需求調(diào)整后可靈活調(diào)整。

07 突破技術(shù)方面的限制

基于運(yùn)行時(shí)模型驅(qū)動(dòng)（Runtime Model-Driven）的MES/MOM系統(tǒng)架構(gòu)顯然具有很高的技術(shù)門檻，這種能力一旦建立，將是難以被復(fù)制和模仿的，將形成獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力，這些挑戰(zhàn)主要包括：

首先，不但提供通用建模能力，還需要提供領(lǐng)域建模能力，這需要一套元建模（Metamodeling）設(shè)施，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的持久化、定義建模工具、模型解釋器等，對(duì)這方面感興趣的朋友可以去了解一下MOF元建?？蚣艿乃膶蛹軜?gòu)，分別是：元元模型層（M3）、元模型層（M2）、模型層（M1）、運(yùn)行時(shí)（M0）。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是性能，系統(tǒng)可以在運(yùn)行時(shí)修改模型，模型改變后系統(tǒng)的行為隨之動(dòng)態(tài)改變，可以顯著提高M(jìn)ES產(chǎn)品應(yīng)對(duì)需求變化的能力。然而，這種方法需要在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)讀取和解釋模型，這導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降，使用多級(jí)緩存系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)性能，減少數(shù)據(jù)庫(kù)訪問次數(shù)，可以優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

圖 支持Web及運(yùn)行時(shí)模型驅(qū)動(dòng)的多級(jí)緩存系統(tǒng)

筆者對(duì)性能進(jìn)行了測(cè)試，系統(tǒng)啟動(dòng)一段時(shí)間后，元數(shù)據(jù)加載到緩存系統(tǒng)后，累計(jì)命中率可超過95%。三級(jí)緩存系統(tǒng)將運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化為沒有添加任何緩存運(yùn)行時(shí)間的1.08％！由此證明了運(yùn)行時(shí)模型驅(qū)動(dòng)的MES系統(tǒng)，多級(jí)緩存系統(tǒng)在性能優(yōu)化方面的巨大威力，系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能接近硬編碼的MES系統(tǒng)，但系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性卻與硬編碼的系統(tǒng)有了巨大的提升。

其中的一個(gè)難點(diǎn)是，如何對(duì)程序員屏蔽多級(jí)緩存系統(tǒng)的復(fù)雜性，將緩存系統(tǒng)的復(fù)雜性必須封裝在底層框架，而不需要MES產(chǎn)品開發(fā)人員、二次開發(fā)人員面向緩存系統(tǒng)編程，這就需要一套支持多級(jí)緩存機(jī)制的元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的對(duì)象關(guān)系映射框架（Metadata-Driven ORM-Mapping Framework）。這就好像你開車并不需要關(guān)注汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理。 

圖 對(duì)程序員屏蔽多級(jí)緩存系統(tǒng)的復(fù)雜性

另一個(gè)難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)模型在不同環(huán)境中的同步，通常建模在開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，需要將模型同步到測(cè)試環(huán)境，通過測(cè)試以后，將模型同步到生產(chǎn)環(huán)境?？紤]到系統(tǒng)的復(fù)雜性，通常建模是一個(gè)多人并行開發(fā)的環(huán)境，需要解決多人建模的模型合并問題。為此，可能需要定義通用模型描述語(yǔ)言，可以用于在不同環(huán)境中錄制（類似VBA）、傳遞并重建模型。

這對(duì)于絕大多數(shù)MES廠商來(lái)說，存在著較高的技術(shù)壁壘，這正是工業(yè)軟件的成功難以復(fù)制、沒法彎道超車的原因吧。

08 運(yùn)行時(shí)模型驅(qū)動(dòng)代表未來(lái)

目前中國(guó)的MES市場(chǎng)正處于群雄并起，魚龍混雜的競(jìng)爭(zhēng)階段，市場(chǎng)集中度并不高。筆者認(rèn)為未來(lái)5年，將有90%的MES廠商退出歷史舞臺(tái)，主流MES廠商將集中到5到10家。隨著部分MES廠商做大規(guī)模并上市，形成主流廠商品牌效應(yīng)，業(yè)務(wù)會(huì)迅速集中到這些主流MES廠商，會(huì)加速其他MES廠商的退出。

未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)MES軟件市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將越演越烈，筆者認(rèn)為，基于運(yùn)行時(shí)模型驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)的MES/MOM系統(tǒng)將更具競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)槊嫦驑I(yè)務(wù)領(lǐng)域的建模是讓業(yè)務(wù)人員低門檻參與MES/MOM系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)維幾乎唯一的方法。雖然這條道路上充滿了荊棘，困難重重。

09 總結(jié)

低代碼平臺(tái)背后的實(shí)現(xiàn)技術(shù)正是模型驅(qū)動(dòng)，使用模型可以提高抽象層次、降低軟件的復(fù)雜性，大幅提升系統(tǒng)的開發(fā)效率。

運(yùn)行時(shí)模型驅(qū)動(dòng)（Run-time Model-Driven）架構(gòu)可以更加有利于MES/MOM的開發(fā)和運(yùn)維。

我們的確需要功能強(qiáng)大的通用建模工具，用于去開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。同時(shí)，我們也需要面向不同領(lǐng)域的一系列更簡(jiǎn)潔、更易用的專用建模工具。

當(dāng)然有好的架構(gòu)還不夠，有遠(yuǎn)見的MES廠商必須注重產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)現(xiàn)分層擴(kuò)展、打造合作伙伴生態(tài)，否則將很難做大規(guī)模。

基于運(yùn)行時(shí)模型驅(qū)動(dòng)（Runtime Model-Driven）的MES/MOM系統(tǒng)架構(gòu)具有很高的技術(shù)門檻，這種能力一旦建立，將是難以被復(fù)制和模仿的。