PLM系统产品结构与配置管理

3.1 概述
    产品结构与配置管理作为产品数据组织与管理的一种形式，它以电子仓库为底层支持，以材料明细表为其组织核心，把定义最终产品的所有工程数据和文档关联起来，实现产品数据的组织、管理与控制，并在一定的目标和规则约束下，向用户或应用系统提供产品结构的不同视图和描述，如设计视图、装配视图、制造视图、计划视图等。产品结构与配置管理包括产品结构管理和产品配置管理两部分。

 
3.2 产品结构管理
3.2.1 产品结构管理定义
    PLM中的产品结构管理(PSM)以整个扩展企业为整体，以产品为核心，用来维护产品本身的结构关系，并围绕产品的构成关系，通过把产品分解为部件和零件，再把部件进一步分解成子部件和零件的方法组织和描述一切与产品相关的数据，是产品生命周期中各种功能和应用系统建立直接联系的重要工具，也是涉及过程进展的直接体现者，如图1所示。

图1 PSM在产品全生命周期中作用

    其主要功能是对产品的概念设计结构、功能模块组成结构、机械组成结构及材料清单BOM进行管理，提供一种组织、控制和管理数据的机制。
 

3.2.2 产品结构管理的组成部分
3.2.2.1 产品结构层次关系管理
    产品结构管理中的层次关系主要满足对单一、具体产品所包含的零部件的基本属性的管理，并维护它们之间的层次关系。系统提供的产品结构管理模块，以树形视图的方式提供建立和管理产品结构层次关系的功能。用户可以很方便地浏览产品结构树的整体层次结构和查询各个节点的描述信息。
 
    在产品结构树中，每个零件、部件对象都有自己的属性，如零(部)件的标识码、名称、版本号、数量、材料、类型(自制件、外购件、外协件等)。在系统中查询零部件时，可以按照单个或多个属性进行单独或联合查询，以获得零部件的详细信息，如按照类型为“外购件”属性进行查询，可以获得采购部门关心的信息。
 
    通过建立零件和部件问的关联关系建立产品结构的层次关系。通常随着产品复杂度不同，这种层次关系少则两三层，多则六七层。在设计、生产过程中，产品的构件经常会发生修改的情况，不仅有个别属性的修改，甚至还有结构关系的修改。
 
    在系统中，如果修改情况较简单时(还未形成版本时)，可直接修改；复杂的情况(如对以发布或归档的版本的数据进行修改)则需要按照工程更改规定的过程进行。图2给出了产品结构及其基本属性的示例，图中表示了产品零部件之间的层次关系及每个节点包含的相应属性。

图2 产品结构层次关系
 

    产品结构树可以分层展玎走不同的分支，直观得找到自己所要的数据，而不用考虑其物理位置；还可以自由选择结构树的分解层次树，展开自行设定的层次中的零部件在需要时可以输出相应的BOM。
 

3.2.2.2 零部件与相关文档的管理
    在产品的整个生命周期中，与产品相关的信息数量巨大(包括材料报表、工艺卡片、几何模型、设计规范、NC代码、有限元分析数据等)，并且种类繁多(包括图形文件、文本文件、表格文件、多媒体文件等)。
 
    在系统中，文档与对象(产品、部件、零件)是关联的，如图3所示。必须进行文档的分类管理以提高管理与查询的效率，因此在PLM系统中，还需要有文档管理模块。并将其与产品结构管理模块关联起来，实现对产品全部信息的统一、一致的集成化管理。

图3 零部件与文档的关系

3.2.2.3 产品结构与合作伙伴关系的管理
    在PLM系统中，产品结构管理面向的是不同的扩展企业成员(供应商、制造合作商以及客户团体内的用户等)，这些合作伙伴司以在天南海北任何地方，只要他们是合法用户，那么他们就能根据自己的权限取得需要的数据；另一方面系统的零部件及供应商库也为设计人员在更大的范围内选择供应商及其产品提供了便利。
 

3.2.2.4 版本管理
    产品开发是一个反复迭代和不断优化的过程，具有反复性，尝试性、交互性和发展性等特点。在企业内部各部门甚至扩展企业成员协同产品开发过程中，一个产品的某些数据可能被多个专业人员所使用，一个专业人员也可能生成一个产品的多个版本，所以系统中需要有强有力的版本管理机制，使授权人员能够随时访问相关数据。并保证列数据的修改能够及时反映到每个用户盼视图中。版本管理通过对。版本变化过程的控制来维护工程设计信息的一致性，给设计中的修改提供有效的支持。
 
    在PLM系统中，由于系统数据面向的是整个扩展企业的相关人员，所以同一时间可能有多个用户操作同一对象，使得版本具有以下特点：
 
    (1)多版本
    多版本是指某一个设计对象在某一时刻存在多个不同的版本。这种现象的出现是由于协同开发环境在空间和时间上的分布性而造成的。协同产品开发过程是一个多领域专家合作产生和确定产品设计方案的过程。在这个过程中，不同领域的设计者从各自的出发点考虑，会生成同一个设计对象的多个版本。
 
    这些同时产生和存在的版本其地位是平等的，最终将会合并成为一个统一的版本，同时，产品开发的过程又是一个不断迭代优化的过程，对产品设计的每一次修改都会产生一个新的版本。产品版本多次变更。这个过程中要保存多个版本作为企业知识资源，以便了解产品设计变更历史，供后续的产品开发作借鉴。这种出于产品设计的继承性产生的多版本也是企业产品多版本性的重要来源。
 
    (2)动态性
    动态性是指产品版本产生后并不是一成不变的，它的状态在生命周期中不断发生着变化，对版本进行操作可以改变其状态。版本生命周期及状态转变如图4所示。

图4 产品版本的全生命周期

     其中处于设计、待校、待批、应用四种状态的版本可以称为工作版本。开发过程中产生的某些版本转入保存状态供以后设计参考，它们分为两种情况，一种是经过批准可以实际应用的版本，另一种是由于不满足设计要求而被否决的版本。
 
    存档状态的版本若确定不会再被使用或借鉴，则可以被删除。但从保存设计历史完整性的角度出发，对当前系统中存在的所有产品，其每次修改生成的版本都应当保存。这种情况下，可以删除该版本的内容，但保存其描述信息，此时该版本即处于“空”状态。
 
    (3)关联性
    关联性首先是指产品版本的各个配置项之间存在相互关联、整个工程对象的一个有效版本是各个子对象当前有效版本的复合。零件、部件的版本复合生成整个产品的版本树。各对象之间存在的约束关系也反映到版本关系上。
 
    如在某个部件版本中若某零件版本的一个尺寸发生了变化，则要求与其有装配关系的零件相应尺寸也随之变化，以维护各个零件之问的装配约束。关联性的另一个反映是产品版本的演变过程，即新产品的版本是从旧版本基础上发展而来的，与旧版本存在继承关系。
 
    (4)多视图化
    复杂产品包括数量众多的零件和部件。各零件或部件的特定版本复合构成产品的树状配置视图。同时，系统中每个产品对象本身又是经过多个版本的演化过程而来的，这些版本构成了产品版本的演化视图。
 
    版本配置视图和版本演化视图相互交叉，从不同角度展示了产品版本之间的关系。版本配置视图的每一个节点都可以展)T成为自身的版本演化视图，而版本演化视图中的每一个节点又可以展开自身的版本配置视图。两视图之间的关系如图5。

图4 产品版本演化视图和版本配置视图之间的关系
 

     在PLM系统的产品结构管理模块中，提供了三种版本模型，如图6所示，分别支持产品设计过程中简单产品设计、复杂产品不同设计方案的比较选择与设计方案的合并与分解。基于版本模型按照不同的版本约束条件，可以向用户展示各种版本条件下的产品结构树。这一技术与电子仓库管理技术结合起来．可以高效管理与控制产品开发的历史与状态。

图6 产品版本模型

    线性版本模型是最简单的模型，如图6(a)，它是根据版本产生的时间顺序依次排列的。当产生一个新版本时，系统自动赋予一个新的版本号。线形模型能够很好地描述版本顺序产生的情形，其缺陷是不能区分是新设计产生的版本，还是在前一个版本的基础上修改的版本，即它不能用于有多种可选设计方案的情况。
 
    树状结构版本模型正好能够弥补线性版本模型的缺陷。在该模型中，一个特定的路径就反映了一种设计方案的版本繁衍过程图6(b)表明了某对象具有两种设计方案，在B版的基础上形成了可选C版本和E版本：在C，E基础上分别有修订后的D版本和F版本，既是其版本的修订版本，又是两种设计方案的终止版本。
 
    在传统企业产品开发过程中，线性或树状版本模型完全能够满足表达和记录产品设计历史的需求。但是PLM系统中的产品设计过程是多组织、多领域专家协作进行产品开发的过程，这样最终确定的版本往往是在综合考虑各方面意见，合并各个版本的结果。
 
    这时产品版本演化过程就会出现某个节点有多个父节点，某个节点又会有多个子节点的网状。这种情况是线性和树状模型都无法表达的，这时应采用如图6(c)所示的有向无环图版本演化模型。
 

3.3 产品配置管理
3.3.1 产品配置的概念
    在企业中，不同部门需要不同的产品结构组织视图，比如制造部门关心如何完成产品的装配和测试，需要什么材料，按什么顺序：经营计划部门需要成本分析，什么时候使用什么零件，需要多少钱．对应于产品生命周期的不同阶段，不同的物料清单(BOM)代表了周一产品从不同角度定义的信息。
 
    我们知道，在企业中，每一个新产品必然承袭了老产品的部分成果，同时，新产品本身又由若干分系统组成，相互之间有一定的约束关系。把一个具体产品按照内部的所有零部件数量、性质及相互关系编组，称为产品配置。
 
    产品对象之问的联系不仅包括产品、部件、零件之阿多对多的装配关系，而且还包括其他诸如制造、成本、维护等相关数掘。产品配置管理能够在产品结构管理的基础上，实现版本控制，迅速改变产品结构，并高效、灵活地查询与检索最新的相关产品信息，实现产品数据的安全性和完整性控制。
 
    产品配置管理还能够使企业内部的各个部门以及企业外部的制造商、供应商、台作伙伴和客户等在产品的整个生命周期内共享统一的产品配置，对应不同阶段生成相应的产品结构视图。
 

3.3.2 PLM中产品配置的特点
    在产品的设计和制造过程中，扩展企业中的各成员企业要注重本企业的质量特性与其他公司质量特性相匹配，因此，无论盟主企业还是盟友企业，都会对企业的产品设计和制造过程有新的要求和信息反馈，从而使PLM中的产品配置具有以下几方面的特点：
 
    (1)可截断性PLM中的产品配置，是根据扩展企业的资源和能力构成，并开放给各个盟友的。盟主企业出于产品知识产权、经济利益等方面的考虑，不可能也没有必要将产品结构和配置的全部信息供所有盟友企业共享，因此，供应链上各盟友企业得到的仅仅是被截断了的产品数据。
 
    (2)可重构性对于部件级的供应商来说，如果盟主企业仅仅提供该部。件的产品数据，往往不能满足盟友企业在质量管理工作中的信息要求，这时需对产品结构BOM中该部件的上层和下层零部件、产品装配BOM中该部件相邻零部件信息进行重构，根据盟友：企业的需求对产品配置数据加以过滤，集成面向各盟友的不同的子产品配置数据。
 
    (3)动态性通常的产品配置数据是系统环境中经项目管理确认后形成的。在这一过程中，虽有信息的反馈、过程的重复、数据的刷新，但每一过程完成后数据便冻结，产品配置数据相对固定。而在PLM中的配置管理中，由于盟友企业的情况干变万化，产品数据可能会随时变化(例如客户需求的改变、供货商的改变、价格的改变、合同的改变、技术要求的改变等等)。
 
    (4)模块化模式对盟主企业来说。产品配置的结构组合一定是多层的模块化BOM；但对盟友企业来说，由于扩展企业联盟的不确定性，盟主企业确定的这些多层的模块化BOM，有可能满足盟友企业的需求，但也可能不满足盟友企业的需求。当不满足时，通过重构实现新的BOM。对于客户来说，多层的模块化BOM是适应客户个性化需求的有效方式。
 
    (5)离散性与异。构性通常，PDM管理的是公共平台的CAD环境，如一致的CAD造型系统、CAC分析系统、CAPP工艺设计系统等。但是，PLM面向的是各联盟企业，在地域上不可能要求集中于一个大院，在数据格式上不可能要求有共同的软件平台，在时间上不可能时时刻刻处于盟主企业的监控之下。
 

3.3.3 产品配置规则
    产品配置主要是通过建立配置规则来实现对产品结构变化的控制和管理的，产品结构配置规则是在进行产品配置时选择零部件的准则。配置规则的建立有助子减轻设计人员的负担，并提供对用户的帮助，用户无须了解产品的细节，用一个完整产品结构可以配置出非常多的具体产品结构，人工为每种产品定义一个产品结构很不切合实际。因此需要定义一组条件及规则，根据这些条件或规则构造不同的产品，由系统自动配置出适当的产品结构。
 
    市场全球化环境下的产品形成过程，不是每一个扩展企业成员设计与制造过程的简单叠加，而是通过一个相当复杂的过程网络来实现的，所以盟主企业对产品配置的管理，必须通过过程网络进行控制。
 
    从盟友企业的角度看，只有在公司内部贯彻实施与其他盟友，特别是与盟主一致的产品配置，并采用并行的工作方式保证产品设计、制造阶段的质量，才能满足盟主对质量的要求，完成盟主的产品在功能、成本、质量等方面的配置要求，才能快速响应来自盟主、其他盟友乃至用户的信息反馈。因此，PLM系统中的产品配置规则可以采用以下几种形式。
 

3.3.3.1 多层次的发放状态配置规则
    扩展企业成员在共同从事产品开发的流程中，发放状态BOM表具有以下特点：

    (1)层次特点图3．7列出了设计阶段的发放状态层次；

    (2)过程特点某一零部件由设计、校对、审核、批准、盟友企业的部件归档到盟主企业的产品归档，其版本的版次不断变化，也就是说，这些版次具有不同的发放状态，如已通过设计发放，即该版次的结构己得到审核和批准，被发放过程自动标志为“设计发放完成状态”，或称为“设计完成”；已通过制造发放，即该版次不仅通过了结构合理性的审批，而且其工艺合理性和制造合理性也已经通过了各级审批，被自动标志为“工艺发放完成状态”，或简称为“工艺完成”；在“设计完成”和“工艺完成”两种状态之间，还可以具有多种中间状态，例如，某中间状态下的BOM可用于盟友企业进行原材料的定购、用于承担部件的盟友企业进行工艺装配的设计参照等等。
 
    盟主企业可以指定不同的产品零部件的版次状态，生成所需要的BOM视图。盟友企业通过产品配置管理提供的超越列表的功能，将正式发放的条目纳入BOM，以便安排工作计划，同时超越列表提供了对两种BOM进行比较的功能，以考察添加几个条目版次所带来的影响，对新的设计方案进行评估，并向盟主企业反馈信息。
 

3.3.3.2 有效性配置规则
    有效性标志具有两种类型：

    (1)依据标志的参考该有效性标志又分两种，一是标志某个发放状态的条目版次在某个时问段或某几个时间段生效，即通过时间实行有效性控制；二是标志在某个系列号区间或某几个系列号区间的产品上有效，即通过序列数实行有效性控制；
 
    (2)所附属的对象按照标志的参考不同来分，后一种方式在航空企业用得最多，如国内的飞机制造企业常常将有效性指定为从某架次到菜架次起有效。如果有效性体现在几个时间段或者几个系列号区州，那么，该有效性标志对象可以具有多一个有效段，从而构成有效段列表。
 
    有效性标志与状态标志的不同之处在于：①状态标志只是条目版次的一个属性，而有效性标志是一个独立的对象：②状态标志只附属于某个条目版次，而有效性标志则既可以附属于某个条目版次，又可以附属于某个连接对象。例如，装配关系连接对象是用于表达某个父件与子件组成关系属性的数据对象，如果某个对象上没有连接有效性标志，则表明该数据对象没有有效性限制条件，即在所有时间段都有效，并且适用于所有系列号的产品。
 

3.3.3.3 变量配置规则
    通过分析PLM系统的产品配置需求特点可知，面向不同盟友的子产品配置信息，不仅是简单地对产品配置信息的截断，常常需要按照变量配置BOM，使盟友得到相对完整的配置数据。例如汽车山发动机和其它零部件构成，发动机可以选用国产件，也可以选用进门件。
 
    在进行产品配置时，可以在产品定义信息中设置发动机的一个属性为“产地”、“产地”作为一个变量有两个取值：“国产”、“进口”，当用户进行产品配置时、可以根据“产地”变量的值来确定发动机到底选用哪种。在按照选项变量配置BOM时，主要通过对以下因素的处理来实现：
    (1)变量进行配置的关键参数，如产品型号、功能参数、外形或安装尺寸等；
   
    (2)约束条件即对配置条件的界定，满足该条件的条目版次对象或者隶属关系对象入选该配置BOM，没有配置变量的数据对象(包括条目版次对象或者隶属关系对象)将不受其限制。与有效性标志相同，约束条件既可以指定给条目版次对象，也可以指定给BOM中的某个层次关系连接对象。并且在一个条目版次上既可以指定一个变量值，也可以指定多个
变量值：

    (3)配置规则将多个配置选项和约束条件，采用布尔运算以及按优先级的匹配连接起来所构成的复合条件规则。这一过程将生成满足不同盟友企业的子产品配置数据。图7和图8是按变量配置产品结构的例子。

图8 按变量配置产品结构

3.3.3.4 按照组合方法配置BOM
    将发放状态、有效性、变量与规则三种配置方法结合起来，任意组合配置方法进行产品配置处理，为企业提供更大的灵活性，可以在同一个BOM上配置出满足各种盟友企业条件及客户需求的产品结构树。
 

3.3.4 零部件之间的配置约束规则
    在产品配置的过程中，除了必须按照用户的配置条件以及对象的有效性规则来进行配置以外、还必须遵守产品中零部件之间的配置约束。这些配置约束主要指零部件之问的一种冲突互斥关系和零部件之间的组合装配关系。
 
    它们在生成产品配置之前必须在系统中被设罱，配置约束的表达形式可以有多种、如用IF⋯THEN⋯形式的语句就可表示组成产品的零部件之间内在的配置规则。配置约束作为一个产品的基本配置要求在系统中预先被设定，它与用户配置条件的区别在于配置条件取决于用户，而配置约束是产品本身的内在约束规则，用户不能随意改变它。

    每次需要生成一个配置时系统都会去检查用户的条件是否满足配置约束、不满足则提示错误。因为不满足配置约束的产品配置无法投入生产制造、即使生产出来、也不是用户和设计者期望得到的产品。按照规则进行产品配置是产品配置管理系统的基本功能。
 
    这项工作既可以由系统按照预定的规则自动进行，又可以由系统用户手动完成。作者认为，由于产品结构和产品版本状态变化的复杂性以及产品配置过程的灵活性，目前计算机系统能够接收和处理的配置条件还不能够完全覆盖产品配置过程的各种实际规则。
 
    因此由计算机生成产品配置方案只是对用户的一种辅助手段，在确定以前仍应当出用户进行审查或调整。按照规则生成的配置是动态的，一旦确定下米就成为固定配置，在数据库中加以记录，并可以应用于实际生产。
 

3.4 产品结构的多视图管理
    在企业中，对于同一个产品，不同的部门关心的产品信息并不相同，PLM应该能提供满足不同部门相应的产品信息，产品BOM信息在其生命周期的不同阶段有不同内容，形成了产品结构的多种视图。
 
    设计阶段的产品BOM关心每一个零部件的具体装配结构，将每一个部件细分到零件一级，其组织方法按产品设计的层次来进行；采购上的BOM仅仅关心以总成状态供货的非标准件，零部件之间没有层次关系：物流上的BOM关心零部件的投料方式，其组织形式按不同制造场地的投装单元来组织，其层次结构可能与设计BOM不同，而且包含了过程件的信息，而此信息在设计中是没有的。
 
    再次，不同的BOM对于设计变更的变化是不一样的，往往设计BOM已按设计生效点进行切换而物流BOM却不能切换，物流切换是和供货、库存量相关的。但不管怎么说，PLM维护的是企业的单一数据源，必须保证数据的一致性。BOM的多视图模型如图9所示。

图9 BOM的多视图

3.5 小结
    产品结构与配置管理是产品全生命周期管理系统的基础模块之一，是实现虚拟化生产的必要基础，也是实现系统集成功能的桥梁之一。本章重点分析了PLM中产品结构管理及产品配置管理的特点，详细介绍了产品结构的组成部分，以及适应PLM系统的产品配置规则，还介绍了产品结构的多视图管理。