汤洪涛 吴颖晶 鲁建厦

浙江工业大学,杭州,310014

0 引言

制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)是位于企业上层生产计划(MRPⅡ/ERP)和底层工业控制之间,面向车间层的生产管理技术与实时信息系统。MES强调制造计划的执行,填补了计划管理层和控制层之间的鸿沟[1-2]。MES的出现提高了企业的实时响应能力,使企业能更好地应对当今快速变化的市场。

MES的概念自20世纪90年代前期开始形成,20年来国内外许多学者已对MES的发展趋势及应用进行了分析。如 McClellan[3]阐述了MES的基本概念,指出MES的应用提高了企业车间管理的敏捷化程度;Trebilcock[4]指出,MES软件从整体应用演变已为根据需要模块化定制,并阐述了下一代的MES软件应满足企业管理多方面的需求;de Vgarte等[5]重点分析了MES的现状、问题及其与企业其他管理系统的联系;Marc[6]指出下一代MES在生产过程的应用中应更注重敏捷性和灵活性。饶运清等[7]采用MAS理论研究了 MES的体系结构,并开发了基于MAS的敏捷化MES原型系统;曹江辉等[8]探讨了MES的相关模型、发展趋势、不足和需重点解决的问题;李文辉[9]以MES的功能模型为主线,指出集成化、敏捷化是MES技术的重要发展趋势;蔡宗琰等[10]分析了MES的功能,并根据功能模型和数据流模型设计了制造执行系统;潘美俊等[11]阐述了MES的体系结构、主流技术,指出下一代MES的主要特点是易配置、易变更及更好的集成性;王琦峰等[12]在现有建模方法和工具的基础上,提出了以体系结构为中心的集成化面向服务的制造执行系统建模方法;夏晓鹏等[13]分析了敏捷制造下MES的特点及关键技术,指出MES软件的应用趋势会是加强其与其他IT管理软件接口的研究;潘颖等[14]将离散制造业制造执行系统分为总体管理、执行任务、零部件管理、生产调度、设备管理、人员管理、库存管理和智能决策八大模块,并构造了对应的Agent模块,提出了基于多Agent的分布式离散制造业制造执行系统体系结构;丛力群等[15]阐述了MES在打造数字化协同制造企业中所发挥的作用,指出MES未来的发展方向聚焦在帮助企业实现数字化协同制造上。然而由于文献量巨大,仅以“制造执行系统”或“Manufacturing Execution System”或MES为主题的检索词,即可在中国期刊网中检索超过1000篇文献。因此,很有必要利用文献计量学的方法对MES这一主题进行分析,深入了解MES的研究现状和发展趋势。利用文献计量学的方法对学科领域进行研究已得到广泛的应用,如王玉梅等[16]用引文数量的方法对生物信息学研究动态进行分析;万江平等[17]利用关键词统计分析了软件质量研究主题的演化过程;姜春林等[18]用词频统计的方法揭示了管理学研究热点及趋势;邱均平等[19]运用文献调查法、内容分析法对国内外信息资源管理领域的发展做了比较;Willett[20]采用文献计量学的方法对新兴领域化学信息学的研究现状进行了分析;Hsieh等[21]利用引文量及关键词词频分析研究生产运作管理;Mariluz等[22]针对《人力资源管理》杂志在1985～2005年期间有关人力资源管理的文献进行了文献计量分析;赵卫[23]以Scopus数据库为基础,利用文献计量的方法对国外机构知识库的研究现状进行了分析。

本文采用引文数量和词频统计的方法,对有关MES的文献进行了统计分析,以期达到以下目的：分析MES研究热度总体变化情况;找出研究MES最具代表性的作者和来源期刊;分析MES的研究热点及其随时间变迁情况。

1 研究方法

1.1 数据收集情况

本文利用中国学术期刊网络出版总库及Engineering Village(EI)数据库,对 1990～2009年间有关MES的文献进行了统计分析。

1.1.1 中国学术期刊网络出版总库检索

此次检索选择了核心期刊为期刊来源,以关键词为检索字段,以“制造执行系统”、“MES”作为检索词,检索得到365篇文献。而中国学术期刊网络出版总库中的核心期刊是2004版的,通过对比2008版的核心期刊,将原本2004年是核心期刊而2008年该刊不再是核心期刊中的文献删去,再增加了2004年不是核心期刊而2008年为核心期刊中的文献。另外,结合文献题名,删除了与MES无关的文献,经整理,最后得到269篇期刊文献。

1.1.2 Engineering Village(EI)数据库检索

本文选择了EI数据库,对英文期刊文献及会议文献进行了统计整理。检索时,采用专家检索方式,以非受控词(相当于中文的关键词)为字段进行检索,检索词为“manufacturing execution system” 、“manufacturing execution systems” 和“MES”,共检索到 324篇文献。然后,将文献类型限定为期刊文献或会议文献,筛选出语言为英语的文献,共得到289篇文献。其中,期刊文献151篇,会议文献138篇。

1.2 统计指标

对于中文核心期刊的269篇文献,将其题录信息导入文献管理软件NoteExpress中,再分别从文献数量、作者发文量、期刊载文量和关键词四个方面进行了量化统计。而对于EI数据库搜集到的文献,则直接利用EI的统计项并结合Note-Express进行分析,从文献数量、作者发文量、期刊(会议论文集)载文量和受控词四个方面得到结果。

2 结果分析

2.1 文献数量年度变化

由图1知,1990～2001年,各年度中文核心期刊中有关MES的文献均小于5篇,说明在这一时期,我国对MES的研究仅处于起步阶段。2002年,文献数首次超过5篇达到10篇,2003年文献数量迅速增长到31篇。另一大幅度增长的时期是2007年到2008年,从36篇增加到了51篇,而2008年发文量也是这20年来最多的一年。总体看来,从2002年后,国内学者对MES的关注度呈上升的趋势。

图1 年度发文数量(1990～2009)

从EI的收录的情况来看,1990～1992年发文量极少。从1993年起发文量开始显著增加,达到9篇,说明国外对MES的大规模研究从1993年开始,并在1995年(22篇)和2001年(30篇)出现两个高潮期。而在这之间,1998年发文量相对较低,仅为9篇。2001年之后,迅速下降,至2007年都基本稳定在10篇左右,显示国外对该领域的研究进入成熟阶段。而2008、2009两年,文献数突增,尤其是2008年,达到了39篇。进一步分析发现,这两年文献数量的增加主要是由于中国作者发文量的增加。

2.2 作者分析

2.2.1 中文核心期刊作者分析

表1a所示为中文核心期刊中作者按发文量排序的情况,发表论文在8篇以上的共有8位作者。发文最多的是北京科技大学的李铁克(13篇)和南京航空航天大学的王宁生(12篇)。其次有5位作者(集)发表了9篇论文。最后是西北工业大学的何卫平,发文量为8篇。

再从总被引次数来看作者的情况,剔除综述性论文的被引用数据之后,总被引次数排在前两位的是华中科技大学的饶运清(144次)和南京航空航天大学的王宁生(124次)。从饶运清发表的文献来看,其研究集中在MES的可配置问题以及在网络化敏捷制造环境下的 MES系统等方面。王宁生的研究集中在MES的功能建模、体系构建和系统实现,以及系统集成、可重构等相关技术上,与饶运清的研究有一定的交叉。东北大学的柴天佑(110次)主要对钢铁企业MES的体系结构进行研究。大连理工大学的刘晓冰(95次)主要研究MES与上层计划层及底层控制层的集成问题。

2.2.2 EI作者分析

考虑到近年来,中国作者在国际期刊会议上发表的有关MES的文献数量不断上升,此处作者分析时中国作者的英文文献也包括在内。表1b所示为EI中发文量排在前12位的作者(联合作者)。发文最多的是我国台湾的Cheng Fan-Tien(5篇),其主要研究对象是面向半导体行业的MES中设备管理的问题。其次是Clemons John W(4篇),主要研究对象是MES的实时控制方面的问题。我国台湾的Huang Han-Pang和Kuo Chung-Hsien共同发表文献3篇,另外还有9位作者发文量也是3篇。其中,中国作者(联合作者)就占了4位。

2.3 期刊载文量分析

2.3.1 中文核心期刊载文量分析

结合中国学术期刊网络出版总库及NoteExpress软件的分析,共得到刊载关于MES的核心期刊75种,表2a列出了载文量在3篇以上的22种期刊。这22种期刊载文量占总论文数量的77%,代表了MES研究的主要出版载体。载文最多的是《冶金自动化》(38篇),所载文献集中在钢铁企业MES的研究情况,行业性非常明显。其次是《计算机集成制造系统》(18篇)、《中国机械工程》(16篇)和《制造业自动化》(16篇),表明这三种期刊是国内研究MES的主要学术期刊,而且其论文主题覆盖面较广,不像《冶金自动化》主要集中在钢铁行业。而且,《计算机集成制造系统》和《制造业自动化》两种期刊创刊时间并不久,迅速成长为MES研究的核心期刊,也反映了这一时期MES及相关主题研究工作的繁荣。另外,载文量处于第三梯队的还有《机械设计与制造》(11篇)、《自动化仪表》(11篇)、《机床与液压》(10篇)。载文量10篇以下的还有15种期刊。

表 1 作者情况分析(1990～2009)

2.3.2 EI期刊(会议论文集)载文量分析

相比中文期刊,研究MES的英文文献发表的期刊相对比较分散,而在会议上发表的论文较多。为了反映这一现状,特意将国际会议论文也纳入统计。表2b列出了载文量3篇以上的24种期刊/会议论文集,其中期刊14种,载文92篇,会议论文集10种,载文63篇,期刊会议载文量比例约为3∶2。载文量最多的是期刊Manufacturing Systems和会议论文集Proceedings of the Industrial Computing Conference,均为 16篇。其次是论文集 ISA TECH/EXPO Technology Update Conference(14篇),期刊 Manufacturing Computer Solutions(13篇)和期刊 Semiconductor International(9篇)。以上三种期刊分别属于制造系统、制造与计算机技术、半导体技术领域,反应了国外MES研究的一个基本事实,即MES研究属于制造系统研究的一个分支或者一个子领域,同时MES是制造技术与信息技术的结合与交叉,最后,MES的应用研究集中在半导体等行业。从会议论文集的数据分析,有六种会议属于IEEE系统会议,发文23篇,也从另一个角度印证了MES是制造技术与信息技术的结合与交叉这一事实。

表2 期刊载文量分析(1990～2009年)

2.4 关键词(受控词)分析

关键词是文献研究内容的高度概括和体现,关键词在文献中的出现频次在一定程度上反映出该研究内容在相应领域受关注的程度,因而统计关键词出现频次的高低有助于掌握领域研究的重点,统计关键词的频次在一定时间范围内的变化则有助于探寻领域研究热点的变迁[24]。另外,由于EI数据库提供了受控词,它比关键词更为规范,所以,在分析EI数据库中的文献时,采用的是受控词统计分析。

2.4.1 中文核心期刊关键词分析

对关键词进行了总体及分阶段的词频统计分析,另外,考虑到1990～2001年间只有零星的几篇文献(12篇),所以只对2002～2009年的文献进行了分阶段分析。由于关键词为自由词,对此进行了一定的规范及合并,例如“企业资源计划”、“ERP”、“企业需求计划”规范合并为“企业资源计划(ERP)”。

表3所示为关键词统计分析的结果。总体分析(1990～2009年)选择了出现13次以上的13种关键词,而分阶段分析方面,则分别选择了出现6次以上的关键词。

从1990～2009年的关键词统计来看,MES研究热点集中在：

表3 中文核心期刊关键词分析

(1)相关信息技术在实现MES中的应用。如关键词频次最高的“XML、Web、工作流、CORBA 、B/S 、UML 、OPC 、Petri网”(频次为 47)。

(2)生产计划与调度。该词的频次排在第二位,高达40次,说明生产计划与调度作为MES核心功能,受关注度很高。

(3)功能模型与体系结构,这包括第3、11两组关键词,合计出现38次。

(4)作为信息系统与 ERP、CIMS、PCS等系统的集成。相关的关键词包括排名第 4、7、8、10、12、13的六组关键词,合计频次达 103次。

(5)Agent技术。Agent技术的应用主要体现在运用Agent技术构建MES的控制体系以及基于Agent的系统实现上。

(6)MES的实时性,包括实时数据采集、实时控制等。

(7)钢铁行业的应用。

阶段分析可以看出MES研究热点的变迁。表现出几个明显的特点：

(1)相关信息技术的应用研究始终是热点,始终保持着很高的出现频次(22次、24次)。但具体的技术有所变化,如第二阶段出现了工作流技术,而且迅速成为一个主流的技术,频次达到7次。Corba技术出现的次数明显下降,这反应了Corba技术逐渐被其他技术所替代。

(2)生产计划与调度上升很快。在第二阶段成为频次最高的关键词,而且其频次的绝对数值也很大,达到28次。

(3)实时性的关注上升很快。在第一阶段其没有进入前 14名,但在第二阶段一举上升到第三。

2.4.2 EI受控词分析

对EI受控词进行分析时,也采用了总体及分阶段两部分的分析。由于1992年及以前的文献只有 1篇,分阶段统计从 1993年开始,即对1993～2009年的文献受控词进行了四个阶段的分析。

表4统计了1990～2009年间受控词频次排序的情况,选取了频次在31次以上的15个受控词。与国内的研究相似,“planning and scheduling”频次高达121次表明对MES中生产计划与调度也是国外学者研究的重点。另外,过程控制(process control)、CIM 、IT/IS 、ERP 也都是研究的热点。计算机软件(computer software)、数据库系统(database systems)可以归为实现MES的信息技术,制造数据处理(manufacturing data processing)和数据采集(data acquisition)可以归为MES实时性的相关研究,也基本与国内的研究主题相对应。但与国内研究明显不同的是质量管理(quality management)、CAM、分布式控制、用户界面、半导体设备制造等几个主题,在国内研究相对较少。

表4 EI受控词总体分析(1990～2009)

表5所示为EI中受控词四个时间段的统计结果。数据表明：①过程控制、计划与调度、质量管理始终是热点,贯串了近20年的研究;②CIM迅速衰落;③围绕MES实现的相关信息技术、信息系统/计算机软件的研究一直是重点;④早期用户界面的研究比较受关注,这与计算机软件/操作系统的发展表现出关联性。后者的发展使得用户界面不再是关注的主要问题;⑤MES的分布式控制研究日渐得到重视;⑥计算机仿真和数学模型的构建在第二和第三阶段分别成为短期研究热点,但并未得以持续;⑦制造数据处理作为最早的研究热点,中间出现了停滞,但近年来又重新受到了重视;⑧系统决策成为近年来的研究热点,表明MES研究已经到了一个新的高度,重点解决如何构建智能决策的MES系统;⑨热点呈现一种日渐分散化的趋势,这一点从词频的绝对数值可以看出。第一阶段第9位的受控词的频次有19次,而第四阶段第2位的受控词的频次也仅有18次。

表5 EI受控词分阶段分析

3 结果与讨论

本文的主要不足在于文献来源的选取。首先,国外的现状以EI为文献来源,国内以中国期刊网为来源。相比之下,中国期刊网对国内的期刊文献收录是全面和完整的,而EI对国外期刊文献的收录是有选择性的。其次,由于检索得到的EI收录期刊文献数量偏少,为了更全面反映国外研究现状,将检索范围扩展到EI收录的期刊论文和会议论文。而中国期刊网中检索得到的文献数量很大,为了避免大量非学术性论文被统计,将检索范围限于核心期刊。另外,为了较准确地反映国际上研究MES的作者的分布情况,本文在对EI文献进行统计时将中国作者的英文文献也包括在内。以上因素将对最终的统计和分析结果造成一定的影响。本文虽然没有涵盖所有有关MES的文献,而且从文献计量学的角度进行分析本身也存在局限性,但总体而言还是在一定程度上反映了MES的研究情况,为今后对MES的研究提供了一定的参考。

通过文献计量学中引文数量和词频统计的分析,得到了MES领域最具代表性的作者、期刊及国内外MES的研究现状。国外对MES进行大规模研究是从1993年开始的,目前处于较成熟的阶段。而国内的研究起步较晚,MES从2002年左右才受到关注,目前正处于研究的高峰期。研究方向上,国内外基本一致,主要是实现MES的信息技术、作为核心功能模块的生产计划与调度、MES与上下层系统的集成和MES实时数据采集处理的研究。但由于国外对MES的研究相对较成熟,其强调更广的技术、学科的融合。综合分析国内外MES研究趋势的变化,可知MES下一步的研究重点仍然集中在利用先进的信息技术构建具有实时性、集成性、敏捷性等特征的协同分布式的制造执行系统,以及基于MES的质量管理、生产调度、过程控制和决策分析等方面。

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