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黃至輝 （1964-）
男，工學(xué)博士，MBA，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，現(xiàn)任職于福州冠翔電子有限公司，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)可靠性領(lǐng)域的研究，同時(shí)致力于MES在企業(yè)的推廣與應(yīng)用。

摘要：本文基于Honeywell的MES功能模塊研究企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃及調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)、提高產(chǎn)品質(zhì)量等關(guān)鍵技術(shù)方案結(jié)合可靠性工程的定量評(píng)價(jià)和分析方法，把組成整個(gè)系統(tǒng)的眾多資源實(shí)體和功能模塊進(jìn)行分析。形成一個(gè)對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)相關(guān)理論進(jìn)行研究的課題，這個(gè)案例的研究對(duì)準(zhǔn)備實(shí)施制造執(zhí)行系統(tǒng)的企業(yè)有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：制造執(zhí)行系統(tǒng)；可靠性增長(zhǎng)；生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度；產(chǎn)品質(zhì)量

Abstract: This paper has investigated on the enterprise production plan and scheduler 
module to achieve the reliability growth and the product quality improvement as well as 
some key technical strategies. Combined with the quantitative evaluation and analysis 
method of the reliability engineering, the paper also makes an analysis for the numerous
 resources entity and functional module of the overall system, and forms a research subject
 on the theory relative to the reliability growth of the MES. The research on the case has
 a certain instruction for the enterprise which is going to put the MES into effect.

Key words: MES; reliability growth; productive plan dispatch; product quality

1 引言 

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）技術(shù)的發(fā)展，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）作為信息技術(shù)和制造技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物應(yīng)運(yùn)而生，為制造系統(tǒng)提供了一個(gè)協(xié)同運(yùn)作的平臺(tái)。美國(guó)Honeywell的Business FLEX PKS 是一個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)，它提供了過(guò)程知識(shí)解決方案，讓流程行業(yè)工廠能將公司目標(biāo)更加高效在生產(chǎn)層得到執(zhí)行。這一解決方案把供應(yīng)鏈規(guī)劃、業(yè)務(wù)與生產(chǎn)自動(dòng)化統(tǒng)一起來(lái)，將公司的業(yè)務(wù)目標(biāo)轉(zhuǎn)換為具體的操作目標(biāo)。然后，將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的生產(chǎn)數(shù)據(jù)反饋到業(yè)務(wù)規(guī)劃層，形成業(yè)務(wù)閉環(huán)回路。其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在資源的異構(gòu)性和多樣性以及活動(dòng)的復(fù)雜性。隨著B(niǎo)usiness FLEX PKS 在各個(gè)領(lǐng)域的的運(yùn)用和擴(kuò)展，其系統(tǒng)可靠性優(yōu)越性越來(lái)越被實(shí)踐所證實(shí)。在MES系統(tǒng)的運(yùn)用過(guò)程中，通常許多MES系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題更多是關(guān)注與網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的連通性，而缺乏對(duì)系統(tǒng)內(nèi)資源的工作狀態(tài)按照“試驗(yàn)一分析一改進(jìn)”這一技術(shù)途徑進(jìn)行監(jiān)控和管理,但PKS 卻能很好地解決這一問(wèn)題，它保障系統(tǒng)內(nèi)的各種資源，乃至整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地、持續(xù)地、高效地提供服務(wù)。本文對(duì)Honeywell的PKS 的MES系統(tǒng)可靠性工程進(jìn)行集成化管理研究，并對(duì)相關(guān)技術(shù)和理論進(jìn)行論述。 

2 MES背景和意義 

    從20 世紀(jì)60 年代初計(jì)算機(jī)系統(tǒng)問(wèn)世以來(lái)，人工的管理方式開(kāi)始逐漸被計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)代替，發(fā)展了物料需求計(jì)劃系統(tǒng)(Material Requirements Planning，MRP)、車間報(bào)表管理系統(tǒng)、采購(gòu)系統(tǒng)等，于是發(fā)展成為MRP Ⅱ。隨著配置資源計(jì)劃系統(tǒng)(Distribution Resource Planning，DRP) 出現(xiàn)，單一功能的制造過(guò)程管理系統(tǒng)(如質(zhì)量管理系統(tǒng)) 也相繼出現(xiàn)。到20世紀(jì)80 年代末90年代初，MRPⅡ逐漸演變?yōu)槠髽I(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning，ERP)，DRP 演變?yōu)楣?yīng)鏈管理(Supply Chain Management，SCM)，而車間層應(yīng)用的專業(yè)化制造管理系統(tǒng)開(kāi)始演變成集成的MES^[1] 。1990年11月，美國(guó)先進(jìn)制造研究協(xié)會(huì)(Advanced Manufacturing Research，AMR) 首次正式提出制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的概念，將物料需求計(jì)劃系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的制造過(guò)程執(zhí)行層定義為MES^[2] 。 與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制也逐漸代替了人工控制，產(chǎn)生了過(guò)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)( Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA) 。隨后SCADA、ERP 和MES 相互滲透。由于制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）能把企業(yè)有關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、成本等相關(guān)的綜合生產(chǎn)指標(biāo)目標(biāo)值轉(zhuǎn)化為制造過(guò)程的作業(yè)計(jì)劃、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工藝標(biāo)準(zhǔn)，從而產(chǎn)生合適的控制指令和生產(chǎn)指令，驅(qū)動(dòng)設(shè)備控制系統(tǒng)使生產(chǎn)線在正確的時(shí)間完成正確的動(dòng)作，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，從而也使實(shí)際的生產(chǎn)指標(biāo)處于綜合生產(chǎn)指標(biāo)的目標(biāo)值范圍內(nèi)。1995年美日、西歐等國(guó)已有100多家煉油、化工企業(yè)在實(shí)施了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS）計(jì)劃，推動(dòng)了流程工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，并經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，已逐步形成合理的體系結(jié)構(gòu)即為ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)。其中將位于計(jì)劃層和控制層中間位置的執(zhí)行層叫做MES，MES作為生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)與上層ERP等業(yè)務(wù)系統(tǒng)和底層DCS等生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)一起構(gòu)成企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng)，它把業(yè)務(wù)計(jì)劃的指令傳達(dá)到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)；將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息及時(shí)收集、上傳和處理。MES不單是面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)，而是作為上、下兩個(gè)層次之間雙方信息的傳遞系統(tǒng)，是連結(jié)現(xiàn)場(chǎng)層和經(jīng)營(yíng)層，改善生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效益的前沿系統(tǒng)。 

    1992年的制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)(Manufacturing Execution Systems Association，MESA)后改名為制造企業(yè)解決方案協(xié)會(huì)(Manufacturing Enterprise Solution Association)，為了在更多的行業(yè)和企業(yè)推廣MES，標(biāo)準(zhǔn)化MES 研究得到廣泛的重視，如：ISA ( International Federation of the National Standardizing Associations) 發(fā)布的ISA95 系列標(biāo)準(zhǔn)，提出了MES 標(biāo)準(zhǔn)模型和術(shù)語(yǔ)、對(duì)象模型屬性、制造信息活動(dòng)模型、制造操作對(duì)象模型^[3，4，5] 。于1997年9月發(fā)表的白皮書(shū)（MESA White Paper No.6，1997）給出了MES 定義：MES系統(tǒng)在產(chǎn)品從工單發(fā)出到成品產(chǎn)出的過(guò)程中，扮演生產(chǎn)活動(dòng)最佳化的信息傳遞者。當(dāng)事件發(fā)生變異時(shí)，借著實(shí)時(shí)正確的信息、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)規(guī)范、原始工作情況、資料反應(yīng)及回饋，做出快速的響應(yīng)以減少無(wú)附加價(jià)值之生產(chǎn)活動(dòng)，提升工廠生產(chǎn)制程的效率。MES改善生產(chǎn)條件及準(zhǔn)時(shí)出貨、庫(kù)存周轉(zhuǎn)、生產(chǎn)毛利及現(xiàn)金流量效益，MES并且也在企業(yè)與供應(yīng)鏈之間提供一個(gè)雙向的生產(chǎn)信息流。 

2.1 MES系統(tǒng)可靠性的研究意義 

    現(xiàn)代制造系統(tǒng)是由現(xiàn)代制造設(shè)備和具有現(xiàn)代素質(zhì)的人在現(xiàn)代管理思想與現(xiàn)代制造技術(shù)和信息技術(shù)的集成下而形成的有機(jī)整體，它是一種動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的復(fù)雜制造系統(tǒng)。它既要產(chǎn)出更高質(zhì)量和可靠性的產(chǎn)品，又要具有更快的市場(chǎng)響應(yīng)速度。這就對(duì)整個(gè)制造系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，使得系統(tǒng)能以可預(yù)知的和可控制的能力來(lái)響應(yīng)市場(chǎng)的需求。因此，對(duì)于制造系統(tǒng)的可靠性研究已日益引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)的重視。

    從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始，一些學(xué)者逐步引入可靠性分析方法。Buszsott J.A.和Shanthinkumer J.G. 對(duì)CIMS生產(chǎn)線的可靠性進(jìn)行了研究^[6] ，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中加工單元的指數(shù)分布假設(shè)，建立了系統(tǒng)的可靠性分析模型；J.Li和S.M.Meerkov對(duì)于由機(jī)器不可靠引起的連續(xù)制造生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率降低的問(wèn)題，采用伯努力統(tǒng)計(jì)的方法確定機(jī)器的可靠性^[7] ；A.Zimmermann etc將Petri網(wǎng)作為對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行建模、性能評(píng)價(jià)和最優(yōu)化的方法和計(jì)算工具^[8] ；J.Driscoll 和H.Keytack 對(duì)流水線非故障停機(jī)模型、工作站最優(yōu)化操作等提出綜合考慮經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)的流水線平衡模型^[9，10] ；J. Loman 運(yùn)用仿真的方法對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模與分析^[11] 。國(guó)內(nèi)的李泉林等對(duì)具有相型壽命的Clarke型CIMS生產(chǎn)線進(jìn)行了研究^[12] ；宋本基和Lu Wei運(yùn)用 Petri網(wǎng)對(duì)裝配線這樣的復(fù)雜離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（DEDS）進(jìn)行系統(tǒng)分析^[13，14] ；張濤等將Petri網(wǎng)應(yīng)用于系統(tǒng)可靠性分析中^[15] ，采用Petri網(wǎng)模型可以更清晰方便地進(jìn)行制造系統(tǒng)的可靠性建模。 

    目前對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的可靠性理論與方法還不成熟。主要有兩方面原因，一是制造系統(tǒng)多是大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為組成系統(tǒng)的單元和子系統(tǒng)數(shù)量多且相互關(guān)系復(fù)雜。系統(tǒng)和產(chǎn)品的可靠性受到人、機(jī)器設(shè)備、材料、工藝方法、測(cè)量、環(huán)境和生產(chǎn)管理等眾多因素的影響。研究MES系統(tǒng)的可靠性涉及到復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性理論與方法。二是制造系統(tǒng)具有重要的生產(chǎn)或服務(wù)功能，不但具有可修復(fù)性，還要具有很強(qiáng)的市場(chǎng)適應(yīng)性，即要具有很快的市場(chǎng)響應(yīng)速度。以實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這樣，研究MES系統(tǒng)的可靠性還涉及到現(xiàn)代生產(chǎn)管理思想和技術(shù)。因此，就要求研究探討考慮多因素的面向復(fù)雜制造系統(tǒng)可靠性建模與分析方法，尋求提高系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)性的新途徑和新方法，以達(dá)到提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和生產(chǎn)效率的目的。 

2.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究 

    一些學(xué)者采用模糊可靠性理論對(duì)制造系統(tǒng)可靠性進(jìn)行研究，取得到了不斷的進(jìn)展。例如，K.A.Dhingra 采用模糊數(shù)學(xué)對(duì)多目標(biāo)約束的串聯(lián)系統(tǒng)可靠性優(yōu)化進(jìn)行了研究^[16] ；徐勇等利用Markov鏈和模糊狀態(tài)的可靠性理論對(duì)可修表決系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究^[17] ；朱妍、闞樹(shù)林將模糊可靠性分析方法應(yīng)用于系統(tǒng)可靠性分析^[18] ；金星等運(yùn)用Bayes方法對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠度評(píng)定^[19] ；王磊等^[20] 建立了同時(shí)考慮隨機(jī)參數(shù)區(qū)間模糊性和失效準(zhǔn)則模糊性的結(jié)構(gòu)模糊可靠性分析模型。這些研究都突破了常規(guī)可靠性理論的某些局限，在復(fù)雜系統(tǒng)可靠性的理論與方法研究方面都取得了可喜進(jìn)展。 

    非齊次泊松過(guò)程Won-homogeneous Poisson process，簡(jiǎn)稱為NHPP)類軟件系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)模型是軟件系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)模型中重要的一類，并且已經(jīng)成為軟件系統(tǒng)可靠性工程實(shí)踐中非常重要的工具^[21] ，是管理和提高軟件可靠性過(guò)程中最有吸引力的一類模型^[22] 。迄今為止，基于傳統(tǒng)的NHPP過(guò)程的模型依然是評(píng)價(jià)軟件可靠性最適合的、最簡(jiǎn)單的模型之一^[23] 。由于軟件系統(tǒng)可靠性模型的研究仍處在較初級(jí)的階段，至今沒(méi)有一個(gè)完善、系統(tǒng)、科學(xué)的分類法。不少學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行做一些分類研究，提出了多種分類方法。常見(jiàn)的分類方法有隨機(jī)過(guò)程類模型和非隨機(jī)過(guò)程類模型。隨機(jī)性分類法^{[24，25，26]} 。隨機(jī)過(guò)程模型為宏觀模型，主要代表有馬爾可夫模型(以J-M模型為代表)、NHPF模型(以Goel-Okumot模型為代表) 、Musa執(zhí)行時(shí)間模型；非隨機(jī)過(guò)程類模型其他許多模型為微觀模型，主要代表有：運(yùn)用Bayes估計(jì)的Baysiar型 (以L-V模型為代表)、Seeding模型、基干輸入域的模型和其它方法(如非參數(shù)分析，結(jié)構(gòu)化模型，Cox比例風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)模型，時(shí)間序列分析方法等)。 

    上述研究雖然分別在復(fù)雜系統(tǒng)可靠性的理論與方法研究方面都取得了成果，由于制造執(zhí)行系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得上述可靠性分析方法在對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)用研究分析時(shí)尚未取得成果。但Honeywell高技術(shù)解決方案充分考慮到系統(tǒng)的可靠性，如Honeywell高技術(shù)解決方案中SAND軟件是一套用來(lái)降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本和銷售成本的供應(yīng)鏈優(yōu)化工具。SAND是一套針對(duì)供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)或競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境發(fā)生大的變化時(shí)，對(duì)其影響進(jìn)行評(píng)價(jià)的實(shí)用工具。SAND使用線性規(guī)劃 (LP) 技術(shù)，它作為整數(shù)規(guī)劃的補(bǔ)充，用來(lái)解決短期和長(zhǎng)期戰(zhàn)略計(jì)劃問(wèn)題。從戰(zhàn)略層上面來(lái)看， SAND可對(duì)工業(yè)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行非常有效的評(píng)估。例如，SAND可以用來(lái)評(píng)估煉油廠是否會(huì)倒閉、是否需要建新的管道或?qū)﹂L(zhǎng)期供需增長(zhǎng)情景作出預(yù)測(cè)。從戰(zhàn)術(shù)層面上，SAND可以用來(lái)評(píng)估銷售網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；特別可以用來(lái)確定哪些碼頭應(yīng)該保留，哪些碼頭要廢棄。從操作層面上講，SAND可以用來(lái)將產(chǎn)品（或原料）從每個(gè)供應(yīng)商分發(fā)到每個(gè)需求地點(diǎn)。這樣，有利于SAND對(duì)現(xiàn)貨買(mǎi)進(jìn)和銷售機(jī)會(huì)進(jìn)行評(píng)估、評(píng)估和履行交易合同以及確定多生產(chǎn)哪種產(chǎn)品會(huì)帶來(lái)最大的利潤(rùn)。 

3 以復(fù)雜可修的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）為對(duì)象，探討基于Honeywell的Business FLEX PKS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)響應(yīng)速度的可靠性增長(zhǎng)

    研究MES必然會(huì)涉及到生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度集成優(yōu)化模型，這是一個(gè)多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的研究，如何能達(dá)到既解決多個(gè)目標(biāo)的問(wèn)題，又要考慮產(chǎn)值利潤(rùn)、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備利用效率等。Business FLEX PKS 系統(tǒng)的先進(jìn)計(jì)劃及調(diào)度優(yōu)化 (Advanced Planning and Scheduling) 解決方案套件很好地將公司生產(chǎn)目標(biāo)和生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，然后再把優(yōu)化后的計(jì)劃轉(zhuǎn)化成為生產(chǎn)調(diào)度方案，并建立具體操作目標(biāo)，以滿足此調(diào)度方案。工廠由此可以進(jìn)行更好的進(jìn)料選擇、得到更高的生產(chǎn)率和利潤(rùn)、采取更可行的調(diào)度方案，使產(chǎn)量達(dá)到最大化。因此，這種統(tǒng)籌兼顧多個(gè)目標(biāo)，選擇一個(gè)相對(duì)在某個(gè)時(shí)期比較合理的方案是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，這個(gè)規(guī)劃模型應(yīng)致力于尋求某個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。不僅給出了可行的計(jì)劃和調(diào)度解，而且能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)需求和變化。Production Scheduler可帶來(lái)重大的財(cái)務(wù)和操作上的收益，使企業(yè)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。主要從以下幾方面使工廠受益：（1）優(yōu)化調(diào)度決策：Production Scheduler在調(diào)度過(guò)程中，采用優(yōu)化的調(diào)度方案，改善決策過(guò)程。它可以產(chǎn)生多個(gè)優(yōu)化的調(diào)度方案，并給調(diào)度人員提供正確的信息，讓他們選擇最佳的一個(gè)調(diào)度方案。Production Scheduler運(yùn)算速度快，操作方便，使調(diào)度人員有更多的時(shí)間分析和選擇最佳的方案 （2）Production Scheduler盡量不改變代理約束的值。通過(guò)增強(qiáng)工廠操作員的信心，使操作人員操作時(shí)敢于接近代理約束值。（3）Production Scheduler支持針對(duì)優(yōu)化的計(jì)劃和調(diào)度的制定的最佳操作程序，發(fā)貨和工廠生產(chǎn)之間的有效工作流調(diào)度可極大地減少大風(fēng)險(xiǎn)的決策。它允許進(jìn)行有效原油計(jì)劃和調(diào)度過(guò)程中，培養(yǎng)多個(gè)業(yè)務(wù)熟練的調(diào)度人員，這樣可以減少對(duì)一兩個(gè)關(guān)鍵人員的依賴。 

    Business FLEX PKS 系統(tǒng)的先進(jìn)計(jì)劃及調(diào)度優(yōu)化 (Advanced Planning and Scheduling) 解決方案（如圖1所示）使生產(chǎn)計(jì)劃與公司目標(biāo)相結(jié)合，將計(jì)劃變成生產(chǎn)調(diào)度指令以及為滿足調(diào)度要求而設(shè)定的操作指標(biāo)。它提供原料的優(yōu)化選取、最佳產(chǎn)量和利潤(rùn)以及切實(shí)可行的調(diào)度計(jì)劃，使得公司利潤(rùn)達(dá)到最大化。在滿足經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的前提下，解決方案能夠優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃、優(yōu)化供應(yīng)和配給、優(yōu)化生產(chǎn)規(guī)劃、優(yōu)化調(diào)合和優(yōu)化其它生產(chǎn)要求的性能。解決方案采用線性規(guī)劃(LP)工具和針對(duì)流程企業(yè)實(shí)際設(shè)備的數(shù)學(xué)模型。LP技術(shù)特別適合解決流程企業(yè)復(fù)雜的資源配置優(yōu)化問(wèn)題，例如在制定煉油廠的計(jì)劃時(shí)，充分考慮到對(duì)現(xiàn)有資源的多種使用方案。例如在煉油廠先進(jìn)計(jì)劃及調(diào)度優(yōu)化解決方案的應(yīng)用模塊主要包括： SAND（銷售分銷計(jì)劃）：優(yōu)化原材料的供應(yīng)和產(chǎn)品的分銷，降低運(yùn)輸成本。 ASSAY2（原油分析）：通過(guò)分析原油組分，提高原油交易決策的能力。 RPMS（煉油和石化建模系統(tǒng)）：對(duì)原油和原材料進(jìn)行評(píng)估和選擇；優(yōu)化操作計(jì)劃；評(píng)估加工設(shè)備的投資；對(duì)供應(yīng)與銷售進(jìn)行建模；競(jìng)爭(zhēng)分析和市場(chǎng)評(píng)估。Production Scheduler（生產(chǎn)調(diào)度）為煉油廠、化工廠提供生產(chǎn)調(diào)度和優(yōu)化。Production Analyst（生產(chǎn)分析）：把實(shí)際生產(chǎn)情況與計(jì)劃指標(biāo)進(jìn)行比較，分析產(chǎn)生偏差的原因，提高生產(chǎn)效率。 BLEND（離線調(diào)合調(diào)度）：幫助調(diào)合調(diào)度人員確定一個(gè)優(yōu)化配方和多時(shí)段的調(diào)合調(diào)度計(jì)劃 。

                           圖1   先進(jìn)計(jì)劃及調(diào)度優(yōu)化模型解決方案

3.1 PRMS模塊 

    作為完整的流程工業(yè)應(yīng)用軟件套件的核心模塊，主要用于制定操作計(jì)劃、原油分析、操作調(diào)度、產(chǎn)品調(diào)合、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)及性能監(jiān)控。它是Honeywell先進(jìn)解決方案中Business Flex解決方案里的先進(jìn)計(jì)劃與調(diào)度部分的應(yīng)用程序。它基于windows95或windows NT環(huán)境下，并可在多種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行，包括客戶/服務(wù)器架構(gòu)和工作站。RPMS帶有一個(gè)強(qiáng)大的基于MS-EXCEL的報(bào)表工廠，它允許用戶利用MS-EXCEL訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)表；利用模板創(chuàng)建自己的報(bào)表；利用先進(jìn)解決方案所提供的專門(mén)的函數(shù)在MS-EXCEL生成復(fù)雜的報(bào)表。并可在多種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行，包括客戶/服務(wù)器架構(gòu)和工作站。RPMS帶有一個(gè)強(qiáng)大的基于MS-EXCEL的報(bào)表工廠，它允許用戶利用MS-EXCEL訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)表；利用模板創(chuàng)建自己的報(bào)表；利用先進(jìn)解決方案所提供的專門(mén)的函數(shù)在MS-EXCEL生成復(fù)雜的報(bào)表。通過(guò)有效地制定計(jì)劃，全面考慮影響工廠運(yùn)營(yíng)的各種因素，幫助石化和煉油企業(yè)獲取最大的利潤(rùn)，以滿足能源工業(yè)中實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。迄今為止，RPMS在全世界的100多個(gè)煉油和石化工廠得到了應(yīng)用，它主要用于解決以下的問(wèn)題：對(duì)原油和原材料進(jìn)行選擇和評(píng)估、優(yōu)化操作計(jì)劃 、評(píng)估加工設(shè)備的投資 、對(duì)多個(gè)工廠、多種運(yùn)輸方式、多個(gè)終端市場(chǎng)的供應(yīng)與銷售進(jìn)行建模 、評(píng)價(jià)加工和交易合同 、評(píng)估新技術(shù) 、競(jìng)爭(zhēng)分析和市場(chǎng)評(píng)估。 

3.2 Production Scheduler（生產(chǎn)調(diào)度）模塊 

    Honeywell的Production Scheduler解決方案是專門(mén)為這些企業(yè)設(shè)計(jì)，用于滿足各種復(fù)雜的需求的應(yīng)用。這個(gè)解決方案采用先進(jìn)的技術(shù)，協(xié)助改進(jìn)調(diào)合調(diào)度計(jì)劃、制定更有效的生產(chǎn)目標(biāo)、提高企業(yè)的盈利能力，從而使企業(yè)獲得并保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。由于當(dāng)今面臨的挑戰(zhàn)是日益增加的客戶需求。生產(chǎn)調(diào)度人員面臨著一系列有臨界時(shí)間的問(wèn)題如：附加的發(fā)貨、不斷變化的客戶需求、復(fù)雜的產(chǎn)品規(guī)格要求、生產(chǎn)操作問(wèn)題及波動(dòng)的設(shè)備生產(chǎn)能力問(wèn)題等。要考慮這些甚至更多的因素，生產(chǎn)調(diào)度人員必須時(shí)刻關(guān)注工廠產(chǎn)品的移動(dòng)和和操作狀態(tài)，必須在正確的時(shí)間獲得正確的信息。Honeywell的針對(duì)生產(chǎn)調(diào)度的先進(jìn)解決方案給企業(yè)帶來(lái)了一個(gè)新一代的調(diào)度解決方案。它幫助調(diào)度人員確定優(yōu)化的調(diào)度方案，并與操作和移動(dòng)自動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫連接。Honeywell的 Production Scheduler基于獨(dú)特的、專用的優(yōu)化技術(shù)，用于優(yōu)化處理和調(diào)合，實(shí)現(xiàn)前端的平穩(wěn)操作。它充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的具體化要求，具備預(yù)測(cè)原料生產(chǎn)單元的產(chǎn)率和特性的能力，充分利用現(xiàn)有的容器，使產(chǎn)率和特性盡量接近生產(chǎn)目標(biāo)。它通過(guò)提高工廠的盈利能力、降低加工的成本、降低購(gòu)買(mǎi)化工原料的費(fèi)用、更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)原油的操作、減少進(jìn)料和質(zhì)量、更好地分析調(diào)度問(wèn)題、減少庫(kù)存、充分利用生產(chǎn)能力，提高產(chǎn)量、提高工廠的產(chǎn)率、提高整個(gè)供應(yīng)鏈的計(jì)劃和庫(kù)存的可見(jiàn)度。Production Scheduler的主要功能：（1）滾動(dòng)更新。自動(dòng)更新庫(kù)存、組分、質(zhì)量、單元性能及正在進(jìn)行的操作的信息；（2）確定一組操作。允許調(diào)度人員確定要完成工廠合同任務(wù)（原材料的接收和單元進(jìn)料等）所采取的操作，以及與計(jì)劃的操作相關(guān)的信息（如配方、操作模式等）；（3）評(píng)估操作計(jì)劃對(duì)工廠的影響。通過(guò)仿真模擬確定所計(jì)劃的操作對(duì)工廠的影響，協(xié)助調(diào)度人員查看工廠的狀態(tài)，包括庫(kù)存、質(zhì)量及設(shè)備的使用情況；（4）估計(jì)未來(lái)的情況 ，傳達(dá)最終的調(diào)度結(jié)果。把最終的調(diào)度計(jì)劃和操作指令傳達(dá)給操作人員，協(xié)調(diào)由于操作條件的變化而引起的時(shí)間調(diào)配變化，確保每個(gè)人都在為一個(gè)共同的目標(biāo)努力。（5）推動(dòng)相互協(xié)作。 與市場(chǎng)人員、操作人員、計(jì)劃人員及其它的調(diào)度人員共享調(diào)度信息，加強(qiáng)相互間協(xié)作，改善調(diào)度決策，提高操作質(zhì)量 ；（6）比較實(shí)際與計(jì)劃的性能。在計(jì)劃的范圍內(nèi)，把實(shí)際的生產(chǎn)情況與計(jì)劃的生產(chǎn)情況作比較，包括利用工具軟件查看和分析計(jì)劃與已完成的操作之間的歷史偏差；（7）發(fā)布一致的信息。給計(jì)劃人員、調(diào)度人員、操作人員及工廠的管理人員提供整體的調(diào)度信息，保證各層次的人員作用一致、準(zhǔn)確人信息。 

4 基于MES系統(tǒng)下產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量持續(xù)改善的可靠性增長(zhǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究 

    研究PKS 過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)就是通過(guò)分析該系統(tǒng)的“卓越的優(yōu)化功能” ——“發(fā)現(xiàn)故障、分析和糾正故障”，以及對(duì)糾正措施的有效性而進(jìn)行驗(yàn)證，一般稱為“試驗(yàn)——分析——改進(jìn)” 以提高產(chǎn)品可靠性水平的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)自身的可靠性增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外的研究如Z.Jelinski與P.B.Moranda在他們的“軟件可靠性研究”論文中提出了第一個(gè)實(shí)用的軟件可靠性增長(zhǎng)模型 ；針對(duì)柔性制造系統(tǒng)和CIMS進(jìn)行可靠性分析，具有代表性的有美國(guó)K.Miriyala和N.Viswanadham建立的PSG（Process-spanning graph）模型，及我國(guó)中科院疏松桂等建立的Markov模型。德國(guó)a.zimmermann等提出用Petri網(wǎng)對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。以往的復(fù)雜系統(tǒng)可靠性研究綜合方向，它所討論的單元，僅為I型單元（是完全繼承或很少改進(jìn)的單元，可稱為繼承型單元，簡(jiǎn)稱為I型單元 ）。這實(shí)際上假定系統(tǒng)中的所有單元在研制中均沒(méi)有可靠性增長(zhǎng);或者對(duì)研制中的可靠性增長(zhǎng)信息，作“大鍋飯”式的處理，即當(dāng)作沒(méi)有可靠性增長(zhǎng);或者僅僅利用各單元在研制定型后的信息。這樣將丟失，浪費(fèi)II型單元的試驗(yàn)信息（II型單元是新研制的或進(jìn)行了重大改進(jìn)的單元，可稱為增長(zhǎng)型單元） ^[27] ，筆者認(rèn)為Business FLEX PKS 系統(tǒng) 是一種具有增長(zhǎng)型單元（II型），是可靠性增長(zhǎng)的優(yōu)化模型。 

    Business FLEX PKS 系統(tǒng)十分注重將質(zhì)量持續(xù)可靠性增長(zhǎng)的思路結(jié)合在一起，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各組成單元潛在的各種故障模式及對(duì)系統(tǒng)功能的影響，與產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行分析，提出可能采取的預(yù)防改進(jìn)措施，以提高產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的一種設(shè)計(jì)方法（如圖2所示）。它對(duì)各種可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析，以便在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險(xiǎn)或?qū)⑦@些風(fēng)險(xiǎn)減小到可接受的水平。它是一種歸納分析的方法，是一個(gè)“事前的行為”，而不是“事后的行為”。為達(dá)到最佳效益，必須將產(chǎn)品的故障模式納入產(chǎn)品制造過(guò)程之前進(jìn)行。作為應(yīng)用工程主要通過(guò)實(shí)踐將設(shè)備的特性客觀反映出來(lái)，運(yùn)用系統(tǒng)工具找到持續(xù)改善的最佳結(jié)果。

                                    圖2   產(chǎn)品質(zhì)量操作管理解決方案

    制造執(zhí)行系統(tǒng)可靠性定義：嚴(yán)格來(lái)講，系統(tǒng)可靠性應(yīng)包括一下三方面的內(nèi)容：(1) 系統(tǒng)工作可靠性R1( Operational Reliability of System )。它是系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的可靠性，是一種綜合性的可靠性指標(biāo)。(2)系統(tǒng)固有可靠性R2( Inherent Reliability of System )。它是系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中就己確立了的一種可靠性，它和系統(tǒng)所選用的語(yǔ)言、軟件設(shè)計(jì)分析、數(shù)據(jù)的可靠性、設(shè)計(jì)方案、軟件結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)、軟件測(cè)試、預(yù)防錯(cuò)誤以及制造工藝、材料等有密切關(guān)系，是系統(tǒng)的內(nèi)在可靠性，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)，固有可靠性便已確立。(3)系統(tǒng)使用可靠性R3(Use Reliability of System )。它要使系統(tǒng)在滿足規(guī)定的可靠性指標(biāo)，完成預(yù)定功能的前提下，使系統(tǒng)的技術(shù)性能、模塊功能指標(biāo)、制造質(zhì)量和成本及系統(tǒng)效率等取得協(xié)調(diào)并達(dá)到最優(yōu)化的結(jié)果，或者技術(shù)、性能、質(zhì)量、時(shí)間、成本和其他要求的約束下，實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)。三種可靠性不是互不相關(guān)的，它們之間存在有一定的關(guān)系，這種關(guān)系可以用數(shù)學(xué)公式表述如下： R1≈R2R3。                     

    制造執(zhí)行系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)（如圖3所示），其可靠性評(píng)價(jià)中將整個(gè)系統(tǒng)分成了四個(gè)層次：系統(tǒng)層、分系統(tǒng)層、子系統(tǒng)及組件層，組成MES系統(tǒng)的子系統(tǒng)具有一定的獨(dú)立性，又互相連接組成有機(jī)的整體，對(duì)MES系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，首先要考慮各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性。由此，遵循系統(tǒng)可靠性的傳統(tǒng)定義，筆者將制造執(zhí)行系統(tǒng)可靠性定義為：在其整個(gè)運(yùn)行的過(guò)程中，在各種制約性因素(即各種影響制造執(zhí)行系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行的因素)的影響下，能夠持續(xù)完成規(guī)定功能的能力。換句話說(shuō)，可靠性可以用來(lái)衡量制造執(zhí)行系統(tǒng)在完全提供其功能時(shí)的成功程度。另外，不管系統(tǒng)中有沒(méi)有問(wèn)題或故障，只要它不影響正常功能的執(zhí)行和完成，就認(rèn)為系統(tǒng)是“可靠”的，因此制造執(zhí)行系統(tǒng)是一個(gè)多態(tài)系統(tǒng)，也是可降級(jí)的復(fù)雜系統(tǒng)。

    從系統(tǒng)可靠性的角度看，制造執(zhí)行系統(tǒng)是一個(gè)的分布式信息系統(tǒng)，屬于大型復(fù)雜系統(tǒng)。復(fù)雜大系統(tǒng)可靠性模型的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下兒個(gè)方面：（1）系統(tǒng)規(guī)模龐大，通常由多級(jí)子系統(tǒng)構(gòu)成，各級(jí)子系統(tǒng)又包含眾多的基本設(shè)備單元，且各單元的壽命分布類型各異，如指數(shù)分布、二項(xiàng)式型、等等。（2）系統(tǒng)整體邏輯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由基本單元按照多種邏輯關(guān)系而構(gòu)成，典型的如串聯(lián)、并聯(lián)、串并混聯(lián)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等，并往往呈現(xiàn)多類結(jié)構(gòu)相互嵌套狀態(tài)。（3）相關(guān)性的存在。復(fù)雜大系統(tǒng)在不同的任務(wù)階段，一般由不同的子系統(tǒng)、功能 單元來(lái)組合完成，因此其可靠性邏輯結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著任務(wù)時(shí)間段的改變而變化，造成功能模塊間的相關(guān)性問(wèn)題。這種相關(guān)性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是單元共用相關(guān)性，即同一任務(wù)時(shí)段內(nèi)，部分單元在不同功能模塊中共用，表現(xiàn)為相應(yīng)方框在可靠性框圖中重復(fù)出現(xiàn)；另一種是時(shí)段延續(xù)相關(guān)性，即對(duì)于多階段任務(wù)，各單元由于開(kāi)始參與工作的時(shí)刻不同、工作時(shí)間長(zhǎng)短不同以及 連續(xù)或斷續(xù)出現(xiàn)在各任務(wù)階段中，呈現(xiàn)出不同時(shí)段間的相關(guān)性，表現(xiàn)為部分單元重復(fù)出現(xiàn)在可靠性框圖中不同時(shí)段的模塊內(nèi)。 

                                   圖3   Honeywell MES 系統(tǒng)架構(gòu)

    山東肥城阿斯德化工有限公司采用美國(guó)Honeywell公司開(kāi)發(fā)的PKS 過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)取得了較好成效。首先，該系統(tǒng)可以對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行集中監(jiān)視和分散控制，各工段所需要的準(zhǔn)確計(jì)量管理，能耗、產(chǎn)量、質(zhì)量管理能夠在微機(jī)上反映出來(lái)，使裝置生產(chǎn)管理水平得到相應(yīng)提高，實(shí)現(xiàn)全流程工藝自動(dòng)化，保證工藝裝置的安全高效、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，提高了生產(chǎn)操作水平及產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量；其次，各工段有準(zhǔn)確的歷史記錄曲線，能夠進(jìn)行比較長(zhǎng)期的事故分析，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)重要設(shè)備進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，提高生產(chǎn)管理的有效性。同時(shí)各工段設(shè)置報(bào)警、連鎖，建立報(bào)警、連鎖模板數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?qū)ρb置報(bào)警、安全進(jìn)行更好的監(jiān)控和管理，保證了操作員能及時(shí)有效的處理報(bào)警，保證整套裝置的安全運(yùn)行。第三，系統(tǒng)的可靠性及安全性選用自控系統(tǒng)要能夠?qū)ρb置報(bào)警、安全進(jìn)行更好的監(jiān)控和管理，保證操作員能及時(shí)有效的處理報(bào)警，保證整套裝置的安全運(yùn)行，縮短裝置事故的恢復(fù)時(shí)間，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性。該系統(tǒng)提高了裝置產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和能耗，提高了設(shè)備資產(chǎn)利用率，保證工藝裝置的安全高效、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，改善生產(chǎn)操作水平，優(yōu)化工藝條件，找到最佳的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的可靠性增長(zhǎng)^{[28，29，30]} 。 

5 結(jié)論 

    本文對(duì)Honeywell的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)解決方案Business.FLEX PKS 系統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)管理的研究，不僅研究了該系統(tǒng)內(nèi)各種資源的可靠性管理問(wèn)題，也進(jìn)一步明確了其系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、持續(xù)性提供幫助，通過(guò)采用科學(xué)的可靠性增長(zhǎng)管理的理念，可以消除制造執(zhí)行系統(tǒng)的可靠性隱患，是提高可靠性水平的有效手段，對(duì)于保障企業(yè)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益提供了可靠的依據(jù)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1（據(jù)Honeywell Business FLEX PKS 財(cái)務(wù)收益統(tǒng)計(jì)）。

                                       表1

    通過(guò)對(duì)Honeywell解決方案Business.FLEX PKS 系統(tǒng)可靠性工程的分析，可以得到如下結(jié)論：

    (1)可靠性增長(zhǎng)管理技術(shù)是包括過(guò)程管理、規(guī)劃管理和風(fēng)險(xiǎn)決策分析的統(tǒng)一體。可靠性增長(zhǎng)管理技術(shù)在制造執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)用，還只局限于可靠性增長(zhǎng)評(píng)估的內(nèi)容，今后將逐漸融入系統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)分析、規(guī)劃技術(shù)和決策技術(shù)的內(nèi)容。 

    (2)可靠性增長(zhǎng)管理技術(shù)逐漸由定性管理發(fā)展為定量管理 

    一方面由于MES系統(tǒng)試驗(yàn)費(fèi)用昂貴、子樣小增加了定量可靠性增長(zhǎng)管理的難度，雖然定量方法的研究和和應(yīng)用中還存在很多困難和阻力，但基本上已逐漸實(shí)行定量化的可靠性增長(zhǎng)管理，定量的可靠性增長(zhǎng)過(guò)程控制與管理、可靠性增長(zhǎng)評(píng)估方法已在產(chǎn)品中得到實(shí)際應(yīng)用。另一方面，制造執(zhí)行系統(tǒng)具有重要的生產(chǎn)或服務(wù)功能，不但具有可修復(fù)性，還要具有很強(qiáng)的市場(chǎng)適應(yīng)性，即要具有很快的市場(chǎng)響應(yīng)速度，以實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，就要求研究探討考慮多因素的既面向流程型制造執(zhí)行系統(tǒng)功能的架構(gòu)，又面向可靠性建模與分析方法，尋求提高系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)性的新途徑和新方法，以達(dá)到提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和生產(chǎn)效率的目的。 

    (3)對(duì)可靠性增長(zhǎng)信息的管理已逐漸受到重視 

    可靠性增長(zhǎng)信息是進(jìn)行定量可靠性過(guò)程控制與管理、可靠性增長(zhǎng)規(guī)劃和分析決策的基礎(chǔ)。由于MES的子樣小，相信在可靠性增長(zhǎng)管理中對(duì)數(shù)據(jù)和信息的管理和利用逐漸受到重視。 


其他作者：嚴(yán)良文（1967-），男，工學(xué)博士，工程師，現(xiàn)就職于上海大學(xué)，主要從事自動(dòng)控制領(lǐng)域的研究，同時(shí)致力于MES在企業(yè)的推廣與應(yīng)用。



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