基于文獻計量學(xué)的制造執(zhí)行系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

湯洪濤 吳穎晶 魯建廈

浙江工業(yè)大學(xué),杭州,310014

0 引言

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System,MES)是位于企業(yè)上層生產(chǎn)計劃(MRPⅡ/ERP)和底層工業(yè)控制之間,面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實時信息系統(tǒng)。MES強調(diào)制造計劃的執(zhí)行,填補了計劃管理層和控制層之間的鴻溝[1-2]。MES的出現(xiàn)提高了企業(yè)的實時響應(yīng)能力,使企業(yè)能更好地應(yīng)對當(dāng)今快速變化的市場。

MES的概念自20世紀(jì)90年代前期開始形成,20年來國內(nèi)外許多學(xué)者已對MES的發(fā)展趨勢及應(yīng)用進行了分析。如 McClellan[3]闡述了MES的基本概念,指出MES的應(yīng)用提高了企業(yè)車間管理的敏捷化程度;Trebilcock[4]指出,MES軟件從整體應(yīng)用演變已為根據(jù)需要模塊化定制,并闡述了下一代的MES軟件應(yīng)滿足企業(yè)管理多方面的需求;de Vgarte等[5]重點分析了MES的現(xiàn)狀、問題及其與企業(yè)其他管理系統(tǒng)的聯(lián)系;Marc[6]指出下一代MES在生產(chǎn)過程的應(yīng)用中應(yīng)更注重敏捷性和靈活性。饒運清等[7]采用MAS理論研究了 MES的體系結(jié)構(gòu),并開發(fā)了基于MAS的敏捷化MES原型系統(tǒng);曹江輝等[8]探討了MES的相關(guān)模型、發(fā)展趨勢、不足和需重點解決的問題;李文輝[9]以MES的功能模型為主線,指出集成化、敏捷化是MES技術(shù)的重要發(fā)展趨勢;蔡宗琰等[10]分析了MES的功能,并根據(jù)功能模型和數(shù)據(jù)流模型設(shè)計了制造執(zhí)行系統(tǒng);潘美俊等[11]闡述了MES的體系結(jié)構(gòu)、主流技術(shù),指出下一代MES的主要特點是易配置、易變更及更好的集成性;王琦峰等[12]在現(xiàn)有建模方法和工具的基礎(chǔ)上,提出了以體系結(jié)構(gòu)為中心的集成化面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)建模方法;夏曉鵬等[13]分析了敏捷制造下MES的特點及關(guān)鍵技術(shù),指出MES軟件的應(yīng)用趨勢會是加強其與其他IT管理軟件接口的研究;潘穎等[14]將離散制造業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)分為總體管理、執(zhí)行任務(wù)、零部件管理、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理、人員管理、庫存管理和智能決策八大模塊,并構(gòu)造了對應(yīng)的Agent模塊,提出了基于多Agent的分布式離散制造業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu);叢力群等[15]闡述了MES在打造數(shù)字化協(xié)同制造企業(yè)中所發(fā)揮的作用,指出MES未來的發(fā)展方向聚焦在幫助企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同制造上。然而由于文獻量巨大,僅以“制造執(zhí)行系統(tǒng)”或“Manufacturing Execution System”或MES為主題的檢索詞,即可在中國期刊網(wǎng)中檢索超過1000篇文獻。因此,很有必要利用文獻計量學(xué)的方法對MES這一主題進行分析,深入了解MES的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。利用文獻計量學(xué)的方法對學(xué)科領(lǐng)域進行研究已得到廣泛的應(yīng)用,如王玉梅等[16]用引文數(shù)量的方法對生物信息學(xué)研究動態(tài)進行分析;萬江平等[17]利用關(guān)鍵詞統(tǒng)計分析了軟件質(zhì)量研究主題的演化過程;姜春林等[18]用詞頻統(tǒng)計的方法揭示了管理學(xué)研究熱點及趨勢;邱均平等[19]運用文獻調(diào)查法、內(nèi)容分析法對國內(nèi)外信息資源管理領(lǐng)域的發(fā)展做了比較;Willett[20]采用文獻計量學(xué)的方法對新興領(lǐng)域化學(xué)信息學(xué)的研究現(xiàn)狀進行了分析;Hsieh等[21]利用引文量及關(guān)鍵詞詞頻分析研究生產(chǎn)運作管理;Mariluz等[22]針對《人力資源管理》雜志在1985～2005年期間有關(guān)人力資源管理的文獻進行了文獻計量分析;趙衛(wèi)[23]以Scopus數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),利用文獻計量的方法對國外機構(gòu)知識庫的研究現(xiàn)狀進行了分析。

本文采用引文數(shù)量和詞頻統(tǒng)計的方法,對有關(guān)MES的文獻進行了統(tǒng)計分析,以期達到以下目的：分析MES研究熱度總體變化情況;找出研究MES最具代表性的作者和來源期刊;分析MES的研究熱點及其隨時間變遷情況。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)收集情況

本文利用中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫及Engineering Village(EI)數(shù)據(jù)庫,對 1990～2009年間有關(guān)MES的文獻進行了統(tǒng)計分析。

1.1.1 中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫檢索

此次檢索選擇了核心期刊為期刊來源,以關(guān)鍵詞為檢索字段,以“制造執(zhí)行系統(tǒng)”、“MES”作為檢索詞,檢索得到365篇文獻。而中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫中的核心期刊是2004版的,通過對比2008版的核心期刊,將原本2004年是核心期刊而2008年該刊不再是核心期刊中的文獻刪去,再增加了2004年不是核心期刊而2008年為核心期刊中的文獻。另外,結(jié)合文獻題名,刪除了與MES無關(guān)的文獻,經(jīng)整理,最后得到269篇期刊文獻。

1.1.2 Engineering Village(EI)數(shù)據(jù)庫檢索

本文選擇了EI數(shù)據(jù)庫,對英文期刊文獻及會議文獻進行了統(tǒng)計整理。檢索時,采用專家檢索方式,以非受控詞(相當(dāng)于中文的關(guān)鍵詞)為字段進行檢索,檢索詞為“manufacturing execution system” 、“manufacturing execution systems” 和“MES”,共檢索到 324篇文獻。然后,將文獻類型限定為期刊文獻或會議文獻,篩選出語言為英語的文獻,共得到289篇文獻。其中,期刊文獻151篇,會議文獻138篇。

1.2 統(tǒng)計指標(biāo)

對于中文核心期刊的269篇文獻,將其題錄信息導(dǎo)入文獻管理軟件NoteExpress中,再分別從文獻數(shù)量、作者發(fā)文量、期刊載文量和關(guān)鍵詞四個方面進行了量化統(tǒng)計。而對于EI數(shù)據(jù)庫搜集到的文獻,則直接利用EI的統(tǒng)計項并結(jié)合Note-Express進行分析,從文獻數(shù)量、作者發(fā)文量、期刊(會議論文集)載文量和受控詞四個方面得到結(jié)果。

2 結(jié)果分析

2.1 文獻數(shù)量年度變化

由圖1知,1990～2001年,各年度中文核心期刊中有關(guān)MES的文獻均小于5篇,說明在這一時期,我國對MES的研究僅處于起步階段。2002年,文獻數(shù)首次超過5篇達到10篇,2003年文獻數(shù)量迅速增長到31篇。另一大幅度增長的時期是2007年到2008年,從36篇增加到了51篇,而2008年發(fā)文量也是這20年來最多的一年?？傮w看來,從2002年后,國內(nèi)學(xué)者對MES的關(guān)注度呈上升的趨勢。

圖1 年度發(fā)文數(shù)量(1990～2009)

從EI的收錄的情況來看,1990～1992年發(fā)文量極少。從1993年起發(fā)文量開始顯著增加,達到9篇,說明國外對MES的大規(guī)模研究從1993年開始,并在1995年(22篇)和2001年(30篇)出現(xiàn)兩個高潮期。而在這之間,1998年發(fā)文量相對較低,僅為9篇。2001年之后,迅速下降,至2007年都基本穩(wěn)定在10篇左右,顯示國外對該領(lǐng)域的研究進入成熟階段。而2008、2009兩年,文獻數(shù)突增,尤其是2008年,達到了39篇。進一步分析發(fā)現(xiàn),這兩年文獻數(shù)量的增加主要是由于中國作者發(fā)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所示為中文核心期刊中作者按發(fā)文量排序的情況,發(fā)表論文在8篇以上的共有8位作者。發(fā)文最多的是北京科技大學(xué)的李鐵克(13篇)和南京航空航天大學(xué)的王寧生(12篇)。其次有5位作者(集)發(fā)表了9篇論文。最后是西北工業(yè)大學(xué)的何衛(wèi)平,發(fā)文量為8篇。

再從總被引次數(shù)來看作者的情況,剔除綜述性論文的被引用數(shù)據(jù)之后,總被引次數(shù)排在前兩位的是華中科技大學(xué)的饒運清(144次)和南京航空航天大學(xué)的王寧生(124次)。從饒運清發(fā)表的文獻來看,其研究集中在MES的可配置問題以及在網(wǎng)絡(luò)化敏捷制造環(huán)境下的 MES系統(tǒng)等方面。王寧生的研究集中在MES的功能建模、體系構(gòu)建和系統(tǒng)實現(xiàn),以及系統(tǒng)集成、可重構(gòu)等相關(guān)技術(shù)上,與饒運清的研究有一定的交叉。東北大學(xué)的柴天佑(110次)主要對鋼鐵企業(yè)MES的體系結(jié)構(gòu)進行研究。大連理工大學(xué)的劉曉冰(95次)主要研究MES與上層計劃層及底層控制層的集成問題。

2.2.2 EI作者分析

考慮到近年來,中國作者在國際期刊會議上發(fā)表的有關(guān)MES的文獻數(shù)量不斷上升,此處作者分析時中國作者的英文文獻也包括在內(nèi)。表1b所示為EI中發(fā)文量排在前12位的作者(聯(lián)合作者)。發(fā)文最多的是我國臺灣的Cheng Fan-Tien(5篇),其主要研究對象是面向半導(dǎo)體行業(yè)的MES中設(shè)備管理的問題。其次是Clemons John W(4篇),主要研究對象是MES的實時控制方面的問題。我國臺灣的Huang Han-Pang和Kuo Chung-Hsien共同發(fā)表文獻3篇,另外還有9位作者發(fā)文量也是3篇。其中,中國作者(聯(lián)合作者)就占了4位。

2.3 期刊載文量分析

2.3.1 中文核心期刊載文量分析

結(jié)合中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫及NoteExpress軟件的分析,共得到刊載關(guān)于MES的核心期刊75種,表2a列出了載文量在3篇以上的22種期刊。這22種期刊載文量占總論文數(shù)量的77%,代表了MES研究的主要出版載體。載文最多的是《冶金自動化》(38篇),所載文獻集中在鋼鐵企業(yè)MES的研究情況,行業(yè)性非常明顯。其次是《計算機集成制造系統(tǒng)》(18篇)、《中國機械工程》(16篇)和《制造業(yè)自動化》(16篇),表明這三種期刊是國內(nèi)研究MES的主要學(xué)術(shù)期刊,而且其論文主題覆蓋面較廣,不像《冶金自動化》主要集中在鋼鐵行業(yè)。而且,《計算機集成制造系統(tǒng)》和《制造業(yè)自動化》兩種期刊創(chuàng)刊時間并不久,迅速成長為MES研究的核心期刊,也反映了這一時期MES及相關(guān)主題研究工作的繁榮。另外,載文量處于第三梯隊的還有《機械設(shè)計與制造》(11篇)、《自動化儀表》(11篇)、《機床與液壓》(10篇)。載文量10篇以下的還有15種期刊。

表 1 作者情況分析(1990～2009)

2.3.2 EI期刊(會議論文集)載文量分析

相比中文期刊,研究MES的英文文獻發(fā)表的期刊相對比較分散,而在會議上發(fā)表的論文較多。為了反映這一現(xiàn)狀,特意將國際會議論文也納入統(tǒng)計。表2b列出了載文量3篇以上的24種期刊/會議論文集,其中期刊14種,載文92篇,會議論文集10種,載文63篇,期刊會議載文量比例約為3∶2。載文量最多的是期刊Manufacturing Systems和會議論文集Proceedings of the Industrial Computing Conference,均為 16篇。其次是論文集 ISA TECH/EXPO Technology Update Conference(14篇),期刊 Manufacturing Computer Solutions(13篇)和期刊 Semiconductor International(9篇)。以上三種期刊分別屬于制造系統(tǒng)、制造與計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,反應(yīng)了國外MES研究的一個基本事實,即MES研究屬于制造系統(tǒng)研究的一個分支或者一個子領(lǐng)域,同時MES是制造技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合與交叉,最后,MES的應(yīng)用研究集中在半導(dǎo)體等行業(yè)。從會議論文集的數(shù)據(jù)分析,有六種會議屬于IEEE系統(tǒng)會議,發(fā)文23篇,也從另一個角度印證了MES是制造技術(shù)與信息技術(shù)的結(jié)合與交叉這一事實。

表2 期刊載文量分析(1990～2009年)

2.4 關(guān)鍵詞(受控詞)分析

關(guān)鍵詞是文獻研究內(nèi)容的高度概括和體現(xiàn),關(guān)鍵詞在文獻中的出現(xiàn)頻次在一定程度上反映出該研究內(nèi)容在相應(yīng)領(lǐng)域受關(guān)注的程度,因而統(tǒng)計關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次的高低有助于掌握領(lǐng)域研究的重點,統(tǒng)計關(guān)鍵詞的頻次在一定時間范圍內(nèi)的變化則有助于探尋領(lǐng)域研究熱點的變遷[24]。另外,由于EI數(shù)據(jù)庫提供了受控詞,它比關(guān)鍵詞更為規(guī)范,所以,在分析EI數(shù)據(jù)庫中的文獻時,采用的是受控詞統(tǒng)計分析。

2.4.1 中文核心期刊關(guān)鍵詞分析

對關(guān)鍵詞進行了總體及分階段的詞頻統(tǒng)計分析,另外,考慮到1990～2001年間只有零星的幾篇文獻(12篇),所以只對2002～2009年的文獻進行了分階段分析。由于關(guān)鍵詞為自由詞,對此進行了一定的規(guī)范及合并,例如“企業(yè)資源計劃”、“ERP”、“企業(yè)需求計劃”規(guī)范合并為“企業(yè)資源計劃(ERP)”。

表3所示為關(guān)鍵詞統(tǒng)計分析的結(jié)果?？傮w分析(1990～2009年)選擇了出現(xiàn)13次以上的13種關(guān)鍵詞,而分階段分析方面,則分別選擇了出現(xiàn)6次以上的關(guān)鍵詞。

從1990～2009年的關(guān)鍵詞統(tǒng)計來看,MES研究熱點集中在：

表3 中文核心期刊關(guān)鍵詞分析

(1)相關(guān)信息技術(shù)在實現(xiàn)MES中的應(yīng)用。如關(guān)鍵詞頻次最高的“XML、Web、工作流、CORBA 、B/S 、UML 、OPC 、Petri網(wǎng)”(頻次為 47)。

(2)生產(chǎn)計劃與調(diào)度。該詞的頻次排在第二位,高達40次,說明生產(chǎn)計劃與調(diào)度作為MES核心功能,受關(guān)注度很高。

(3)功能模型與體系結(jié)構(gòu),這包括第3、11兩組關(guān)鍵詞,合計出現(xiàn)38次。

(4)作為信息系統(tǒng)與 ERP、CIMS、PCS等系統(tǒng)的集成。相關(guān)的關(guān)鍵詞包括排名第 4、7、8、10、12、13的六組關(guān)鍵詞,合計頻次達 103次。

(5)Agent技術(shù)。Agent技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在運用Agent技術(shù)構(gòu)建MES的控制體系以及基于Agent的系統(tǒng)實現(xiàn)上。

(6)MES的實時性,包括實時數(shù)據(jù)采集、實時控制等。

(7)鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用。

階段分析可以看出MES研究熱點的變遷。表現(xiàn)出幾個明顯的特點：

(1)相關(guān)信息技術(shù)的應(yīng)用研究始終是熱點,始終保持著很高的出現(xiàn)頻次(22次、24次)。但具體的技術(shù)有所變化,如第二階段出現(xiàn)了工作流技術(shù),而且迅速成為一個主流的技術(shù),頻次達到7次。Corba技術(shù)出現(xiàn)的次數(shù)明顯下降,這反應(yīng)了Corba技術(shù)逐漸被其他技術(shù)所替代。

(2)生產(chǎn)計劃與調(diào)度上升很快。在第二階段成為頻次最高的關(guān)鍵詞,而且其頻次的絕對數(shù)值也很大,達到28次。

(3)實時性的關(guān)注上升很快。在第一階段其沒有進入前 14名,但在第二階段一舉上升到第三。

2.4.2 EI受控詞分析

對EI受控詞進行分析時,也采用了總體及分階段兩部分的分析。由于1992年及以前的文獻只有 1篇,分階段統(tǒng)計從 1993年開始,即對1993～2009年的文獻受控詞進行了四個階段的分析。

表4統(tǒng)計了1990～2009年間受控詞頻次排序的情況,選取了頻次在31次以上的15個受控詞。與國內(nèi)的研究相似,“planning and scheduling”頻次高達121次表明對MES中生產(chǎn)計劃與調(diào)度也是國外學(xué)者研究的重點。另外,過程控制(process control)、CIM 、IT/IS 、ERP 也都是研究的熱點。計算機軟件(computer software)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(database systems)可以歸為實現(xiàn)MES的信息技術(shù),制造數(shù)據(jù)處理(manufacturing data processing)和數(shù)據(jù)采集(data acquisition)可以歸為MES實時性的相關(guān)研究,也基本與國內(nèi)的研究主題相對應(yīng)。但與國內(nèi)研究明顯不同的是質(zhì)量管理(quality management)、CAM、分布式控制、用戶界面、半導(dǎo)體設(shè)備制造等幾個主題,在國內(nèi)研究相對較少。

表4 EI受控詞總體分析(1990～2009)

表5所示為EI中受控詞四個時間段的統(tǒng)計結(jié)果。數(shù)據(jù)表明：①過程控制、計劃與調(diào)度、質(zhì)量管理始終是熱點,貫串了近20年的研究;②CIM迅速衰落;③圍繞MES實現(xiàn)的相關(guān)信息技術(shù)、信息系統(tǒng)/計算機軟件的研究一直是重點;④早期用戶界面的研究比較受關(guān)注,這與計算機軟件/操作系統(tǒng)的發(fā)展表現(xiàn)出關(guān)聯(lián)性。后者的發(fā)展使得用戶界面不再是關(guān)注的主要問題;⑤MES的分布式控制研究日漸得到重視;⑥計算機仿真和數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建在第二和第三階段分別成為短期研究熱點,但并未得以持續(xù);⑦制造數(shù)據(jù)處理作為最早的研究熱點,中間出現(xiàn)了停滯,但近年來又重新受到了重視;⑧系統(tǒng)決策成為近年來的研究熱點,表明MES研究已經(jīng)到了一個新的高度,重點解決如何構(gòu)建智能決策的MES系統(tǒng);⑨熱點呈現(xiàn)一種日漸分散化的趨勢,這一點從詞頻的絕對數(shù)值可以看出。第一階段第9位的受控詞的頻次有19次,而第四階段第2位的受控詞的頻次也僅有18次。

表5 EI受控詞分階段分析

3 結(jié)果與討論

本文的主要不足在于文獻來源的選取。首先,國外的現(xiàn)狀以EI為文獻來源,國內(nèi)以中國期刊網(wǎng)為來源。相比之下,中國期刊網(wǎng)對國內(nèi)的期刊文獻收錄是全面和完整的,而EI對國外期刊文獻的收錄是有選擇性的。其次,由于檢索得到的EI收錄期刊文獻數(shù)量偏少,為了更全面反映國外研究現(xiàn)狀,將檢索范圍擴展到EI收錄的期刊論文和會議論文。而中國期刊網(wǎng)中檢索得到的文獻數(shù)量很大,為了避免大量非學(xué)術(shù)性論文被統(tǒng)計,將檢索范圍限于核心期刊。另外,為了較準(zhǔn)確地反映國際上研究MES的作者的分布情況,本文在對EI文獻進行統(tǒng)計時將中國作者的英文文獻也包括在內(nèi)。以上因素將對最終的統(tǒng)計和分析結(jié)果造成一定的影響。本文雖然沒有涵蓋所有有關(guān)MES的文獻,而且從文獻計量學(xué)的角度進行分析本身也存在局限性,但總體而言還是在一定程度上反映了MES的研究情況,為今后對MES的研究提供了一定的參考。

通過文獻計量學(xué)中引文數(shù)量和詞頻統(tǒng)計的分析,得到了MES領(lǐng)域最具代表性的作者、期刊及國內(nèi)外MES的研究現(xiàn)狀。國外對MES進行大規(guī)模研究是從1993年開始的,目前處于較成熟的階段。而國內(nèi)的研究起步較晚,MES從2002年左右才受到關(guān)注,目前正處于研究的高峰期。研究方向上,國內(nèi)外基本一致,主要是實現(xiàn)MES的信息技術(shù)、作為核心功能模塊的生產(chǎn)計劃與調(diào)度、MES與上下層系統(tǒng)的集成和MES實時數(shù)據(jù)采集處理的研究。但由于國外對MES的研究相對較成熟,其強調(diào)更廣的技術(shù)、學(xué)科的融合。綜合分析國內(nèi)外MES研究趨勢的變化,可知MES下一步的研究重點仍然集中在利用先進的信息技術(shù)構(gòu)建具有實時性、集成性、敏捷性等特征的協(xié)同分布式的制造執(zhí)行系統(tǒng),以及基于MES的質(zhì)量管理、生產(chǎn)調(diào)度、過程控制和決策分析等方面。

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