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MANDATE标准在飞机制造过程信息集成中的应用分析
朱亮 孟飚
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摘要：MANDATE标准提供了一种通用性良好的模块化的资源信息模型框架，解决设计向制造信息传递中的数据完整性问题以及生产过程中各类资源数据的表达和使用一致性问题，从而支持多系统信息集成；同时，该标准支持一种与时间相关的流程监控与制作数据交换模型，能够反映需要与物料建立关联的动态信息，进而更全面的描述生产过程中物料的状态。总之，MANDATE标准在产品和生产的表达上提供一个通用的整合或集成框架，解决企业内部以及不同企业信息系统间制造信息的交换与共享问题。
关键词：制造过程；资源；流程；标准；信息交换；信息模型；MANDATE；ISO 15531；应用
引言
ISO15531 Industrial automation systems and integration- Industrial manufacturing management data 工业自动化系统与集成工业制造管理数据（简称MANDATE）系列标准主要面向制造管理领域，具体针对工厂内、外部合作者之间的数据交换与共享，制造过程中的资源管理，以及工艺阶段之间的制造流程管理等三个方面的内容进行标准化。它与ISO 13584工业自动化系统与集成零件库（PLIB）、ISO 14959 工业自动化系统与集成参数化、ISO10303 工业自动化系统与集成产品数据表达与交换（STEP）系列标准共同构成了SC4 以在全生命过程中描述产品技术数据为目的而制定的有关制造业产品和生产技术和管理数据方面的四大系列标准[1]。
1 MANDATE 标准定位及技术思路
MANDATE 标准适应于离散自造业，属于企业信息建模标准范畴，重点解决业务层次的信息集成问题，对制造过程信息管理系统的集成和互用具有现实意义。
该标准重点关注制造资源数据、制造流程数据和外部数据，主要解决生产过程中各类资源数据的表达和使用一致性问题，支持多系统集成，使符合不同标准的应用能够基于统一的模型接口进行数据交换，旨在产品和生产的表达上提供一个通用的整合或集成框架，解决企业内部各类信息系统之间，以及不同企业间的数据交换与共享问题，从而打通整个制造过程的信息流。
2 MANDATE 标准解决的核心问题
2.1资源范围、种类及其信息模型和语义理解的差异问题
通常制造域信息管理或控制系统设计的重要工作之一就是对资源进行描述，那么如何对资源信息模型进行定义，这就涉及到了对资源的范围确定、资源种类的划分等工作。通常对飞机制造而言，其所涉及的资源类型纷繁多样、应用目的也不相同，造成资源信息模型的定义比较复杂，难以面面俱到，因此，由于应用目的、建模标准和建模思路的差异，不同的信息系统对其所描述的资源覆盖范围不尽相同，资源种类的划分更是五花八门，而依据不同类型定义的信息模型的表达更是相去甚远，从而导致各信息系统对资源语义描述大相径庭，造成系统间语义理解和信息互通的巨大障碍，形成信息孤岛，从而降低了整个飞机制造过程的总体信息化水平。
MANDATE 标准从制造和管理的角度，紧密结合了ISO 10314和ISA95，ISO 10314 提供了工厂生产的参考模型，ISA95 提供了生产管理和控制参考模型，提供了企业与控制活动之间的接口，而MANDATE 提供的正是这些活动中产生的必要的数据交换模型和框架以及如何使用资源的规范[2]，其框架涵盖了从设备层直到企业层的有关数据、信息和资源管理与控制的各个层次，从而在最大范围内保证了来自不同信息系统的各个层次、各个类型的资源信息都能够依照一个统一的模型框架进行语义翻译和表达，这就为系统间的信息集成提供了一个统一的平台。
2.2生产流程中资源动态信息的建模问题
一个制造管理系统必须管理物料流和产品流在从供应、制造、装配与集成、最终到达分销商和消费者的整个生产链条上的流动。一般认为，制造就是将原料或半成品等物料不断地从一种状态转换为另一种状态直到最终成为产品的过程，对于一个生产系统来说，物料状态随着加工过程的变迁和地点的转移会不断发生变化，特别在航空产品加工流程中，围绕物料会产生很多实时的动态信息，这些动态信息对飞机产品制造过程的追踪具有重要意义，需要与物料建立联系，并与物料本身的静态信息一起，通过信息模型来进行定义和表达，以便于计算机记录实时变化的物料状态，并能够在生产管理信息系统之间的进行交互和理解。然而，这部分需要与物料建立关联的动态信息的建模被认为是一项难点，从而被大多数信息系统忽略，造成航空产品制造过程中物料动态数据的缺失。
MANDATE 标准不仅使已应用于制造过程中的STEP 等标准在流程中能被正确的使用及控制，同时对缺失的动态数据交换进行规范，提供对资源使用和与时间相关的流程控制[3]。这一点对在整个无缝的虚拟制造企业（供应链）上能够共享技术和业务信息非常重要[4]。
3 MANDATE 标准的应用性分析
3.1从宏观到微观的资源范围
MANDATE 标准主要规范管理生产和资源所需的信息的表达，主要包括资源信息以及系统性能、能力信息，监视、维护、约束和控制信息，也包括那些对流程控制有影响的维护约束及其相关管理数据等。因此，MANDATE 标准所界定的资源具有更广的内涵，从规模上，大到工厂、工作胞，小到设备、工具都属于资源模型的表达对象，从类型上，不仅工厂、机床、物料、刀、夹、量具，甚至人员（也可视为工作胞的一部分）、数据信息都可以通过MANDATE 标准给出的资源模型进行表达，甚至可以根据需要将飞机制造过程中的外部支持全部看成是资源，同时也可以深入到一个具体资源的内部，以更小的粒度定义资源，从而获取更加详细的管理信息。
总之，MANDATE 标准定义的资源范围非常广泛，几乎涵盖了所有飞机制造过程信息系统所涉及的资源类型，MANDATE 标准通过其定义的一种更具通用性的模块化的资源模型，能够较为理想的表达所有类型的资源信息，从而为飞机制造信息系统之间的信息集成和数据交换奠定坚实稳定的基础。
3.2模块化的资源信息模型框架
为准确的理解和翻译各类制造信息系统所描述的资源信息，MANDATE 标准提供了一种通用性良好的模块化的资源信息模型。
如图1 所示，在模型内实体资源是中心元素（资源），每一个分类的进一步描述或资源特性的详情都与该中心元素（资源）关联。模型实体的相关信息描述可被集成到资源特性结构、资源特性定义、资源层级、资源配置、资源视图定义和资源状态等各个逻辑单元（模块）中。其中，“资源特性结构”分类表达资源各种特性，并用“特性组”组合表达具体资源的所有特性；“资源特性定义”主要对资源的特性值进行表达；“资源结构”采用递归的方式使“资源组”可表达多重的、分等级的资源层次，即能够按不同的粒度定义资源，例如工作胞可以定义为资源，工作胞里的人员、设备都可以定义为资源；各种不同粒度的资源再通过“资源配置”动态灵活地配置资源[5]；“资源定义视图”则可用表格方式或用户自定义的视图来显示资源特性；“资源状态”与时间相关，表达具体资源在某一时刻或时间段的状态信息。

（图片）

图 1 模块化的资源信息模型基本框架

依此，飞机制造企业可以建立一个制造信息系统共用的集成平台，依据该模型将源系统的资源信息翻译转化成符合MANDATE 标准的资源信息，从而能够被目标系统以及连接该集成平台的其他信息系统所理解。采用该集成模式，可以最大程度的保留企业已有的各类制造信息系统，打通各系统之间的信息通道，从而促进整个飞机制造过程中信息化总体效果的最大化。
3.3与时间相关的流程控制与制造数据交换概念模型[6]
在资源信息模型中，用于体现资源状态的动态信息由“资源状态”（见图1 右上角）进行表达，而实际上，是通过将“个体资源”与时间相关联来抽取某一时间点上资源在流程中的动作信息来表达资源状态信息。因此，资源的相关动态信息实际上是基于流程进行建模的，MANDATE 标准将生产流程简化为图2所示的概念模型。

（图片）

如图2a 所示，该模型认为所有的加工生产流程都由多个制造（加工）过程和转移过程（指物料加工位置变化）串行而成，流程的并行分支则由分支过程触发和关联，所有的过程节点都可以理解为由图2b 表示的物理系统（加工设备等）和约束系统（信息管理控制系统）共同作用于物料和信息上的过程，这一过程会引起资源（包括物料和信息）状态的变化，并且与时间密切相关。
基于此，MANDATE 定义了制造流程管理数据模式，提供了适用于飞机制造过程中计划、调度、检测与控制等制造流程的模型的基本概念框架。使得流程和过程节点在整个飞机产品制造过程中保持一致的表示方式和处理方式，将飞机制造企业已经存在的各类系统产生的制造数据和相关资源用流程消耗时间和相关时间节点联系起来，实现飞机制造流程内资源状态监控和数据交换的标准化。
4 MANDATE 标准的应用建议
MANDATE 标准是一个自成体系的工业制造管理数据建模标准，与STEP、P-LIB 等标准密切相关，在其定义的信息模型中多处引用了多个ISO 标准中的信息模型，也就是说应用MANDATE 标准进行多系统集成的前提是这些系统应符合相关的ISO 标准。但是，结合我国飞机制造企业的信息化现状，仍有很多企业自主研发的控制或管理系统并不完全符合ISO 相关标准，因此全盘照搬MANDATE 标准是不符合我国国情的。然而，MANDATE 标准提供了一种十分理想的集成模式，特别是本文着重分析的模块化的资源信息模型框架，以及与时间相关的流程监控与制造数据交换概念模型，（其它不适用于我国国情的相关内容未在本文中提及），为我国飞机制造企业开展多制造信息管理系统集成提供了很好的思路，特提出以下三点应用建议：
（1）对于已存在多系统信息的企业，建议采用模块化的资源制造信息模型框架开发多系统共用的集成平台，将系统中提取的资源信息按本文中的资源信息模型框架进行重组，成为在各系统间数据交换的中间模型。该模式可最大限度的保留企业已有的软件系统，并最大限度的减少数据交换引起的数据缺失情况。
（2）对于需要进行信息化规划的制造企业，建议开发平台类型的资源管理器，将企业功能软件对企业资源的使用从具体的软件应用中剥离出来，提供统一的符合标准的资源使用界面，对各种应用提供统一支持，在资源管理器内部完成对各类资源的定义和各种资源使用视图的定义。不仅，对外界而言资源管理是透明的，而且，可避免大量的系统开发工作，并避免各类系统之间对资源的语意理解混乱。
（3）对于开发物料动态信息监控和管理系统的企业，建议按该标准提供的概念模型定义流程监控和制造数据交换模型，并在系统开发中重点关注各流程对时间的关联性。通过与时间相关联，能够较好地将资源的状态变化信息与资源对象关联起来。
［参考文献］
[1] ISO IS 15531-1, “Industrial automation systems and integration – industrial manufacturing management data – part 1 : General overview”, 2003.
[2] ISO DIS 15531-32, “ Industrial automation systems and integration – industrial manufacturing management data – Resource usage management data : part 32 : Conceptual model for resource usage management data”, 2003.
[3] ISO CD 15531-42, “ Industrial automation systems and integration – industrial manufacturing management data : Part 42 : Time model, 2003.
[4] S.R. Ray, A.T. Jones, “Manufacturing interoperability”, CE: the vision for the future generation in research and applications, R. Jardim-Gonçalves et al. (Eds),Swedts & Zeitlinger, Lisse, ISBN 90 5809 622X, 2003.
[5] 刘明周，刘光复。面向产品的3C数据管理集成模型研究[J]，计算机集成制造系统-CIMS，2003，9(10)：845-848
[6] ISO WD 15531-43, “ Industrial automation systems and integration – industrial manufacturing management data – Manufacturing flow management data – Part 43 : Conceptual model for manufacturing flow management”, 2004. 8/7/2012

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