PLM系统产品数据建模与过程管理

    PLM(Product Lifecycle Management，产品全生命周期管理)应用于企业内部或有协作关系的企业之间，支持产品全生命周期信息的创建、管理、分发和应用，它能够集成与产品相关的人力资源、流程、应用系统和信息。本文以某大型发动机设备制造企业PLM系统的开发和实施为背景，深入研究PLM系统中产品数据模型的建立，实现过程管理中数据状态的改变。首先，研究并建立PLM中的产品数据模型。

 
    分析产品数据的分类，运用面向对象技术和对象——关系映射技术建立一种产品数据模型，其层次结构依次为：零部件结构、产品模型结构、定型产品结构。在建立产品数据模型结构的基础上，本文从工作流系统结合工程变更管理的角度展开对PLM系统中过程管理的研究。
 
    分析PLM中工作流系统的基本工作原理，提出过程管理的系统模型，实现工作流的可视化建模，并建构过程管理中基于Web的智能体工作流系统结构，成功将Agent运用于工作流系统中。
 
    在分析工程变更管理的基础上，实现PLM过程管理中产品数据状态改变的控制和管理。建立工程变更历史记录的数据表结构，阐述与数据模型结构对应的产品数据在工程变更单中的组织形式，实现工程变更申请单与变更对象的相互结合。
 
    最后，将上述研究成果应用于华中科技大学CAD中心的项目开发中，实现基于.NET和Web服务的多层次智能客户端架构的PLM系统，并展示产品数据模型结构、工作流子系统以及变更管理等三大模块的界面原型与应用实例。

 

 
1.1概述
    随着信息化技术及全球经济的飞速发展，企业竞争越来越激烈，各企业广泛采用各类IT支撑系统，以提高产品设计水平，增强竞争实力，抢占有利市场。目前在国内外正被制造业所关注的产品全生命周期管理(PLM，Product Lifecycle Management)已得到了较为广泛的应用。
 
    PLM以整个生命周期内产品数据集成为基础，研究产品在其生命周期内从产品规划、设计、制造到销售等过程的管理与协同，旨在缩短产品上市时间、降低费用，满足用户的个性化需求，为企业提供支持产品快速设计和制造优化的集成化产品协同与制造系统。但由于PLM是一个发展很快、比较新的信息化领域，关于这一方面的研究成果还不多，而且正在从事这方面研究的一些咨询公司、厂商彼此之间还有一些不同的见解。
 
    产品数据管理(PDM，Product Data Management)出现的时间已经很长了，其功能是PLM中的一个子集，它侧重于对产品开发阶段数据的管理，侧重于对企业内部产品数据的管理，强调以文档为中心的研发过程管理，重点在于建立文档之间的联接。而现代企业经营全球化趋势以及基于Internet电子商务的兴起，需要分布在不同位置的团队成员或合作企业之间实时共享信息，同步地展开工作，PLM能够满足这种需求。
 
    它强调对企业智力财富地充分再利用，侧重对产品全生命周期内数据的管理，强调对产品生命周期内跨越供应链的所有信息进行管理和利用，寻求能够实现在多功能、多部门、多学科、多外协供应商之间的紧密协同，提供的是上下文关联式的、更宽泛和更柔性的信息联合性。
 
    因此PLM中如何组织整个生命周期内的产品数据，实现企业内部与外部的产品数据的集成，实现产品在其生命周期内从产品规划、设计、制造到销售等过程的管理与协同尤为重要，这也是成功推广和实施PLM的前提条件。
 
    这些产品一般都包括文档管理、产品结构管理、用户管理、流程管理、产品配置管理、工程变更管理、项目管理等模块，实现了以文档和零部件为主的产品数据的管理，包括基于文档的工程变更管理以及包括审查和核准等简单操作的流程管理。
 
    但对于产品全生命周期的数据，包括工艺数据、装配制造数据、市场信息以及跨企业的相关信息数据的管理欠缺。即使也实现了变更管理和流程管理，但其柔性不够，跨企业应用时根据不同企业的业务流程和管理模式可配置的灵活度不大。
 
    面对当今瞬息万变的市场，企业自身的产品开发和制造管理也变得愈发复杂，再加上各企业之间的联系和信息共享更为紧密，要使PLM功能得到提升，需要建立一种囊括产品全生命周期数据的模型结构和实现具有较好柔性的变更管理和流程管理。
 
    所以对于现代企业来说，PLM中更需建立产品全生命周期内的数据组织管理模式，不仅能满足静态数据管理的要求，又能对应动态数据的管理，保证统一的企业数据源，保证数据的完整性，并便于提供快速查询的手段，方便获取所需数据。
 
    在此基础上，还要将这些数据的过程管理自动化、便捷化、规范化，使企业对于其内部和企业之间各种业务流程的执行状况、过程记录、结果等能灵活掌握和控制，从而缩短产品开发周期，提高生产效益。基于.NET开发平台和C#语言工具，以及一种新的智能客户端架构体系，对PLM中的产品数据模型的建立以及产品数据的过程管理进行了研究，并将研究成果应用于某大型企业。

 

 
1.2国内外相关技术研究概况
    目前国内外对产品数据管理的建模研究，包括产品数据模型和过程管理模型，各模块相互独立性的研究较多，而将两者结合起来寻求更紧密更统一的模型研究不多。
 
    产品数据模型对产品各相关领域知识、过程、资源和人员的系统工程的综合设计的支持度不够，过程管理对产品开发过程的协调、优化、集成和统一产品数据管理方面等都有待进一步完善和发展。
 
1.2.1产品数据建模的研究现状
    产品设计人员为了描述设计意图，对产品进行表达的方法由来己久。早在手工作坊时代，人们就用自然语言或徒手草图的方法来表示产品的功能和结构，这是最原始的“产品数据模型”，这种用自然语言或徒手草图来进行产品数据建模的方法也是最原始的产品建模方法。
 
    随着工程视图表达法的出现和技术的进步，长期以来，广大的工程人员用它来交流产品信息，在设计者和制造者之间架起一座信息交流的桥梁。计算机技术的迅猛发展使得计算机在制造业的应用越来越广泛，特别是20世纪60年代后，CAD、CAPP、CAM等计算机辅助单元技术得到了飞速的发展，表达产品的方式随之也采用计算机可以识别的模型化的计算机语言，出现了数字图纸。
 
    这时候的产品数据模型从某种意义上来说就是实际的产品在计算机中的描述，而这种描述取决于不同的产品建模工具的具体的数据格式，具体的产品数据就存在于这些建模工具所产生的不同的数据格式中。
 
    这时候，人们的研究重点是用计算机能识别的数学模型来表示产品的几何形状，相继出现了三维线框模型，三维实体模型，参数化模型到第五代的产品建模技术——行为模型。所谓产品数据模型，就是按一定形式组织的关于产品数据的结构，也称产品概念模式或产品数据的逻辑模型。
 
    目前产品数据模型的种类可以概括为面向几何的产品数据模型、面向特征的产品数据模型和集成产品数据模型三类，它们反映了产品数据模型及相应建模技术从简单到复杂、从局部到整体、从单一功能到覆盖整个产品生命周期内各种活动的发展过程。
 
    1)面向几何的产品数据模型产品几何模型经历了二维图形、三维线框、表面模型和实体模型的发展过程，主要由线框、面、实体和混合模型表示，它着重于产品的几何构成，不能表达非几何信息，缺乏产品开发过程中所要求的工程信息。
 
    2)面向特征的产品数据模型80年代后期出现了集几何信息与非几何信息于一体的基于特征的产品数据模型。其存在的主要问题是产品的信息关联性差，模型虽然提供了粗糙度、尺寸公差等信息，但缺乏与几何体、形状特征等之间的必然联系，同时还存在信息不完全、特征定义一致性差，导致特征识别难等问题，对产品生命周期的各个环节缺乏统一的描述。
 
    3)集成产品数据模型90年代后期提出的，它推广了特征的含义，通过广义特征概念(包含了产品生命周期内各种特征信息)解决了CAD/CAPP/CAM集成化中数据的共享和一致性、产品信息不完全等问题。
 
    存在的主要问题是仍然以特征为中心，看问题不自然，缺乏面向对象的思想。建立的模型缺乏层次性，特征类之间的关系不明确。当人们对CAD的需求不再停留于数字化绘图工具，不再满足于产品开发过程中几何信息的交换与共享的时候，支持产品全生命周期的产品数据模型从八十年代后期开始成为热点问题。
 
    随着人们对制造系统作为集成、统一系统的认识的深入和信息技术的发展，产品建模进入了面向特征的阶段。Gu等研究了一种分层次的产品模型，顶层是产品，接着是产品的装配、零件，零件则是构造装配件的基本要素，每个零件包含的信息有几何形状，材料和公差信息，但是该层次系统缺少数据封装性，扩充起来易相互影响，不利于模型的扩展。
 
    基于特征产品建模虽然能够有效地描述产品的局部信息，而对产品的全局性信息描述不够，如产品间的装配信息，同时还强调：产品建模的标准化仅仅依靠特征，还不能完全描述人们在开发产品全部的活动中所得到的知识成分及结构。
 
    因而，Gu等将基于特征的建模拓展成了产品建模语言，它包括五个层次：产品层、部件层、零件层、形状特征层和特征边界层。在国内，学者们除了研究基于特征的和基于STEP的产品数据模型之外，还提出了一些其它的产品数据模型，苏宝华对面向大量定制生产的产品建模理论、方法及其应用进行研究，提出了PMFMC的体系结构；顾新建，祁国宁等人提出了产品信息基因模型的框架，采用三层结构描述产品模型。
 
    中外学者围绕集成的产品数据模型也作了大量的研究工作。BaxterJE等提出了一个基于需求的产品数据模型，该模型有两条主线：一条是描述产品功能，以需求为驱动，以功能满足需求，并利用功能分解来深化产品设计；另一条是描述产品结构，即产品的零部件构成。
 
    TolmanFP和Gielingh WGeneral等提出了基于产品定义单元(PDU)的集成核心模型。PDU是产品中具有某种工程含义的基本数据单元。该模型以PDU的六个层次对应产品的六个设计阶段，可以在产品模型中详细记录产品开发过程，但是不能很好的将功能和结构相结合。
 
    周受钦、谢友柏等提出了基于功能的产品模型，它将产品信息分成功能层、广义零件层和广义结构层等三个层次。功能层由产品设计过程中各种功能单元组成；广义零件层完成特定功能所对应的零、部件；广义结构层描述特定功能所对应零件的细节。
 
    陈俊等提出了关系性产品模型(Relation-based Product Model，RPM)，RPM是定义和表达可重用的产品数据及其数据关系的产品模型，它适用于订单规划。RPM在逻辑上划分为设计、工艺、制造和成本等子模型，关系是子模型内部及子模型之间的数据关系的抽象，各个子模型的产品数据由事物特性定义与表达。
 
    中外学者分别从不同的角度对产品建模技术进行了探讨，一个共同特点是通过集成产品数据模型实现产品信息的共享，这些产品建模技术和建模方法在一定程度上解决了产品设计过程中产品模型结构的创建、表达、管理和交换等问题，但是随着产品复杂性的日益增加，以及企业间协作的紧密性使得产品数据在全生命周期中的变化更加复杂，这些产品建模技术和建模方法存在其不足，这些不足主要从以下几个方面表现出来：
 
    1)对产品早期设计的支持不够产品早期设计在整个产品开发过程的作用越来越重要，产品早期设计是指产品在进行详细设计之前的设计过程，包括产品的需求设计、概念设计和方案设计，产品早期设计是整个产品设计过程中的一个非常关键的阶段，它直接决定产品的创新程度。
 
    在产品设计过程中，早期设计阶段决定了产品的总体性能、成本、体积、重量等外观尺寸形状是否满足用户的需求，是否满足企业预定的战略需求和产品的可生产性。
 
    总之，产品早期设计阶段是对产品总体方案的设计，而后续的产品开发过程只是对这些设计方案的具体化和实现，同时在产品的早期设计阶段，由于对设计人员的约束相对较少，具有较大的创新空间，因此产品的早期设计阶段从总体上决定了产品的开发、生产、使用、维护的基本特点，是整个产品生命周期中最有价值、最具决定性的阶段。
 
    产品早期设计越来越受到设计者的重视，必然导致了对产品早期设计计算机支持工具的需求，而产品建模方法和产品建模工具是各种产品设计计算机支持工具的基础，但是现有的产品建模方法和建模工具大多集中于产品详细设计阶段，主要偏重于对产品的组成结构、构成产品的零部件的特征和几何的建模和管理；而在一些集成产品模型中加入了部分产品概念设计阶段的信息，如对产品的功能、行为和结构的建模和映射，但是这些建模方法和建模工具都没有将产品的早期设计作为一个整体进行考虑，也无法对产品早期设计过程进行支持，导致了在早期设计过程中产品信息的不完整。
 
    2)以静态的产品结构为主，无法支持产品数据模型的动态演变现有的产品数据模型大都是以静态的产品结构为主来组织产品数据的，这种通过产品结构组织产品数据的方法有利于数据的管理和操作。
 
    但是，对于复杂的产品数据的变化，仅仅依靠静态的产品结构显然是不够的，在整个产品开发的生命周期中，产品数据是动态的、不断发展和演变的过程。在产品生命周期的不同时刻，具有不同的产品结构。
 
    3)对产品设计过程的支持不够在产品开发的生命周期中，产品设计过程与产品数据模型之间存在着紧密地联系：产品设计过程中创建并使用产品数据模型；产品数据模型又对产品设计过程提供数据支持。
 
    产品数据模型和过程模型这两者涉及的数据对应一致一直是产品数据管理中一个难以解决的问题。产品数据模型的研究进展说明对产品的信息描述，不能仅从信息集成的角度研究各应用阶段的产品信息表示，还应研究数据模型和设计过程的关联和演化。
 
    不同的产品信息表示适合于不同的设计方法处理，不同的设计方法决定了不同的设计过程演变。产品数据模型与项目模型、过程模型和产品数据模型的集成问题是产品开发设计过程集成的两项关键技术。
 
    4)缺乏对概念设计过程中的多学科优化与仿真的支持复杂产品通常涉及机械、控制、电子、液压、气动和软件等多学科领域，其每个部件、子系统通常是由学科领域的零部件组成。
 
    仿真通过对所要研究系统模型的开发，帮助人们了解系统的行为，不管该系统是真实的还是假想的，使人们在产品设计阶段即可对产品行为进行全面的分析，并有可能根据产品行为进行优化设计。
 
    复杂产品由于自身的复杂性、开发难度大，时间长、成本高，因此要求将仿真应用于其设计中，使企业能以更短的时间、更高的质量、更低的成本推出自己的产品。复杂产品仿真中的产品建模，首先将多个模型零件装配成为模型部件，再将模型部件装配成为模型子系统，最后再将模型子系统装配完成一个完整的产品仿真模型。
 
    将仿真和优化用于复杂产品设计所获得的产品模型，其内容已远远超出传统建模得到的静态产品信息。
 
1.2.2产品数据过程管理的研究现状
    PLM的过程管理用来定义和控制数据操作的基本过程，主要控制数据的流向、数据的创建和更改。在全球化市场下，一个企业要想适应外界环境的迅速变化，要能在激烈的竞争中求生存、求发展，就不仅要采用先进的科学技术，而且要尽快地改变与现代化生产经营不相适应的管理方法，企业应建立起便于对外部环境变化做出灵活反应的管理机制和组织结构。
 
    而为了应对这种趋势，在八十年代，以日本为首的发达国家纷纷改善生产管理，提出了基准定位、业务过程重组等管理理论和方法。在此基础上，很多学者对业务过程重组理论进行了改进，提出了过程管理(Process Management)理论和方法，并已在美国、英国、德国等国家的企业中开展了实施和应用。
 
    在过程管理中，过程建模是过程诊断、过程设计、过程仿真优化以及决策支持的基础，是过程分析和过程改进的重要依据。因此，过程建模在整个过程管理中有着重要的作用，国内外对过程管理研究的重点主要集中在过程建模方面。
 
     产品开发过程建模是指对产品开发过程进行描述、分析和重组，是在信息集成的基础上，实现企业过程集成，进一步实现企业间集成的基础，是支持产品开发过程管理，进一步实现过程优化和过程改造的关键。产品开发过程建模对企业信息技术的引进和管理的提高起着重要作用。
 
    李冰等从并行工程的基本思想出发，讨论了一种集成的产品模型—数据驱动的过程模型。该模型以过程为核心，以数据为驱动源，对产品开发过程中所涉及的各种信息实现统一、动态的描述和管理。
 
    张思荣等在产品设计过程中引入类似于操作系统中进程的概念，提出了基于进程的产品设计过程管理模型，分析了设计过程管理中设计人员、设计数据和设计进程管理等技术。
 
    并讨论了设计人员权限管理和产品设计数据分区管理的内容和方法，以及从进程状态转换的角度讨论了设计进程的控制和管理，提出了设计进程的定义方法及其相关过程和信息的描述和表达模型，提供了一种对产品设计过程进行建模分析的新方法。
 
    马恒等在产品数据管理(PDM)系统中提出了一种以产品结构为基础的工作流管理模型，把管理静态数据的产品结构管理和管理动态数据的工作流管理紧密地联系起来，以实现对电子数据地完整表达、有序组织和高效利用。
 
    这种以产品结构为基础组织工作流的思想更符合产品数据管理的内在特性，不过其提出的成果还只是理论模型层次，还没有具体的实现机制。吴柞宝等建立了表达产品开发过程的功能、行为、组织和信息要素的过程模型。用产品模型数据交换标准(STEP)建立了产品与开发过程间的关系，用面向对象方法建立了产品和开发过程的集成机制。
 
    开发了支持IPPD的工程框架系统，它由产品数据管理层、开发工具层和过程管理层组成。产品数据管理层提供有效的集成信息环境，开发工具层由许多单独的产品开发软件组成，这些软件封装在数据管理层，根据建立的过程模型，过程管理层仿真和控制产品开发过程，并在工程框架系统中有效地实现了产品和开发过程集成。
 
    这个过程模型主要还停留在工程框架层次，如果要到具体实用阶段，还需要层次上进一步细化来实现它。还有一些学者以对产品设计过程的理解为背景，对过程管理的研究基本采用工作流的形式描述。
 
    由此派生出多种描述任务顺序、串行并行和逻辑关系的工作流方法，如美国西弗吉尼亚大学的并行工程研究中心(CERC)提出的五类活动描述法和美国空军阿姆斯特朗实验室提出的IDEF3以及Kusiak的矩阵分析再造工程等。
 
    文献提出了一种扩展的工作流模型，将传统的工作流模型按灵活性、功能完备性和自治性进行改造，使其能适应复杂的管理模式，实际上是将工程变更管理的部分功能转移到工作流管理中。

 

 
1.3课题的提出和本文的工作
    从以上的研究概述可以看出，过程管理的研究大都还在框架阶段，实现层次上的细化不够，其内部实现机理还有潜力可挖。而且很多研究对产品数据管理的核心——产品数据的模型结构挖掘不够，还停留在相似领域的研究上，给产品数据的过程管理的实际实现支持度不够，而这些将是本文研究可以深入发展的方向。
 
    数据和过程是产品开发过程中相互联系、不可分割的两个方面，数据管理是指对产品全生命周期的数据进行管理，过程管理是对产品数据的生成过程进行管理和控制，过程管理需要和数据管理集成。
 
    由上述所知大多数PDM/PLM系统在一定程度上满足了企业对于产品数据模型的管理和以工作流形式实现的过程管理的要求，然而设计失误、市场需求的不断变化，以及协作厂商和供应商的变化要求产品静态数据和动态数据的管理都能动态地适应和满足这些具体情况的运用。主要存在如下问题：

    1．现有研究和应用注重设计过程，但没有结合具体企业的管理模式实现设计过程与设计过程管理的区别和联系。没有统一的过程管理理论框架，过程管理的内容、管理要素、方向和目标不太明确，不利于设计过程管理的实施。
 
    2．产品数据的模型结构与过程管理脱节，商品化产品数据管理系统只解决了产品数据管理中一般性的存储与查询问题。忽略了不同工作流实例以及实例中数据的相关性，在协同开发环境下难以维护产品数据在过程管理中的复杂联系和一系列变化。
 
    3．许多研究仍局限于部门或企业范围，跨企业的合作也主要是基于供应链的供销关系，对跨企业的设计过程管理研究甚少。
 
    4．管理上主要采取的是集中单一的管理模式，只管理与企业自身产品的相关信息，缺乏有效地获取和组织用户、供应商和协作厂商等相关数据的手段，系统可扩展性差。
 
    基于以上所述，本文主要研究并建立了适应协同开发的产品数据的面向对象的层次模型结构，以及与数据模型紧密相关的过程管理模型，实现了产品结构的可配置和产品全生命周期数据状态改变的控制和管理，便于设计更改与重用。
 
    本文的研究成果成功地应用于重庆某大型中外合资企业的产品全生命周期管理中，为提高其产品开发和生产管理水平做出了一定贡献。作者在攻读硕士学位期间，系统地阅读了大量相关PDM/PLM的文献，深入了解了产品数据的结构模型和过程管理的技术背景，并参加了商品化PLM系统的开发项目，主要参与了PLM系统的定制开发、测试、实施和相关技术文档的撰写工作，深入了解了企业信息化方面的实际需求和应用情况。本文在理论方面的研究成果和实践方面的探索总结如下：
 
    1)研究了Web环境下面向对象的产品数据模型的层次结构，对企业产品数据从设计、生产到销售各阶段的分类管理，实现了基于零部件的产品结构的可配置。
 
    2)建立了零部件版本以时间点衡量的管理形式，可便捷、快速查询设计历史和设计更改历史，可以选择组合条件检索当前指定时间点的产品数据的结构关系和状态。
 
    3)以某大型企业的生产管理和组织模式为背景，分析其业务需求，构造了过程管理基于PLM工作流和变更系统的模型结构。
 
    4)利用面向对象技术和权限方面的研究基础，建立了各层次结构的数据在PLM系统的工程变更单中的表达和组织形式，实现了对象在过程管理中的状态改变和动态权限的控制。
 
    5)在相关理论研究的基础上，进行了企业定制的CCEC－PLM系统的开发，该系统已被成功实施运用于重庆某大型企业的产品开发和生产管理过程中，并取得了良好的经济效益和社会效益。