MANDATE标准探析

朱 亮 孟 飚

（1.中航工业综合技术研究所，北京 100028；2.沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳110136）

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3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（P–LIB）》、ISO 14959 《工业自动化系统与集成参数化》、ISO 10303 《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ISO TC184/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4大系列标准[1]。目前，国内飞机制造业对设计域相关的ISO 13584、ISO 14959和ISO 10303标准均投入了很大的热情进行研究，也投入了大量的精力实现其标准的贯彻和应用，为了使符合ISO标准的设计域信息更好的向制造域延伸，因此有必要对制造域相关的MANDATE标准进行研究和分析，使其成为提升我国航空制造领域信息化水平的又一助力。

1 整体情况

MANDATE（MANufacturingDATa Exchange）标准于1992年开始，由ISO TC184/SC4的JWG8工作组组织编制工作，受到国际和工业界的强大支持，共分为3个项目，其项目领导人分别来自美国和德国。MANDATE标准具体包含以下几个部分：

第1部分：综述；

第21部分：外部交换的生产数据：综述（待编制）；

第22部分：外部交换的生产数据：生产数据外部交换概念模型（待编制）；

第23部分：外部交换的生产数据：“元语义元素”定义、描述和验证（待编制）；

第31部分：资源信息模型；

第32部分：资源应用：资源应用管理数据概念模型；

第41部分：制造流程管理数据：综述（待编制）；

第42部分：时间模型；

第43部分：制造流程管理数据：流程监控与制造数据交换；

第44部分：车间级数据采集的信息建模。

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[2]。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、装配与集成到最终到达分销商和消费者的整个生产链条上的流动。

因此，MANDATE标准认为制造管理系统管理着整个生产环节的原材料和产品流程，从供应商，通过制造商、集成商，再到分销商。围绕这一过程MANDATE标准主要规范3类数据：

与外部交换相关的信息，比如主生产商与供应商交换的信息；

与制造过程中使用的资源管理相关的信息；

与制造流程管理相关的信息。

其目的是对上述3种数据提供数据模型，以利于大量标准化使能工具来实现这3类数据相关的工业应用系统之间的集成。

2 定位与范围

MANDATE标准主要适用于与离散制造业活动，当然并不局限于此。从工业领域来看，MANDATE标准属于企业模型类标准，从集成的层次来看，其属于业务集成层次，该标准总体上处于一个支持多系统集成的基础标准的地位上，它所提供的概念和模型位于企业工程框架的底层。

MANDATE标准将符合STEP标准产品模型和P-LIB标准零部件模型的数据应用到制造流程中的数据交换活动，将工程领域的标准引入到了制造领域，提供了全局过程中的数据一致性和处理方式一致性，为制造域的各类企业应用提供了集成平台，是标准化工作在制造域的延伸和发展，如图1所示。

图1 MANDATE标准的定位

从制造和管理的角度，MANDATE标准与ISO 10314《工业自动化》和ISA 95《企业控制系统集成》密切相关，ISO 10314提供了工厂生产的参考模型，ISA 95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标准提供的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，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，如图2所示。

3 技术思路

往往在建立一个协同制造环境时要考虑语义、结构和句法3个方面的问题。在企业系统中信息在全局信息环境下流动的最大瓶颈是缺乏语法的互用性，新的信息系统往往使用不同的概念，语言和建模技术来描述他们的业务模型。而MANDATE标准正是针对这类问题而产生的。

图2 MANDATE标准覆盖的范围

MANDATE标准旨在填补其它不同类型标准所关注的范围之外的间隙部分，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，而不必进行专门的翻译就可相互理解对方的业务逻辑。MANDATE标准描述处理产品制造的操作时引用了ISO 10303 STEP的产品模型和ISO 13584 P-LIB零部件模型。这些不同标准之间的联系在MANDATE的流程监控模型中清晰的显示出来，图3为“制造流程管理数据的模式[3]”，这个模式也表示了MANDATE标准与其他一些标准的联系，可以很容易的看出MANDATE标准的技术思路以及在生产周期中的数据交换、产品组成、所需的资源、时间关系与流程等建模思想。

一方面，MANDATE对制造过程中资源使用以及合作者之间信息共享与交换意义非常重大。其主要意义在于使已经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，同时对欠缺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。

另一方面，为了统一数据模式，在制造过程中保持一致的表示方式和处理方式，减少交互成本，MANDATE将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，以PSL标准的形式组织在一起，完成制造流程内资源使用和数据交换的标准化。对于应用于已有协同环境的新系统来说，MANDATE的概念和业务过程模型标准就正好可以为其数据交换带来即插即用的功效。

综上，MANDATE标准的主要技术思路是：

通过规范资源语义，定义资源使用模型；

在制造过程数据交换中以及在与外部数据交换中维护已有标准的完整性；

图3 MANDATE标准技术思路

提供与时间相关的动态的制造过程集成的可能性。

4 核心内容和应用建议

在MANDATE标准中，贯彻和实现其整体技术思路的核心内容主要包括以下两个模型，模块化的资源信息模型，与时间相关的流程控制与制造数据交换概念模型。这两个模型被该标准的各部分多次引用。

这两个模型对于解决我国飞机制造过程中的各类制造应用系统的信息集成问题提供了非常有价值的思路和方法，基本上可以最大程度地化解制造信息系统之间的信息孤岛问题。

4.1 模块化的资源信息模型

MANDATE标准认为，从规模上，大到工厂、工作胞，小到设备、工具，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[4]）、数据信息都可以视为资源，并且这些资源都应该在一个统一的模型框架下进行描述。因此，提供了一种通用性良好的模块化的资源信息模型。

首先，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。这些详细信息主要集成到以下几个逻辑单元（模块）中：

资源特性结构：包括资源管理、资源构造、资源性能、资源能力和特性组子模块；

资源特性定义：包括定性值、定量值和值的表示；

资源层级：包括资源组、通用资源、特殊资源和个体资源子模块；

资源配置；

资源视图定义：包括用户定义视图和事物特性表子模块；

资源状态。

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”动态灵活地进行配置和组合[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。

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。

4.2 流程控制与制造数据交换概念模型[6]

在资源信息模型中，“资源状态”用于表达资源的动态信息，其底层则是通过将“个体资源”与时间相关联来获取某一时间点上资源在流程中的动作信息来传递给“资源状态”。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4所示的概念模型。

图4 流程与过程控制概念模型

如图4a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4b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，在制造系统建模时可依据该模型的建模思想，构建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信息模型。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。

5 小结

MANDATE标准是应用于产品制造过程的基础性标准，作为工程域和制造域产品信息相关标准之间的桥梁，提供一种独立于任何特殊系统的描述工业制造管理数据的中性机制和信息交换模型，补充了产品在制造过程中的动态信息的表达方法。

如果说STEP解决的是产品工程信息表达的标准化，那么MANDATE则解决的是制造过程中资源及其使用信息表达的标准化，以及资源在制造过程中动态变化信息表达的标准化。

应用MANDATE标准可以较好的解决目前长期困扰我国航空制造业的设计向制造信息传递中数据的完整性问题、生产过程中资源数据表达和使用的一致性问题，以及与时间相关的生产过程中物料状态的描述等问题，值得我们深入研究和转化应用。

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

[2] 刘飞，陈晓慧，梁洁.制造系统的物流资源模型[J].中国机械工程，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.模块化精益生产组织改造评估与决策[J].计算机集成制造系统，2006,（07）.

[4] 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 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.