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支持并行设计的产品数据管理系统的研究与开发 摘要 随着我国加入w t o 和国际制造业市场竞争的日趋激烈，进行支持并行设计 的，t l 鼠数据管理系统的研究具有重要的意义。本文在简要介绍产品数据管理的含 义、1 三要内容及研究和应用现状后，提出了支持并行设计的产品数据管理系统的 概念；应用了面向对象的方法和树状数据结构理论，建立产品设计数据的树状结 陶摸型：提出了通用数据树和设计数据树分离建模的思想：引入了i d e f o 和结 陶化分 ：斤的过程建模方法，用以定义并行设计的过程模型：结合客户n 务器结 叫络数击l j 库管理系统的概念，给出了支持并行设计的产品数据管理系统的原型 畦架和具体实现方法。 关键词：并行设计产品数据管理面向对象建模方法结构化分析方法客 户n 务器网络结构 r e s e a r c ha n dd e v e l o po np r o d u c td a t am a n a g e m e n ts y s t e m s u p p o r t i n gc o n c u r r e n td e s i g n a b s t r a c t i t i sv e r yi m p o r t a n tt of o c u so nt h er e s e a r c ho fp r o d u c td a t am a n a g e m e n ts y s t e m ( p d m s ) s u p p o r t i n gc o n c u r r e n td e s i g ni no u rc o u n t r y a f t e rt h ed e f i n i t i o n ，m a i n c o t l t ek l la n t i p r e s e n ts i t u a t i o no fp d m sh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，t h ec o n c e p t i o no f i d m s s u p p o r t i n gc o n c u r r e n td e s i g ni sp r o p o s e d p r o d u c td e s i g nd a t am o d e li s e s t a b l i s h e do nt h eb a s eo fo b j e c to r i e n t e dm o d e l ( o o m ) f o u n d a t i o nm e t h o da n d t r e ed a t as t r u c t u r et h e o r y ，t h ep a p e rh a sp u tf o r w a r dt h ei d e ao fc u r r e n c yd a t a s t r u c t u r et r e ea n dd e s i g nd a t as t r u c t u r et r e es e p e r a t em o d e lf o u n d a t i o nt h ep r o c e s s m o d e lf o u n d a t i o nm e t h o di nw h i c hi d e f oa n ds t r u c t u r ea n a l y s ea r e i n t e g r a t e d i s a p p l i e d1 0d e f i n et h ec o n c u r r e n td e s i g np r o c e s sm o d e l c o m b i n e dw i t hc l i e n t s e r v e r n e t w o r kd a t a b a s em a n a g es y s t e m ，t h ef r a m ea n di m p l e m e n t a t i o no f c o n c u r r e n td e s i g n s y s t e mb a s e do np r o d u c td a t am a n a g e m e n ta r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o n c u r r e n td e s i g n p r o d u c td a t am a n a g e m e n t o b j e c to r i e n t e dm o d e l s t r u c t u r ea n a l y s em e t h o d c l i e n t s e r v e rn e t w o r ks t r u c t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金8 巴工些盘堂其他教育 机t 勾的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：萼改每签字同期：枷1 年厂。月，f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些_ 大堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 剜和借阅。本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有 天数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位沦文作者签名：墨被埠 翮虢烈去辱 一y 导师签名：o “仍7 千 签字同期：枷 年p 月，扩同 签字日期：细年，。月3 - n 学f , 2 论文作者毕业后去向： 作单位：合肥市经济信息中心 嗵i 川也川：合肥市淮河路2 5 6 号 电话：2 1 1 6 3 9 9 邮编：2 3 0 0 0 1 致谢 在此论文完成之际，首先要感谢我尊敬的导师刘志峰教授! 在我 i 臼i 的研究生学习期间，无论是学习上还是研究中，老师都给予我热心 的指导和悉心的照顾。特别是在本论文的撰写过程中，老师都不厌其烦、 - 丝不苟、不遗余力地给予知道和教诲。老师严谨的治学态度、平易近 人的待人处事方式和渊博的学时使我永生难忘，并将永远是我学习的榜 佯和腆范。 另外，还要衷心感谢朱华炳副教授、江吉彬副教授在本论文的研 7 过程中所给予的悉心指导，以及大力的支持，为作者顺利完成学业创 造了条件。 最后，还要对机电教研室的其他老师和研究生所给予的帮助表示 诚挚的谢意。 作者：吴俊峰 2 0 0 2 年9 月 插图清单 【譬【l1产品生命周期示意图 图l2产，谄开发成本。周期的统计 引l3产品复杂程度与上市时问的对比 图l4并行设计过程示意图 圈1 51 9 9 6 2 0 0 5 年p d m 市场发展趋势 图! l并行设计、p d m 和产品丌发过程的关系 h ! 二产品丌发过程的四大要素 h23把对象抽象成类示意图 图2 4 对象和类之间的层次继承关系 剥25关联的图形表示 16聚集示例图 俐17概括联系示例图 吲2 8以产品对象为核心的产品数据管理模型 图19树状结构示例图 矧! 1 0 村的标准存储结构 h2 1 l树的带逆存储结构 图21 2产品结构树示意图 吲21 3产品数据“多棵树”的组织模式 矧21 4 面向对象的产品设计数据树 罔2 15并行产品设计过程与管理模型 倒2 1 6 i d e f 0 的基本单元i c o m 结构 图2l7 i d e f 0 模型分解示意图 图2 18设计过程建模与管理体系结构图 图2 1 9 并行设计过程管理框图 图2 2 0 协调模型框图 12 i 五级人员组织管理模式 幽3 1支持并行设计的p d m 系统体系结构图 图3 2产品设计过程数据对象模型 一 卫 _ _ _ ” 墙 坶 加 纠 丝 盟 弱 抖 ” 船 圆 如 弛 弛 粥 弭 弛 匝向产品以项目为主体的矩阵组织模式 并行化产品设计的工作流程图 客户月& 务器数据库模型 传统的电子仓库结构图 支持并行设计的产品数据管理系统的电子仓库 支持并行设计p d m 系统网络拓扑图 支持并行设计的产品数据管理系统的工作机制 建立产品结构树主程序流程图 部件结构树生成递归流程图， 产品数据结构查看界面 用户管理界面 用户角色管理界面 产品设计任务分析与划分界面 零件设计数据的预发布界面 信息反馈界面 接收反馈信息界面 单设计步的版本演变过程 设计版本变化的具体实现过程 设计文档的并发控制 与a u t o c a d 集成的界面 h u t p d m 产品设计c a d 部分系统框架 “ 北 甜 钙 拍 卯 如 弛 扣 矾 矾 酡 甜 酾 盯 勰 加 3 4 5 6 7 8 9 ， 2 3 4 5 6 7 8 9 m 圮 b h ：j 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 警 冬 至 鼋，； 2 - 颦、 霉j 鬈j 毫、 k 、 j g ，i 毫， 警 车 毫3 鼋3 x ，i 翟，_ 甚 写 莨 收 表 发 农 农 表格清单 i t 品通用数据对象定义 产品设计数据对象定义 r e l a t i o n 数据表定义 h u t p d m 封装的对e x c e l 进行操作的函数 h u t p d m ( 设计部分) 数据库结构 h u t p d m 系统菜单结构 2 5 2 5 5 7 7 1 7 2 7 3 第1 章绪论 c a d 、c a m 等技术的广泛应用，在提高了企业的技术水平的同时，又为企 业创造出了显著的社会和经济效益。但随着计算机辅助技术应用的深入，出现了 7 t ：多：i ；f 的问题，如数据爆炸、数据混乱等。如何解决这些问题，已成为当今c i m s 技术研究的热点之一。支持并行设计的产品数据管理技术不仅可以解决企业在研 制丌发和生产过程中信息共享程度低、数据传递速度慢、业务数据难以集成、管 理水平落后等问题，而且是能够真正集成化地进行产品设计的有效途径。 1 1 并行设计技术 1 1 1 并行设计的研究背景 设计方法学是用系统的观点，全面地考虑自然科学、社会科学和经济科学 等各种因素，研究产品的设计过程、规律、方法的综合科学。由于产品设计的重 要一i j - * n 复杂性，所以受到了国内外的普遍重视，特别是在信息技术、计算机技术、 数据库网络技术飞速发展的今天，产品设计空间增大，设计方法学的研究更显重 要。为了满足用户需求，如何以最短时间、最高质量、最低成本设计出新产品已 成为市场竞争的焦点。 图11 产鼎生命周期示意图 产品设计直接影响产品整个生命周期的相关过程，如图1 1 【1 1 所示。传统的 ，2 品丌发方法采用串行设计方式，即从“概念设计一详细设计一过程设计一样品 带0 造一实验验证一设计修改”逐次完成产品设计，由于这种流程不能在设计的早 期考虑到后期的可制造性、可装配性、质量保证等因素，造成生产出来的产品有 存在不同程度的缺陷，不得不对原有设计进行多次反复的修改，而且每次修改都 - 要经历从概念设计一设计修改这样的大循环，从而大大延长了产品上市时问，增 加了j 茂本。并行设计的产生就是力图使产品设计人员从一开始就充分考虑产品丌 发j 司j 【j 中所有要素，包括质量，成本、进度计划、用户需求等。 对产品丌发成本一周期的统计分析表明，产品丌发的早期阶段决定了整个产 品，i ：发周期成本的8 3 以上，而这一阶段所花费的费用仅占产品丌发成本的7 以下，如图1 2 所示 2 1 。 幽12 产品开发成本周期的统计i 波音公司 2 0 世纪未，以信息技术为主要特征的高新技术飞速发展，推动了技术进步 和经济全球化，加速了技术革新、管理创新。企业面临的商业环境和市场环境发 乍了根本变化，世界范围内的市场竞争变得越来越激烈。随着竞争的加剧，竞争 的焦点变为以最短的时间丌发出高质量、低成本的产品，其核心是时间。同时， 技术的飞速发展以及产品复杂程度的不断提高，大大增加了新产品开发的难度。 随着产品性能的提高，产品开发周期也越来越长，如图1 ，3 所示。 制造业将提高竞争能力的要素总结为t q c s e ，即短时间( t i m e ) 、高质量 ( q u a l i t y ) 、低成本( c o s t ) 、好服务( s e r v i c e ) 和增强环境保护意识( e n v i r o n m e n t ) 。 为了提高t q c s e ，各企业纷纷采用各种新思想、新方法、新技术来改进自己的 ，1 i 1 厅发馍式，这种形势要求企业不断寻求新的途径来追求企业的t q c s e 效益 b j i ，增慢企业的竞争能力，如计算机集成制造系统( c i m s ) 、并行工程( c e ) 、 做捷制造( a m ) 等。1 4 1 j 二市时 产镐剌 产品复 料度 幽i 3 产品复杂拌度与上市时间的对比 c i m s 的应用已经取得了显著的效益，但传统的c l m s 技术仍然采用传统的 ；i j 行丌发模式，致使在设计过程中不能很好地考虑产品生命周期中的各种因素， 1 ：叫+ 避免地造成较多的设计返工，影响了企业t q c s e 目标的实现。 随着信息技术的飞速发展，特别是网络技术和i n t e m e “i n t r a n e t 技术及基于 点恩技术的高新技术在企业中的应用，以信息技术为基础的并行工程( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ，c e ) 技术应运而生。并行工程通过组织以产品为核一d 的跨部门的 集成产品丌发团队，改进产品开发流程，实现产品全生命周期的数字化定义和信 息集成，采用新的质量管理满足不断变化的用户需求，并开发新的计算机辅助工 具，如d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ) ，d f m ( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ) 等，保 证在产品丌发过程的早期能作出正确的决策，能够有效减少设计修改，缩短产品 ，：发周期，降低产品的总成本。c e 通过统设计过程进行重新规划、重组改进和 有效的管理，以提高产品的设计效率和成功率。 可见，以信息技术为主导，综合先进制造技术和现代管理模式的高新技术 是我国现代企业发展的方向。因此，系统地研究并行工程技术，对我国企业适应 全球化竞争，提高新产品的开发能力有重要的意义。 1 1 2 并行设计的含义与特点 | j j 二行工程有许多不同的定义，其中最有代表性并被广泛采用的是美国防御 分忻研究院( i d a ) 于1 9 8 8 年在r 3 3 8 中给出的定义 1 1 ：“并行工程是对产品设 f圳上黔千1i 汁及其柏关过程( 包括发计过程、制造过程和支持过程) 进行并行、一体化设计 , j 种系统化的工作模式。这种工作模式力图使丌发者一开始就考虑到产品全生 命j qj 坍中的所有因素，包括质量、成本、进度与用户要求”。 并行设计( c o n c u r r e n td e s i g n ，c d ) 是并行工程的核心内容，并行设计是 集成地、并行地设计产品及其相关过程的系统化方法。它要求产品丌发人员从设 小一j 始即考虑产品生命周期中的各种因素。其主要目标是缩短产品丌发周期， 提高产品质量，降低产品成本，从而增强企业的竞争能力。并行设计要求考虑的 圳索有：市场需求、设计、装配、维护、环境保护等，目的是缩短新产品的丌发 j 。q _ l j ，降低生产成本，提供优质服务。 所谓并行，是指一个以上的事件在同一时刻或同一时段内发生，多个复杂 f 叫j 件i i 以表示为空间的复杂和时间的复杂。并行设计的目的是尽可能减少设计 州川，通常是采取增加空间e t 的复杂性来实现。从产品设计来看，串行设计是传统 改汁的：；# 用方法；并行设计采用每个时刻可容纳的设计过程相应增加，使整个设 计过程尽可能同时进行，并行设计过程如图1 4 所示。 2 1 图i 4 并jj 吐计过程不意图 并行设计是一种企业组织、管理和运行的先进设计、制造模式；是采用多 学科团队和并行过程的集成化产品开发模式。它站在产品设计全过程的高度，打 破传统的组织结构带来的部门分割封闭的观念，强调参与者集团群协同工作的效 应重构产品开发过程并运用先进的设计方法学，在产品设计的早期阶段就考虑 到其后期发展的所有因素，以提高产品设计、制造的一次成功率，从而大大缩短 j 。，悄) 1 发周期、降低成本。它通过组成多学科产品开发队伍、改进产品丌发流程、 利用荇种计算机辅助工具等手段，使产品丌发的早期阶段能及早考虑下游的各 i l | t 索。 实践表明，并行设计能使企业取得明显的效益，其中包括： ( 1 ) 设计质量改进，使生产中工程变更的次数减少一半以上。 ( 2 ) 产品没计及其相关过程的并行进行，使产品开发周期缩短4 0 6 0 。 ( 3 ) 多专业小组一体化进行产品及其有关过程的设计，使制造成本降低 3 0 4 0 。 ( 4 ) 产品及其有关过程的优化，使产品的报废及返工率下降7 5 。 采用并行设计技术进行产品开发具有以下特点： ( 1 ) 数据共享方面。在产品设计期间，并行地处理整个产品生命周期中的 i j 立汁数据，体现了小组合作、信任及共享的价值，因而消除了由串行过程引起的 孤j 正、分敞及“抛过墙综合症”。 ( 2 ) 组织方面。在产品开发过程中，丌发人员被划分成许多小组，通过并 fj ：州扎这些小组将设汁工作最大程度地集中起来作并行处理，因此缩短了产品 ：拨j 川 j j ，进而可使产品早r 投放市场。 ( 3 ) 环境方面。在设计一丌始就考虑到影响产品质量的所有因素。可以在 ，l ：发过程早期发现不同工程学科设计人员、功能、可制造性、可装配性及可维修 胜等因素之间的冲突关系，最大程度地避免设计错误，减少设计的更改和重复次 数，提高质量，降低成本，使开发过程接近一次成功的目标。 ( 4 ) 用户方面。强调用户需求，对用户更加负责。销售者与用户在产品发 汁阶段参与工作，对生产的有关要求在产品生命周期相当的阶段就已提出并确定 f 米。 恨据并行殴计的这些特点，实现这样的计算机支持环境首先需要一个支持 似；架。它既能够实现跨网络平台的协同设计，实现应用工具的“即插即用”，又 能对应用工具产生的各种异构产品数据进行管理和传递，保证在正确的时间把征 确的信息以正确的方式传递给正确的人。正在兴起的集成框架软件技术和产品数 掘铃理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 技术从不同角度提供了部分解决这些 问腿的方案。 1 2 产品数据管理 1 2 1 产品数据管理的研究背景 在2 0 世纪6 0 、7 0 年代，企业在设计和生产过程中使用了c a d 、c a m 等 技术，这些技术的应用一方面促进了生产力的发展，另一方面形成了若干“信息 孤岛”。在这种情况下，许多企业已经意识到：实现信息的有序管理将成为它们 庄术来竞争中保持领先地位的关键因素。 产品数据管理正是在这一背景下产生的一项新的管理思想和技术。p d m 以 产l 口，为管理核心，以数据、过程和资源为管理信息的三大要素。p d m 进行信息 管理的两条主线是静态的产品结构和动态的产品发计流程，所有的信息组织和资 源管理都是围绕产品设计展丌的，这也是p d m 系统有别于其他的信息管理系统， 如管理信息系统( m i s ) 、物料管理系统( m r p ) 、项目管理系统( p r o j e c t m a n a g e m e n t ) 的关键所在。【j 1 p d m 继承并发展了c i m 等技术的核心思想，在系统工程思想的指导下，用 悭体优化的观念对产品设计数据和设计过程进行描述，规范产品生命周期管理， 仪持产：。恼数据的一致性和可跟踪性。p d m 的核心思想是设计数据的有序、设计 过旧均优化和资源的共享。 经过近些年来的发展，p d m 技术已经取得了氏足的进步，在机械、电子、 航空航天等领域获得了普遍的应用。p d m 技术e 逐渐成为支持企业过程重组 t b p r ) 、实施并行工程( c e ) 、c i m s 工程和i s 0 9 0 0 0 质量认证等系统工程的使 能技术。 1 2 2 产品数据管理的概念与特点 产l 吊数据管理是工程数据管理( e d m ) 、文档管理( d m ) 、产品信息管理 ( p i m ) 、技术数据管理( t d m ) 、技术信息管理( t i m ) 、图像管理( i m ) 以及 蚶岜产品定义信息管理的集成管理框架技术。 1 9 9 5 年2 月，c i m d a t a 总裁e dm i l l e r 对p d m 定义是【= ；1 = p d m 是用来管理 所有与产品相关信息和所有与产品相关过程的技术。与产品相关的信息包括零部 件f 占息、产品结构、结构配置、文件、c a d 文档、扫描图像、审批信息等；与 i 。出相关的过程包括过程( 包括生命周期、工作流程、审批发放、工程更改等) 的j 正义与监控。 p d m 系统可以管理产品在整个生命周期中的所有相关信息，包括文本档案、 h 肜哨案、数据库记录等。它可以用来改善设计、生产、销售、售后服务过程中 的所行人与流程效率的组软件工具。p d m 系统可以定义、管理企业的各种流 程，是将流程、应用以及信息集成与管理的一种软件。 p d m 提供了并行设计的支撑环境。并行设计的一个关键因素是建立和使用 产，协数掘库。这些数据库将工作、任务、工具和人员集成在一起。产品数据库中 ，、n 个元件的规格和说明可以随时提供给所有的工具和人员，这是实现并行设计的 + 种方法。 i i | 二c a d c a p w c a m 等技术的广泛运用，p d m 技术在国内外受到越来越 广泛f j 0 芙注。现有的p d m 系统具有以下共同特点： ( 1 ) 采用面向对象的丌放体系结构，为用户根据本企业的情况本地化、系 统j 力能扩充提供支持并对于多种应用软件留有标准接口，如与企业管理信息系统 n 0 接门，c a d 系统的接口等。 ( 2 ) 采用客户服务器的结构，为实现多用户m 同工作提供一个方便灵活的 运行方c 。 t3 ) 为用户提供开发接口，从而为进行二次7 i ：发或集成其他应用软件做好 1 扎 等。 ( 4 ) 支持多种数据存储，如分布式数据存储、元数据存储。 ( 5 ) 支持多种网络协议，如t c p i p 、n o v e l l 等。 ( 6 ) 支持多种操作系统，如u n i x 、s u n o s 、w i n d o w sn t 等。 ( 7 ) 支持不同的硬件平台：如r s 6 0 0 0 、s g i 、s u n 、i b mp c 及其兼容机 1 3 产品数据管理的研究与应用现状 随着网络技术、数据库技术和面向对象技术的发展，p d m 在全球范围内得 刊j 广泛的应用，其应用领域已经由原来的机械制造扩展到了包括机械、电子、 汽乍、航空、航天以及非制造业等十分广泛的领域。汽车工业已经在全球范围内 j l ：始。典施p d m 技术( 如福特、通用等) ，航空航天工业用p d m 技术对企业进 f 组( 如波音、麦道等) ，非制造业( 如交通、商业、电子出版等) 应用p d m 技术的增长速度也十分迅速。美国c i m d a t a 公司公仰的调查报告表明了，1 9 9 5 ：f 全球p d m 软件与服务市场规模为6 8 4 亿美元，1 9 9 6 年达8 5 0 亿美元，2 0 0 0 1 i 达到2 8 6 亿美元，估计到2 0 0 2 年可达到5 5 亿美元，并预测从2 0 0 1 年开始的 l 年内，将以4 3 的年增长率增长，如图1 5 所示。l s ) 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 卣万) 荚圆 图151 9 9 6 2 0 0 5 年p d m 市场发展趋势 i 3 1 国内外的p d m 产品及应用现状 ( 1 ) 国外的主流p d m 产品 1 ) 美国u g s 公司的i m a n 。i m a n ( i n f o r m a t i o nm a n a g e r ) 是企业级的 p d m 产品。主要用于管理产品整个生命周期内的全部信息，包括整个企业范围 内所涉及的有关产品信息的全部内容。i m a n 系统由数据仓库( d a t av a u l t ) 与 文档管理、工作流程管理、产品结构管理和系统管理等部分组成，i m a n 系统 主要用于汽车、航空和家电行业。i m a n 还支持分布式的p d m 系统，应用在不 i 司的地区，管理着多种多样的应用程序，在每个地区可以有成百上千个用户。 2 ) 美国p t c 公司的o p t e g r a 。o p t e g r a 原是美国( c o m p u t e rv i s i o n ，c v ) 公司的p d m 产品，1 9 9 8 年被美国p t c 公司收购。o p t e g r a 既可以帮助中小型 食、i k 懈决人员与组织的特殊要求，也能满足大型企业的需求，如跨国公司、分布 一数据管理。目前，美国p t c 公司的p d m 产品还在原有的p d m 产品 i n t r a l i n k 基础上，推出了新的p d m 产品w i n d c h i l l 。 3 ) 奖因s d r c 公司m e t a p h a s e 。m e t a p h a s e 是个企业级的产品 数捌管理p d m 系统。m e t a p h a s e 是由一系列模块组成的，形成了集成化的 p d m 系统。目前，s d r c 公司的m e t a p h a s e 软件支持i n t e r n e t ，支持多平台、 多操作系统的异构网络环境。 4 ) 美国i b m 公司的p m 。美国i b m 公司的( p r o d u c t - - m a n a g e r ，p m ) 址产c i 数据管理的应用软件，主要管理产品数据以及产品丌发过程和更改过程。 产品管理p r o d u c tm a j l a g e r 可集成到产品开发环境中，提供扩展功能、扩展或修 改系统数据模型的一个虚拟环境。 ( 2 ) 国内p d m 的研究及应用现状 近儿年来，国内p d m 的研究和开发正在迅速发展，国家8 6 3 c i m 8 领域已 ? 恃p d m 作为软件产业的目标产品进行研究和丌发，并相继在一些c i m s 试点企 业巾推广和应用p d m 技术。 日时，国内比较成熟的商品化p d m 系统主要要包括：清华同方p d m 、丌目 p d m 、天喻软件公司开发的i n t e p d m 、南京同创公司开发的同创p d m s 、中科 院凯思公司推出的凯思p d m s 等，其他如新模式软件集成公司和东北大学的阿 尔派公司等也都开发了自己的p d m 产品。 日f m 国产p d m 产品在企业的应用主要限于以下几个方面： 1 )产品数据的归档管理：采用数据库的管理方式，只要用户提供必要的 1 7 程信息，即可将相关产品数据放入产品数据库中。大部分p d m 产品具有文档 背j 璎等功能。 2 ) 使用统一编码：产品零部件的有效分类是p d m 技术解决的主要问题， 推行统一编码也是企业信息化的基础。利用编码管理，企业可以将编码规则定义 刮产品数据库中，以便使用人员随时查阅浏览。 3 ) 产品结构管理：产品结构( p r o d u c ts t r u c t u r e ) 是跨越组织部f - j , n 经营阶 段的核心概念，是p d m 系统联接各个应用系统( 如c a d c a p p c a d 很p ) 的 纽带与桥梁。 4 ) 过程管理：随着“甩图板工程”的深入，企业技术部门的绘图工作实行 汁算帆化以后，需要寻求种适合企业的电子流程管理手段以代替原有的基于纸 9 介质的： 作驱动方式。目前国内大部分p d m 产品都提供了简单的基于串行工作 浙i 程的管理方式工作流程管理模块。 1 3 2 支持并行设计的p d m 技术的研究与应用现状 随着人们对p d m 认识的越来越深入，p d m 应用的单一性也逐渐表现出来。 p d m 只是对产品的数据进行管理，而对产品研发过程及研发过程中产生的中问 数据支持较弱。 1 9 9 3 年美国c h r y s l e r ( 克莱斯勒) 汽车制造公司开始构建了支持并行设计 过程的c a d c a e c a m 数据管理系统，组成产品设计平台组，包括市场分析、 设汁t 、过程工程师及支持专家系统，集中于新产品开发。不久，a b b ( 瑞士) 、 i ：旋河h p ( f j 本) 、d e c ( 美国) 、s i e m e n s ( 德国) 、g ef a n u c ( 美国) 、l m s c ( 美国) 等大型国际化公司相继在其大型产品开发项目中使用了支持并行设计技 术的产品数据管理技术，并取得了缩短产品设计周期、提高产品质量、增强企业 产品开发能力和市场竞争能力的重要手段。 1 9 9 5 年5 月，国家科委批准的8 6 3 c i m s 主题重大关键技术项目“并行工 程”的立项申请。该项目由清华大学国家c i m s 中心负责，联合航天部二院、华 中理工大学、上海交通大学及北京航空航天大学等单位共同完成。而“支持并行 发计的产品数据管理”是其中一个具有明确应用背景的攻关项目。国家航天部二 院氏峰科技集团于1 9 9 5 年1 0 月至1 9 9 7 年1 2 月在某航天产品复杂结构件的开发 叶、综合应用并行设计技术。并行设计支持系统分为管理与质量分系统、工程设计 分系统、支持环境分系统、制造分系统等四个分系统。围绕着产品开发的需求开 发和应用了一批并行工程的关键支持技术。并行设计方法和技术的应用使得产品 的总体设计周期压缩了6 0 ，毛坯件成品率由原来的3 0 5 0 提高到7 0 8 0 ，产品成本降低了2 0 。齐齐哈尔车辆厂、南京金城集团、海南新大洲摩托 车厂、西安飞机公司、昌河汽车厂等国内大型企业也相继在本企业产品的设计工 作中丌始研究并开发支持并行设计的产品数据管理技系统。 我国企业的技术和管理有自己的特点，特别是我们在基础技术和组织模式 上与西方发达国家企业存在很大的差异，所以我们研究和应用支持并行设计的产 t 协数据管理技术时不能盲目照搬他们的技术。鉴于支持并行设计的产品数据管理 1 0 技术没有统一的模式，但它可以有效提高产品的设计速度和改进产品的设计过 程。所以现在研究与发展支持并行设计的产品数据管理技术己成为一种可能和必 i 4 本论文研究的主要内容 “支持并行设计的产品数据管理系统的研究与开发”项目是以通用的p d m 软件系统基本框架为基础，并以合肥汽车配件厂的产品结构件设计为应用背景， 主要实现了并行工程丌发环境中产品设计和工艺设计涉及到的产品数据管理问 题，并兼顾企业的实际应用需求。 本论文通过产品数据管理把先进的管理思想和先进的并行设计技术结合起 米，采用集成化产品数据管理的思想来进行产品设计及其相关过程管理，在产品 j 拨的早期就充分考虑产品生命周期中所有环节的影响因素。主要体现在对现有 j 一：l 吊j 1 发过程进行改造，采用一些先进的设计工具如d f a 、d f m 等对设计进行 俭验以保证设计的正确性，强调多功能丌发队伍的协同工作。解决了异地协同工 怍、异构设计数据的管理、封装不同的应用工具、支持设计过程管理等重要问题。 本沦文主要内容包括： ( 1 ) 用面向对象技术构建产品数据模型。面向对象技术具有封装性、继承 性、多态性三大特性，特别适合于描述信息丰富、结构复杂、元素众多的机械类 产品数据。在系统开发中，成功地利用面向对象技术实现了并行设计中的产品数 据模型。 ( 2 ) 产品结构基于树形理论的表示方式。即用根节点表示产品，用树枝节 点和叶子节点表示并行设计中的各种零部件，用连接线表示零部件间的几何( 拓 扑) 关系，建立产品树状结构模型。这种建模方法虽然是一种非线性的逻辑结构， 实现比较复杂，但却符合实际的使用情况，可以有效地应用于并行设计中。 ( 3 ) 并行设计的工作流与过程管理。工作流和过程管理是并行设计的核心， 在产品数据集成的基础上，实现过程集成。结合i d e f o 和结构化分析( s a ) 方 法进行并行设计方法过程建模，使企业进行产品设计时，可以将一个产品项目设 汁任务按照结构特性划分为不同的子系统和结构件进行并行设计，设计、审核、 ： 艺、标准化几个工作流阶段可以并行进行。 ( 4 ) 支持并行设计的产品数据管理系统的构成。支持并行设计的产品数据 管理系统是建立在大量的产品设计数据管理基础上的，有机结合并行设计理论， 通过人机交互，为企业设计人员提供并行设计手段的系统。本文在研究了国内外 州关资料后，分析了支持并行设计的产品数据管理系统的构成，并将其分为8 火椰分：信息输入部分、产品设计数据管理部分、并行设计过程和工作流管理部 分、产品部件b o m 表部分、前台系统控制部分、o d b c 驱动管理器、产品数据 库、基本资料数据库。 ( 5 ) 支持并行设计的产品数据管理系统的具开发。h u t p d m 是应用计算 机技术进行产品并行设计与开发的产品数据管理系统。该软件系统提供了一个统 一的图形界面，涵盖了产品设计信息的管理、设计工作流管理等多个模块的功能。 弼的是向产品设计人员提供一个高度集成的、易于掌握和使用的并行设计系统， 使操作者能应用先进的计算机网络技术，进行产品的并行设计，从而提高企业的 产品设计效率，缩短新产品的上市时间。 综上所述，本论文基于产品数据的树状结构理论、并行设计理论，综合运 用面向对象技术、i d e f 0 和结构化分析( s a ) 方法实现了对集成产品开发队伍 的组织和管理、设计数据资源信息的管理、与设计相关的产品信息的管理以及并 行化发计过程的管理。 第2 章支持并行设计的产品数据管理技术 并行设计是把先进的管理思想和先进的技术结合起来，采用集成地、并行 化的设计思想设计产品及相关过程的系统化方法。p d m 是一门管理所有与产品 相关的信息及所有与产品相关的过程的综合性技术。作为产品开发领域的两个研 究热点，本章着重讨论彼此之间的内在联系，并提出了支持并行设计的产品数据 管理技术主要研究内容及关键技术。 2 1 支持并行设计的产品数据管理技术概述 并行设计是面向产品设计过程的一个系统化方法学，它从理论的角度阐述 了为了缩短产品上市时间、提高产品质量、降低产品成本，必须对以往产品设计 过程做出的各方面的调整。 p d m 是面向产品开发过程的技术，它以计算机网络技术、数据库技术为基 6 m 以面向对象技术为手段，是信息化产品开发过程在计算机系统中的实现。它 ，“蚶向具体功能包括：生命周期管理、人员管理、电予仓储管理、产品结构管理、 零件族管理、产品变更管理、产品配置管理等。图2 1 显示了并行设计、p d m 和产品开发过程的关系。 先 进 的 管 理 技 术 过程的绍织 i p t 的组织 数字化模犁的建立 c a “d f x 工具 并行设计理论 产 品 开 发 过 程 生命周期管理 人员管理 电子仓库管理 产品结构管理 零件管理 产品变蓖管理 应用工具封装 p d m 技宋 图2 1 并行设计、p d m 和产品开发过程的关系 面 向 对 象 技 术 网 络 技 术 数 并行设计的实现需要许多相关技术的支持，尤其是需要一个基于网络和分布 式数据库的集成框架体系结构的支持。传统的p d m 技术能够实现图纸文档管理， 据库技术 而且能够对静态的产品支持数据( 如工业标准、产品规范、标准件和通用件数据 等) 和产品设计数据( 如产品定义模型、产品图、b o m 表、设计文件、工艺文 f ，| 二、n c 代码、c a e 分析报告等) 及动态的产品过程数据( 反映设计数据的发放、 变更、审批、签字等信息的数据) 作一定程度的管理，但是仍然不能满足企业内 对丌发人员、产品过程的管理需求，于是出现了支持并行设计的p d m 系统的概 念与传统的p d m 系统相比，支持并行设计的p d m 系统具有如下的特点： ( 1 ) 大批量的设计数据： ( 2 ) 数据类型各不相同； ( 3 ) 用户数量极大且分布在不同的地域范围： ( 4 ) 用户水平参差不齐： ( 5 ) 有强大的开发流程管理功能； ( 6 ) 随着时间的推移，各种扩展功能需求不断涌现； ( 7 ) 要有足够的灵活性来适应企业需要。 尽管p d m 已经提供了较强的产品信息管理功能，但是要直接应用到支持并 行没汁中，仍然不能完全满足其需求，在分析清楚用户需求的前提下，有较多的 用户化： 作要做。首先，只有产品零部件的结构定义，没有工作流程的定义，不 足以描述和组织产品设计与制造的全过程的关系与信息；其次，零部件属性的定 义有限，系统直接提供给用户的属性只包括名称、i d 号、生产外购选项、版本 号等，而在满足设计、装配与制造的b o m 中，必须增加更多的属性；同时，对 文铛与文件类型的分类定义也不能满足要求，有待扩展。在过程管理单元中，必 须增加与并行性过程管理和监控相关的属性项。 2 2 支持并行设计的产品数据管理的关键技术及其主要内容 活动、人员、数据和应用工具是产品开发过程的四大要素，并行设计的实 施过程也就是合理组织和协调这四大要素的过程，支持并行设计的产品数据管理 技术则通过计算机为实现四大要素的管理提供一种集成的方法。它们的关系如图 22 所示。 支持并行设计的产品数据管理技术的核心内容包括以下四个方面： 1 4 图2 2 产品开发过程的四大要素 ( 1 ) 产品数据定义与管理。产品由数量不等的零部件组成。这些零部件有 的需要创新设计，有的需要对己有的产品模型进行改进，有的则是标准件和通用 件。在并行产品设计过程中，产品的各种零部件是由不同设计人员，在不同计算 帆软件和硬件平台上，按照一定设计顺序逐渐产生的。各种计算机辅助工具将产 生大量的中间数据、图形、文挡或资料。为了保证设计前后的一致，必须按照产 t = j i l 结构配置的思想，对数据、文档、工作流、版本等进行全局管理与控制。 p d m 作为一种工具，能够提供一种结构化的方法，有效地、有规则地存取、 褒成、管理、控制产品数据和数据的使用流程。产品数据建模可以为p d m 提供 有效的管理手段。 ( 2 ) 并行开发过程重构技术。并行设计与传统串行设计方式的本质区别在 _ r 它把产品丌发的各个活动视为个集成的过程，从全局优化的角度出发对该集 成过程进行管理和控制，并且对已有的产品设计过程不断的改进和提高。这种方 法被称为产品开发过程重构( p r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s sr e - e n g i n e e r i n g ) 。并行 没汁技术的本质是过程重构。 企业要实施并行设计，就要对企业现有的产品开发流程进行深入分析，找到 影响产品开发进展的根本原因，重新构造一个能为各方所接受的新模式。实现这 个新模式需要两个保证条件：一是组织上的保证；二是计算机工具和环境的支持， 如d f a ，d f m ，d f d 等。产品开发过程重构的基础是过程模型，并行工程过程 建模是并行设计实施的重要基础。 并行设计的大规模协同工作的特点，使得冲突成为并行设计实施过程中的一 个重要现象。为使产品开发过程顺利进行，使并行工程的效益得以充分体现，必 须具有种协调管理的支持技术、工具及系统，来建立各功能小组及产品零部件 之川的依赖关系，协调备跨功能小组之问的活动，以保证把正确的信息和资源， 以j f f ( f | ) 的方式，送给正确的工作组( 工作组成员) 。 并行设计的协调管理提供了有效的冲突仲裁支持信息，妥善而全面地处理并 行殴汁环境下出现的各种冲突来解决新的开发模式下出现的各种新问题，使产 ，i m i ：发过程顺利进行，真j 下实现并行工程的效益。 ( 3 ) 设计人员的组织结构。传统的按功能部门划分的组织形式与并行设计 的思想是相悖的。并行设计要求打破部门间的界限，组成跨部门多专业的集成产 1 讯丌发团队( i n t e r g r a t e d p r o d u c t t e a m w o r k ，i p t ) 。i p t 是按产品零部件组成结构 递阶划分的，产品开发团队根据产品的组成形式呈递阶结构，其成员来自各个功 能部门。i p t 与功能部门之间存在着密切的关系。产品是由零部件组成的，真正 的发计丌发之前，i p t 首先划分任务。任务的承担者是角色，功能部门以角色的 形式完成任务，功能部门中的个人被定义成成员，每个角色可以由一个成员担任， 山可以山多人完成。 ( 4 ) 协同工作环境。协同工作环境是并行设计实旌的必要条件。计算机支 持的i 办同工作是并行设计最重要的一种实施方式，也是并行工程发展的一种必然 途径