中小企业MES系统详细设计

版本：V1.1
日期：2025年5月2日

一、设备协议兼容性设计

1.1 设备接入框架

1.1.1 协议适配方案

设备类型	适配方案	性能保障措施
新设备	原生OPC UA接入	QoS=1（至少一次送达）
老旧PLC	Modbus转OPC UA网关（部署在边缘节点）	数据补发窗口≥15分钟
传感器	MQTT直连+Topic分级管理	心跳包间隔≤30秒
定制设备	开发Lua解析脚本（支持热加载）	脚本沙箱隔离机制

1.1.2 断网续传实现

class EdgeBuffer:def __init__(self):self.cache = CircularBuffer(size=100MB)  # 环形缓冲区self.flush_threshold = 80%  # 触发上传阈值def handle_data(self, data):if network_status() == ONLINE:send_to_cloud(data)else:self.cache.write(data)if self.cache.usage > self.flush_threshold:compress_and_save_to_disk()  # 防止内存溢出

1.2 兼容性验证方案

测试用例设计

测试场景	预期结果	验证指标
同时接入OPC UA/Modbus设备	数据无混淆丢失	丢包率<0.1%
网关断电重启	自动续传最后断点数据	数据连续性100%
500设备突发高频上报	边缘节点CPU<70%	处理延迟≤2秒（P99）

测试工具链

协议模拟器：Prosys OPC Simulation Server（模拟OPC UA设备）
压力测试：JMeter + MQTT Load Generator（模拟10,000+设备连接）
异常注入：Chaos Mesh（网络中断/高延迟模拟）

二、核心服务详细设计

2.1 工单服务性能优化

2.1.1 工单状态机设计

2.1.2 高并发处理机制

// 基于Reactor的异步处理模型
public class WorkOrderService {@Autowiredprivate KafkaTemplate<String, String> kafkaTemplate;@Async("workOrderExecutor")public void processOrder(WorkOrder order) {// 1. 写入本地事务日志journalLogRepository.save(order.toJournal());// 2. 发布至Kafka异步处理kafkaTemplate.send("workorder_topic", order.serialize()).addCallback(this::handleSuccess, this::handleRetry);}
}

2.2 实时计算引擎

2.2.1 Flink数据处理流水线

2.2.2 窗口优化配置

# Flink作业配置
execution.checkpointing.interval: 10s
state.backend: rocksdb
table.exec.window.allow-retract: true# 窗口策略
oee_calculation:window_size: 5m  # 滚动窗口allowed_lateness: 1m  # 允许迟到数据parallelism: 8  # 并行度

2.3 性能基线验证方案

2.3.1 测试环境

组件	配置	网络条件
被测服务	4节点（8C16G）	万兆局域网
压力源	10台负载生成器（32C64G）	模拟车间网络抖动
监控工具	Prometheus+Grafana	采样间隔1秒

2.3.2 基准测试用例

场景	负载规模	通过标准
工单创建峰值	500工单/秒持续5分钟	平均响应<800ms P99<2s
实时数据吞吐	10万数据点/秒	处理延迟≤1.5s（端到端）
复杂查询响应	并发100个聚合查询	95%请求<3s

2.3.3 性能调优路径

数据库优化：
- TimescaleDB连续聚合物化视图
- PostgreSQL分区表（按时间范围）

缓存策略：

@Cacheable(value = "workOrderCache", key = "#orderId",cacheManager = "caffeineCacheManager")
public WorkOrder getOrder(String orderId) {// 查询数据库
}// Caffeine配置
caffeine.spec=maximumSize=10_000, expireAfterWrite=10m

JVM调优：
-XX:+UseG1GC
-Xms8g -Xmx8g
-XX:MaxGCPauseMillis=200

三、详细接口定义

3.1 设备控制接口

syntax = "proto3";message DeviceCommand {string device_id = 1;enum CommandType {START = 0;STOP = 1;PAUSE = 2;}CommandType cmd = 2;map<string, string> params = 3;  // 扩展参数
}service DeviceControlService {rpc ExecuteCommand(DeviceCommand) returns (CommandAck);
}

3.2 数据查询接口

type Query {workOrder(id: ID!): WorkOrderequipmentOEE(equipmentId: ID!, start: DateTime!, end: DateTime!): OEE
}type WorkOrder {id: ID!status: Status!progress: Float!qualityStats: QualityData!
}

四、实施计划

4.1 开发里程碑

阶段	周期	交付物	验证重点
协议适配层	6周	设备SDK+模拟测试平台	98%设备类型覆盖率
核心服务	8周	工单/质量/设备微服务	通过性能基线测试
前端应用	4周	车间看板+移动端APP	用户操作体验验收

4.2 测试策略

测试类型	工具/方法	覆盖率目标
协议兼容性	设备矩阵测试法	100%协议类型
性能测试	Locust+JMeter	满足SLA 120%
故障恢复	Chaos Engineering	核心服务RTO<5m

五、风险应对

风险等级	风险项	应急方案
高	OPC UA网关性能瓶颈	预置横向扩展方案（Docker集群化）
中	工单状态不一致	实现双向同步补偿事务
低	移动端离线支持不足	引入SQLite本地存储+冲突解决算法

下一步行动建议：