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制造业的新理念 闭环产品生命周期管理 王 旭 李文川 重庆大学,重庆,400030 摘要:针对传统产品生命周期管理的不足,引入了闭环产品生命周期管理的概念。讨论了闭环产品 生命周期管理的内涵、 运作机制和研究内容,建立了闭环产品生命周期管理的技术体系框架,并对其关 键技术、 核心功能和典型应用进行了阐述。在分析国内外对闭环产品生命周期管理研究现状的基础上 指出了当前研究与实践中的不足以及未来发展趋势。 关键词:产品生命周期;闭环产品生命周期管理;技术体系;RFID 中图分类号:TH16 文章编号:1004132X(2010)14168707 New Concept for Manufacturing Industry Closed - loop Product Lifecycle Management Wang Xu Li Wenchuan Chongqing University ,Chongqing ,400030 Abstract :A concept of closed - loop product lifecycle management was introduced according to the limitation of traditional product lifecycle management. The connotation ,operation mechanism and research topics of closed - loop PLM were discussed ,and the technology system composed of key technology , corefunctionandtypicalapplicationwasconstructedanddetailed.Finallythe shortcomings and future trends were pointed out based on the analysis of research status of closed - loop PLM at home and abroad. Key words: product lifecycle ; closed - loop product lifecycle management ( PLM) ; technology system ;radio frequency identification(RFID) 收稿日期:20091009 基金项目:国 家863高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 (2006AA04A123) ;重庆市自然科学基金计划资助项目(CSTC , 2008BB2173) 0 引言 随着经济全球化趋势的进一步扩大,企业面 临着更加复杂的商业环境,传统产品开发过程中 关注的成本(C)、 质量(Q)、 上市时间( T)等因素 不再是获取市场份额的唯一竞争优势。如今市场 竞争的焦点是创新和服务,即产品不用增加成本、 降低质量、 推迟上市时间就能满足顾客的个性化 需求、 提供更好的服务,并能实现产品增值。为适 应这种需求,企业必须以产品和客户为中心,从整 个生命周期角度来关注产品,通过获取产品生命 周期各阶段的相关信息,实现产品生命周期内物 流、 信息流、 资金流的集成、 优化,实现企业的可持 续发展1。 1 产品生命周期管理及其局限 产品生命周期管理(product lifecycle man2 agement ,PLM)的概念产生于20世纪90年代, 是在企业信息化发展到一定阶段,为解决 “信息孤 岛” 提高企业市场应变能力和竞争能力而形成的 一种战略思想2。PLM作为PDM(product data mangement)系统的扩展,贯穿了产品从市场预测 到报废回收整个过程,其目的是为企业提供更多 的与产品生命周期相关的信息,并为企业产品相 关知识的创造、 组织和分发提供公共平台3。 PLM充分利用企业水平化组织的优势,通过 对企业业务流程、 管理信息系统、 内外部资源的集 成优化,有效地管理产品数据,实现对产品开发、 制造、 销售等全生命周期的协同,促进知识的共享 并最终推动企业的创新4。尽管PLM从战略的 高度提出了以产品为核心的企业价值链协同管理 基础框架5,但国内外PLM的研究和实施过程 受现有商业模式和技术条件的制约,还存在以下 局限: (1)受传统商业模式的影响,大多数企业 PLM实施的关注点主要集中在产品设计和生产 阶段,以期望获取最直接的经济利益,其他阶段由 于长期得不到关注而缺乏详细的产品相关数据使 得PLM的优势受限。其中,设计和生产阶段得 到了若干信息系统如CAD/ CAM、CAPP、MES 等的支撑,能准确获取较为全面的产品信息;产品 在消费者使用乃至报废回收过程中的信息由于缺 乏相关信息系统支持而不能及时反馈给设计者和 生产者使其作出相应的决策,导致产品的开发周 期较长、 效率较低,不能为顾客提供优质服务。 7861 制造业的新理念 闭环产品生命周期管理 王 旭 李文川 (2)从产品市场预测到报废回收的全过程,产 生了各类海量数据如:图纸、 手册、 单据等,完善、 管理和使用这些产品数据对于新产品的研发提供 了丰富的知识库。由于缺乏有效的数据采集手段 和信息处理机制,故不能建立完备的产品信息库。 产品全生命周期产品信息的不精确、 不完善导致 各阶段之间存在着信息差,无法真正实现产品数 据、 信息、 知识的无缝转换,也不能实现新知识的 快速获取和旧知识的有效复用。 然而以 无线通 信 技术、 射 频 识 别( radio freguency identification ,RFID)等为代表的信息 技术的出现和推广弥补了传统PLM的不足,并 逐步应用于供应链管理、 库存管理、 生产线自动化 及过程控制、 产品召回等领域,促进了传统PLM 向闭环产品生命周期管理思想的演化6。 2 闭环PLM的内涵、 运作机制及研究内容 2. 1 闭环PLM的内涵 近年来,随着RFID、 无线传感器网络、 泛在 信息融合与处理等技术在各领域的研究应用,国 外学者逐渐认识到这些新技术必将对产品生命周 期各个阶段产生重要影响,并形成一些新的管理 理念: Kovacs等7在研究环境感知智能对PLM 和服务工程影响的基础上提出了AmI PLM的概 念,认为环境感知智能技术能更好地分享、 获取和 管理产品相关数据。Cassina等8在PLM、 扩展产 品、 智能物件等理论和技术的基础上提出了Ext2 PLM的概念,认为通过对产品生命周期各阶段数 据的集成能提高企业和顾客的交互能力,创造新 的技术功能和服务。Lee等9提出了泛在PLM的 概念,认为通过泛在技术能获取产品全生命周期 的信息并能实现各阶段的信息交互。Jun等10提 出了闭环PLM (closed - loop product lifecycle management)的概念,认为闭环PLM是一种利用 智能物件、 产品数据与知识管理系统(product da2 ta 其次,产品生命周期各环节获取的数 据能实现向信息和知识的无缝转化,而知识和信 息又反过来作用于产品的设计、 开发和生产过程 (纵向闭环 ) , 利用知识管理推动业务过程的创新。 (3)社会特性。从商业角度来讲,闭环PLM 以可持续发展为核心,通过深入挖掘产品生命周 期内获取的现场知识,最大程度满足用户需求,提 高用户的舒适度和满意度,在兼顾产品和服务的 同时强调了企业的社会责任,引导企业改变只重 产品设计和生产的传统经营理念。 2. 2 闭环PLM的运作机制 闭环PLM实现产品全生命周期的闭环管理 取决于三个相互联系又相互作用的机制:智能物 件、PLM Agent和PDKM系统11。闭环PLM 的运作机制如图1所示。 智能物件是指一类嵌入了RFID标签或传感 检测等信息装置的物体12。由于智能物件集成 了数据采集、 数据处理及分析、 数据存储、 通信、 传 感检测等模块单元,因而它能够实时采集、 存储产 品及相关环境信息并传输给PLM Agent ,随时接 收从PLM Agent发送的数据并经过适当处理存 储于自身,并且它伴随着产品整个流通过程而 更新。 每个读写装置(如个人数字助理、 阅读器)都 可以看作一个PLM Agent。PLM Agent在各节 点把获取的产品数据进行简单处理并通过网络传 递给PDKM系统实现产品信息的集成和共享。 PDKM系统作为一种分布式知识库和决策 8861 中国机械工程第21卷第14期2010年7月下半月 图1 闭环PLM的运作机制 支持系统,主要用于存储产品设计、 生产以及流通 使用过程中的所有与产品相关的信息,并将信息 转化为可用的知识13。PDKM还需与其他业务 层管理信息系统集成,随时随地把知识传递给相 关部门或人员为产品开发全过程提供技术支持和 服务。 2. 3 闭环PLM的研究内容 闭环PLM以产品生命周期为主线,通过对 产品生命周期信息的闭环管理,实现过程、 资源和 组织的协调管理,并在适当的阶段作出正确的决 策。闭环PLM在产品全生命周期各个阶段有着 不同的关注点。 (1)BOL (beginning of life)阶段。本阶段主 要包括产品设计和生产制造。产品设计过程除涉 及市场需求、 用户需求、 竞争者的同类产品外,还 需综合考虑成本、 功能以及各项技术指标如加工、 装配性能、 可维护性、 可拆卸性、 可重用性、 报废零 部件可能对环境的影响等。闭环PLM期望追踪 产品生产制造过程以及后两阶段所有与产品相关 的数据,建立完备的产品生命周期数据库为产品 质量的改善和新产品的开发提供丰富的知识和经 验,缩短产品开发周期,降低风险,提升质量,满足 顾客需求。在生产制造过程中,闭环PLM与精 益制造这一先进制造模式相融合,利用RFID实 时监控生产现场数据(在制品、 物料等状态 ) , 快速 响应产品变动过程以进行生产计划的实时调整和 调度,实现生产管理的可视化、 柔性化。 (2) MOL (middle of life)阶段。本阶段主要 涉及到产品的包装运输、 销售、 使用和维护。闭环 PLM在包装运输过程中实时跟踪车辆运输、 仓储 库存等情况,并以此为基础制订出合理的销售策 略;产品使用过程中利用智能物件技术为消费者 提供详细的产品信息、 精细化产品支持和服务、 降 低产品维护成本和响应时间;维修服务人员根据 产品使用情况进行维修计划的合理安排,监控、 分 析和解决产品使用过程中出现的问题并及时反馈 给相关人员如设计人员、 生产人员以减小产品 损失。 (3) EOL (end of life)阶段。本阶段包括产品 的回收和报废过程。闭环PLM在此阶段关注的 是为产品回收过程中的所有参与者提供产品(零 部件、 材料)的精确信息,有效估计零部件的回收 价值和回收质量并选择适当的处理方式,提高产 品回收效率、 降低回收成本。 闭环PLM中各阶段(BOL、MOL、EOL)信息 的联系机制详见图2 ,其中,闭环PLM中的信息 流向按产品生命周期方向视为正向信息流,反之 为逆向信息流。 图2 闭环PLM各阶段信息联系机制11 3 闭环PLM的技术体系 闭环PLM技术体系同传统PLM一样,包括 关键技术、 核心功能、 典型应用及系统解决方 案等。 图3 闭环PLM技术体系 3. 1 关键技术 闭环PLM关键技术是实现闭环PLM核心 9861 制造业的新理念 闭环产品生命周期管理 王 旭 李文川 功能的基础,主要包括智能物件及相关技术、 中间 件技术、PDKM技术、 决策支持(decision sup2 pont ,DS)技术等。 (1)智能物件及相关技术。对产品静态、 动态 数据及其环境参数进行识别、 采集、 处理和传输的 一系列技术。主要包括:RFID电子标签、 天线及 阅读器、 智能嵌入技术、 无线网络传感器技术、 产 品信息识别网络技术、 数据安全技术等。在产品 信息网络识别技术方面,目前有三种典型的实现 形式:EPC global、ID URI和WWAI14。 (2)中间件技术。中间件介于阅读器与应用 程序之间,既要实现异构设备(阅读器、 智能物件 等)之间的通信,还要与后台系统、 现场数据库等 进行通信。中间件一般具有设备管理、 读/写数 据、 事件管理、 发现服务等功能,其处理流程大致 为:设备管理模块识别从阅读器流入的数据,经事 件过滤、 事件聚合等事件处理环节提取出有用信 息并转化成应用系统所需格式,保存于数据库中 为应用层服务。 (3) PDKM技术。管理产品全生命周期内所 有与产品相关的数据。产品数据及知识管理的过 程就是将现场数据转化为信息以及知识的过程。 一般来说,现场数据转化为信息或知识大致要经 历如下环节:根据系统管理目标明确所需现场数 据;确立数据采集方式;数据采集;对不同种类、 不 同来源的数据进行集成;数据确认;数据处理、 分 析并转化为可用信息;信息处理、 合成并转化为知 识15。 (4)DS技术。利用数据挖掘、 模式识别或神 经网络等方法对PDKM中的产品技术参数、 环境 参数、 状态参数等数据进行统计分析,使得不同产 品生命周期阶段的参与者能根据实际情况作出相 应决策。 3. 2 核心功能 除了传统PLM所具备的文档管理、 产品数 据管理、 配置管理、 项目管理、 变更管理等基本功 能,闭环PLM还须具备以下核心功能: (1)知识管理。集成和管理产品全生命周期 内所有与产品相关的数据并转化为可用信息及知 识,并能对单个产品及其结构的所有数据(静态数 据和动态数据)进行集成、 跟踪、 追踪和动态更新。 (2)现场数据管理。获取和集成所需现场数 据并实现数据的可视化,还能估计现场数据的价 值,为决策提供支持。 (3)数据分析及决策。通过对产品相关的所 有数据进行诊断和分析,完成生产计划与调度、 产 品质量诊断、 预防性维护、 产品寿命估计等决策 过程。 3. 3 典型应用 (1)DFX(design for X)。在产品生命周期的 早期阶段获取更多关于产品设计的信息来源,从 而实现设计目标与顾客需求的协调。具体来说就 是利用产品生命周期后期阶段的反馈信息以及产 品知识库中积累的可用知识和经验进行新产品的 概念设计(可装配性、 可维护性、 可拆卸性、 可重用 性、 环境适应性、 质量等)。 (2)实时生产调度。闭环PLM极大程度上 解决了企业生产流程管理中的信息差问题,实现 了企业运营过程的可视化和透明化,提升了运作 的柔性。通过研究基于实时、 动态、 完备信息等新 条件下的自适应算法及模型,实现生产计划、 生产 线的实时调度和优化,真正满足精益制造。 (3)预防性维修。跟踪和追踪产品使用过程 中的状态信息及市场评价情况,利用基于互联网 的产品维修服务平台和相关工具进行维修服务的 统计分析、 上报及预测,实现产品的远程维护和预 防性维护16。 (4)回收决策支持。产品回收过程经历收购、 登记、 挑选分拣、 鉴别分类、 再制造等众多环节,受 技术、 经济、 社会环境等多个目标制约。利用产品 回收决策模型提升产品回收过程相关决策者的信 息资源质量,合理估计产品的剩余价值和使用寿 命,协调经济收益和社会效益,实现价值增值。 4 闭环PLM的研究应用与发展趋势 4. 1 国内外研究应用现状 随着RFID、 无线传感器网络、 智能嵌入等技 术的发展和逐步应用,各国政府、 企业、 科研院校 都相继推出了相关项目和研究计划以提高企业核 心竞争力,并为顾客提供更好产品和服务。这些 项目和计划在一定程度上推动了闭环PLM思想 的产生和发展。 剑桥Auto ID中心McFarlane等17利用自 动识别技术和Agent技术设计了一种分布式智 能制造控制系统,并在机器人装配单元进行了验 证; Harrison等18提出利用网络RFID对产品全 生命周期信息进行有效管理以便适时作出决策。 Khnle19等在PADABISPROMISE项目的支 持下设计了一种新的柔性制造系统并详细描绘了 其体系结构及系统模型。该系统面向订单综合考 虑资源和产品,使得企业能更快响应市场和加强 企业内部协作。 0961 中国机械工程第21卷第14期2010年7月下半月 随着欧盟研究计划PROMISE(product life2 cyclemanagementandinformationtracking using smart embedded systems)的实施,闭环 PLM概念被正式提出20。该计划利用智能物件 感知产品所处的环境信息实现整个产品生命周期 内信息流的闭环管理,具体研究内容包括:面向全 生命周期的信息流模型、 智能物件相关技术、 数据 管理和建模技术、 标准体系等。其中,Jun等21利 用RDF技术研究了产品生命周期元模型建模的 方法,定义了RDF数据模型以及描述和管理产品 生命周期元模型的机制;Xu等22从系统、 过程、 信息和数据三个层面描绘了闭环PLM系统模 型;日本丰田汽车公司与东京大学、 早稻田大学、 中央大学协作研究了闭环PLM的原型系统,以 便在早期的计算机辅助设计阶段考虑整个产品生 命周期所有阶段的问题,其研究内容包括产品建 模以有效估计质量风险、 可靠性设计、 维修计划、 运作信息实时反馈机制、 决策支持系统等23; Parlikad等24研究了基于RFID的产品信息在回 收决策中的作用,并建立了贝叶斯产品回收决策 支持模型。 除以上研究成果外,欧盟第六框架(FP6)所 资助的项目BRIDGE (building radio frequency ID entification solutions for the global environ2 ment)研究在EPCglobal标准基础上建设适用于 全球 环 境 的 射 频 识 别 解 决 方 案,构 建 基 于 EPCglobal的产品信息网络25,其应用领域涉及 产品防伪、 医疗保健、 纺织、 食品加工、 零售、 可复 用资产管理、 产品使用过程中的服务等方面。此 外,欧盟框架计划、AITPL cluster和CERP - Io T 等机构和组织还推出 了一 揽 子 计划 如X CHANGE26(flexible change management for the factory of the future)、TraSer (identity - based tracking and web - services for SMEs)、 CASA GRAS27(coordination and support action for global RFID - related activities and standard2 isation)等研究与产品、 产品生命周期管理相关的 一些理论、 技术、 方法、 解决方案和标准体系等。 相对国外,我国的主要研究重点还集中于 RFID技术攻关以及示范性应用方面,并得到了 国家相关部门、 科研院校、 企业的重视和大力支 持。国家科技部 “十一五”863高技术研究发展计 划于2006年和2008年发布了两批RFID专项, 对RFID共性基础及前瞻性技术、 产业化关键技 术、 应用关键技术、 标准等方面进行了研究,并取 得了一定的成绩28。典型的有:Auto - ID中国 实验室依托复旦大学专用集成电路与系统国家重 点实验室进行了大量关于RFID的专用集成电路 与系统方面核心技术的基础研究,并在防碰撞算 法、 标签芯片电路等方面取得一定成果29 30 ;中国 科学院自动化研究所设立了专门的RFID测试实 验室,利用面向物流应用的RFID技术分析和模 拟测试平台,确定了测试技术标准体系框架31, 并着手制定具有一定自主知识产权的RFID技术 标准、 应用标准和测试体系; RFID标准体系方 面,郎为民等32、 张有光等33研究了RFID标准 体系,并对我国RFID标准体系框架的目标、 原 则、 内容等提出了若干建议;应用技术方面,国内 对RFID体系架构、 系统集成、 中间件等方面进行 了研究并取得一定成果,如香港大学Huang 等34将智能识别技术、 无线网络技术与生产资源 结合,提出了无线制造系统的概念,并研制出了多 种无线制造原型系统;清华大学臧传真等35提出 了基于智能物件的实时企业,并描绘了其信息系 统的应用场景和系统层次结构;上海交通大学张 乐等36研究了基于集群技术的可重构RFID中 间件技术;重庆大学刘卫宁等37在国家863计划 的支持下研究了基于射频识别的离散制造业制造 执行系统并在通用汽油机生产线上得到了验证。 其他科研院所如中国科学院沈阳自动化研究所、 合肥工业大学、 广东工业大学等在此领域也取得 了一些突破。 4. 2 发展趋势 目前闭环PLM的研究多集中于技术和示范 性应用层面。技术方面形成了一套较为完备的技 术体系框架,但各项关键技术还需不断成熟和完 善;应用方面针对不同行业不同产品生命周期阶 段或单一应用领域进行了示范性应用,验证了理 论及技术的可行性,但缺乏面向整个产品生命周 期闭环管理的应用案例。随着各项关键技术的突 破,标准体系、 面向企业或行业应用的解决方案等 将会成为研究重点。同时,由于闭环PLM实现 了产品的智能化识别和管理,其应用领域将面向 产品价值链构建全球物联网,理论上可实现所有 物品的闭环生命周期管理。 (1)标准体系。包括基础技术标准体系和应 用标准体系两部分。基础技术标准体系研究 RFID识别标准、 空中接口标准、 数据标准、 性能 标准等技术标准;应用标准体系通过结合具体的 行业特点为闭环PLM的应用提供系统指导和规 范,包括基础标准(术语、 符号、 系统安全)、 通用性 标准(支撑环境、 生产环境特性、 应用规范、 编码 1961 制造业的新理念 闭环产品生命周期管理 王 旭 李文川 等)、 物理层标准、 数据采集层标准、 集成层标准、 应用层标准等内容。 (2)面向企业或行业应用的解决方案。为企 业或行业实现闭环PLM提供指导思想、 集成信 息框架、 支撑平台、 实施策略、 评价体系等38。其 中,集成信息框架是在统一闭环PLM数据模型 的基础上利用集成技术构建一个开放、 灵活、 统一 的框架。既要实现与现有信息系统的集成,还需 考虑普遍深入和可信赖的网络以及基础网络服务 以便能对网络内的人、 设备、 基础设施进行实时控 制和管理,支持智能感知环境下企业未来的信息 化建设。其主要工作包括业务流程、 基础结构、 应 用软件、 支撑平台及技术、 管理功能的定义和描 述。实施策略方面,闭环PLM系统的建设是一 个系统工程,其实施过程涉及技术、 经济和管理问 题,使得企业需要审视内外部环境对原有流程进 行重组。闭环PLM的实施应遵循 “总体规划、 分 步实施” 的原则。具体步骤如下:分析闭环PLM 相关技术的优势及不足并识别出关键成功因素; 根据企业现有业务、 组织、 信息系统情况进行需求 分析并确定系统应用范围及层次;对拟应用环节 进行投资收益分析及风险估计;软件系统设计、 硬 件产品选型及测试;系统测试、 实施及优化;应用 效果分析等。 5 结束语 闭环PLM作为一种新的管理理念,弥补了 传统PLM的不足。本文概括了闭环产品生命周 期管理的内涵和运作机制,研究了闭环PLM的 技术体系,综述了国内外研究应用现状及发展趋 势。作为一种新形势新技术下的战略思想,闭环 PLM的各项理论、 方法和关键技术还在不断深入 探讨和研究中。 当前RFID相关技术在我国已应用于供应 链、 生产制造等环节,也逐步开始应用于售后服务 环节,尽管这在一定程度上体现了闭环PLM的 思想,但同国外相比还有较大差距。因此,对于我 国来说闭环PLM的研究应遵循 “中国射频识别 (RFID)技术政策白皮书” 的总体发展目标,首先 进行一系列基础技术、 产业化技术、 应用关键技术 的突破,利用示范应用、 国内外协作的机会建立具 有自主知识产权的标准体系以掌握产业控制权,其 次,闭环PLM还必须与其他先进制造系统理论以 及国内制造企业的实际情况相结合,优先解决企业 所面临的现实问题,以提升制造过程及运营管理中 的自动化、 信息化、 可视化、 智能化水平。随着技术 的发展,企业经营理念的变化以及闭环PLM相关 理论、 技术的不断丰富和完善,闭环PLM必将在社 会、 经济领域中发挥出更大的作用。 参考文献: 1 周康渠,徐宗俊,郭钢.制造业新的管理理念 产品 生命周期管理J .中国机械工程,2002 ,13 (14) : 13431346. 2 彭旭. 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