中小企业MES系统数据库设计

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版本：V1.0
日期：2025年5月2日

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一、数据库架构概览

1.1 数据库选型

数据类型	数据库类型	技术选型	用途
时序数据（传感器读数）	时序数据库	TimescaleDB	存储设备实时监控数据
结构化业务数据	关系型数据库	PostgreSQL	工单、质量、设备等核心业务数据
非结构化数据	对象存储	MinIO	质检图片、SOP文档等
实时缓存	内存数据库	Redis	看板数据、会话状态

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二、核心表结构设计

2.1 生产执行模块

工单表 (work_order)

字段名	类型	约束	描述
order_id	VARCHAR(36)	PRIMARY KEY	工单唯一标识
product_code	VARCHAR(20)	NOT NULL	产品型号
plan_qty	INTEGER	CHECK>0	计划数量
priority	ENUM(‘H’,‘M’,‘L’)	DEFAULT ‘M’	优先级
status	ENUM(‘Created’,‘Scheduled’,‘Running’,‘Completed’,‘Closed’)	NOT NULL	工单状态
start_time	TIMESTAMPTZ		实际开始时间
end_time	TIMESTAMPTZ		实际结束时间

工序表 (work_step)

字段名	类型	约束	描述
step_id	SERIAL	PRIMARY KEY	工序自增ID
order_id	VARCHAR(36)	FOREIGN KEY REFERENCES work_order(order_id)	关联工单
seq_num	INTEGER	CHECK>0	工序顺序号
equipment_id	VARCHAR(20)		绑定设备编号
target_cycle	FLOAT		标准节拍（秒/件）

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2.2 质量管理模块

质检记录表 (quality_inspection)

CREATE TABLE quality_inspection (
  inspection_id UUID PRIMARY KEY,
  order_id VARCHAR(36) REFERENCES work_order(order_id),
  step_id INTEGER REFERENCES work_step(step_id),
  defect_code VARCHAR(10) NOT NULL,  -- 缺陷代码
  severity_level SMALLINT CHECK (severity_level BETWEEN 1 AND 5),
  inspector VARCHAR(32),
  created_at TIMESTAMPTZ DEFAULT NOW(),
  CHECK (
    (defect_code = 'OK' AND severity_level IS NULL) 
    OR 
    (defect_code <> 'OK' AND severity_level IS NOT NULL)
  )
);

SPC数据表 (spc_data)

字段名	类型	约束	描述
sample_id	UUID	PRIMARY KEY	采样数据ID
parameter_name VARCHAR(50)	NOT NULL	监控参数名（如"直径"）
measurement	FLOAT	NOT NULL	测量值
usl	FLOAT		规格上限
lsl	FLOAT		规格下限
collection_time TIMESTAMPTZ	NOT NULL	采集时间

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2.3 设备管理模块

设备表 (equipment)

CREATE TABLE equipment (
  equipment_id VARCHAR(20) PRIMARY KEY,
  name VARCHAR(50) NOT NULL,
  type VARCHAR(20) CHECK (type IN ('CNC','AGV','Sensor')),
  protocol_type VARCHAR(20) NOT NULL,  -- 协议类型（OPCUA/Modbus等）
  ip_address INET,
  last_maintenance_date DATE,
  oee_target FLOAT CHECK (oee_target BETWEEN 0 AND 1)
);

维护记录表 (maintenance_log)

字段名	类型	约束	描述
log_id	SERIAL	PRIMARY KEY	维护记录ID
equipment_id	VARCHAR(20)	REFERENCES equipment(equipment_id)	设备ID
maintenance_type ENUM(‘Preventive’,‘Corrective’)	NOT NULL	维护类型
	downtime_duration INTERVAL	NOT NULL	停机时长

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2.4 时序数据表（TimescaleDB超表）

传感器数据表 (sensor_data)

CREATE TABLE sensor_data (
  time TIMESTAMPTZ NOT NULL,
  device_id VARCHAR(20) REFERENCES equipment(equipment_id),
  sensor_type VARCHAR(20),
  value DOUBLE PRECISION,
  status_code SMALLINT
);

-- 转换为TimescaleDB超表
SELECT create_hypertable(
  'sensor_data',
  'time',
  chunk_time_interval => INTERVAL '1 day',
  partitioning_column => 'device_id',
  number_partitions => 16
);

-- 创建压缩策略
ALTER TABLE sensor_data SET (
  timescaledb.compress,
  timescaledb.compress_orderby = 'time DESC',
  timescaledb.compress_segmentby = 'device_id'
);

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三、索引设计

3.1 关系型数据库索引

表名	索引字段	类型	用途
work_order	(status, start_time)	复合索引	快速查询进行中工单
quality_inspection	(order_id, defect_code)	复合索引	缺陷统计分析
equipment	(type, protocol_type)	GIN索引	设备类型快速检索

3.2 时序数据库索引

-- 时间范围查询优化
CREATE INDEX idx_sensor_time ON sensor_data (time DESC);

-- 设备维度查询优化
CREATE INDEX idx_sensor_device ON sensor_data (device_id, time DESC);

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四、数据分区策略

4.1 关系型数据分区

-- 按时间范围分区（工单表）
CREATE TABLE work_order_2023 PARTITION OF work_order
  FOR VALUES FROM ('2025-01-01') TO ('2026-01-01');

-- 按设备类型哈希分区（设备表）
CREATE TABLE equipment_cnc PARTITION OF equipment
  FOR VALUES WITH (MODULUS 4, REMAINDER 0)
  WHERE type = 'CNC';

4.2 时序数据压缩

# TimescaleDB压缩策略
compression:
  segment_by: device_id
  order_by: time DESC
  chunk_time_interval: 1d
  compression_algorithm: zstd

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五、安全设计

5.1 权限模型

-- 角色定义
CREATE ROLE production_manager;
GRANT SELECT, UPDATE ON work_order TO production_manager;

-- 行级安全（RLS）
ALTER TABLE quality_inspection ENABLE ROW LEVEL SECURITY;
CREATE POLICY qc_policy ON quality_inspection
  USING (inspector = CURRENT_USER);

5.2 审计日志表

CREATE TABLE audit_log (
  log_id BIGSERIAL PRIMARY KEY,
  table_name VARCHAR(50) NOT NULL,
  operation_type VARCHAR(10) CHECK (operation_type IN ('INSERT','UPDATE','DELETE')),
  old_record JSONB,
  new_record JSONB,
  user_name VARCHAR(50) NOT NULL,
  operation_time TIMESTAMPTZ DEFAULT NOW()
);

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六、性能优化设计

6.1 物化视图

-- OEE每日汇总
CREATE MATERIALIZED VIEW daily_oee
AS
SELECT 
  equipment_id,
  time_bucket('1 day', time) AS bucket,
  AVG(availability) AS avg_availability,
  AVG(performance) AS avg_performance,
  AVG(quality) AS avg_quality
FROM oee_calculations
GROUP BY equipment_id, bucket
WITH DATA;

-- 每日定时刷新
SELECT add_continuous_aggregate_policy('daily_oee',
  start_offset => INTERVAL '3 days',
  end_offset => INTERVAL '1 hour',
  schedule_interval => INTERVAL '1 day');

6.2 查询缓存

-- 高频查询结果缓存
CREATE TABLE query_cache (
  cache_key VARCHAR(128) PRIMARY KEY,
  result JSONB NOT NULL,
  expires_at TIMESTAMPTZ NOT NULL
);

-- 索引加速缓存查询
CREATE INDEX idx_cache_expiry ON query_cache (expires_at);

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七、数据字典

7.1 关键枚举值

表名	字段名	枚举值
work_order	status	Created/Scheduled/Running/Completed/Closed
equipment	type	CNC/AGV/Sensor
maintenance_log	maintenance_type	Preventive/Corrective

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设计验证要点：

1. 时序数据写入：测试500设备持续写入时，TimescaleDB的吞吐量是否≥10万数据点/秒
2. 复杂查询响应：验证跨工单-工序-质检的关联查询在1亿数据量下的执行计划
3. 分区切换：模拟年度数据归档时，新分区自动创建是否正常

该数据库设计通过以下创新点支撑系统需求：

• 混合存储策略：结合关系型与时序数据库优势，平衡事务处理与时间序列分析需求
• 动态压缩：TimescaleDB自动压缩策略降低存储成本70%+
• 多级安全：行级安全（RLS）+ 列权限控制实现细粒度数据访问