MANDATE標(biāo)準(zhǔn)探析

朱 亮 孟 飚

（1.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028；2.沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽110136）

ISO15531 Industrial automation systems and integration- Industrial manufacturing management data（工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成 工業(yè)制造管理數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱MANDATE）系列標(biāo)準(zhǔn)主要面向制造管理領(lǐng)域，具體針對(duì)工廠內(nèi)、外部合作者之間的數(shù)據(jù)交換與共享，制造過程中的資源管理，以及工藝階段之間的制造流程管理等3個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。它與ISO 13584 《工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成零件庫（P–LIB）》、ISO 14959 《工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成參數(shù)化》、ISO 10303 《工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)與交換（STEP）》系列標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成了ISO TC184/SC4以在全生命過程中描述產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)為目的而制定的有關(guān)制造業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)技術(shù)和管理數(shù)據(jù)方面的4大系列標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前，國內(nèi)飛機(jī)制造業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)域相關(guān)的ISO 13584、ISO 14959和ISO 10303標(biāo)準(zhǔn)均投入了很大的熱情進(jìn)行研究，也投入了大量的精力實(shí)現(xiàn)其標(biāo)準(zhǔn)的貫徹和應(yīng)用，為了使符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)域信息更好的向制造域延伸，因此有必要對(duì)制造域相關(guān)的MANDATE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究和分析，使其成為提升我國航空制造領(lǐng)域信息化水平的又一助力。

1 整體情況

MANDATE（MANufacturingDATa Exchange）標(biāo)準(zhǔn)于1992年開始，由ISO TC184/SC4的JWG8工作組組織編制工作，受到國際和工業(yè)界的強(qiáng)大支持，共分為3個(gè)項(xiàng)目，其項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)人分別來自美國和德國。MANDATE標(biāo)準(zhǔn)具體包含以下幾個(gè)部分：

第1部分：綜述；

第21部分：外部交換的生產(chǎn)數(shù)據(jù)：綜述（待編制）；

第22部分：外部交換的生產(chǎn)數(shù)據(jù)：生產(chǎn)數(shù)據(jù)外部交換概念模型（待編制）；

第23部分：外部交換的生產(chǎn)數(shù)據(jù)：“元語義元素”定義、描述和驗(yàn)證（待編制）；

第31部分：資源信息模型；

第32部分：資源應(yīng)用：資源應(yīng)用管理數(shù)據(jù)概念模型；

第41部分：制造流程管理數(shù)據(jù)：綜述（待編制）；

第42部分：時(shí)間模型；

第43部分：制造流程管理數(shù)據(jù)：流程監(jiān)控與制造數(shù)據(jù)交換；

第44部分：車間級(jí)數(shù)據(jù)采集的信息建模。

一般認(rèn)為，制造就是將原料或半成品等物料不斷地從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)直到最終成為產(chǎn)品的過程[2]。一個(gè)制造管理系統(tǒng)必須管理物料流和產(chǎn)品流在從供應(yīng)、制造、裝配與集成到最終到達(dá)分銷商和消費(fèi)者的整個(gè)生產(chǎn)鏈條上的流動(dòng)。

因此，MANDATE標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為制造管理系統(tǒng)管理著整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的原材料和產(chǎn)品流程，從供應(yīng)商，通過制造商、集成商，再到分銷商。圍繞這一過程MANDATE標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范3類數(shù)據(jù)：

與外部交換相關(guān)的信息，比如主生產(chǎn)商與供應(yīng)商交換的信息；

與制造過程中使用的資源管理相關(guān)的信息；

與制造流程管理相關(guān)的信息。

其目的是對(duì)上述3種數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)模型，以利于大量標(biāo)準(zhǔn)化使能工具來實(shí)現(xiàn)這3類數(shù)據(jù)相關(guān)的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)之間的集成。

2 定位與范圍

MANDATE標(biāo)準(zhǔn)主要適用于與離散制造業(yè)活動(dòng)，當(dāng)然并不局限于此。從工業(yè)領(lǐng)域來看，MANDATE標(biāo)準(zhǔn)屬于企業(yè)模型類標(biāo)準(zhǔn)，從集成的層次來看，其屬于業(yè)務(wù)集成層次，該標(biāo)準(zhǔn)總體上處于一個(gè)支持多系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的地位上，它所提供的概念和模型位于企業(yè)工程框架的底層。

MANDATE標(biāo)準(zhǔn)將符合STEP標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品模型和P-LIB標(biāo)準(zhǔn)零部件模型的數(shù)據(jù)應(yīng)用到制造流程中的數(shù)據(jù)交換活動(dòng)，將工程領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)引入到了制造領(lǐng)域，提供了全局過程中的數(shù)據(jù)一致性和處理方式一致性，為制造域的各類企業(yè)應(yīng)用提供了集成平臺(tái)，是標(biāo)準(zhǔn)化工作在制造域的延伸和發(fā)展，如圖1所示。

圖1 MANDATE標(biāo)準(zhǔn)的定位

從制造和管理的角度，MANDATE標(biāo)準(zhǔn)與ISO 10314《工業(yè)自動(dòng)化》和ISA 95《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》密切相關(guān)，ISO 10314提供了工廠生產(chǎn)的參考模型，ISA 95提供了生產(chǎn)管理和控制參考模型，提供了企業(yè)與控制活動(dòng)之間的接口，而MANDATE標(biāo)準(zhǔn)提供的是這些活動(dòng)中產(chǎn)生的必要的數(shù)據(jù)交換模型和框架以及如何使用資源的規(guī)范，其框架涵蓋了從設(shè)備層直到企業(yè)層的有關(guān)數(shù)據(jù)、信息和資源管理與控制的各個(gè)層次，如圖2所示。

3 技術(shù)思路

往往在建立一個(gè)協(xié)同制造環(huán)境時(shí)要考慮語義、結(jié)構(gòu)和句法3個(gè)方面的問題。在企業(yè)系統(tǒng)中信息在全局信息環(huán)境下流動(dòng)的最大瓶頸是缺乏語法的互用性，新的信息系統(tǒng)往往使用不同的概念，語言和建模技術(shù)來描述他們的業(yè)務(wù)模型。而MANDATE標(biāo)準(zhǔn)正是針對(duì)這類問題而產(chǎn)生的。

圖2 MANDATE標(biāo)準(zhǔn)覆蓋的范圍

MANDATE標(biāo)準(zhǔn)旨在填補(bǔ)其它不同類型標(biāo)準(zhǔn)所關(guān)注的范圍之外的間隙部分，使符合不同標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用能夠基于統(tǒng)一的模型接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不必進(jìn)行專門的翻譯就可相互理解對(duì)方的業(yè)務(wù)邏輯。MANDATE標(biāo)準(zhǔn)描述處理產(chǎn)品制造的操作時(shí)引用了ISO 10303 STEP的產(chǎn)品模型和ISO 13584 P-LIB零部件模型。這些不同標(biāo)準(zhǔn)之間的聯(lián)系在MANDATE的流程監(jiān)控模型中清晰的顯示出來，圖3為“制造流程管理數(shù)據(jù)的模式[3]”，這個(gè)模式也表示了MANDATE標(biāo)準(zhǔn)與其他一些標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系，可以很容易的看出MANDATE標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)思路以及在生產(chǎn)周期中的數(shù)據(jù)交換、產(chǎn)品組成、所需的資源、時(shí)間關(guān)系與流程等建模思想。

一方面，MANDATE對(duì)制造過程中資源使用以及合作者之間信息共享與交換意義非常重大。其主要意義在于使已經(jīng)應(yīng)用于制造過程中的STEP等標(biāo)準(zhǔn)在流程中能被正確的使用及控制，同時(shí)對(duì)欠缺的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換進(jìn)行規(guī)范，提供對(duì)資源使用和與時(shí)間相關(guān)的流程控制。

另一方面，為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)模式，在制造過程中保持一致的表示方式和處理方式，減少交互成本，MANDATE將已經(jīng)存在的各類系統(tǒng)產(chǎn)生的制造數(shù)據(jù)和相關(guān)資源用流程消耗時(shí)間和相關(guān)時(shí)間節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來，以PSL標(biāo)準(zhǔn)的形式組織在一起，完成制造流程內(nèi)資源使用和數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于應(yīng)用于已有協(xié)同環(huán)境的新系統(tǒng)來說，MANDATE的概念和業(yè)務(wù)過程模型標(biāo)準(zhǔn)就正好可以為其數(shù)據(jù)交換帶來即插即用的功效。

綜上，MANDATE標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)思路是：

通過規(guī)范資源語義，定義資源使用模型；

在制造過程數(shù)據(jù)交換中以及在與外部數(shù)據(jù)交換中維護(hù)已有標(biāo)準(zhǔn)的完整性；

圖3 MANDATE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)思路

提供與時(shí)間相關(guān)的動(dòng)態(tài)的制造過程集成的可能性。

4 核心內(nèi)容和應(yīng)用建議

在MANDATE標(biāo)準(zhǔn)中，貫徹和實(shí)現(xiàn)其整體技術(shù)思路的核心內(nèi)容主要包括以下兩個(gè)模型，模塊化的資源信息模型，與時(shí)間相關(guān)的流程控制與制造數(shù)據(jù)交換概念模型。這兩個(gè)模型被該標(biāo)準(zhǔn)的各部分多次引用。

這兩個(gè)模型對(duì)于解決我國飛機(jī)制造過程中的各類制造應(yīng)用系統(tǒng)的信息集成問題提供了非常有價(jià)值的思路和方法，基本上可以最大程度地化解制造信息系統(tǒng)之間的信息孤島問題。

4.1 模塊化的資源信息模型

MANDATE標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，從規(guī)模上，大到工廠、工作胞，小到設(shè)備、工具，從類型上，不僅工廠、機(jī)床、物料、刀、夾、量具，甚至人員（也可視為工作胞的一部分[4]）、數(shù)據(jù)信息都可以視為資源，并且這些資源都應(yīng)該在一個(gè)統(tǒng)一的模型框架下進(jìn)行描述。因此，提供了一種通用性良好的模塊化的資源信息模型。

首先，在模型內(nèi)實(shí)體資源是中心元素（資源），每一個(gè)分類的進(jìn)一步描述或資源特性的詳情都與該中心元素（資源）關(guān)聯(lián)。這些詳細(xì)信息主要集成到以下幾個(gè)邏輯單元（模塊）中：

資源特性結(jié)構(gòu)：包括資源管理、資源構(gòu)造、資源性能、資源能力和特性組子模塊；

資源特性定義：包括定性值、定量值和值的表示；

資源層級(jí)：包括資源組、通用資源、特殊資源和個(gè)體資源子模塊；

資源配置；

資源視圖定義：包括用戶定義視圖和事物特性表子模塊；

資源狀態(tài)。

其中，“資源特性結(jié)構(gòu)”分類表達(dá)資源各種特性，并用“特性組”組合表達(dá)具體資源的所有特性；“資源特性定義”主要對(duì)資源的特性值進(jìn)行表達(dá)；“資源結(jié)構(gòu)”采用遞歸的方式使“資源組”可表達(dá)多重的、分等級(jí)的資源層次，即能夠按不同的粒度定義資源，例如工作胞可以定義為資源，工作胞里的人員、設(shè)備都可以定義為資源；各種不同粒度的資源再通過“資源配置”動(dòng)態(tài)靈活地進(jìn)行配置和組合[5]；“資源定義視圖”則可用表格方式或用戶自定義的視圖來顯示資源特性；“資源狀態(tài)”與時(shí)間相關(guān)，表達(dá)具體資源在某一時(shí)刻或時(shí)間段的狀態(tài)信息。

依此，飛機(jī)制造企業(yè)可以建立一個(gè)制造信息系統(tǒng)共用的集成平臺(tái)，依據(jù)該模型將源系統(tǒng)的資源信息翻譯轉(zhuǎn)化成符合MANDATE標(biāo)準(zhǔn)的資源信息，從而能夠被目標(biāo)系統(tǒng)以及連接該集成平臺(tái)的其他信息系統(tǒng)所理解。采用該集成模式，可以最大程度的保留企業(yè)已有的各類制造信息系統(tǒng)，打通各系統(tǒng)之間的信息通道，從而促進(jìn)整個(gè)飛機(jī)制造過程中信息化總體效果的最大化。

4.2 流程控制與制造數(shù)據(jù)交換概念模型[6]

在資源信息模型中，“資源狀態(tài)”用于表達(dá)資源的動(dòng)態(tài)信息，其底層則是通過將“個(gè)體資源”與時(shí)間相關(guān)聯(lián)來獲取某一時(shí)間點(diǎn)上資源在流程中的動(dòng)作信息來傳遞給“資源狀態(tài)”。因此，資源的相關(guān)動(dòng)態(tài)信息實(shí)際上是基于流程進(jìn)行建模的，MANDATE標(biāo)準(zhǔn)將生產(chǎn)流程簡(jiǎn)化為圖4所示的概念模型。

圖4 流程與過程控制概念模型

如圖4a所示，該模型認(rèn)為所有的加工生產(chǎn)流程都由多個(gè)制造（加工）過程和轉(zhuǎn)移過程（指物料加工位置變化）串行而成，流程的并行分支則由分支過程觸發(fā)和關(guān)聯(lián)，所有的過程節(jié)點(diǎn)都可以理解為由圖4b表示的物理系統(tǒng)（加工設(shè)備等）和約束系統(tǒng)（信息管理控制系統(tǒng)）共同作用于物料和信息上的過程，這一過程會(huì)引起資源（包括物料和信息）狀態(tài)的變化，并且與時(shí)間密切相關(guān)。

基于此，在制造系統(tǒng)建模時(shí)可依據(jù)該模型的建模思想，構(gòu)建適用于飛機(jī)制造過程中計(jì)劃、調(diào)度、檢測(cè)與控制等制造流程的信息模型。使得流程和過程節(jié)點(diǎn)在整個(gè)飛機(jī)產(chǎn)品制造過程中保持一致的表示方式和處理方式，將飛機(jī)制造企業(yè)已經(jīng)存在的各類系統(tǒng)產(chǎn)生的制造數(shù)據(jù)和相關(guān)資源用流程消耗時(shí)間和相關(guān)時(shí)間節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)制造流程內(nèi)資源狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化。

5 小結(jié)

MANDATE標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)用于產(chǎn)品制造過程的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，作為工程域和制造域產(chǎn)品信息相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間的橋梁，提供一種獨(dú)立于任何特殊系統(tǒng)的描述工業(yè)制造管理數(shù)據(jù)的中性機(jī)制和信息交換模型，補(bǔ)充了產(chǎn)品在制造過程中的動(dòng)態(tài)信息的表達(dá)方法。

如果說STEP解決的是產(chǎn)品工程信息表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化，那么MANDATE則解決的是制造過程中資源及其使用信息表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化，以及資源在制造過程中動(dòng)態(tài)變化信息表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化。

應(yīng)用MANDATE標(biāo)準(zhǔn)可以較好的解決目前長期困擾我國航空制造業(yè)的設(shè)計(jì)向制造信息傳遞中數(shù)據(jù)的完整性問題、生產(chǎn)過程中資源數(shù)據(jù)表達(dá)和使用的一致性問題，以及與時(shí)間相關(guān)的生產(chǎn)過程中物料狀態(tài)的描述等問題，值得我們深入研究和轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

[1] ISO 15531-1 Industrial automation systems and integration – industrial manufacturing management data – part 1 :General overview [S].2004.

[2] 劉飛，陳曉慧，梁潔.制造系統(tǒng)的物流資源模型[J].中國機(jī)械工程，1997，（04）.

[3] J.J.Michel, A.F.Cutting-Decelle.Interoperability in manufacturing: the ISO approach[R].Wolfson School Research Seminar, University of Loughborough，2004.

[4] 孟飚，范玉青，林楠.模塊化精益生產(chǎn)組織改造評(píng)估與決策[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006,（07）.

[4] 劉明周，劉光復(fù).面向產(chǎn)品的3C數(shù)據(jù)管理集成模型研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)–CIMS，2003，9（10）：845-848.

[6] ISO 15531-43 Industrial automation systems and integration – industrial manufacturing management data – Part 43 –Manufacturing flow management data:Data model for fl ow monitoring and manufacturing data exchangs [S].2006.