作者：劉彤輝（1980-），男，遼寧人，本科，現就職于北京和利時(shí)智能技術(shù)有限公司，主要研究方向為智能制造、平臺開(kāi)發(fā)、云原生應用。

摘要：圍繞食品醫藥行業(yè)的工業(yè)自動(dòng)化、信息化、智能化現狀，結合當前面向開(kāi)源、云原生的技術(shù)背景。討論具有食品、醫藥行業(yè)特點(diǎn)的MES系統的基礎框架如何設計與實(shí)現。通過(guò)了解制造強國戰略與食品醫藥生產(chǎn)的合法合規要求，結合MES系統的特點(diǎn)，討論食品醫藥行業(yè)MES基礎框架的實(shí)現目標、包含的功能范圍、設計原理和實(shí)現方法。討論從技術(shù)角度對模型驅動(dòng)、前后端分離、流程編排、云原生部署方面進(jìn)行了設計實(shí)踐。最終目標是能設計實(shí)現可用的基礎框架，為開(kāi)發(fā)食品醫藥行業(yè)行的MES系統實(shí)現快速實(shí)施、靈活擴展的產(chǎn)品研發(fā)目標。

關(guān)鍵詞：基礎框架；模型驅動(dòng)；流程編排；云原生

Abstract: In this paper, focusing on the status quo of industrial automation, informatization, and intelligence in the food and pharmaceutical industry, combined with the current open source, cloud-native technology background, we discuss how to design and implement the basic framework of the MES system with the characteristics of the food and pharmaceutical industries. By understanding the "Made in China 2025" strategy and the legal compliance requirements of food and pharmaceutical production, combined with the characteristics of the MES system, we discuss the realization goals, scope of functions, design principles and realization methods of the basic framework of MES in the pharmaceutical and medicine industry. We also discuss the design practice of modeldriven, front-end separation, process orchestration, and cloud native deployment from a technical perspective. Our goal is to design and implement a usable basic framework to achieve rapid implementation and flexible expansion of product development goals for the development of MES systems in the food and pharmaceutical industry.

Key words: Basic framework; Model-driven; Process orchestration; Cloud native

隨著(zhù)國家對食品制藥行業(yè)的強制性規范，將會(huì )加速MES系統在食品制藥行業(yè)中的普及。由于食品制藥行業(yè)MES系統的特殊性，相對其他行業(yè)MES系統食藥MES更需要通過(guò)收集和合并來(lái)自各種生產(chǎn)系統的信息，面向生產(chǎn)車(chē)間作業(yè)執行層，在充分滿(mǎn)足制藥GMP規范化管理的基礎上，實(shí)現對工藝配方管理、生產(chǎn)指令下發(fā)和執行、物料流轉、設備狀況的實(shí)時(shí)跟蹤等，來(lái)達到生產(chǎn)過(guò)程可追溯、質(zhì)量可監控以及車(chē)間管控流程的可視化管理目標。保證制藥生產(chǎn)過(guò)程的數據完整性、可靠性。

相對在系統基礎框架設計上也需要在滿(mǎn)足制藥GMP規范化上做出區別于傳統MES系統的設計考慮。其中重點(diǎn)目標以可溯合規為基礎，在易用性、通用性、高可擴展、可客制化等方向進(jìn)行設計與應用。

1　基礎框架

1.1　研發(fā)方向

作為基礎框架的產(chǎn)品設計，研發(fā)在平臺化、工具化、業(yè)務(wù)化的多個(gè)方向上尋找共性，基礎框架與核心組件是核心基礎。

圖1 研發(fā)方向

基礎框架在產(chǎn)品發(fā)展的初期階段，可以說(shuō)每個(gè)產(chǎn)品發(fā)展方向中都有最基本的運行框架。對于是面向為生產(chǎn)企業(yè)提供生產(chǎn)管理應用軟件的服務(wù)商，基礎框架具有鮮明的企業(yè)應用軟件的業(yè)務(wù)屬性?；A框架包含：生產(chǎn)指導、工廠(chǎng)模型、制程模型、流程建模、業(yè)務(wù)建模、班組&班次&排班、條碼&標簽&外設等業(yè)務(wù)基礎功能組成。

圖2 為生產(chǎn)企業(yè)提供生產(chǎn)管理應用軟件的核心組件建設方向

相對的產(chǎn)品核心組件更貼近于技術(shù)研發(fā)，組件研發(fā)的技術(shù)能力也是產(chǎn)品核心競爭力的體現。業(yè)務(wù)熟練程度是公司能力的外顯、核心組件的技術(shù)能力是公司實(shí)力與競爭力的內在。如圖2所示，為生產(chǎn)企業(yè)提供生產(chǎn)管理應用軟件的核心組件建設方向包括：流程編排、業(yè)務(wù)建模、后端服務(wù)、前端服務(wù)、集成接入。無(wú)論是平臺化、工具化還是業(yè)務(wù)化方向的核心組件，對于有用、可用、易用是核心組件的差異化競爭的目標。

1.2　設計原則

基礎框架是一個(gè)產(chǎn)品中的核心組成部分。在設計原則上遵循正在開(kāi)發(fā)和已經(jīng)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品是否可被管理為原則?？赏ㄟ^(guò)對比產(chǎn)品與管理合作、產(chǎn)品與平臺運營(yíng)、產(chǎn)品與開(kāi)發(fā)者、產(chǎn)品與用戶(hù)的關(guān)系中得出。

圖3 設計原則

（1）管理與合作

從管理上通過(guò)公司的規劃管理、標準規范的制定、協(xié)同各產(chǎn)品線(xiàn)產(chǎn)品間的可復用可合作關(guān)系。從技術(shù)工具上提供個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)的開(kāi)發(fā)組、開(kāi)發(fā)者、管理者以簡(jiǎn)單有效的支撐。實(shí)現管理減負、溝通高效。

（2）平臺運營(yíng)

推動(dòng)各產(chǎn)品線(xiàn)產(chǎn)品真正運行在云平臺之上，為平臺的成熟發(fā)展提供事實(shí)上的檢驗標準。借助云平臺的整合能力，實(shí)現產(chǎn)品之間的有效界面切分，總結可復用工具。

（3）開(kāi)發(fā)者

對于開(kāi)發(fā)人員需要了解公司產(chǎn)品線(xiàn)的整體規劃來(lái)提升每個(gè)開(kāi)發(fā)組內負責產(chǎn)品的認同和理解。通過(guò)云原生技術(shù)的學(xué)習和理解，促進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法和過(guò)程趨同于同一種開(kāi)發(fā)模式。

（4）應用用戶(hù)

公司產(chǎn)品賦能業(yè)務(wù)部門(mén)服務(wù)于企業(yè)用戶(hù)，明確公司產(chǎn)品的用戶(hù)是業(yè)務(wù)部門(mén)或集成商。

推動(dòng)方向：

• 用戶(hù)需求和產(chǎn)品目標匹配；

• 鼓勵用戶(hù)使用產(chǎn)品。

1.3　功能范圍

MES系統需要實(shí)現企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的可視化，生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯，對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行管控，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品品質(zhì)，降低成本，提高客戶(hù)的滿(mǎn)意度。如圖4所示，食品醫藥行業(yè)MES系統主要包括生產(chǎn)管理、倉儲管理、質(zhì)量管理、設備管理等核心業(yè)務(wù)模塊；同時(shí)有別于其他傳統MES，食品醫藥行業(yè)MES更重視生產(chǎn)指導、電子簽名、審計追溯、條碼管理、標簽管理功能；從基礎框架通用應用設計上還包括：系統管理、數據管理、流程控制、訪(fǎng)問(wèn)控制、工廠(chǎng)模型、制程模型、集成擴展等。

圖4 食品醫藥行業(yè)MES系統

功能范圍按基礎框架和醫藥應用兩大方向進(jìn)行劃分，分別包括：

（1）基礎框架

• 系統管理：產(chǎn)品必備功能，包括登錄、主頁(yè)、菜單、用戶(hù)、角色、部門(mén)、人員、系統字典、運行參數配置等；

• 數據管理：提供數據存儲及使用支撐。對管理數據、工廠(chǎng)建模、業(yè)務(wù)建模等數據進(jìn)行管理，并以統一的標準接口，實(shí)現與上層信息系統的數據交互；

• 流程控制：流程是產(chǎn)品生產(chǎn)的過(guò)程，流程可編排可組態(tài)是基礎框架的重點(diǎn)，根據物料配方和生產(chǎn)工藝的要求，通過(guò)流程組態(tài)適配不同產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程管控；

• 訪(fǎng)問(wèn)控制：功能安全和數據安全通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)控制功能進(jìn)行約束。功能包括準入管理、鑒權管理、認證管理等組成；

• 生產(chǎn)指導：將工業(yè)數據進(jìn)行預處理與分析，輔助生產(chǎn)管理的決策；

• 電子簽名：用于身份認證，包含密碼式、卡式兩種方式。常用于操作的確認、問(wèn)題的確認、偏差及批記錄的復核；

• 審計追溯：查詢(xún)和打印各類(lèi)業(yè)務(wù)的審計追溯信息。提供從初始值到當前值的完整追溯，以及業(yè)務(wù)操作的操作人、所在工作中心、工作站、簽名信息等；

• 工廠(chǎng)模型：以ISA-95標準為參考對工廠(chǎng)進(jìn)行信息化建模，建模對象包括：企業(yè)、廠(chǎng)區、區域、工作中心、位置、資源等；

• 制程模型：對產(chǎn)品生產(chǎn)的制作過(guò)程進(jìn)行建模，建模對象包括：產(chǎn)品、配方、生產(chǎn)工作流、工序步驟、操作指導，為產(chǎn)品生產(chǎn)的操作執行準備；

• 標簽管理：用來(lái)管理生產(chǎn)過(guò)程中需要的標簽模板。標簽模板的設計借助第三方工具完成，設計完成的模板可以在系統中管理；

• 接口管理：設定采集設備數據的接口，通過(guò)OPC UA協(xié)議，與OPC Server通訊，將設備的關(guān)鍵參數/點(diǎn)位值，綁定到設備屬性上，為設備數據的自動(dòng)采集提供通道；外系統集成：集成包括功能集成和數據集成兩個(gè)方面，功能集成可以通過(guò)添加外系統菜單進(jìn)行鏈接集成。數據集成系統開(kāi)放標準API接口，實(shí)現外系統互聯(lián)。

（2）食藥應用

• 物料管理：用于原材料、包材、半成品、成品的管理，設定物料的基礎信息，包括與庫存、批次、稱(chēng)量、危險防范相關(guān)的信息設定。使用該模塊可以進(jìn)行物料的查看、物料的維護、狀態(tài)的管理、取樣規則的配置等功能；

• 配方管理：對物料合法性驗證的核心標準，分為研發(fā)/測試、生產(chǎn)/臨床兩種類(lèi)型。功能包括配方的創(chuàng )建、配方組分的維護、批準、驗證、發(fā)布、修訂、失效等功能；

• 工單管理： 工單是產(chǎn)品生產(chǎn)的任務(wù)單、生產(chǎn)指令單，是生產(chǎn)管理的主要維度。工單管理是對生產(chǎn)任務(wù)的管理，包括工單的開(kāi)立、編輯、發(fā)布、完成、關(guān)閉，以及附加工單的開(kāi)立、管理等；

• 稱(chēng)量管理：產(chǎn)品生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序。使用已校驗的衡器、選定的稱(chēng)量模式、對工單組分中可稱(chēng)量的物料進(jìn)行稱(chēng)量。稱(chēng)量中會(huì )按照物料批次，進(jìn)行物料效價(jià)折算，并驗證物料是否可用、稱(chēng)量值是否滿(mǎn)足公差要求，以及其他稱(chēng)量校驗。稱(chēng)量會(huì )扣除物料庫存；

• 工藝管理：管理產(chǎn)品生產(chǎn)所需的工藝路線(xiàn)，包括工藝路線(xiàn)的添加、編輯、刪除、批準、發(fā)布、升級等功能。通過(guò)工藝用來(lái)控制生產(chǎn)的工序流程，及各工序的任務(wù)?？上薅ㄖ匾ば虻纳a(chǎn)地點(diǎn)和物料，再結合處方來(lái)進(jìn)行精細的生產(chǎn)控制；

• 倉儲管理：用來(lái)對車(chē)間庫進(jìn)行管理。包括來(lái)料的接收、成品、半成品的入庫等；

• 質(zhì)量管理：主要用來(lái)進(jìn)行批次質(zhì)檢結果的維護，以及對偏差的處理；

• 設備管理：對生產(chǎn)過(guò)程中用到的設備進(jìn)行管理，主要關(guān)注與生產(chǎn)相關(guān)的設備動(dòng)態(tài)屬性。

2　技術(shù)研究

2.1　模型驅動(dòng)

模型驅動(dòng)在不同的領(lǐng)域，有不同的含義。模型是對“事物”的一種抽象和表達，在MES領(lǐng)域把模型繼續細分可為兩個(gè)方面：數據模型與業(yè)務(wù)模型。數據模型一般多指在設計和建立數據庫時(shí)，用于提供數據結構表示和數據訪(fǎng)問(wèn)的形式構架。業(yè)務(wù)模型主要解決MES包含的各個(gè)業(yè)務(wù)模塊的功能問(wèn)題以及描述生產(chǎn)流程的形式。從編程技術(shù)模型驅動(dòng)在基礎框架設計與開(kāi)發(fā)中如何體現，如圖5 所示。

圖5 業(yè)務(wù)模型

面向生產(chǎn)企業(yè)的行業(yè)軟件開(kāi)發(fā)模式分為三個(gè)優(yōu)先：

（1）數據優(yōu)先

數據優(yōu)先，在系統設計與開(kāi)發(fā)過(guò)程第一步進(jìn)行數據庫設計，通過(guò)數據庫的表結構描述來(lái)完成數據建模過(guò)程；第二步結合業(yè)務(wù)分析對數據庫表進(jìn)行數據操作完成邏輯組裝；第三步進(jìn)行編碼實(shí)現。數據優(yōu)先面向數據庫設計、編程是最常用的面向企業(yè)業(yè)務(wù)系統開(kāi)發(fā)手段。而面向企業(yè)業(yè)務(wù)系統設計開(kāi)發(fā)的一個(gè)特點(diǎn)是，業(yè)務(wù)總會(huì )適應用戶(hù)需求而改變，變就意味數據模型的改變，就會(huì )牽涉到業(yè)務(wù)組裝和代碼實(shí)現的改變。影響路徑長(cháng)、工作量大。

（2）模型優(yōu)先

模型優(yōu)先第一步是根據業(yè)務(wù)需求進(jìn)行模型構建，在業(yè)務(wù)模型構建完成后往往會(huì )自動(dòng)生成數據模型完成第二步的自動(dòng)化。第三步進(jìn)行代碼實(shí)現。同樣面對業(yè)務(wù)需求變化，第一步變更的是業(yè)務(wù)建模，數據模型會(huì )自動(dòng)維護。這樣適應了面向企業(yè)業(yè)務(wù)系統開(kāi)發(fā)的業(yè)務(wù)變化，可以快速響應。

（3）代碼優(yōu)先

從圖5中可以看出，代碼優(yōu)先是通過(guò)直接編寫(xiě)代碼來(lái)實(shí)現業(yè)務(wù)邏輯的過(guò)程。業(yè)務(wù)系統歸到底最后是由代碼來(lái)實(shí)現的。代碼優(yōu)先是程序員友好的開(kāi)發(fā)模式。優(yōu)點(diǎn)是當業(yè)務(wù)發(fā)生變化時(shí)直接修改代碼。缺點(diǎn)是代碼優(yōu)先的開(kāi)發(fā)模式要求整個(gè)團隊對需求管理、系統基礎框架、編碼規范需要有一定核心輸出能力才能很好的掌控。

2.2　前后分離

前后端分離已經(jīng)成為業(yè)界互聯(lián)網(wǎng)項目開(kāi)發(fā)的標準選項，在MES企業(yè)業(yè)務(wù)軟件開(kāi)發(fā)中也同樣發(fā)揮著(zhù)重要作用。

前后端分離（解耦）的核心思想是：前端html頁(yè)面通過(guò)Ajax調用后端的RestFul API并使用Json數據進(jìn)行交互。架構上通過(guò)Ngnix+Node.js等有效地進(jìn)行解耦。前后端分離會(huì )為以后的大型分布式架構、彈性計算架構、微服務(wù)架構、多端化服務(wù)、多種客戶(hù)端（瀏覽器，安卓、iOS等）打下堅實(shí)的基礎。

前后端分離的關(guān)鍵任務(wù)是如何建立前后端分離機制，前后端分離后通過(guò)什么樣共同語(yǔ)言完成可交互。技術(shù)上以基于Http協(xié)議的RestFul為主，同時(shí)新興的GraphQL協(xié)議占有重要位置，技術(shù)上稱(chēng)GraphQL為RestFul2.0，也是技術(shù)上前后端協(xié)同的未來(lái)方向。此外，開(kāi)發(fā)管理上如何實(shí)現前后端分離，這方面和模型驅動(dòng)結合更能發(fā)揮其管理上通達全局的作用。

典型的MES業(yè)務(wù)應用系統開(kāi)發(fā)一定會(huì )經(jīng)歷幾個(gè)階段，需求、設計、開(kāi)發(fā)、測試、發(fā)布。結合前后端分離和模型驅動(dòng)來(lái)實(shí)現產(chǎn)品如圖6所示。

圖6 典型的MES業(yè)務(wù)應用系統開(kāi)發(fā)

業(yè)務(wù)需求來(lái)自多個(gè)方面，用戶(hù)調用、市場(chǎng)分析、工程反饋等。

業(yè)務(wù)設計是根據業(yè)務(wù)需求進(jìn)一步細化成可實(shí)施可編碼的過(guò)程。

業(yè)務(wù)建?？梢宰鳛闃I(yè)務(wù)設計的輸出成果，如果業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)設計是文檔描述，業(yè)務(wù)建模是需要工具化輔助的業(yè)務(wù)建模結果。

前端開(kāi)發(fā)、后端開(kāi)發(fā)、編碼實(shí)現、數據模型都圍繞業(yè)務(wù)建模結果來(lái)構建并完成各自領(lǐng)域的任務(wù)。業(yè)務(wù)建模結果就是各自的共同交流語(yǔ)言，方向驅動(dòng)的標準。以業(yè)務(wù)建模為中心后端實(shí)現數據模型并提供服務(wù)，前端通過(guò)變化或工具輔助實(shí)現功能交互界面。

集成及測試也同樣可以參考業(yè)務(wù)建模結果進(jìn)行梳理自身的任務(wù)項。

測試復核出口標準后發(fā)布產(chǎn)品為用戶(hù)所用。

2.3　流程編排

食藥MES管理系統的主線(xiàn)是以處方為核心，通過(guò)工單發(fā)布、生產(chǎn)指導、生產(chǎn)記錄來(lái)完成生產(chǎn)任務(wù)的過(guò)程。生產(chǎn)過(guò)程在流程編排上解決問(wèn)題包含：

（1）處方物料合法性驗證，用處方作為基礎標準來(lái)驗證物料使用及流轉是否正確合理；

（2）通過(guò)流程工藝編排來(lái)控制生產(chǎn)的工序流轉，控制工序的生產(chǎn)地點(diǎn)和物料，再結合處方來(lái)進(jìn)行精細的生產(chǎn)控制；

（3）生產(chǎn)成品后提供從原材料進(jìn)入生產(chǎn)車(chē)間到成品入庫的全過(guò)程物料追溯信息；包括的物料接收、存儲、使用、產(chǎn)品的產(chǎn)出、包裝等生產(chǎn)信息；如實(shí)記錄產(chǎn)品生產(chǎn)的完整過(guò)程信息。

圖7 生產(chǎn)指導功能

生產(chǎn)指導功能從技術(shù)研究上工藝流程可編排是關(guān)鍵點(diǎn)。如圖7所示生產(chǎn)指導在技術(shù)上實(shí)現工藝流程可組態(tài)、流程過(guò)程可控制?？删幣诺牧鞒坦濣c(diǎn)實(shí)例包括：稱(chēng)量、配置、轉移、集中、釋放、灌裝、配料、移動(dòng)、腳本等，同時(shí)在已有的工藝實(shí)例還不能滿(mǎn)足編排需求，需要提供自定義工藝實(shí)例的能力。

3　部署應用

伴隨制造強國的推進(jìn)步伐，企業(yè)上云成為企業(yè)集成發(fā)展的趨勢，國內外很多企業(yè)相繼投入了云的懷抱。作為食藥行業(yè)MES系統軟件基礎框架設計，能夠支持云化部署運行已經(jīng)是不可缺少的必要能力。同時(shí)作為生產(chǎn)管理軟件上云的同時(shí)也能在邊緣側運行是區別于互聯(lián)網(wǎng)軟件的重要特點(diǎn)。從應用部署上既能上云也能獨立部署是架構設計關(guān)鍵點(diǎn)。

圖8 容器編排技術(shù)

隨著(zhù)容器技術(shù)的出現，徹底改變了應用的部署和運行方式。不論是在本地邊緣側或是云端都可以用統一的容器化方式進(jìn)行管理運行。同時(shí)在云端生產(chǎn)環(huán)境中成功部署和操作容器的關(guān)鍵是容器編排技術(shù)，市場(chǎng)上有各種各樣的容器編排工具，其中谷歌公司開(kāi)發(fā)的Kubernetes得到開(kāi)源社群的全力支援，成為容器編排事實(shí)上的標準。

參考文獻：

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摘自《自動(dòng)化博覽》2020年11月刊