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4 产品配置管理系统研究 摘 要 对工业产品的市场需求正朝着快速满足客户个性化需求的方向发展。 企业的产品需要对这种需求提供高效与快速反应能力。 面对这个问题， 有 关产品配置管理的研究引起广泛关注。 产品配置管理的目标是以柔性的产 品结构设计和尽可能少的成本来快速满足用户的个性化需求。 而产品配置 管理系统的目标是为实现产品配置管理提供软件支撑。 本文从建模、开发与实施三个方面对产品配置管理系统进行了研究。 在阐述产品配置管理概念的基础上， 采用 uml 技术， 建立了产品配置管理 系统的数据模型。 该模型包括一个可柔性扩展的结构树， 并通过结构树中 由参数驱动的全息节点建立了对其内容的便捷引用。 在该模型中， 通过引 入产品配置的“范树”与“实例树”的概念，来表达产品的可选配置与实 例化配置之间的关联。同时，文中阐述了参数在产品配置中的作用域，以 及如何利用参数构造产品配置规则， 并将参数驱动有机结合在产品数据配 置中，实现了相应的规则推理引擎。 在上述模型基础上，完成了有关产品配置管理的软件系统设计。以 oracle 数据库开发工具为平台， 开发了一个产品配置管理应用系统原型， 实现了中小规模产品配置数据的存储、 规则的表达以及推理计算功能。 并 在实际的产品配置设计中得到了应用验证。 本文还研究了 sap r/3 的产品配置管理系统的业务模型与技术特点， 5 在分析了一家典型离散制造企业的特殊产品数据管理需求后， 设计了适合 该企业的产品配置管理系统的最佳业务实践方案,特别是从具体业务情景 到抽象软件功能的概念映射与转换。 最后以商业系统 sap r/3 的产品配置 管理模块为例，与本文设计的原型系统进行了优缺点比较。 本文的研究工作对于对离散制造行业产品数据管理的应用具有可操作 的实践指导意义。 关键字 pdm，产品配置管理，范树，实例树 6 research of the product configuration management system abstract the market requirement of the industrial product is developing to the direction of fast satisfying the customers personal requirement. enterprise needs to afford the ability of fast and efficient reaction to this requirement. facing this problem, the research on the product configuration management raises a wide attention. the target of the product configuration management is to satisfy the customers individual requirement by flexible product architecture design and lowest cost. the target of the product configuration system is to give a software supply to the product configuration management. the thesis gives a research on the product configuration management system by three approach of modeling, developing and implementing. basing the concept description of the product configuration, here design a model of the product configuration system by the uml technology. this model including a structured tree with flexible scalability, and can easily reference the content of 7 a holographic node by parameter driven in the structured tree. in this model, the relationship between the optional configuration and the instance configuration is expressed by the concept of “normal tree” and “instance tree” in product configuration. simultaneously, the thesis describes the affect area in the product configuration of the parameters, and how to use the parameter to construct the configuration rules, and then bind the parameter driven in the product configuration， the corresponding engine of the calculation rules was designed. basing the above mentioned model, the system design related to product configuration management software was accomplished. by using the developing platform of oracle database, a prototype application system of product configuration management was designed, achieving the functionality of data storage, rules representation and calculation for a middle sized data of product configuration. its also verified in the real product configuration design environment. this thesis also gives a research on the technical feature of the product configuration management system of the sap r/3. after the analysis on a typical discrete manufacture enterprise, thesis gives a best business practice schema suitable for this enterprise, 8 especially the concept mapping and converting from real business situation to abstract software function. at last, a compare work between the product configuration module of a business system sap r/3 and the research work of this thesis was processed. the research work of this thesis can give a practical help to the application of product configuration management in the discrete manufacturing industry. keywords pdm，product configuration management，normal tree， instance tree 2 附件四附件四 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孙强 日期： 2007 年 5 月 26 日 3 附件五附件五 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 孙强 指导教师签名：王英林 日期：2007 年 5 月 26 日 日期：2007 年 5 月 26 日 3 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 随着信息化在企业运营管理中的深入，企业管理需求开始出现明确的功能领域。软件从早期 的独立应用软件解决个别问题开始，发展到大型综合管理软件，全面集成了运营管理中的各个环 节。大型综合管理软件成为企业信息化建设的框架平台，信息在这个平台上得到高度整合与流通。 目前，最典型的大型综合系统有 plm、erp、mes 等。这些系统在企业中实现功能相对集中 的需求。产品生命周期管理plm，作为一个产品设计与数据维护的管理平台，为企业的产品与 业务创新提供服务。企业资源计划erp，作为一个企业生产经营的资源整合平台，为企业管理 提高效率，控制成本。制造执行系统mes，作为生产全过程控制的管理平台，为企业产品的产 出提供信息控制服务。 erp 作为统领性的综合企业运营管理平台得到了广泛的应用，几乎适用于所有的行业领域。 plm 的出现则是为了满足某些具有复杂产品设计过程的行业需求。 mes 侧重与应用在连续型制造 企业的制造控制领域。 在广阔的信息化软件领域中，本文针对 plm产品生命周期管理（product lifecycle management）应用的重要组成部分，也是 plm 发展的前身pdm 产品数据管理（product data management） ，做一个研究课题。并侧重探讨 pdm 中的配置管理（configuration management）问 题领域。 1.2 plm 的发展现状的发展现状 目前的主流 plm/pdm 厂商都是从 cad 软件厂商发展而来的，他们往往首先是专业的 cad 软件公司， 拥有著名的 cad 软件产品。 例如： ugs 公司的 ideas 软件、 dassault 公司的 catia 软件、ptc 公司的 proe 软件。然后这三家公司又发展了各自的 plm 软件。分别是 ugs 的 teamcenter、dassault 的 smartteam、ptc 的 windchill。 第一阶段，pdm 概念围绕 cax 软件，为 cax 文件提供辅助的存储与管理功能。 第二阶段，出现独立的 pdm 软件，提供产品配置，设计变更管理，项目管理等功能。 第三阶段，pdm 的概念扩展为 plm产品生命周期管理（product lifecycle management） 。 plm 将产品全生命周期出现的各种功能需求全部纳入。例如：ugs 公司对 plm 的理念是：创新 与规范开发与验证生产与交付服务与支持。ptc 公司对 plm 的理念是：建立控制 协同。 协同设计成了主流技术概念。 各大公司产品用各自的方式不同层度的实现了各自对协同 的理解，并取得了应有的成功。 4 1.2.1 plm 标准开发现状标准开发现状 （1）stepstandard for the exchange of produce model data)。 为了解决各大技术平台之间表达和交换数字化产品信息，国际标准化组织 iso 提出了 step 标准。 这是一个独立于任何技术平台的中心数字产品描述语言。 step 技术覆盖了产品生命周期的 全部数据。包括：产品设计过程、产品制造过程、产品管理过程等。 step 技术由以下几部分组成： step 的体系结构类似网络协议，分为三层：应用层，逻辑层，物理层。物理层提供了具体的 产品信息化的实现形式，例如：中性文件、sadistandard access data interface、数据库、知识 库等。step 的逻辑层概念称为 ipimintegrated product imformation model，分为通用集成资源和 应用集成资源。通用集成资源指几何与拓扑表示。表达结构、产品结构配置、形象化表示等。应 用集成资源指绘图、有限元分析、结构、运动学等。应用层包括应用协议及对象的抽象测试集。 例如：显示绘图、配置控制设计、边界模型机械设计、曲面模型机械设计等。以上每一部分均有 对应的国际标准描述。 （2）cmii 标准 就像 mrpmaterial requirement plan 从物料资源计划的概念扩展为 mrpiimanufacture requirement plan。 cmconfiguration management 配置管理也升级到 cmii技术状态管理。 原有 的 cm 包括：需求管理、变更管理、发布管理、数据管理、记录管理、文档管理、库管理。现在 的 cmii 还包括了项目管理。产品开发、生命周期支持、质量确认等。 cmii 将 plan（计划） 、act（）行动、do（实干） 、study（研究）四种行为识别为两个 互相作用的循环，融合在项目管理中。入下图所示： 图 11 5 目前市面主流的 plm 软件都已获得或正在申请 cmii 的认证。例如：metaphase,windchill(已 通过） ，sap, ematrix（正在申请） 。 （3） omg 组织公布了 pdmenabler 标准草案。 本草案由许多 pdm 领域的主导厂商参与制订， 如 ibm、sdrc、ptc 等。pdmenabler 基于 corba 技术，就 pdm 的系统功能、pdm 的逻辑模 型和多个 pdm 系统间的互操作提出了一个标准。这一标准的制订为新一代标准化 pdm 产品的发 展奠定了基础。 1.2.2 实现实现 plm 的使能技术的使能技术 （1）数据库技术 信息系统存储数据的主要手段就是数据库， 常用的成熟数据库软件有 oracle、 db2、 sybase、 sqlserver 等。 （2）网络技术 internet 的出现，特别是 www 与 html 等相关技术的出现，使信息的流通得到了急剧发展。 网络成了信息流通的平台。 （3）java 技术 面对复杂的异构计算环境，java 虚拟机的概念很好的解决了软件在不同硬件平台之间的兼容 问题。使得软件可以在一处编写，处处运行。 （4）分布式计算技术 在网络环境中，后台服务器承受的压力越来越大，分布式计算技术，将计算分层实现，利用 多层的服务器机制，将计算量分摊并均衡负载，使系统能实现高可用性与扩展性。 （5）agent 技术 agent 指一个具有一定智能和自治能力，能根据环境变化作出响应和进行相应处理的软件系 统。agent 的自治性、智能性、响应能力和合作性等高级特性使得它很适合在复杂、大型的系统 中应用。 （6）工作流技术 业务流程在信息系统中利用工作流管理软件来提高工作人员在系统中提高业务处理能力。工 作流软件为业务提供了快速组建和配置流程的功能。适应于企业分散灵活的组织结构和决策管理 模式。 1.2.3 plm 的提出背景和应用发展的提出背景和应用发展 信息技术进入产品设计领域最早的方式是 cad/cae/cam/capp 软件和文本信息处理软件。 随着以上产品设计数据文件在数量上的增长，出现了以文档管理为主的 pdm 软件。当产品设计 过程趋向更复杂时，pdmproduct data management 软件的概念趋向于将产品规划、设计、制造、 升级、维护等生命周期全过程的数据都纳入管理，形成了现在的 plmproduct lifecycle management 的概念。这个概念仍在发展中。 plm 系统的出现，和 erp 系统成为两大支持企业运作的信息平台。erp 是一个为企业节约 6 资源，利用资源的系统。而 plm 则是一个支持创造价值的系统。一个开源，一个节流，两者都是 企业重要的信息平台。 在 sap 的 r/3 系统中，variant configuration 功能就是一个属于配置管理的功能。它在 erp 中 承担一定的功能。r/3 系统在扩展了 plm 模块后，变式配置（variant configuration）更提升成为 了 plm 的重要成员。plm 与 erp 的业务数据得到了更好的融合。 1.3 论文的主要工作论文的主要工作 本文探讨了 plm 系统的功能框架与技术应用。并针对其中的产品配置管理 product configuration management 核心模块进行了深入研究。 首先提出了一个具有理论指导价值的通用的产品配置管理 uml 模型。模型将产品配置过程 中的涉及的概念与算法进行了规范。引入产品配置的“范树”与“实例树”的概念，来表达产品 的可选配置与实例化配置之间的关联。模型明确了基于参数驱动的全息节点对子节点树的便捷引 用作用。文中阐述了如何利用参数构造产品配置规则， （包括参数查表法推导计算和复杂条件规则 推导计算） 。基于参数驱动的数据模型实现了高度柔性的结构树扩展方式。 然后以 oracle 数据库开发工具为平台， 以上述理论模型为指导， 开发了一个通用产品配置 管理应用系统原型。将产品配置“范树”与“实例树”的数据按不同的数据结构进行了合理的存 储。将一个组合号与条件号结合在对物料节点中，实现了简易的全息节点引用。同时，将参数驱 动有机结合在产品数据配置系统中， 设计了相应的父子全息节点之间的规则推理与参数计算引擎。 系统的功能在实际的产品配置数据的设计中得到了应用验证。实现了中小规模产品配置数据的存 储、规则的表达以及推理计算功能。 本文还研究了商业系统 sap r/3 的产品配置管理模块业务模型，针对企业的特殊需求，以一 家典型离散制造企业（大规模复杂装配产品电梯）产品数据管理为例，分别给出了产品配置 管理实的最佳业务实践方案，包括实际产品数据到抽象软件功能的概念映射与转换方法。 最后以商业系统 sap r/3 的产品配置管理模块为例， 并与本文设计的系统进行了优缺点比较。 通过以上几项工作，本文从建模、开发、实施三方面全面阐述了产品配置管理这个课题。 7 第二章第二章 plm 的体系与发展的体系与发展 2.1 plm 的概念发展的概念发展 cad（computer aided design）技术从六十年代起，有了迅猛发展。信息技术在工业领域创 造了特有的价值， 传统的制图方法被 cad 技术淘汰。 计算机技术轻易的将平面图形设计扩展到三 维图形设计，并延申到 cae（computer aided engineering）领域中去。信息技术在各个业务领域 大展拳脚。 此时，对于数据处理量的增加，数据更改次数频繁，信息技术从集中于“点”的业务领域， 向有联系的“线” ，以及“网”发展。相对于单点的数据计算，业务需求开始向多点的数据管理转 移。 早期出现的 pdm 即是实现 cad 与 cae 的文件管理功能，主要实现设计图纸、工艺路线、 数控 nc 程序等的存储与版本管理等功能，实现早期的产品数据管理。管理的理念受到信息技术 发展的制约，仅停留在当时的业务需求上。 同时，出于生产管理的需求，另一支管理软件也在蓬勃发展，即 mrp（material resource planning） ，物料需求计划。主要实现生产控制的信息化管理，随着管理理论的发展，mrp 也朝着 mrpii（manufacture resource planning）和 erp（enterprice resource planning）方向不断的优化 与整合，实现更大范围和规模的管理理念。 随着业务需求的膨胀和信息技术的发展，pdm 将业务领域做了大的扩充，并形成了 plm （product lifecycle management）的理念。plm 试图将产品生命周期全过程的数据都管理起来， 包括产品本身的数据，开发产品的过程，产品开发的知识管理等。 1995 年 2 月，致力于 pdm 技术和相关计算机集成技术的国际咨询公司 cimdata 公司在其发 布的pdm today一文中，对 pdm 提出了简单的定义： pdm 是一门用来管理所有与产品相关 信息(包括零件信息、配置、文档、cad 文件、结构、权限信息等)和所有与产品相关过程(包括过 程定义和管理)的技术。 l997 年 7 月，omg 组织公布了其 pdm enab1er 标准草案。pdm enabler 的公布标志着 pdm 技术在标准化方面迈出了崭新的一步。 pdm enabler 基于 corba 技术， 就 pdm 的系统功能、 pdm 的逻辑模型和多个 pdm 系统间的互操作提出了一个标准。这一标准的制订为新一代标准化 pdm 产品cpc（collaborative product commerce）协同产品商务的发展奠定了基础。其中比较典型的 是由 ptc 公司和 matrixone 公司提出的产品协同商务（cpc）解决方案，它是一个完全建立在 internet 平台、corba 和 java 技术的基础上的产品。之后，各 pdm 公司相继推出个各自的 cpc 解决方案。 美国咨询公司 aberdeengroup（协同产品商务的提出者）的定义，协同产品商务（cpc: collaborative product commerce）是一类新的软件和服务，它使用 internet 技术把产品设计、分析、 寻源（sourcing: 包括制造和采购） 、销售、市场、现场服务和顾客连成一个全球的知识网络，使 得在产品商业化过程中承担不同角色、使用不同工具、在地理上或供应网络上分布的个人能够协 作的完成产品的开发、制造以及产品全生命周期的管理。 8 cpc 将 plm 做了一个大的提升。管理理念得到空前发展。协同产品商务的理念能取得更为 持久的竞争优势，是一次战略性的理念提升。据 gartner 的资料：cad/cam/cae 提高设计效率 10%-20%，取得的竞争优势只能持续 1 年多；vpdm/pdm 缩短产品开发周期 30%，取得的竞争 优势只能持续 2 年半；而 cpc 带来的战略性产品创新，取得的竞争优势能持续近 5 年。 目前领先的 plm 软件包括： ptc windchill。网站链接为： matrixone ematrix。网站链接为： eds teamcenter。网站链接为： dassault enovia。网站链接为： smartsolutions smarteam。网站链接为： telelogic synergy 网站链接为：http:./ sap plm 网站链接为 2.2 plm 的功能框架的功能框架 2.2.1 产品开发工具产品开发工具 plm 厂商大多首先是高端 cad 软件供应商，由于产业需求早期主要集中在机械制造业，所 以，这些 cad 软件工具厂商首先成了 plm 厂商。cad 设计软件也自然成了 plm 的重大组成部 分。随着 plm 在行业领域应用的扩展，纯机械的 cad 软件将占据越来越少的百分比，各种领域 的设计软件将参与到 cad 所不能顾及的领域来，成为 plm 的重要功能组成。 目前常见的 cad 软件有： eds 公司的 ug，ideas ptc 公司的 proe dassault 公司的 catia，solidworks 2.2.2 产品开发数据管理和过程管理产品开发数据管理和过程管理 plm 的前身是产品数据管理，所以产品数据仍是 plm 软件的核心管理内容。产品数据有以 下几种形式： （1）产品结构树 制造行业的 bom（bill of material）概念扩展成为广义的产品结构树。产品结构树是一切数 据的核心，无论是制造、采购、销售、还是财务。对于复杂的产品，结构树是一个虚拟的、动态 的、抽象的树状结构数据。产品结构树是一切产品数据的核心网络。 （2）产品设计文档 产品设计文档通常以光栅扫描标量文件与矢量文件的方式存储。按文档的发生时期分以下几 种： （a）产品规划阶段：产品设计方案、可行性分析报告、市场调研报告等 （b）产品设计阶段：系统框图、零件图、装配图、施工图、操作手册、维修手册、保养 9 手册等 （c）产品制造阶段：加工工艺、数控加工设备程序、装配图、施工图、操作手册、维修 手册、保养手册等。 （d）产品销售阶段：产品规格书、广告文书、客户化方案设计资料。 （3）标准、制度、法律文档 国家标准、国际标准、企业标准、行业标准以及国际国内针对产品的法律法规等。 （4）技术支持文档 用于向用户以及开发人员提供针对产品的学习、培训的文档等。 市场对产品的个性化需求，导致产品设计产出过程高效快捷，这导致了开发过程管理成本急 剧增长。对此，plm 的管理理念得到了充分的发挥。主要功能如下： （1）项目管理 （2）版本管理 （3）变更管理 （4）配置管理 （5）流程管理 2.3 成熟商业产品配置管理系统现状成熟商业产品配置管理系统现状 a、sap 公司 r/3 系统中的变式配置（variant configuration） sap 公司 r/3 系统中的变式配置应用于 sd、mm、pp 等多个模块中，业务功能逐步提升到 plm 的概念，变式配置成为一个通用的与 erp 中各个业务数据紧密结合的通用配置管理工具。 b、oracle 公司为其 erp 与 scm 系统提供的通用工具 oracle configurator 11i oracle configurator 是一个战略性的有导向的销售和配置产品，它提供了具有下一代水平的配 置程序技术。 作为 oracle customer relationship management （crm） 和 enterprise resource planning （erp）应用软件的功能强大的附加模块，该产品利用一个集中维护的配置模型来支持整个企业 的配置。oracle configurator 是 oracle applications 的一部分。oracle applications 是面向企业的一 个集成的电子商务应用程序套件，旨在将您的企业转变为电子商务企业。 （摘自 oracle 公司技 术白皮书） c、telelogic synergy 侧重软件业的配置管理系统 telelogic synergy 是 telelogic 工具家族中的变更和配置管理工具。telelogic synergy 为 您公司的软件开发资产提供生命周期控制，帮助您加速开发先进系统和软件，并且提高产品质量。 它负责维护软件资产集成的中央数据库以及所有相关的项目、任务、过程及人员信息。软件变更 和配置管理使改进开发过程、加速开发周期、最大化生产力（不受团队规模和人数的影响） ，并且 通过自动化和重用来最小化费用成为可能。 （摘自 telelogic 技术文档） 10 第三章第三章 基于基于 uml 的产品配置管理模型设计的产品配置管理模型设计 3.1 引言引言 3.1.1 需求分析需求分析 随着市场消费需求水平的提高与工业制造技术的进步，工业产品正呈现多样化与复杂化的发 展趋势。从降低成本角度出发而批量制造的单一配置产品到满足顾客个性需求的定制产品的演变 趋势，已经在产业领域内显现。 产品生产成本的控制正从大规模重复制造的方式转变为对大量动态信息灵活掌握与及时应变 的方式。信息科技在这场革新中扮演着重要的角色。配置变化多端的复杂配置产品考验着企业的 开发、管理与运作能力。 3.1.2 产品配置的基本概念产品配置的基本概念 针对大规模复杂配置产品的配置数据结构研究产生了产品配置管理的新概念。 产品配置系统（product configuration system）是产品数据管理系统（pdm）的一个组成部 分，该系统针对复杂配置产品（complicated configuration product）的配置数据进行处理，实 现从产品需求数据（销售订单数据 sales order）到产品制造数据（生产计划订单数据 ）的全过 程数据处理。 产品配置系统针对产品千变万化的市场需求，将产品的需求信息快速高效地转换为产品的制 造信息，有助于降低产品客户化定制的二次开发强度，缩短供货周期，提高企业的市场应变能力。 产品数据作为生产企业的业务核心数据，产品配置管理同时也为生产相关的业务领域提供高 效的基础数据管理。为了涵盖这些相关业务领域，产品配置的概念得到了进一步的扩展。 3.2 复杂配置产品复杂配置产品 uml 建模设计建模设计 11 3.2.1 复杂装配产品配置业务的活动模型复杂装配产品配置业务的活动模型 业务流程从产品销售开始，客户对产品提出详细规格要求。其中包含产品标准规格范围内的 参数和客户定制的特殊参数。这些客户需求数据以文字与图纸的形式与销售条款一起作为合同对 产品与服务进行描述。系统将此客户需求信息，转换成系统已预定义的统一产品规格全局参数 （product global parameter） 。将全局参数输入已预定义产品配置条件规则的计算引擎中，系统将 生成产品部件总成（part assembly）信息清单。该清单是复杂装配产品的实例数据，是具体的产 品构成信息。在产品的装配树（assembly tree）中，表现为符合条件规则的深度为一的分支节点 的集合。生成不同颗粒度的产品树的目的是为产品生产排产的多变性随时提供弹性数据，以及层 次化的结构性数据。对于大规模复杂配置产品，不同的业务岗位对产品细节的深度访问是不同的。 产品配置业务流程承担了对不同颗粒度的产品节点的访问方法。 分支树节点信息与分支树结构信息根据产品全局参数在系统中做物料细节展开运算，最终生 成产品的具体物料清单（bom） ，实现复杂配置产品从需求到制造的数据转换过程。 产品配置业务流程以活动图的形式见图 31： 制造产品销售产品数据处理pdm设计 定制客户产品规格转换为产品规格参数 设计产品配置规则 生成产品制造bom 设计产品结构范树 产品制造（略） 产品规格描述 产品配置规则 产品规格全局参数 设计视角范树 制造bom 制造视角产品结构实树 图 31 在产品销售泳道中，作为产品销售的商务合同签订等活动在这里得到体现。这是全流程的需 12 求源头，该需求源头通常以合同条款的形式对产品规格进行描述。这种描述是建立在作为非技术 人员的客户与产品制造商之间的共同描述，这种文字描述应用到产品实际配置过程中，需要通过 一个技术转换，将客户需求数据转换成严格统一的数据格式。这种转换就是产品数据处理泳道的 第一个步骤。对于复杂的产品，这个技术转换不仅需要合同文本，还需要一些客户需求的技术文 件，比较典型的就是建筑安装机电产品所需要的客户建筑土建图。这就像顾客去西装店定做西装， 客户除了要指定面料和款式以外，裁缝还需要测量客户的个性化身材数据。这种数据转换得到的 是可以精确描述该产品实例的全局参数（product global parameter） 。这个全局完全有肯能是一套 结构化的参数，用关系型数据库或 xml 技术可以将其清楚的表达。 “pdm 设计”泳道的主要内容就是产品设计的过程。离散制造（discrete manufacturing）型 行业对产品的组成结构的设计就是产品配置管理设计。连续流程型行业，例如化工行业，除了对 产品原材料的配方成分（recepie）关心外，更关注加工过程的时序与状态控制。离散制造型行业 在流水线式加工装配过程中，也对此有时序控制要求。在离散行业中，这个需求产生了供应链管 理（supply chain management）的概念。作为离散制造业的基本产品结构数据，在供应链管理中 也发挥这重要的作用。设计产品结构范树和设计配置规则这两个工作最终生成的是完整的产品配 置数据，即配置范树。这两种数据有不同的结构形式。配置规则不能独立存在，必须作用在结构 范树上，没有配置规则的结构范树也是没有实用意义的虚拟树。 在完整的产品配置范树上，根据产品全局参数，可以生成具体的产品实例树。产品配置范树 以及工作在产品配置范树的分析计算程序就象是一个工作引擎，产品实例全局参数是这个引擎的 输入，产品配置的实例树就是这个引擎的输出。这个输出结果通常就是符合制造视角的产品实例 bom。从设计到制造的视角转换规则，也存在于配置规则中。 制造 bom 生成后，业务流程还将生成制造工艺流程（routing）数据，这个数据与产品结构 范树是紧密依存的。通常所说的可变工艺，就是指当产品数据发生变化时，产品的制造过程将需 要相应调整。这也是 pdm 系统的重要工作内容。这与狭义的产品配置管理有类似的数据结构和 算法，同时又是广义的产品配置概念的组成。针对可变工艺，举个简单例子：产品中有 10零件 的加工尺寸超过普通设备加工能力。这 10零件的加工需要使用特殊的加工设备，或者委托外部 加工（out sourcing） 。这个加工尺寸就是左右工艺路线的关键数据。本文尚未对产品配置管理在 可变工艺上的应用作进一步研究，仅对狭义产品配置管理的作了阐述。 3.2.2 产品配置管理系统的用例模型产品配置管理系统的用例模型 产品装配管理系统涉及 4 大主要用例。分别是签订产品销售合同、输入整机技术参数、设计 产品配置范树、生成产品配置实例树。 13 产品销售合同的签订是相对独立的用例，客户和销售员的作为是产品配置管理系统的源头， 产品的技术规格在合同中得到最初步的描述。这也通常是企业 erp 的业务源头。销售工程师区别 于销售员，需要承担整机技术参数的输入工作，这项工作是产品配置的系统中相对销售员更专业 的业务。在此，产品合同扩展为整机技术参数。研发工程师涉及系统的核心重点，即产品配置范 树的设计工作。使用整机技术参数和产品配置范树可以生成产品配置实例树。制造工程对实例树 的关心程度远远大于产品配置范树。在此略去制造工程师对产品配置范树的交互关系。 签订产品销售合同 输入整机技术参数 产品配置管理系统产品配置管理系统 设计产品配置范树 生成产品配置实例树 客户 销售工程师 销售员 研发工程师 制造工程师 图 32 3.2.3 产品配置结构树的概念产品配置结构树的概念 1、产品装配结构范树（normal tree）模型。 树状结构的产品配置数据结构体现的是产品、部件、子部件与零件等节点之间的从属的逻辑 关系。范树涵盖了产品配置结果的所有可能情况。将范树本身进行直接的实例化，将是没有实际 意义的，只有经过需求参数的导入，经过逻辑运算，才能产生具有实际意义的产品配置结果。 由于产品配置需求的不同，范树的树枝将形成疏密不同的生长方式。父子节点之间的通路以 虚实线来表达必须与可选的关系。由于设计、排产、制造、包装、发运等环节对产品配置的需求 差别，通常需要分别按各自的视角建立不同的产品结构树。 14 产品结构数在这些视角转换中，需要做一些变形计算，这是建立在图形上的运算逻辑。 产品配置结构范树的基本算法： 在各个节点之间有拆离、合并、选择三种常见变换形式。如图 33、34、35 表示： a bc a bc 拆离 图 33 a bc a bc 合并 dd 图 34 a bc a bc 选择 d 图 35 产品配置结构树中节点之间的从属关系所形成的树状结构与网状结构： a bc ab cd 树状网状 图 36 如图 36 所示，范树作为一棵逻辑树，父子节点之间的关系是一种逻辑相对组合，而不是物 理绝对组合。所以存在一种网状结构，即同一种物料被不同的父物料所引用，在逻辑上这个物料 被多处复用。这种物料通常是可重复使用的国家标准件或企业标准件。实例树中则不存在这种网 状结构，逻辑上被复用的物料，在实例树的概念中则是通过多个数量的同一物料被多处的父物料 所引用，最终形成一个严格意义的树。 范树的分解： 范树的节点由产品总装节点（product general assembly node）扩展到基本元件线（line of 15 element node） ，节点数逐渐膨胀，表达了产品的零部件分解过程。分解的最终结果是组成该产品 的是不可再分的基本元件。该分解过程涵盖了产品的全配置关系。范树是一棵完整但是抽象的树。 是所有实例树的可能配置数据源。范树的设计是设计 bom（engineering bom）的体现。范树的树 枝生长过程是产品设计过程的内容。形式上表现为不同机电功能部件之间的从属与并列以及节点 之间的数量关系属性与节点参数传递等内容。 范树的聚集： 范树节点由基本元件聚集汇总为产品总装节点。这个过程是对产品分解范树的逆过程，规约 的过程是根据条件选择的。最终结果是具有实际意义的产品实例。在聚集的过程中，树的结构将 发生分支选择、分支重组、增加虚拟节点等变化。通常表现为制造过程中的产品结构绑定、重组、 分装等。范树的聚集也是离散型制造行业产品的装配与包装过程。 装配与聚集的示意图，见图 37 设计bom分解方向制造bom聚合方向 范树总节点层 实例树节点层 包装概念层 部件节点层 部件节点层 子部件节点层 子部件节点层 图 37 范树与实例树的关系： 范树是一棵抽象树，物料以虚拟的形式（物料属性不确定）存储在范树结构中。范树同时还 16 包含了为逻辑算法引擎所提供的配置规则。这个规则是用于范树生成实例树的重要组成。范树实 际是网状结构，在本文中暂将其统一称为“树” 。 实例树是一棵具体树， 每一个物料具有明确的属性。 对于同一标准件被上级物料的重复引用， 在实例树中也不再呈现网状结构，而是标准件的多个数量存在于不同的上级物料 bom 中。实例树 是一棵严格的树。 以上几种概念将运用在产品实例树从产品范树的分析计算引擎中。对以上运算的规则定义则 存储与产品配置规则中。 3.2.4 产品配置的类模型设计产品配置的类模型设计 基本模型 表达产品装配组成关系的树状结构的经典抽象 uml 模型如下：处于任何层次的树节 点信息，在数据库表中都是以平等的方式存储。节点之间的层次从属关系则由自连接的 方式表达，即“pig ear”模型。见图 38。 部件节点 * * 父节点 子节点 属于 图 38 由于存在不同父节点可能包含相同子节点的产品装配情况发生， 所以形成一个多对多 的关系。宏观上， “树”将形成“网” 。产品的设计 bom 是范化的产品组成结构，是“网” 状结构，产品的制造 bom 是实例化的产品组成结构，是“树”状结构。见图 35。 更易于理解的数据例子如下表所示，左侧的表格代表父子节点之间的数量从属关系， 右侧的表格代表节点的自身属性。 17 父节点 子节点 数量 node001 node0021 node001 node0034 node001 node00416 表 31 表 32 对于静态 bom 的存储，这个数据结构可以完全实现需求。但对于动态可配置的产品配 置需求，父子节点数量以及节点的属性值均可作参数化处理。 节点组合的模型 由若干子节点装配组合形成的产品子部件，可以被包含在不同的上级父部件中。该 子部件为适应不同的上级父部件的功能需求，允许在组成和数量关系上作变化。这些有 共同特征又有差异的装配子部件应该以编组的形式加以管理，这比起对每个零件进行完 全独立分散的管理有优势，可以让产品研发人员在宏观角度设计产品时忽略子部件细 节，提高效率。这是产品配置的对象封装概念。为此，建立具有分组功能的产品配置模 型。见图 39。 部件节点组合 * * 父节点组 子节点组 属于 * * 部件节点 * * 图 39 在下表的数据表示中，零件节点信息不再直接出现，取而代之是节点组名与节点组 号的绑定。零件级父子节点的从属关系，在此转变为组件级父子节点的从属关系。 节点名 属性 1 属性 2 属性 3 node001 value1 node002 value2 node003 value3 node004 value4 18 父节点组名 父节点组号 子节点组名 子节点组号 数量 asm001 g01 asm002 g01 2 asm001 g01 asm003 g02 4 asm001 g02 asm003 g01 2 asm001 g02 asm004 g01 4 表 33 节点组名 节点组号 规格名称 asm001 g01 装配总成 asm002 g01 半成品 1 asm002 g02 半成品 2 asm003 g01