MANDATE標準探析

朱 亮 孟 飚

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

ISO15531 Industrial automation systems and integration- Industrial manufacturing management data（工業自動化系統與集成 工業制造管理數據，簡稱MANDATE）系列標準主要面向制造管理領域，具體針對工廠內、外部合作者之間的數據交換與共享，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個方面的內容進行標準化。它與ISO 13584 《工業自動化系統與集成零件庫（P–LIB）》、ISO 14959 《工業自動化系統與集成參數化》、ISO 10303 《工業自動化系統與集成產品數據表達與交換（STEP）》系列標準共同構成了ISO TC184/SC4以在全生命過程中描述產品技術數據為目的而制定的有關制造業產品和生產技術和管理數據方面的4大系列標準[1]。目前，國內飛機制造業對設計域相關的ISO 13584、ISO 14959和ISO 10303標準均投入了很大的熱情進行研究，也投入了大量的精力實現其標準的貫徹和應用，為了使符合ISO標準的設計域信息更好的向制造域延伸，因此有必要對制造域相關的MANDATE標準進行研究和分析，使其成為提升我國航空制造領域信息化水平的又一助力。

1 整體情況

MANDATE（MANufacturingDATa Exchange）標準于1992年開始，由ISO TC184/SC4的JWG8工作組組織編制工作，受到國際和工業界的強大支持，共分為3個項目，其項目領導人分別來自美國和德國。MANDATE標準具體包含以下幾個部分：

第1部分：綜述；

第21部分：外部交換的生產數據：綜述（待編制）；

第22部分：外部交換的生產數據：生產數據外部交換概念模型（待編制）；

第23部分：外部交換的生產數據：“元語義元素”定義、描述和驗證（待編制）；

第31部分：資源信息模型；

第32部分：資源應用：資源應用管理數據概念模型；

第41部分：制造流程管理數據：綜述（待編制）；

第42部分：時間模型；

第43部分：制造流程管理數據：流程監控與制造數據交換；

第44部分：車間級數據采集的信息建模。

一般認為，制造就是將原料或半成品等物料不斷地從一種狀態轉換為另一種狀態直到最終成為產品的過程[2]。一個制造管理系統必須管理物料流和產品流在從供應、制造、裝配與集成到最終到達分銷商和消費者的整個生產鏈條上的流動。

因此，MANDATE標準認為制造管理系統管理著整個生產環節的原材料和產品流程，從供應商，通過制造商、集成商，再到分銷商。圍繞這一過程MANDATE標準主要規范3類數據：

與外部交換相關的信息，比如主生產商與供應商交換的信息；

與制造過程中使用的資源管理相關的信息；

與制造流程管理相關的信息。

其目的是對上述3種數據提供數據模型，以利于大量標準化使能工具來實現這3類數據相關的工業應用系統之間的集成。

2 定位與范圍

MANDATE標準主要適用于與離散制造業活動，當然并不局限于此。從工業領域來看，MANDATE標準屬于企業模型類標準，從集成的層次來看，其屬于業務集成層次，該標準總體上處于一個支持多系統集成的基礎標準的地位上，它所提供的概念和模型位于企業工程框架的底層。

MANDATE標準將符合STEP標準產品模型和P-LIB標準零部件模型的數據應用到制造流程中的數據交換活動，將工程領域的標準引入到了制造領域，提供了全局過程中的數據一致性和處理方式一致性，為制造域的各類企業應用提供了集成平臺，是標準化工作在制造域的延伸和發展，如圖1所示。

圖1 MANDATE標準的定位

從制造和管理的角度，MANDATE標準與ISO 10314《工業自動化》和ISA 95《企業控制系統集成》密切相關，ISO 10314提供了工廠生產的參考模型，ISA 95提供了生產管理和控制參考模型，提供了企業與控制活動之間的接口，而MANDATE標準提供的是這些活動中產生的必要的數據交換模型和框架以及如何使用資源的規范，其框架涵蓋了從設備層直到企業層的有關數據、信息和資源管理與控制的各個層次，如圖2所示。

3 技術思路

往往在建立一個協同制造環境時要考慮語義、結構和句法3個方面的問題。在企業系統中信息在全局信息環境下流動的最大瓶頸是缺乏語法的互用性，新的信息系統往往使用不同的概念，語言和建模技術來描述他們的業務模型。而MANDATE標準正是針對這類問題而產生的。

圖2 MANDATE標準覆蓋的范圍

MANDATE標準旨在填補其它不同類型標準所關注的范圍之外的間隙部分，使符合不同標準的應用能夠基于統一的模型接口進行數據交換，而不必進行專門的翻譯就可相互理解對方的業務邏輯。MANDATE標準描述處理產品制造的操作時引用了ISO 10303 STEP的產品模型和ISO 13584 P-LIB零部件模型。這些不同標準之間的聯系在MANDATE的流程監控模型中清晰的顯示出來，圖3為“制造流程管理數據的模式[3]”，這個模式也表示了MANDATE標準與其他一些標準的聯系，可以很容易的看出MANDATE標準的技術思路以及在生產周期中的數據交換、產品組成、所需的資源、時間關系與流程等建模思想。

一方面，MANDATE對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應用于制造過程中的STEP等標準在流程中能被正確的使用及控制，同時對欠缺的動態數據交換進行規范，提供對資源使用和與時間相關的流程控制。

另一方面，為了統一數據模式，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將已經存在的各類系統產生的制造數據和相關資源用流程消耗時間和相關時間節點聯系起來，以PSL標準的形式組織在一起，完成制造流程內資源使用和數據交換的標準化。對于應用于已有協同環境的新系統來說，MANDATE的概念和業務過程模型標準就正好可以為其數據交換帶來即插即用的功效。

綜上，MANDATE標準的主要技術思路是：

通過規范資源語義，定義資源使用模型；

在制造過程數據交換中以及在與外部數據交換中維護已有標準的完整性；

圖3 MANDATE標準技術思路

提供與時間相關的動態的制造過程集成的可能性。

4 核心內容和應用建議

在MANDATE標準中，貫徹和實現其整體技術思路的核心內容主要包括以下兩個模型，模塊化的資源信息模型，與時間相關的流程控制與制造數據交換概念模型。這兩個模型被該標準的各部分多次引用。

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

4.1 模塊化的資源信息模型

MANDATE標準認為，從規模上，大到工廠、工作胞，小到設備、工具，從類型上，不僅工廠、機床、物料、刀、夾、量具，甚至人員（也可視為工作胞的一部分[4]）、數據信息都可以視為資源，并且這些資源都應該在一個統一的模型框架下進行描述。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，在模型內實體資源是中心元素（資源），每一個分類的進一步描述或資源特性的詳情都與該中心元素（資源）關聯。這些詳細信息主要集成到以下幾個邏輯單元（模塊）中：

資源特性結構：包括資源管理、資源構造、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：包括資源組、通用資源、特殊資源和個體資源子模塊；

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。

其中，“資源特性結構”分類表達資源各種特性，并用“特性組”組合表達具體資源的所有特性；“資源特性定義”主要對資源的特性值進行表達；“資源結構”采用遞歸的方式使“資源組”可表達多重的、分等級的資源層次，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”動態靈活地進行配置和組合[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”與時間相關，表達具體資源在某一時刻或時間段的狀態信息。

依此，飛機制造企業可以建立一個制造信息系統共用的集成平臺，依據該模型將源系統的資源信息翻譯轉化成符合MANDATE標準的資源信息，從而能夠被目標系統以及連接該集成平臺的其他信息系統所理解。采用該集成模式，可以最大程度的保留企業已有的各類制造信息系統，打通各系統之間的信息通道，從而促進整個飛機制造過程中信息化總體效果的最大化。

4.2 流程控制與制造數據交換概念模型[6]

在資源信息模型中，“資源狀態”用于表達資源的動態信息，其底層則是通過將“個體資源”與時間相關聯來獲取某一時間點上資源在流程中的動作信息來傳遞給“資源狀態”。因此，資源的相關動態信息實際上是基于流程進行建模的，MANDATE標準將生產流程簡化為圖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，該模型認為所有的加工生產流程都由多個制造（加工）過程和轉移過程（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和關聯，所有的過程節點都可以理解為由圖4b表示的物理系統（加工設備等）和約束系統（信息管理控制系統）共同作用于物料和信息上的過程，這一過程會引起資源（包括物料和信息）狀態的變化，并且與時間密切相關。

基于此，在制造系統建模時可依據該模型的建模思想，構建適用于飛機制造過程中計劃、調度、檢測與控制等制造流程的信息模型。使得流程和過程節點在整個飛機產品制造過程中保持一致的表示方式和處理方式，將飛機制造企業已經存在的各類系統產生的制造數據和相關資源用流程消耗時間和相關時間節點聯系起來，實現飛機制造流程內資源狀態監控和數據交換的標準化。

5 小結

MANDATE標準是應用于產品制造過程的基礎性標準，作為工程域和制造域產品信息相關標準之間的橋梁，提供一種獨立于任何特殊系統的描述工業制造管理數據的中性機制和信息交換模型，補充了產品在制造過程中的動態信息的表達方法。

如果說STEP解決的是產品工程信息表達的標準化，那么MANDATE則解決的是制造過程中資源及其使用信息表達的標準化，以及資源在制造過程中動態變化信息表達的標準化。

應用MANDATE標準可以較好的解決目前長期困擾我國航空制造業的設計向制造信息傳遞中數據的完整性問題、生產過程中資源數據表達和使用的一致性問題，以及與時間相關的生產過程中物料狀態的描述等問題，值得我們深入研究和轉化應用。

[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.制造系統的物流資源模型[J].中國機械工程，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.模塊化精益生產組織改造評估與決策[J].計算機集成制造系統，2006,（07）.

[4] 劉明周，劉光復.面向產品的3C數據管理集成模型研究[J].計算機集成制造系統–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.