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《服务型制造执行系统理论与关键技术》可供从事先进制造领域研发和工程应用的科技人员、高校院所的研究人员作为技术参考，也可作为机械工程、工业工程、自动化与信息工程等相关专业本科生及研究生的教学辅助资料。
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| 內容簡介： |
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《服务型制造执行系统理论与关键技术》对服务型MES中存在的不同理论方法和关键技术进行论述。其中，第1章概述服务型MES的概念、产生背景、需求和研究意义，并对相关文献进行综述；第2章给出支撑服务型MES运行的信息架构、软硬件配置与整体执行逻辑；第3章对制造和服务在车间层面上的融合机理进行阐述；第4章描述在服务型制造车间采用RFID和二维码进行生产资源和物流标识与跟踪的方法，并重点强调AutoID计算方法及通信流程；第5章论述支撑服务型制造执行过程的若干关键使能技术；第6章介绍一种基于Web的服务型MES——soMES的研发方法和软件原型实现。
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| 目錄：
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"目录
《21世纪先进制造技术丛书》序
前言
第1章概论1
1.1服务型制造执行系统概念的产生1
1.1.1产生背景1
1.1.2需求分析2
1.1.3概念的提出与定义3
1.1.4服务型制造执行系统的特点4
1.2国内外研究现状及发展动态分析5
1.2.1服务型制造理念探索6
1.2.2制造执行系统的研究与发展7
1.2.3生产性外包和众包服务驱动的制造模式8
1.2.4工业产品服务系统与制造系统融合10
1.2.5基于车间物联网和RFID的物体标识与实时制造数据采集11
1.2.6面向MES的信息计算技术及其在MES关键功能中的应用12
1.2.7服务型制造执行系统的生产运行模型与案例14
1.3服务型制造执行系统的研究意义14
1.4本书内容安排15
第2章服务型制造执行系统及其体系结构17
2.1服务型制造执行过程的需求与功能17
2.1.1服务型制造执行过程的需求描述17
2.1.2服务型制造执行过程的功能分析18
2.2服务型制造执行系统的基础信息支撑架构20
2.3服务型制造执行系统的软硬件配置设计21
2.4服务型制造执行系统的体系结构22
2.5服务型制造执行系统的执行逻辑23
2.6本章小结24
第3章制造执行系统的服务承包与外包关系25
3.1现代制造承包与外包服务需求25
3.2车间加工任务的外协26
3.2.1工序级加工任务形式化描述26
3.2.2零件级加工任务形式化描述29
3.3车间加工任务的承包36
3.3.1加工任务的承包概述36
3.3.2车间生产能力和成本评估36
3.4面向车间原材料在制品成品备件存储的PW-PSS服务39
3.4.1PW-PSS概述39
3.4.2支持库存外包的PW-PSS模型40
3.4.3PW-PSS仓储服务控制流程40
3.4.4面向PW-PSS的仓储服务控制策略42
3.4.5基于改进自适应遗传算法的仓储货位分配46
3.5面向车间高端数控加工装备的MT-PSS服务58
3.5.1MT-PSS服务内涵58
3.5.2MT-PSS加工能力服务59
3.5.3MT-PSS加工服务流建模与分析75
3.5.4MT-PSS加工能力优化85
3.5.5MT-PSS与soMES的接口设计91
3.6面向车间多加工任务的**CT-PSS服务93
3.6.1车间**管理方式93
3.6.2**任务分解与**服务流建模97
3.6.3**选配及切削优化108
3.7本章小结128
第4章服务型制造执行过程的实时数据采集130
4.1服务型制造过程的RFID条码标识130
4.1.1车间生产资源分类130
4.1.2各类生产资源标识方法130
4.1.3各类生产资源的编码设计133
4.1.4面向物流跟踪的RFID阅读器布局135
4.2服务型制造执行过程的测量与传感配置146
4.2.1面向多工序加工质量的传感检测特点146
4.2.2多工序加工过程的关键传感检测要素识别147
4.2.3检测仪器配置空间建模150
4.2.4基于本体的检测仪器配置150
4.2.5基于模糊层次分析法的检测仪器评价优化159
4.3服务型制造过程的测量传感含RFID网络分析167
4.3.1面向多工序加工过程的数据采集实现方案167
4.3.2传感检测要素的耦合机理167
4.3.3传感检测网络的建模与分析170
4.3.4案例验证173
4.4服务型制造过程的数据实时采集及其AutoID计算181
4.4.1系统数据库的建立181
4.4.2RFID中间件功能的实现185
4.4.3RFID数据采集与AutoID计算188
4.4.4移动计算与数据同步196
4.5本章小结199
第5章服务型制造执行过程的关键使能技术201
5.1面向加工装备的e-服务节点模型201
5.1.1制造资源获取和特点201
5.1.2制造资源e-服务节点的定义202
5.1.3制造资源e-服务节点的形式化描述204
5.1.4制造资源e-服务化节点的交互接口207
5.1.5制造资源e-服务化节点的配置与评价210
5.2生产排程与运行调度219
5.2.1零件批次优化模型建立与优化219
5.2.2混流生产排程动静态模型建立及优化228
5.2.3扰动事件触发的动态排程规划与决策239
5.2.4排程算法的优化实例240
5.3生产过程质量控制与追踪251
5.3.1工序质量控制点的e-QC节点模型251
5.3.2e-QC工序节点质量控制工具集成与质量信息计算255
5.3.3e-QC工序节点质量信息关联分析270
5.3.4e-QC工序节点协调优化控制272
5.3.5实例分析274
5.4服务型制造执行过程的生产维护278
5.4.1单设备维护模式及决策技术278
5.4.2多设备维护决策建模与优化293
5.4.3台帐管理业务流程及数据结构304
5.5服务型制造执行过程的物流307
5.5.1车间工序物流概述307
5.5.2车间工序物流布局建模308
5.5.3车间工序物流路径规划建模316
5.5.4车间工序物流路径规划仿真319
5.6服务型制造执行过程的库存与在制品跟踪323
5.6.1事件驱动的物流跟踪图式模型323
5.6.2在制品状态监控模型325
5.6.3车间生产库存物流建模328
5.6.4实时数据跟踪可视化看板334
5.7本章小结341
第6章服务型制造执行系统soMES的研发343
6.1服务型制造执行系统soMES的系统设计343
6.2服务型制造执行系统soMES的运行流程343
6.3服务型制造执行系统soMES的模块开发345
6.3.1车间工序物流布局可视化工具e-LAYOUT346
6.3.2车间工序排程与动态调度工具e-SCHEDULE348
6.3.3车间工序与设备数据采集与处理工具e-DATA349
6.3.4车间过程质量控制工具e-SPC350
6.3.5车间制造实时信息可视化跟踪工具e-TRACK351
6.3.6车间设备维护工具e-MAINTENANCE352
6.4服务型制造执行系统soMES的运行案例353
6.4.1系统运行案例描述353
6.4.2案例运行过程及界面358
6.5本章小结366
参考文献367"
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"第1章概论
1.1服务型制造执行系统概念的产生
1.1.1产生背景
制造业是国民经济的重要组成部分。国家统计局发布的《第二次全国经济普查主要数据公报》显示，我国制造业直接创造了国内生产总值的36%，且占全部工业产值的86.8%，贡献了出口总额的93%，为国家财政提供了13以上的收入［1］。2010年中国占世界制造业产出的19.8%，国内外销售总额已超过日本和美国，成为名副其实的制造大国。但从总体来看，我国制造业尚未完全摆脱粗放型、外延式发展的倾向，现代制造服务业发展缓慢，绝大多数制造企业的服务收入占比低于10%。一项调查表明，当前我国制造与服务融合的企业仅占整个制造企业的3%左右，与发达国家有较大差距（美国58%，芬兰51%，荷兰40%，德国30%，法国20%）。着力发展现代制造服务业、促进生产性服务和制造业的交互融合已成为由制造大国向制造强国转变的重要手段之一。
国家“十二五”规划已将“加快发展生产性服务业”独立成章地写入纲要中，“深化专业化分工，加快服务产品和服务模式创新，促进生产性服务业与先进制造业融合，推动生产性服务业加速发展”已成为国家未来重要的发展战略方向［2］。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》也指出发展信息产业和现代服务业是推进新型工业化的关键，并将现代服务业信息支撑技术、大型应用软件、传感器网络及智能信息处理列为优先发展对象［3］。国家和政府逐步调整“重制造、轻服务”的产业政策，把服务业的发展定位提高到与发展先进制造业同等重要的战略高度，强调服务业与制造业的有机融合、协调发展。
众所周知，制造业是一个国家的工业基础，是创造社会财富的直接源泉；而制造企业是一个国家实体经济的体现，是国家发展的基石。依托制造企业这样实体经济的生产性服务业恰是激发实体经济活力和价值增值的催化剂，也是制造与服务融合理念的核心所在。在制造企业中，制造活动的全球化、组织结构的哑铃化是促进生产性外包服务（含承包与发包两种形态）的源泉。而制造核心企业的零部件制造活动依附于跨企业的制造车间，且其对应的生产性外包服务机制是伴随着优化制造资源配置、参与相关制造活动的多方共同获益等理念而发展起来的一种车间级制造服务运行模式。通过车间级制造与多服务机制的融合来揭示出发包方与承包方间的复杂交互作用规律，并进一步通过信息服务手段处理制造车间运行的实时过程状态与工况、工件质量等信息，并在整个制造服务关系网络上进行共享是实现这种新模式的关键环节。因此，在车间级体现上述服务与制造融合运行模式的制造实体就是服务型制造车间serviceorientedmanufacturingshopfloors，支撑该服务型制造车间运行的工程软件包则称为服务型制造执行系统serviceorientedmanufacturingexecutionsystems，soMES。
在工业实践方面，我国现有众多的为大型核心制造企业配套的专业化机械加工服务企业，所承接的外协加工任务从批量零件制造到特殊工序加工应有尽有，且涵盖的行业广泛。同时，国内飞机制造企业承接来自空客和波音公司的飞机结构件外包加工，诸如富士康这样的“代工”巨头从白牌机到iPhone代工、大众汽车制造工厂的**工业产品服务系统industrialproductservicesystem，iPSS等都是上述模式的实践者，且呈现出大量的专业化服务型制造车间的雏形，这些都表明生产外包正在经历从非核心业务向核心业务转化、从低端加工向高端制造转移。
1.1.2需求分析
上述服务型制造执行系统理念的提出依赖于服务与制造融合的大背景，是伴随着相关学科与工程实践的发展轨迹而逐步形成的，且在某种程度上体现了工程实践推动学术研究的特质，并至少涉及以下两方面的需求：
1制造产业发展与升级的需要。产品全生命周期涉及从调研、设计、制造、包装、运输、分销、回收和维修、最终再循环或作为废物处理等环节组成的过程链。其中，制造环节是依据产品设计的功能与性能、质量与成本等方面的综合要求来形成产品实体及其原始成本的核心所在。实践表明，控制与降低制造环节成本的一条有效途径就是体现制造活动全球化、企业组织结构哑铃化的专业化生产性外包众包服务机制。体现在零部件制造活动中就是越来越多的专业化服务型制造车间的涌现。专业化生产性外包众包服务的优势在于能快速响应产品设计的实物化要求，确保在均衡产品制造质量与效率前提下实现发包方与承包方间的利益多赢，并能缩短产品投放市场的时间。因此，制造产业发展与升级需要专业化生产性外包众包服务的支持，尤其是面向核心业务和高端制造的专业化生产性外包众包服务企业的涌现是产业升级的必由之路，这也为依托在生产性外包众包服务的交互作用规律作用下的服务型制造执行系统的深化应用夯实了基础，同时为在服务型制造车间内部引入支撑制造服务高端化的工业产品服务系统技术提供了依据。
2产业集群发展的需要。专业化生产性外包众包服务机制的规模化发展是必然趋势，体现的是现代制造服务业集聚化发展的必然结果。其中，按地域与专业的规模化分工是优化产业链、形成专业化生产性外包众包服务产业集群的关键要素。这种从产业集群出发的聚集效应极大地降低了服务交易成本，优化了制造企业的发展环境，并带动了周边区域制造业的发展。例如，上海作为服务业高度发达的中心城市，其生产性服务业越发展，周边区域制造业越能受益。在地理位置上最接近上海这个现代服务中心的苏南地区和浙江北部制造业的迅猛发展势头就是一个典型的例证。在珠三角地区，在地理位置上越接近香港、深圳的地区如东莞等城市的制造业发展势头越猛。这种产业聚集效应要求与制造活动相关的信息能在整个产业服务链上达到共享，这也就对服务型制造执行系统的制造信息处理方式提出了新的要求。因此，在整个产业服务链上实现信息服务与共享则凸显了其重要性。
1.1.3概念的提出与定义
作为制造与服务融合理念的核心所在，制造车间主要通过内外两方面实现其自身生产活动的价值增值。对内，可将低成本低附加值能力不足的生产活动如零件加工、粗加工工序、特种加工工序等）和稀有高端精密加工装备及库存等以制造服务的方式外包给第三方专业服务提供商，这种第三方服务提供商既可依托工业产品服务系统实施服务外包，也可提供通常意义上的生产性服务；对外，则作为服务的接收方承包其他企业发包的生产加工任务。如图1.1所示，制造车间的输入为承接各类单件中小批量大批量的零件级工序级加工任务，稀有高端精密加工装备的产品服务，贵重精密**夹具等工装附件的产品服务，面向原材料半成品成品备件库存的仓储、物流等服务；输出为零件级工序级加工任务二次外包、复杂重点工序任务的外包、满足交货期数量质量要求的零件产成品和各类工业废料；约束为制造车间的加工能力产能；支撑为各种硬件（各种加工机床、**、夹具和运输小车等）、软件（制造执行系统MES、分布式控制系统DCS、可编程控制器PLC和数控软件NCDNC等）及人员（操作人员、管理人员
图1.1服务型制造车间的活动模型图
基于上述服务活动的描述，本书以服务型制造执行过程和资源利用为研究对象，介绍依托面向服务型制造执行系统的理论方法与关键技术的学术研究，从车间层面上揭示制造与服务的融合机理，并介绍相应的服务型制造执行系统软件包。本书中服务型制造执行系统可定义为一种专业化生产性外包服务模式和多iPSS协同工作模式联合驱动的，构建在车间级相关制造硬件资源配置或服务型制造车间基础上的，并依托诸如信息服务计算、AutoID计算、智能和认知计算等在内的信息处理技术来建模及解算面向复杂混流式制造任务的车间级生产排程与调度、生产过程控制、生产库存、生产维护和生产协同等方面问题的工程软件包。其中，生产性外包服务多iPSS协同工作模式既涉及承包外部的制造任务，也涵盖发包内部的制造硬件资源、加工工序、车间业务流程等；而制造任务则涉及基于多批量类型多品种多交货形式的复杂混流生产方式的零件加工任务。依据多向多维的服务机制，可实现服务驱动的车间级制造过程和资源利用的价值共创、质量保证与增值增效。
1.1.4服务型制造执行系统的特点
据上述定义可知，运行于服务型制造车间中、且面向动态零件制造任务的服务型制造执行系统soMES具有以下显著特点：
1）以车间相关的全方位生产性外包众包服务作为系统配置与运行的基本指导原则。除满足基于承包的常规重大高端零部件专业化生产性服务需求外，服务型制造车间一方面需要逐步实现从承接非核心及低价值业务的外包任务向承接核心与高附加值业务和零部件加工任务的外包任务转移；另一方面，车间内部的核心生产任务或业务流程也可通过众包服务模式实现价值增值，并与云制造模式互联。全方位的生产性外包众包服务的决策规划为服务型制造车间的配置和运行提供了基础。
2）以车间物联网驱动的信息服务计算和认知计算作为系统运行的实时数据与信息处理的基本手段。服务型制造车间底层数据量大，种类繁多，信息处理不仅涉及工件、加工装备、刀夹具、人员等资源要素的时空变化特性，也涉及在服务型制造车间中“人物”双向交互作用下的认知特性；同时，实时制造信息也需要在规定的信息安全机制控制下，在产业服务链上的关联环节进行信息共享。因此，基于车间物联网的实时制造数据获取采用以认知服务计算为主的信息处理技术来对各类制造信息进行实时处理是保障服务型制造执行系统健康运行的关键。
3）以体现单件中小批量大批量等各种批量类型、多品种和多交货形式，且面向不同制造技术与规范要求的制造任务（tasksondemands）条件下的复杂混流生产方式作为系统规划、调度与控制的基本对象。服务型制造车间的订单所涉及的制造任务本身具有动态不确定性，且所承接的来自不同制造企业的零部件生产任务会有不同的技术规范与要求，这导致服务型制造执行系统所承接的制造任务是多批量类型、多品种、多技术规范要求的复杂混流生产方式；同时，订单的交货形式也会涉及特急、急件和常规等多种时间形态，这也增加了生产排程与调度、生产过程控制、在制品库存以及生产维护等的不确定性与复杂性。
4）以加工工序、装备、车间局部业务流程的外包或租赁等作为系统降低生产成本与实现服务增值的基本方法。在服务型制造车间中，生产活动的组织方式具有很大的柔性。为从基于服务的多赢模式获取更大的利润增值空间，一方面，可将非核心技术含量低的加工工序或局部业务流程外包给第三方独立制造服务商完成，以降低投入成本；另一方面，可将服务型制造车间购买的高端特种稀有重大制造装备资源以租赁或工业产品服务的方式为第三方提供加工服务来获取更多收益。
5）以高端特种稀有装备驱动的多iPSS作为系统核心加工服务功能提升和服务增值的新途径。工业产品服务系统iPSS是指制造服务提供商通过将无形的生产服务能力与有形的工业产品（如加工装备、**等结合起来为企业用户所提供的长期或短期生产合作服务。站在服务型制造车间运行者的角度看，车间内部接受来自不同的高端特种稀有装备服务商以及**、夹具等服务商构成的多iPSS服务机制，以购买加工服务能力的方式替代购买装备，能在最大限度节约固定资产投入的前提下有效地提升该服务型制造车间的核心制造能力和核心业务水准，实现生产性服务的增值，这也是当前服务型制造车间从非核心业务承包服务走向高端化和核心业务承包服务的新途径。
6）以公共外库方式所提供的原材料半成品成品库存作为系统在制品库存服务功能提升和服务增值的新机制。在传统制造车间中，原材料半成品成品的库存控制与管理依赖于车间自身，耗费大量的人力、物力和财力。将工业产品服务系统iPSS的理念引入到在制品库存中就形成了公共外库服务方式，它可用来实现围绕以区域聚集（如工业园区）为特点的跨企业多服务型车间的低成本在制品物流服务，并从产业服务链的高度实现零部件在制品的统一控制与管理，具有效率高和成本低等优点。因此，在服务型制造车间中引入公共外库服务方式可提升车间在制品库存的功能，实现制造物流的服务增值。
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