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硕士学位论文 y 2 577 9 网络化协同产品开发环境中的产品数据管理系统研究 摘要 t 信息技术的发展给制造业企业带来了新的机遇和挑战。在新的竞争环境中， 现代制造企业结合成为动态联盟，实行联盟并行工程，以加速对市场的反应速 度。动态企业联盟的产品开发过程是一个网络化的协同开发过程。一 本文致力于建立一个支持网络化协同产品开发的、基于w e b 的分布式产品 数据管理系统。 文中介绍了协同产品开发环境的体系结构和特点，分析了协同环境对产品 数据管理系统的需求，侄此基础j ：提 并建立了将各利，功能结构以组件化服务 模块实现的协同环境产品数据管理服务系统体系框架。然后采用面向对象方法 对系统中的产品结构与配置管理服务、产品图文档管理服务和工作流与过程管 理服务三个功能模块进行了详细的分析并建立了模块的对象结构。在上述研究 的基础上，论文最后介绍了协| 司开发科：境中产品数据管理系统的实现与应用。 关键词：协同产品开发，产品数据管理i 产品结构与配置管曜，文档管理，工 作流管理 2 0 0 1 年1 2 月 第1 页 硕士学位论文网络化协同产品开发环境中的产品数据管理系统研究 a b s t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yb r i n g s n e wo p p o r t u n i t i e sa n d c h a l l e n g e s t o m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sf a c i n g t h i sn e wc o m p e t i t i o n ，m o d e r n e n t e r p r i s e sa l l y i n t ov i r t u a l e n t e r p r i s e s ；c a r r yo u ta l l i e d c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gi n o r d e rt or e s p o n dr a p i d l yt ot h em a r k e t i nav i r t u a le n t e r p r i s e ，p r o d u c t sa r ed e v e l o p e d u n d e rt h ew e b b a s e dc o o p e r a t i v ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h i s p a p e l e m p h a s i z e s o n s e t t i n gu p a w e b b a s e d ，d i s t r i b u t e d p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n ts y s t e m ，w h i c h c a ns u p p o r tc o o p e r a t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n t b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co fa c o o p e r a t i v ep r o d u c t d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt h ea n a l y s i s o nt h e s p e c i a lr e q u i r e m e n t s o ft h i s e n v i r o n m e n tt ot h ep d ms y s t e m ，t h ea r c h i t e c t u r eo fap d ms y s t e m i nt h e c o o p e r a t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i nw h i c he a c ho ft h ef u n c t i o n a l m o d u l e si sr e a l i z e da sas e r v i c ec o m p o n e n t ，i ss e tu pi nt h i sp a p e ct h e nt h r e eo f t h e c o m p o n e n t s ，t h ep r o d u c ts t r u c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n ts e r v i c e m o d u l e ， t h ep r o d u c td o c u m e n tm a n a g e m e n ts e r v i c em o d u l ea n dt h ew o r k f l o wm a n a g e m e n t s e i a 7 i c em o d u l e ，a r ea n a l y z e di nd e t a i l t h e i ri n n e ro b j e c ts t r u c t u r ei ss e t u pa sw e l l f i n a l l yt h er e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fap d m s y s t e mf o u n d e da c c o r d i n gt ot h e l d e am o t i o n e da b o x ，ei si n t r o d u c o d k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n t ，p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p r o d u c t s t r u c t u r ea n d c o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ，d o c u m e n t m a n a g e m e n t w o r k n o w m a n a g e m e n t 2 0 0 1 年1 2 月 一一 第颐 堡主兰堡堡茎 塑堑些塑旦兰曼茎垄墅些塑主曼塑塑篁兰堕堑! ! ! l 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着人类文明进入2 1 世纪，科学技术在各领域得到不断的发展。作为国家 支柱产业之的制造业，其企业也面临着新竞争环境带来的各种机遇和挑战。 由于i n t e r n e t 的迅速普及，各种信息的获取和传播变得更容易，信息无处不在， 无孔不入。迅速获取、管理和应用各种有效信息的能力成为一个企业的重要竞 争优势。同时，市场全球化和信息技术的高速发展使得市场竞争变得更加激烈。 新产品不断推出，产品生命周期越来越短；用户价值观念发生改变，对产品个 性化的需求不断增强。在这种环境中，提高产品质量、降低生产成本、缩短产 品开发周期、提高对市场的应变能力成为当今企业生存和发展的关键。 面对日益激烈的竞争和需求不断变化的国际市场，现代制造系统运作空间 不断扩大，信息化进程不断深入，制造企业的生产模式和经营策略不断发展， 产生了多种先进制造的概念，如敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、智能制造 ( i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟制造( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) 、全球制造( g l o b a l m a n u f a c t u r i n g ) 等。虽然它们采取的手段和方式不同，但都有一个共同目的， 即在保证产品质量前提下，提高企业响应市场的速度。 制造产业企业要想在新的竞争环境下取得成功，就必须在能力上有很大的 改进以迎接挑战。由美国国家研究委员会编写的报告( ( 2 0 2 0 年想象中的制造产 业面临挑战中提出了六大挑战和相应的技术对策，它们是：同时并行制造、 人力和技术资源集成、信息转变为知识、环境兼容性、可再行构筑的企业和创 新工艺。在这种背景下，运用网络和i n t e r n e t 技术进行大范围集中而形成的虚拟 企业( v i r t u a le n t e r p r i s e ) 被认为是制造业未来的发展模式。 虚拟企业强调的是企业之间的集成，即针对市场中的某一机遇，在计算机 网络的支持下，将地理位置分散而能力互补的企业联合起来，形成动态企业联 盟，实行并行工程，合作完成产品的开发过程。联盟企业产品开发环境的分布 性、异构性及组织行为的动态性决定了联盟企业的运行必须以w e b 作为平台， 建立基于w e b 的异地协同产品开发环境。 南京理工大学现代制造技术研究所长期以来从事网络化协同产品开发环境 2 0 0 1 年1 2 月 第1 页 堡圭兰堡堡苎 里堑垡塑旦兰曼墅垄! 塑塑兰曼塑塑竺望墨! ! ! ! 墨 体系框架和使能技术的研究，承担九五国防预研课题，独立开发了基于w e b 的 协同工作系统e c w s ( e - c o o p e r a t i v ew o r ks y s t e m ) 。e c w s 是一个具有开放式 体系结构、支持异地协同工作的技术平台，为新一代制造企业提供基于网络的 协同制造全面解决方案。 本论文的研究就是在e c w s 的体系框架下进行的，目的是建立一个基于 w e b 的，支持网络化协同产品开发环境的产品数据管理系统。 1 2 网络化协同产品开发环境 在动态企业联盟中，多学科工作小组成为产品开发的主要组织方式，产品 开发过程强调协同工作和动态参与。与之相应，联盟企业产品开发过程需要网 络化协同产品开发环境。 1 2 1 网络化协同产品开发环境概念和发展背景 网络化协同产品开发是计算机支持的协同工作技术( c o m p u t e rs u p p o r t e d c o o p e r a t i v e w o r k ，c s c w ) 在制造领域的具体应用。c s c w 的定义为：地域分 散的一个群体借助计算机及网络技术，共同协调与协作来完成一项任务。c s c w 是通信技术、计算机技术和网络技术相融合的结果，是信息化进程发展的必然 产物。从本质上来说，网络化协同开发环境是一种基于w e b 的c s c w 系统。 网络协同开发环境将产品设计与制造技术、产品数据管理技术与c s c w 技 术、i n t e r n e t 技术、w e b 技术相结合，支持联盟并行工程中处于不同地域的工作 人员在共享环境中协同工作，共同完成产品生命周期内的各项任务。它是多人、 多机、多任务环境的集成体系，是联盟并行工程、网络化制造、大批量定制生 产等制造模式的使能技术。 协同技术应用于制造系统使得产品开发过程参与人员之间的信息交流更加 高效畅通，并行技术的优势得到充分的体现，从而可以大大提高产品开发效率。 作为有力的证明，协同工作方式使n o r t h r o p 的设计反修率下降了7 5 ，d e c 的 产品开发时间减少了6 0 ，x e r o x 的顾客满意度上升了4 0 ，g e n e r a lm o t o r s 的废品率下降了6 0 。 对基于w e b 的协同产品开发技术最早且最有影响的研究始于1 9 9 2 年，为 期五年的美国国防部d a r p a 研究项目m a d e ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o na n d d e s i g ne n g i n e e r i n g ) 提出了新一代设计制造系统的使能技术、工具和基础结构， 2 0 0 1 年1 2 月 第2 页 堡主兰堡垒苎 堕笪些堡旦差曼堑茎堡望! 堕兰曼墼堡笪里墨堑! ! 堑 确定了w e b 技术在协同工作领域中的重要作用。从此以后国内外研究者从不同 角度对协同产品开发中的w 曲技术展开了大量研究，通过对w 曲计算体系的扩 展来增强它对协同产品开发的支持功能。这些研究可以分为三类： 1 1 独立运行的基于w e b 的决策支持系统，代表产品为p h i l i p s 先进技术开 发中心的基于i n t e r n e t 的新产品开发系统和k a l y a n a p a s u p a t h y 等人设计 的支持往上生成机械部件代码的系统等； 2 1 相互间有互操作性的w e b 应用，代表产品为美国斯坦福大学的s h a r e 项目等； 3 1 支持群组工作的w e b 应用；代表产品为p a r o m i d i a 和b c s w 等。 1 2 2 网络化协同产品开发环境的特点 顾名思义，基于w e b 的网络化协同产品开发环境既是一种w e b 应用，又是 一种协同环境。它融合了以上两者的特点，又与两者有很大的差异。支持异地 企业间工作小组协同产品开发的环境具有以下特点： 1 ) 强交互性和实时性。协同产品开发是一个复杂的信息处理和事务处理过 程。它的完成需要用户与用户之间，用户与系统之间，甚至系统的不同模块之 间频繁地通讯和访问。客户端得到的不仅仅是静态的网页或固定格式的数据查 询结果，而是逻辑处理后的返回值。系统要为不同的通讯对象之间提供双向数 据通道。 2 ) 用户群的动态性，不确定性和移动性。企业间的协同应用由市场机遇驱 动。开发小组动态地创建，并随着项目的完成而消亡。企业之间强调的是动态 的使用对象，因此用户管理要面对不确定性和移动性，必须提供对系统用户群 进行动态管理的能力。 3 ) 系统健壮性。健壮性是指系统中不应存在“一点致命”( s i g n a l - p o i n t f a i l u r e ) 现象，即一项功能的失败不应当导致全部功能的失败，一个失败的成 员站点不能导致整个网络系统的瘫痪。失败后，要具有迅速恢复的能力。 4 ) 安全性和可靠性。任何面向广域网的软件系统都必须在i n t e r n e t 的开放 性和信息安全性这两种同等重要的性能要求之间保持均衡。只要系统中的计算 机与广域网连通，就存在企业数据被窃取或破坏的可能性。系统必须从硬件设 施和软件环境两方面保障企业数据的安全性。 5 ) 事务特性。系统需要保证协同产品开发环境中事项处理的a c i d 特性。 硕士学位论文 即： 网络化协同产品开发环境中的产品数据管理系统研究 舢原子性( a t o m i c i t y ) ：即不可分割性。一个事项中可以有多个步骤， 但其整体视为个完整的工作单位。不是全体步骤都履行 ( c o m m i t t e d ) ，就是全都不执行。倘若由于某种原因导致其中任意 一个步骤不能履行，则整个事项中从开头到退出点的所有步骤都要 回滚( r o l l b a c k ) 。此外，每一事项都有明确的开头和结尾； b 、一致性( c o n s i s t e n c y ) ：事项一旦完成，系统就处于一个可靠而确 定的状态。系统从一个稳定状态转换到另一个稳定状态： c ) 隔离性( i s o l a t i o n ) ：各个事项之间互不干扰。在事项完成之前，其 作用效果对其他事项不可见； d ) 持久性( d u r a b i l i t y ) ：事项履行后，其所做的改变对系统的影响就 是永久的。 1 2 3 e - c w s 系统体系结构 基于w e b 的网络化协同产品开发平台e c w s 是一个基于w e b 的应用系统。 w e b 应用系统的本质是使用h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协 议) 作为通信基础、h t m l ( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ，超文本标识语言) 作为 通信语言的分布式系统。w 曲环境使用浏览器朋& 务器( b r o w s e r s e r v e lb s ) 结构， 它实际上具有三层逻辑结构，如图12l 所示： 图12 1w e b 应用的三层逻辑结构 ( 1 ) 表示逻辑层：即用户的接口部分，完成用户与应用之间的对话功能。 该层的浏览器一方面作为前端界面，实现与客户的交互：另一方面又 是包容应用程序的载体和容器。相对于服务而言，它是一个桥梁，一 个媒介，用于连接异地的客户端通信实体。 ( 2 ) 功能逻辑层：该层是w 曲应用系统的核心，相当于应用部分本体，负 1 面再西一丽 堡圭兰垡堡壅 塑竺些塑旦兰曼茎茎堡丝! 盟兰立堡型曼笪堡堕堕! ! ! 塑 责具体的业务处理逻辑。复杂的应用逻辑由w e b 服务器和应用服务器 共同完成。 f 3 、数据逻辑层：即d b m s ，负责管理对数据库的所有操作。w e b 服务器 和应用服务器通过开放式数据库互连标准( o d b c ) 实现与数据库的实 时通信。 e c w s 的多层b s 结构如图l2 2 所示，系统结构由三部分组成，分别是 设置在企业r 方的客户层、设置在企业s 方的应用服务层( 中间层) 和数据库 服务层。这三层是对上图l21 所示结构的具体化。 客户层 中间层 数据库层 图1 22 网络化协同产品开发平台体系结构 1 1 菩，、1 层 该层包括了浏览器支持的协同模块和企业遗留系统。其中w e b 浏览器提供 用户与系统的接口，它不以任何方式直接与数据库交互，也不保存任何本地状 态信息，保证了“瘦”客户的需要。同时浏览器支持插件p l u g i n s 和控件a c t i v e x 的运m 实现了“活”用户的目标。企业遗留系统包括c a d 、p p c 和e r p 系统 等，它们与协同应用组件相结合，共同实现应用程序的实时共享。 2 ) 引、司啜 该腠由三部分组成： i 安全管理服务模块提供对协同应用系统可用资源的安全管理服务。管理 2 0 0 t 年12 月 第5 页 堡主兰垡笙奎 塑竺些坐旦生曼茎垄堡堡! 堕主墨堂堂壅墼墨至堑丛里 对象包括网络中所有的实体信息。客户端用户发出访问应用请求时，该 模块验证用户身份，根据程序的重要性和安全等级确定对用户的响应。 同时该模块还负责对敏感信息传送进行加密。 i i 协同管理服务模块负责对系统中新增应用的注册，保证了系统的可扩展 性。该模块还涉及对系统用户、资源等动态信息的登记、分配、注销等 事务的管理。 1 1 1 协同应用、协同工具和决策支持服务组成的应用服务模块是多层结构中 的核心部分，系统协同工作中几乎所有的业务逻辑处理功能都由该模块 提供。每一种应用服务对应一个软件组件。本文中讨论的产品数据管理 服务中各功能模块也属于应用服务模块。 3 ) 数据库层 该层提供访问系统中不同数据源的通道，与应用服务层共同完成业务规则， 实现系统对象的持久化服务。该层提供数据仓库的作用，不仅提供格式化数据 的存储功能，还负责对协同设计过程中产生的大量非结构化信息和文件进行存 储和挖掘。 在本结构中，r 方的两层分布在同一局域网内，客户协同层可实现与本地 遗留系统之间的快速交互；而s 方的协同管理模块、应用服务模块和数据库层 同样位于企业内部网，构成全部系统的应用服务和数据提供中心。参与交互应 用的r 方客户协同层和s 方协同服务层在广域网范围内，只有必要的信息才在 网络上传输，网络负担大大降低。中央协同服务层起到了协调的作用，又便于 维护数据的一致性。 从系统体系结构图中可以看出，分布式产品数据管理系统贯穿整个网络化 协同产品开发平台的始终。这是由虚拟企业产品开发过程的复杂性、动态性和 分布性决定的。虚拟企业协同产品开发环境中每时每刻都产生大量的产品相关 数据，这些数据可能在任意时刻，在网络上任意地点产生，属于多种不同的格 式，并被其他节点的用户使用。在这种情况下如果不采取有效的方式对产品数 据进行管理，势必会造成信息的混乱。网络协同产品开发环境要在正确的时间 将正确的数据传递给正确的用户，并随时保证系统数据的一致性和有效性，必 须实旋产品数据管理。 2 0 0 1 年1 2 月 第6 页 婴圭兰壁笙奎 婴塑些塑旦主曼茎垄堡兰! 堂芝墅型塑量笪堡墨! 壅! ! 墨 1 3 产品数据管理系统 1 3 1 产生背景和概念 产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 是在现代产品开发环境 中成长和发展起来的一项管理数据的新技术，它有力地促进新产品的设计与开 发，缩短产品上市时间，增强企业竞争力。 8 0 年代初，随着计算机辅助技术在企业中应用的推广，以纸质文件为基础 的数据管理系统对信息化的发展产生了严重的阻碍，主要表现为以下几点： i信息共享程度低。企业的计算机辅助工具都是一些离散孤立的系统，相 互之间数据不能够兼容，应用集成效率低，因而无法在企业生产和管理 各部门之间有效地实现信息共享和传递。 l i 信息传递速度慢。由于各部门之间的数据交换主要采取书面文件的形 式，造成信息的传递和反馈速度慢，不能够及时跟踪设计制造过程中的 各种活动。 【i l _ 业务管理落后。虽然企业产品设计开发采用了计算机辅助手段，但缺乏 对各种资料的有效管理，造成信息的混乱和不必要的重复。 针对企业信息管理的迫切需要，从8 0 年代初期开始，企业采用产品数据管 理系统来协助对产品全生命周期的各种相关数据进行有效的管理。 由于产品数据管理技术与其应用范围发展极快，至今人们对它还没有一个 统一的认识，给出的定义也各有不同。致力于p d m 技术和计算机集成技术研究 与咨询的国际咨询公司c i m d a t a 给出的定义是：“p d m 是一门管理所有与产品 相关的信息和所有与产品有关的过程的技术。”g a r t n e rg r o u p 公司给出的定义 是：“p d m 是一个使能器，它用于在企业范围内构造个从产品策划到产品实 现的并行化协作环境( c o n c u r r e n ta r t t o p r o d u c te n v i r o n m e n t ，c a p e ) 。一个成 熟的p d m 系统能够使所有创建、交流及维护产品设计意图的人员在整个产品生 命周期内自由共享与产品相关的所有异构数据，如图纸与数字化文档、c a d 文 件和产品结构等。”而清华大学的童秉枢教授给出的定义为：“产品数据管理以 软件为基础，是一门管理所有与产品相关信息( 包括电子文档、数字化文件、 数据库记录等) 的技术。它提供产品全生命周期的信息管理，并可在企业范围 内为产品设计与制造建立一个并行化的协作环境。”以上定义归结为点，就是 2 0 0 1 年1 2 月 第7 页 蓄鞠雠 2 0 0 1 年1 2 月 第8 页 堡主兰丝垒兰 墅笪些塑旦兰曼堑垄堡! ! 主塑主鱼堂堂理兰塑壁! ! ! 里 d 1 与m r p l l e r p 系统集成； e 、零部件分类管理。 f 2 、产品图文档管理提供具有安全机制的电子仓库。这是p d m 最早实现的，也 是最基本的功能，是p d m 实现其他管理功能的基础。文档管理的主要功能 有： a ) 利用分布式数据仓库( d a t a w a r e h o u s e ) 实现分布式文件管理； b ) 文件的版本管理及检入检出( c h e c k - i n c h e c k o u t ) 机制； c ) 系统文档动态浏览与导航机制； d 1 按角色实现对产品文档的访问控制。 ( 3 ) 工作流与过程管理控制数据变化的过程和数据的流动，帮助改进和优化产 品的开发过程。过程与工作流管理的主要功能有： a 1 图形化工作流建模工具； b ) 基于规则的结构化任务流； c ) 触发、警告、提醒机制： d ) 工程更改管理。 系统功能是指p d m 系统为实现应用功能而提供的底层支持功能。主要包 括以下几点： ( 1 ) 分布式通讯功能，即实现网络不同节点之间的数据通讯； ( 2 ) 数据转换功能，在不同应用程序所产生的不同格式数据之间建立一个中性转 换机制，实现数据交流； ( 3 ) 扫描与图形处理，实现此功能的意义在于重用企业积累下来的纸质产品图 档，充分利用企业已有的产品信息资源； ( 4 ) 圈阅与注释功能，此项功能是分布式产品开发系统文档审批流程的一个重要 支持工具： ( 5 ) 系统集成功能，利用p d m 系统将有关应用程序集成起来形成一个有机的整 体，并做到相互之间的数据重用或共享： ( 6 ) 配置功能，p d m 系统在实施中应当能够根据企业具体情况作相应的配置， 这要求系统结构具有开放性和可扩展性。 1 3 3 p d m 系统发展过程和研究现状 p d m 从概念的提出到产品的推广历时并不长，但不断产生的新理念、新技 第9 页 堡主兰垡笙主 堕垒丝堡旦兰曼墅垄堑兰主塑主旦塑塑笪竺至兰! ! ! 墨 术、新架构使得现在的p d m 与初期的p d m 有很大的不同。纵观其发展过程， 可以分为三个阶段： 第一代p d m 产品多由各c a d 厂商推出。这一代p d m 产品的功能主要局 限于工程图纸的管理，集成的工具主要是专用的c a d 系统。9 , f f j 在一定程度上 缓解了信息孤岛的问题，但没有真正实现企业级的数据和过程集成。同时 第一代p d m 产品普遍存在功能较弱、开放程度不高、集成能力不强等缺陷。 第二代产品明确了p d m 系统在企业信息系统中的地位，认为p d m 系统应 当是企业产品开发过程的基础数据平台和流程管理中心。通过一定的接口，p d m 系统可以与e r p 系统连接起来，再加上自动化的制造系统( m a s ) ，构成企业 计算机集成制造系统( c i m s ) 的基本雏形。第二代p d m 产品在功能上获得了 广泛认同，并取得了商业上的成功。 第三代p d m 系统是一个很大的跨越。1 9 9 7 年6 月国际对象管理组织( o b j e c t m a n a g e m e n tg r o u p o m g ) 公布了基于c o r b a 的p d m e n a b l e r 草案，就p d m 系统的功能、逻辑模型和p d m 产品之间的互操作性等方面的问题提出了标准， 标志着p d m 产品的标准化走出了第一步。基于这种规范，p t c 公司和u g 公司 分别推出了新一代p d m 产品w i n d c h i l l 和i m a n 。这两种产品代表了目前商用 p d m 产品发展的趋势。 i u g s i m a n i m a n 是u g s 公司提出的c p c ( c o o p e r a t i v e p r o d u c tc o m m e r c e ，协同产品 商务) 的基础。它采用基于w e b 的体系结构，在浏览器界面中完成产品数据的 发布和与用户的交互。系统采用支持分布式计算的c o r b a 平台，也提供传统 意义上的编程接口以集成企业c a x 、e r p 等应用分系统。i m a n 与该公司的 c a d c 街州c a e 软件产品u g i i 紧密集成，用户在使用u g l l 的同时可以直接利 用i m a n 的产品数据信息。 1 1 p t c | w i n d e h i l l w i n d c h i l l 是一个完全建立在i n t e r n e t 平台、c o r b a 和j a v a 技术基础上的 p d m 产品。它本身即定位为集成p d m 技术和w e b 技术的产品协同商务系统， 提供种灵活、联邦式的“虚拟企业”模型，把各种不同的、自成体的系统 结合到一起，建立了一个跨企业的合作环境。企业级的系统框架能让整个广义 企业快捷地访问到庞大的产品资料库，供应商和产品用户都参与到产品开发过 程中。系统采用单一产品数据源的形式保持各开发单位之间信息的一致性，并 2 0 0 1 年1 2 月 第1 0 页 硕士学位论文 网络化协同产品开发环境中的产品数据管理系统研究 自动在整个产品生命周期中保持相关系统和数据的同步。 p d m 系统目前有以下三个主要的发展方向。 1 1 体系发生转变 p d m 系统产生到现在不过十几年的时间，但在这段时间内，随着计算机软 件技术的发展，p d m 的体系已经产生了很大的变化。表131 给出了从八十年 代中期到未来五年中p d m 系统体系的发展历史和方向： 表1 3 1p d m 体系发展历史及趋向 发展阶段八十年代中期九十年代初期九十年代中期九十年代末到未来五年 用户界面字符图形图形多媒体 用户应用无第三代语言接口第三代语言接口可视化编程 p d m 应用第三代语言第三代语言 第四代语言，c + +类库 中间件无与数据库结合与数据库独立标准工作流与对象 数据模型表表表和对象 对象 数据库单一数据库 一或两个数据库多个数据库 对象关系数据库 电子仓库集中式部分分布 全部分布网络化的对象 从上表中可以看出，当前p d m 系统以可视化、对象化和网络化为发展趋 势，充分结合w e b 技术、多媒体技术、分布式数据库、数据仓库技术、分布式 计算技术和面向对象技术，在支持网络化制造方面能力要求更高。 系统功能增强 随着图形化用户界面技术的推广应用，p d m 系统用户界面友好性不断增 强，传统功能日益增强和增多；电子仓库和数据挖掘技术的发展使得数据保存 和文件管理能力继续稳定进步；图形用户界面的推广也带来了工作流技术的重 大进展。传统功能仍然需要加强的方面有：产品结构管理能力、产品分类检索 能力和计划与项目管理能力。 3 ) 与m r p l l e r p 系统集成。 产品数据管理系统强调的是产品是如何设计和配置的，反映的是“设计状 态”的产品信息；而m r p i u e r p 则面向材料和生产过程，强调如何将产品生产 出来并装配到一起，反映的是“计划状态”的产品信息。这两方面信息必须互 相统一，以协调全企业的工程变化。因此p d m 系统与管理系统的集成已经成为 必然的选择。当前诸多厂商已经注意到了这个问题的重要性并着手进行研究。 堡主堂壁堡奎 坚垒些塑旦左墨堑苎堡兰! 堕主曼塑塑篁里墨! 壅里堕 1 4 本文的研究内容 1 4 1 课题来源和研究意义 本文是依托九五国防预研项目“面向c a d c a m 一体化的c s c w 环境研 究与开发”及合作项目“基于因特网的异地设计与虚拟制造系统”进行的。其 主要目的是建立一个基于w 曲的、网络协同产品开发平台进行支持的产品数据 管理系统。 中国加入世贸组织后，中国制造企业将进一步与国际接轨。这既带来了激 烈的竞争，也产生了更大的合作潜力。协同产品开发技术是实现制造业网络化、 全球化的使能技术，是企业之间协作的必要环境和基础，是现代制造企业迎接 新挑战，把握机遇的有力手段。 网络异地协同产品开发平台是一个庞大复杂的软件环境，其中涉及众多的 系统用户，处理大量的产品数据，实现复杂的产品开发流程。在系统运行过程 中，虚拟企业产品开发的所有相关数据处理都是通过分布式产品数据管理服务 实现的。基于w e b 的产品数据管理系统的实现，是协同产品开发平台实现的基 础，是系统有序运行的基本保证。而将产品数据管理作为一种服务应用到协同 产品开发环境中，也是一种新的尝试。因而本课题在理论研究和实际应用中都 具有十分重要的意义。 1 4 2 本文主要工作 本文以建立网络协同制造环境中的产品数据管理系统为主要目标，对该系 统的体系结构的确立、产品结构及配置管理服务模块、产品图文档管理服务模 块、工作流与过程管理服务模块的设计及实现等技术进行了深入研究。本论文 研究的主要内容有： 1 ) 分析异地协同产品开发环境特点和产品数据管理系统的功能结构，得出基于 w e b 的产品数据管理系统与传统产品数据管理系统之间的差异。在进行详细 需求分析的基础上提出基于w e b 的产品数据管理系统总体框架。 2 ) 以面向对象技术为主要工具，详细分析并建立了以下三个子系统对象模型： i 详细分析了企业产品结构层次关系的特点，确立了赋权有向无环图状企 业产品结构模型。分析了协同产品开发环境下产品版本的特点。在此基 础上建立了覆盖产品、部件、零件、特征的层次化产品结构及配置系统 2 0 0 1 年1 2 月 第1 2 页 堡主兰焦堡壅 竖竺些塑旦主曼堑垄! 塑主塑燮塑笪里墨! ! ! ! 堕 对象模型，并确定了相应的管理机制。 i i 建立了产品图文档管理系统的对象结构，提出了产品结构层次与用户个 性化配置并重的系统文件夹管理方案和群组与个体权限管理相结合的 文档访问控制机制，并开发了支持网络应用的三维工程图批注程序。 i i i 详细分析多视图建模理论，建立了工作流及过程管理中的活动网络图过 程模型，对模型元素进行了详细的面向对象建模。确立了事件驱动的工 作流机驱动机制，并分析了保障过程模型顺利运行的措施。 3 ) 介绍了协同环境中产品数据管理系统的服务配置方案，阐述了系统数据库结 构映射方法。最后简单介绍了系统运行实例。 本文的内容结构如下图所示： 2 0 0 1 年1 2 月 第1 3 页 堡主兰堡丝塞 堕塑些堡旦主曼亚茎! 堕主塑兰曼塑塑笪堡墨! i ! ! 翌 2 系统体系结构 2 1 协同产品开发环境中的产品数据管理系统需求分析 从上节所示的网络化协同产品开发平台体系结构可以看出，在整个网络化 异地协同工作环境中，所有从系统内部产生和由外部引进的产品相关数据都是 由产品数据管理系统管理和协调的。产品数据管理贯穿系统的整个运行过程， 为产品数据的一致性、完整性和有序性提供保证。同时，产品数据管理系统为 协同工作平台提供过程管理服务，保证复杂的开发进程中各项任务有条不紊地 进行。因此稳定高效的产品数据管理系统是整个协同工作环境得以顺利运行的 必要条件和基础。 本课题组建立的基于w e b 的网络协同产品开发平台e c w s 支持分布在异地 的用户共同合作完成产品设计和制造任务。该系统能够组织来自不同领域的专 家和技术人员，运用各自领域的知识开展协同工作，包括协同产品开发、协同 制造、协同商务等。在系统中实现了异地办公自动化、异地协同设计、异地制 造数字化制造、电子商务、电子会议等功能；同时提供系统管理、项目与任 务管理、动态数据管理、安全管理等管理机制。为支持整个协同产品开发平台 作为一个统一的整体有效实现以上所述的协同和管理功能，需要产品数据管理 系统提供如系统管理、文档管理、产品结构与配置管理、工作流与过程管理、 零件分类管理、工程变更管理、项目管理等各项管理服务。 从体系结构上分析，协同产品开发平台是一种基于网络的分布式计算环境， 是一个基于w e b 的应用。由于该环境分布式、异构性和协同性等特点，与传统 的企业内部开发环境有着明显的区别。同样的，这两种开发环境对p d m 系统的 需求也存在着极大的差异。主要表现为以下几点： ( 1 ) 传统的p d m 是面向局域网的系统，体系结构大多采用典型的客户机 服务器( c s ) 结构；而基于w e b 环境的p d m 系统面向i n t e m e t i n t r a n e t 环境，采用w e b 浏览器服务器( b s ) 结构。 ( 2 ) 传统p d m 系统的用户操作界面是普通的图示化用户界面，而基于w e b 的p d m 系统应在客户端提供w e b 浏览器界面。 ( 3 ) 传统p d m 系统强调管理，其功能是显式实现的，用户在p d m 系统提 2 0 0 1 年1 2 月 第1 4 页 堡主堂堡垒茎 婴堑些堡旦兰曼墅垄墅塑! 竺兰苎塑塑笪里墨! 塑堕 供的用户界面中工作，其操作由p d m 系统直接处理。而在网络协同工 作环境中，除了出于管理和控制的需要而为某些具有特殊权限的用户 提供的产品数据操作界面外，般用户看不到p d m 系统的界面，也无 需关心对产品数据的管理，p d m 系统的功能是由协同产品开发环境根 据用户的操作请求自动调用的，这里强调的是隐式的“服务”概念a f 4 ) 基于w e b 环境的p d m 系统不仅要管理传统p d m 系统所管理的数据， 而且要管理由网络协同环境所带来的特殊数据，如会议信息等。 f 5 1 协同产品开发环境中的p d m 系统因为直接与广域网相连，比传统p d m 系统要更加注重信息存储和传递过程中的安全性问题。 由于两者之间存在上述区别，所以开发基于w e b 环境的p d m 系统所采用 的技术也与开发传统的p d m 系统有着本质的区别。新环境下的p d m 系统不能 只是将传统的p d m 系统进行网络化的改头换面，而必须在系统的底层模型与应 用模块的功能等方面，根据协同开发环境的需求进行重新设计、开发。只有这 样，才能保证在协作环境中实现企业问的信息共享与交换，提高产品开发的效 率。 2 2 系统整体框架 根据信息建模技术的思想，结合产品数据管理系统的需求，建立p d m 系 统的数据组织和管理模式，其特点如下： ( 1 ) 建立开放的体系，采用组件化的结构。相关对象和功能模块形成独立 的功能组件。通过组装式系统满足不同的客户需求，适应不同企业的 实际应用。这样既保证了数据的安全性，降低了系统的复杂性，又可 以在需要时方便地派生新的对象或增加新的操作，从而实现了对系统 数据表达能力和操作能力的扩充。 ( 2 ) 所有的对象都通过一致的数据接口与数据库进行存取。这样既保证了 数据的安全性和一致性，又可以方便地为其它应用程序提供数据接口 和程序接口，从而提高系统的开放性。 根据以上思想，建立如图2 21 所示的协同产品开发环境下p d m 系统体系 结构图。该系统是基于w e bb r o w s e r w e bs e r v e r 、应用服务器数据库服务器 方式建立的( b s ) 结构。其中文档服务器和数据库服务器处于系统的底层。应 2 0 0 1 年1 2 月 第1 5 页 塑主兰垡堡兰 塑塑垡塑旦主曼翌垄堑墨! 塑主曼垫塑笪里墨竺! ! 生 用服务器以对象管理框架( o b j e c t m a n a g e m e n t f r a m e w o r k ，o m f ) 服务为核心， 提供协同服务、产品结构与配置管理服务、产品图文档管理服务、工作流与过 程管理服务等应用功能服务。 w e bb r o w s e r 网络传输层 w e b j 报务器 应用服务器 协同服务 产品过程 零件 工程 项目系统文档结构与工 分类变更 管理管理与配作流 管理管理 管理 服务服务置服管理 服务服务 服务 务服务 对象管理框架服务 数据库服务器( 二二至亘亘至三二二) ( 二二二亘垂垂垂! i ! 二) 图2 2 1 协同产品开发环境中产品数据管理系统体系结构 基于h t t p 与t c p i p 协议的网络传输层，实现在i n t e r n e t 环境下w e b 浏览 器客户端与w e b 服务器、应用服务器间的信息传递。界面层提供w e b 交互式图 形化浏览器界面，用户通过浏览器界面参与到协同产品开发环境中，并发出对 产品数据的访问或操作请求。 用户从w e b 浏览器执行操作时，向w e b 服务器的服务端口发出服务请求。 建立二者之间的通信联系后，服务器端程序确定用户操作的类型，并决定调用 何种应用功能服务，由c g i a s p j a v a 接口实现与应用服务器的连接。应用服务 是并发进行的，系统可同时响应多个用户同时发出的操作请求。操作结果等信 息由网络浏览器界面返回客户端。 在本系统中，应用功能服务采用模块化方法实现，互相之间通过对象管理 框架进行联系。对象管理框架的作用是提供分布式对象管理机制，并提供对数 据库访问的安全机制。本系统中的产品结构与配置管理服务模块、产品图文档 管理服务模块和工作流与过程管理服务模块实际上是运行在服务器端的应用程 序组件，服务器端程序对其功能的调用是通过调用其提供的接口函数实现的。 2 0 0 1 年1 2 月 第1 6 页 堡主兰篁笙兰 塑堑垡垃旦主曼墅垄堡堡主塑主曼塑堕堡墼里至! 壅! ! 翌 2 3 系统建模方法 由于协同产品开发环境中的p d m 系统工作在w e b 环境下，所有对产品的 设计和配置工作最终都反映为对服务器端产品数据的操作，因此研究服务器端 的数据模型是系统设计的重要环节。 根据产品数据管理技术的发展趋势，可以从两方面定义对产品数据管理系 统的需求： ( 1 1 并行工程和虚拟产品开发环境等先进技术实现的框架系统。 ( 2 ) 面向整个产品生命周期的数据管理系统。 其中第一项要求p d m 系统具有良好的集成性和开放性，第二项则要求 p d m 系统具有良好的数据组织和局部功能的扩展性。协同产品开发过程需求千 差万剐，如果系统可扩展性差，必然影响系统的适用范围。同时p d m 服务所管 理的数据涉及产品的整个生命周期，数据繁多，类型不一，过程复杂，且要求 与相关应用系统进行数据交换和集成。这决定了p d m 系统提供的不应是定制好 的数据结构，而应当是描述现实世界数据的元素。从某种意义上说，是提供组 织数据的手段和信息建模的工具，而不是结果。采用何种手段，建立何种元数 据是衡量p d m 系统可扩充性、适应性和开放性的首要问题。作者认为，产品数 据管理系统必须借鉴通用的信息建模技术思想，才能够具有组织复杂产品数据 的能力。这也是p d m 系统不同于一般应用软件的重要体现。 模型的构造是为了帮助人们对问题进行分析和研究。采用适当的建模方法 能够在模型的构造过程中起到事半功倍的作用。目前系统建模有多种通用的方 法，其中较为著名的有i d e f 方法、实体联系( e r ) 图法和面向对象( o o ) 系统建模方法这三种，现逐一简介如下： 1 ) i d e f 方