（机械设计及理论专业论文）面向模块化的产品结构与配置管理的研究与工程应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 产品数据管理是一门管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过程的技 术。随着计算机技术在制造业各工程领域中广泛深入的应用和不断发展，p d m 己成为 在企业产品设计、制造中不可缺少的支撑技术。产品结构与配置管理是产品数据管理 系统的重要功能。本文以华中科技大学国家企业信息化支撑软件工程技术研究中心为 东风柳州汽车有限公司实旅的i n t e p d m 系统为研究开发背景，提出了面向模块化的产 品结构与配置管理的解决方案，并开发了相应的系统。 首先，本文概述了产品数据管理系统的现状及地位，分析了国内外产品结构与配 置管理的研究和应用现状。 其次，分析了柳汽企业设计制造过程和产品模块化特点，提出了面向模块化的产 品结构与配置管理，给出了“基本型+ 选装模块”的产品模型和产品配置框架，并阐 述了选装模块之间的三种约束关系。分析了产品配置中选装模块关系冲突检验和多级 选装配置过程两个关键技术，并基于i n t e p d m 原有系统的基本功能提出了解决方法， 给出了系统的体系结构和功能划分。 然后，介绍了面向模块化的产品结构与配置的技术实现，包括算法流程、与e x c e l 集成、类设计和数据库设计。并给出了面向模块化的产品结构与配置管理的应用实例。 最后，进行了全文总结，并对进一步的研究工作方向做了展望。 关键词。产品数据管理产品结构产品配置模块化 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ( p d m ) i sa t e c h n o l o g yt om a n a g ep r o d u c t - r e l a t e di n f o r m a t i o n a n d p r o c e s s e s w i 吐lt h eb r o a da n di n d e p t ha p p l i c a t i o no f t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yi nv a r i e d f i e l d so fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , p d mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt e c h n o l o g ys u p p o r t i n gt h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fe n t e r p r i s e s p 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 t i s a ni m p o r t a n tf u n c t i o no fp d m t h i st h e s i sf o c u s e so ns o m et e c h n o l o g i e sa b o u tp r o d u c t s 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 to fp d m s y s t e mu s e di nd o n g f e n gl i u z h o um o t o r s c o ，l t d w h i c hi sd e v e l o p e db yn a t i o n a le n g i n e e r i n gc e n t e rf o rc a d ，h u a z h o n gu n i v e r s i t y o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n 坨s o l u t i o no fm o d u l a r i z a f i o n - o r i e n t e dp r o d u c ts 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 i sp r e s e n t e d ，a n dt h er e l e v a n ts y s t e mi sd e v e l o p e d f i r s t l y , t h e r e l a t e dr e s e a r c h e so i lp d ms y s t e m ，e s p e c i a l l yp r o d u c ts 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 a r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , d e s i g n m a n u f a c t u r ep r o c e s s e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o d u c tm o d u l a r i z a t i o n i n d o n g f e n g l i u z h o um o t o r sc o ，l t d a r es t u d i e d m o d u l a r i z a t i o n o r i e n t e dp 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 i s p r o p o s e d p r o d u 吐m o d e l a n d p r o d u c t c o n f i g u r a t i o nf r a m e w o r kb a s e do nb a s i cm o d u l ea n do p t i o nm o d u l ea r eg i v e n ，a n dt h r e ek i n d s o f c o n s t r a i n t sr e l a t i o na m o n g o p t i o nm o d u l e s a r e p r e s e n t e d t w ok e yt e c h n i q u e s ，e x a m i n a t i o n o f o p t i o nm o d u l e sr e l a t i o nc o n f l i c ta n dt h ec o n f i g u r a t i o nc o u r s eo fm u l t i s t a g es e l e c t i o n ，a r e d i s c u s s e d t h es o l u t i o nb a s e do nb a s i sf u n c t i o no fi n t e p d ms y s t e mi sg i v e n f u r t h e r m o r e s y s t e ma r c h i t e c t u r ei sp u tf o r w a r d ，a n db a s i cf u n c t i o nf r a m e w o r ka b o u tp r o d u c ts 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 i sp r o p o s e d t h i r d l y , t h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo f m o d u l a r i z a t i o n - o r i e n t e dp r o d u c ts 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 ti n c l u d i n ga l g o r i t h mf l o w c h a r t i n t e g r a t i o nm e t h o dw i 也e x c e la n d t h ed e s i g no fc l a s sa n dd m a b a s ei s p r o v i d e d a na p p l i c a t i o no fm o d u l a r i z a t i o n - o r i e n t e d p r o d u c ta n ds t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o n m a n a g e m e n t i sg i v e n f i n a l l y , s u m m a r i z a t i o no f t h et h e s i sa n dt h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o i l so f 也er e s e a r c ha r e p r e s e n t e d k e y w o r d ：p d m ，p r o d u c ts t r u c t u r e ，p r o d u c tc o n f i g u r a t i o n ，m o d u l a r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，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：乃荔且留 日期：砌牛年夕月。日 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，即： 学校有权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。本人授权华中科技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。 保密口，在 本论文属于不保密邑 ( 请在以上方框内打“”) 年解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：马荔鹄 指导教师签名： 学位论文作者签名：均荡躺 指导教师签名： 日期：如牛年夕月。日 万 日期：渺驴年r 月d 日 华中科技大学硕士学位论文 1 ，1 课题的来源 1 绪论 8 0 年代中期，计算机集成制造技术作为提高企业效益的手段，在我国的一些企业 开始得到实施。进入9 0 年代，一方面，计算机技术、网络技术、数据库技术等信息技 术迅猛发展；另一方面，全球市场一体化的趋势，直接导致市场竞争的加剧，再加上 用户对商品需求的不断提高，使得企业的一切活动转移到以满足用户为核心的t 、q 、 c 、s ( t ：交货或新品上市时间、0 ：产品质量、c ：产品成本、s ：售前咨询服务及 售后服务) 的竞争。与此同时，国内外许多专家学者提出了以信息集成为核心的些制 造模式新概念作为对计算机集成制造概念的扩充和延伸，以充分发挥企业的总体效益， 围绕t 、q 、c 、s 几个方面的要求、提高企业的竞争力1 1 4 1 。 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 ) 是一种管理所有与产品相关的信息及与 产品相关过程的技术。它继承并发展了工程数据库、产品数据交换、企业业务重组等 核心思想，强调产品数据与工作流程的集成，以产品数据和过程为中心，科学合理地 对企业业务过程、产品数据和过程进行描述和重组，把产品数据及有关的过程集成在 一起进行统一管理，为工程技术人员提供一个协同的工作环境，保证产品数据在其生 命周期内保持一致、最新和安全。p d m 概念被提出以来，便受到国内外学者的高度关 注，成为c i m s 下的研究热点。目前，p d m 技术发展迅速，许多大公司如m e t a p h a s e 、 s h e r p a 、h p 、i b m 、d o c u m e n t u m 、p t c 等结合p d m 技术，成功地推出了商业p d m 软件。近些年来，我国也推出了数种p d m 产品，其中包括高华公司的g h p d m s ， 同创公司的p d m s ，浙江大天公司的o s p d m ，搏通公司的博通p d m 等 4 4 】。华中科 技大学国家企业信息化支撑软件工程技术研究中心开发的i n t e p d m 是“8 6 3 c i m s 产 品数据管理系统发展项目”招标的唯一中标产品，是国内最早开发并投入市场的商品 化p d m 系统，已在多个8 6 3 c i m s 应用示范工程和众多企业成功实施，是国内用户 量最大，实施效果最好的产品数据管理系统之一。 p d m 的实施是企业深化c a d 应用，提高产品开发和管理水平的必由之路。国际 上许多大型企业逐渐接受了p d m ，并把p d m 技术的应用作为一种企业竞争策略。东 风柳州汽车有限公司是东风汽车公司的控股子公司，是东风汽车公司在南方重要的载 货汽车和轻型乘用汽车生产基地、国家大型一档企业，也是国内第一家生产中型柴油载 重汽车的企业。1 9 9 7 年东风柳汽就成为国内最早通过i s 0 9 0 0 0 质量认证的汽车生产企 华中科技大学硕士学位论文 业。当前，东风柳汽已形成年产“东风”和“乘龙”商用车5 0 0 0 0 辆、“风行”乘用车 3 0 0 0 0 辆的生产能力，2 0 0 3 年的销量超过2 8 0 0 0 辆，同比增长2 7 6 8 ，实现利润l 3 亿元人民币。目前，中国汽车行业的竞争日趋激烈。柳汽为了应对对国内外厂家的强 烈竞争，实施了产品模块化，实行面向客户订单的生产。结合企业的技术改造，柳汽 提出了企业的信息化管理，决定实施p d m 系统，并最终选择了i n t e p d m 。 产品结构与配置管理是p d m 中的重要功能。它们涵盖了产品生命周期的各个阶 段，也是p d m 系统和其他系统进行集成的接口。由于用户需求多种多样，使得产品 配置方案的生成是一个非常复杂的过程，产品配置生成的方便性、灵活性是配置管理 的重要目标。研究产品结构与配置管理，提供高效便捷的产品配置方法，满足面向订 单生产的需要，可以提高企业的竞争能力，以在激烈的市场竞争中取得优势【6 4 】。 本文的工作是在柳汽p d m 系统的总体规划指导之下，在分析柳汽基于产品模块 化的设计、制造过程的特点的基础上，针对i n t e p d m 3 0 系统原有产品配置管理功能的 不足，提出了面向模块化的产品配置管理。并且面对实际的工程应用，分析了柳汽的 需求、企业原有数据和应用系统、产品结构与配置的相关功能及它们之间的关系；实 现了面向模块化的产品结构与配置管理，有效地支持了柳汽面向订单的设计和制造。 1 2p d m 概述 1 2 1p d m 定义 p d m 即产品数据管理系统。p d m 以软件为基础，是一门管理所有与产品相关的 信息( 包括电子文档、数字化文件、数据库记录等) 和所有与产品相关的过程( 包括工作 流程和更改流程) 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郾。o 。 1 2 2p d m 的产生及发展 任何新技术的产生都有其过程，p d m 也不例外。早在5 0 年代初期，计算机技术 开始应用于制造业，计算机图纸逐渐替代传统的手工图纸。到了7 0 年代以后，随着计 算机技术的应用更为广泛，企业在许多领域实施c a d c a e c a p p c a m 等技术，企业开 发新产品的能力得到了大幅度的提高，甚至达到一年内开发几十个产品的能力，给企 业带来巨大的经济效益。但是这些新技术的发展同时也带来了新的问题，产品开发能 力的增强伴随着产品数据的急剧膨胀，如此庞大的数据表现为存储形式各异，运行于 华中科技大学硕士学位论文 部门间互不兼容的软件上，很难实现彼此间的数据引用，而且数据的安全性差，可靠 性低。据有关统计，设计人员在设计过程中，4 0 7 0 的时间都花在数据查询和因 数据不致引起的协调上，这严重地影响了产品的开发效率。面对这些问题，人们认 识到必须要有一门能够管理庞大、多样的产品数据的技术来解决上述问题，这成了 p d m 技术产生的直接原因 5 , 1 0 - 1 t l 。 产品数据管理技术是2 0 世纪8 0 年代初从c a d c a m 和工程设计领域产生出来的， 当时主要是为解决大量工程图纸、技术文档以及c a d 文件的计算机化管理问题，后 来逐渐扩展到产品开发中的多个主要领域，包括设计图纸和电子文档的管理、材料报 表( b o m ) 的管理以及与工程文档的集成、工程变更请求亨旨令的跟踪与管理。现在的 p d m 已经扩展到对企业产品全生命周期内所有与产品相关的信息和过程的管理。 p d m 技术的发展可以分为三个阶段：配合c a d 工具的p d m 系统、专业p d m 产 品和p d m 的标准化阶段 8 1 。 1 配合c a d 工具的p d m 系统。各c a d 厂家配合自己c a d 软件推出的第一代 p d m 产品。这些产品的目标主要是解决大量电子数据的存储和管理问题，提供了维护 “电子绘图仓库”的功能。第一代p d m 产品仅在一定程度上缓解了“信息孤岛”问 题，但是以文档为主组织信息管理仍然存在信息凌乱、无序的状况，查询、修改和维 护产品数据很不方便，以至于这些文档无法准确、形象地从总体上组织一个产品的所 有信息6 1 。 2 专业p d m 产品。通过对早期p d m 产品功能的不断扩展，出现了专业化的p d m 产品，如s d r c 公司的m e h p h a 和公司e d s 的i m a n 等就是第二代p d m 产品的代表。 与第一代p d m 产品相比，在第二代p d m 产品中出现了许多新功能，如对产品生命周 期内各种形式的产品数据的管理能力，电子数据的发布和更改的控制以及基于成组技 术的零件分类管理与查询等。同时，软件的集成能力和开放程度也有较大的提高，少 数优秀的p d m 产品可以真正实现企业级的信息集成和过程集成。第二代p d m 产品在 技术上取得巨大进步的同时，也获得了很大的成功。这时，p d m 开始成为一个产业， 出现了许多专业开发、销售和实施p d m 的公司。第二代p d m 针对第一代p d m 存在 的问题，提出了产品结构的管理，以产品结构为中心组织产品的信息，增加了文档等 产品信息管理的有序性，便于查询、修改、维护，从总体上组织了产品的所有信息。 随着企业的发展，企业的产品增多，而且在大规模的面向订单生产、定制的环境下， 为满足客户的多样性需求需要不断增加产品的系列；那么如果记录所有这些产品结构 将是一个非常大的数据量。为此第二代p d m 提出了作为产品结构管理扩展的产品配 置管理，能够很好的满足对产品多样性进行管理的要求。产品配置管理提供这样一种 能力：根据用户给出的配置需求，基于单一、通用的产品结构( 或产品族结构) ，选配 华中科技大学硕士学位论文 出完全或部分满足需要的零部件及其产品结构。系列化的产品中大多数产品的b o m 结构存在相似性，且包含大量相同的零部件，所以应该提供产品配置功能来管理。 3 p d m 的标准化阶段。1 9 9 7 年2 月，0 m g 组织公布了有i b m 、s d r c 、p t c 等公司参与修订的p d me n a b l e r ，作为p d m 领域的第一个国际标准。p d me n a b l e r 基 于c o r b a 技术，就p d m 的系统功能、p d m 的逻辑模型和多个p d m 系统间的互操 作提出了一个标准川。这一标准的制订为新一代标准化p d m 产品的发展奠定了基 础。 1 2 3 p d m 在企业中的地位 可以从以下几方面来看产品数据管理系统在企业信息管理中的作用 1 p d m 是c a x 的集成平台 p d m 系统是c a x 集成平台，可以把与产品有关的信息统一管理起来，并将信息 按不同的用途分门别类地进行有条不紊的管理o ，1 2 】。c a x 信息传递通过分别与p d m 之间传递信息来实现。不同的c a x 系统都可以从p d m 中提取各自所需要的信息，再 把结果放回p d m 中，从而真正实现c a x 系统的集成，如图1 1 所示。 g 嘎 遗叠二孟 lp d mi 工奁鸯 华中科技大学硕士学位论文 p d m 系统支持产品生命周期过程而具有的先进性和合理性，成为新一代信息集成 平台中最为成熟的技术，是企业实现c i m s 的集成框架。 1 。3p d m 系统中的产品结构与配置管理 产品结构与配置管理( p 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 t ) 作为产品数 据组织与管理的一种形式，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联系起来，实现产品数据的组织、管理与控制， 并在一定目标或规则约束下，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、工艺视图等。 1 3 1 国内外研究概况 产品结构与配置管理涵盖了产品的各个阶段，管理范围包括产品的需求分析、策 划阶段、开发阶段、生产准备、制造、售后服务等阶段，并作为企业电子商务框架的 部分支持e r p 、s c m 、c r m 等系统。制造企业经过多年的积累，形成许多满足不 同层次用户需求的产品系列或产品族，生产时根据客户的具体要求进行生产。客户的 每种不同要求就形成了该产品的一个具体配置。 在产品配置建模方面，国外许多学者对其进行了研究，例如pl a v e n c y i ”】、t i m o s o i n i n e n 、a l e x a n d e rf e l f e r n i g 、0 6 r e lh e d i n i6 等等，其中t i m os o i n i n e n 针对产品 配置过程提出了一种基于规则的配置知识描述语言，该语言通过一种描述性语义对产 品配置的主要概念例如配置模型、需求以及合法配置进行形式化定义，但配置方案的 计算求解仍然是一个n p 难题【l 。a l e x a n d e rf e l f e m i g 讨论了如何用一种标准的设计语 言对配置知识库进行建模【l5 1 ，例如统一建模语言u m l 。0 6 r e lh e d i n 等人提出了一种 基于面向对象和特征语法的产品配置建模技术。该技术允许针对特定的产品族产生有 效的交互式配置工具。该工具的优点包括高度可检查性、早期确认、可读性以及可重 用性 1 6 1 。 x c o n 是d i g i t a l 公司在8 0 年代晚期开发的一个基于规则的配置系统，用来配置 它的电脑产品。c o n 被用于验证用户订单的技术正确性，并用于指导这些订单的实际 装配，但它在系统的可维护性上有严重不足。为了解决系统的维护性问题，d i g i t a l 公 司在9 0 年代中期叉开发了p c c o n 系统，它采用基于约束的建模和交互式约束满足 方法【1 7 o 由于基于规则推理带来的知识库维护的问题1 9 8 0 年在人工智能研究领域出 现了基于模型推理的新方法。基于模型推理假设存在一个系统模型，它包括模型实体 华中科技大学硕士学位论文 以及它们中元素的相互关系 1 3 , 17 - 2 2 】，但由于模型中元素关系的任意性，导致模型表达 以及方案求解困难。基于规则的推理与基于模型的推理都采用演绎和诱导的方法来获 得结果，而基于实例的配置推理采用完全不同的方法，即推理所必须的知识主要以实 例的形式存储在实例配置库中。p a u lj p s l a 【e r 2 ”、顾新建等人研究了直接面 向产品用户的网上产品配置。 美国e d s 公司的i m a n 的产品结构管理模块( i m a np s m ) 是基于配置管理的产品 结构管理模块。p s m 通过b o m 的浏览功能进行修改和控制产品结构。b o m 实际上 描述了除几何信息以外产品的全部信息。通过c a d 几何模型、各种分析结果、n c 加 工程序和文本说明来描述b o m 结构间的关联。用户通过设定版本规则、有效性规则、 变量规则等配置规则便可生成需要的产品配置【5 1 2 “。 o p t e g r a 是美国c v 公司的p d m 软件产品。它的产品数据管理模块为整个企业环 境提供了全面的产品配置管理手段。产品配置涉及到的数据包括工程设计、生产制造、 维修服务、采购供应和市场销售等部门，使企业中的各个部门从中获取统一的b o m 。 美国s d r c 公司的m e t a p h a s e 是一个企业级的p d m 系统。它的产品结构管理器 ( p s m ) 执行捕捉工程材料明细表的信息，可以生成、查看和操作图形方式下正在设 计的产品结构。 i b m 公司的p r o d u c t m a n a g e r 是产品数据管理应用软件。它的产品结构管理模块 着眼于产品的定义数据、产品结构、性能和变量以及有效性的确定和维护【6 】。产品结 构浏览器可使用户用树型的图形化界面查看材料清单及有关产品定义数据。 p t c 公司的w i n e h i l l 通过首先创建通用部件( g e n e r i cp a r t ) ，然后得到一个通用产 品结构，并在这个结构树上定义配置逻辑，最后通过配置得到需要的产品。p d m e n a b l e r 则借用了s t e p 标准中应用协议a p 2 1 4 的部分设计，给出了一个比较全面的配置管理 模型，该模型支持产品分类、产品功能结构、产品结构以及产品配置需求的描述， 国内的i n t e p d m 3 0 的产品结构与配置管理是基于静态结构树法的：为每一个产品 系列建立一颗结构树，将可选件、互换件、互斥件、组合件等直接定义在产品结构树 上，利用这些配置约束，由用户选配，得到最终配置。 1 3 2 本课题研究的目的和意义 国内中小型企业由于受自身财力所限，很少有企业能有足够的资金来购买国外的 p d m 产品。并且，由于国内企业的实际情况、管理模式及规范性与国外企业有比较大 的差距，所以实施国外p d m 产品存在很大的困难。因此，国内许多中小型企业选择 国内p d m 产品，并根据行业、企业的实际情况进行定制开发，以满足自己的需求。 6 华中科技大学硕士学位论文 目前国内p d m 产品的产品结构与配置管理的功能普遍较弱，不能满足企业的实 际使用。并且由于行业、企业情况的不同以及产品配置的复杂性，所以在目前研究面 向特定领域、解决特定问题的产品配置有重要的现实意义。 柳汽为了能很好地实现面向订单的生产模式，实施了产品模块化。i n t e p d m 3 0 原 有的产品结构与配嚣管理不能完全地满足柳汽的需要，主要是因为没有对可选件进行 标准化分块来保证可选模块的高度独立性，面对众多的可选模块，存在产品模型定义 复杂等问题。而且，柳汽的设计、制造及配置方法在中国的汽车行业具有典型的代表 性。因此，有必要对柳汽设计、制造过程以及产品模块化的特点进行分析，建立产品 模型，得出产品配置框架和方法，并且从工程应用的角度对产品结构与配置管理的功 相关功能进行调整、设计。 1 4 本文的主要工作和内容结构 在研究生期间，作者一直从事企业信息化的研究和实践，对p d m 系统进行了深 入研究，参加了华中科技大学国家企业信息化应用支撑软件工程技术研究中心的东风 柳州汽车有限公司p d m 的项目开发与实施。本文的工作总结下来有以下几点： 1 对产品模块化进行了研究，分析了柳汽产品模块化的特点和柳汽设计、制造的 实际情况。在此基础上提出了面向模块化的产品模型和配置框架，分析了选装模块之 间配置约束关系的类型和特性。 2 分析、解决了面向模块化的产品配置的两个关键技术：建立选装模块关系时的 合理性决策和多级选装的配置过程。 3 对柳汽p d m 进行了总体规划，建立了系统的体系结构。在此基础上，建立了 产品结构与配置管理的功能结构、总体设计和实现。 4 对i n t e p d m 3 0 的零部件库管理、产品结构管理进行了修改，加强了功能，增 加了产品结构比较、基本车型管理、车型零部件汇总、车型临时存储区等。 5 完成了i n t e p d m 与e x c e l 的集成，实现了从e x c e l 文件录入产品结构，选装模 块等，以此来重用企业原有数据，建立产品模型。 本文内容共分六章，各章主要内容如下： 第一章介绍了本文的研究背景、课题来源、目的意义。回顾当前相关领域的研究， 明确了本文的研究重点和主要工作和内容。 第二章分析柳汽的设计生产过程和产品模块化特点， 置管理，建立了产品模型。 第三章解决了面向模块化产品配置的两个关键技术。 提出了面向模块化的产品配 建立了系统的体系结构和功 华中科技大学硕士学位论文 能结构。 第四章给出了具体的技术实现细节。 第五章给出了工程应用的运行实例与界面。 第六章为全文总结及展望。全文结构如图1 2 所示。 第一章绪论 童 第二章 面向模块化的产 品配置模型 第三章 系统关键技术及 体系结构分析 第四章 产品结构与配置 管理的技术实现 l第五章 l 工程应用实例 】第六章总结展望 i 图1 2 全文结构示意 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 面向模块化的产品配置模型 近年来，随着市场的日益国际化和用户需求的不断增长，传统的大批量集约化生 产模式已经不是最先进的生产方式，企业正在向多品种、中小批量的生产方式转变， 与此相对应，越来越多的企业以订单生产方式组织生产。这要求企业必须具有足够的 柔性和敏捷性，并能尽快地改变品种，更新设计，降低生产周期，减少生产成本，提 高产品质量和服务质量，才能获得相当的市场份额和利润【2 ”。产品的模块化设计、制 造和配置，使产品的零部件通用化程度提高，减少了零部件的数量，有利于更改部分 模块、进行快速的变型设计，能够很好地满足订单生产方式p “”】。 随着企业“面向订单”生产的程度越来越高，企业对p d m 系统的依赖性也逐渐 增加。产品配置管理( p c m ) 是产品数据管理( p d m ) 系统中的一个重要功能。建立产品 模型以及实现产品的迅速配置是实现小批量、面向订单定制产品管理的有效手段。本 章阐述了产品模块的概念、实现方法，在研究、实施柳汽p d m 的基础之上，针对柳 汽的情况提出了一种实用的、面向产品模块化的产品配置模型。 2 2 产品模块化概述 对于产品模块化目前还没有为大家所公认的权威性定义。有人认为，模块化设计 通常是指把性能不同而具有一定功能或用途的同类部件( 或组件) 的联系尺寸( 结合要素) 标准化，而部件具有很强的互换性，便于组装的设计方法【3 “。还有人提出模块化设计 就是以功能分析为基础，在基型产品的基础上将同一功能特性的模块互相选用或加上 不同功能的模块及分模块，用以更好地满足月户需要的一种变型设计方法【3 2 1 。 综合以上概念，产品模块化是用一定的分类方法将某一产品划分并设计制造出 系列不同的、利于产品设计及制造和装配、具有良好的可重用性模块，之后通过相应的 模块组合构成预期的产品，按照模块来组织生产。 模块化的划分通常基于功能分析的划分方法【3 1 ， 3 4 】。这是因为大多数产品特别是 数量巨大的具有装配特征的产品，由许多功能组成，当这些功能组成在一起时，形成 个性化的产品，因此基于功能分析的划分方法是一种自然的划分方式。它是对产品的 功能进行分析，建立系统总功能图。在此依据上将产品的总功能分解为一系列的子功 华中科技大学硕士学位论文 能，并对这些子功能进行进一步的分析和分解，直到单元功能为止。在对产品进行功 能分解的基础上，对同一功能、子功能设计一系列性能不同，但是功能、用途相同或 相似的，并且联系尺寸( 结合要素) 标准化的同类部件。这些部件具有很强的互换性和 良好的可重用性。模块划分要遵循以下原则口”： 1 弱耦合原则：模块与模块之间的相关要尽量少即弱耦合。这对于产品设计开发 以及制造中独立完成的可能性有很大影响； 2 独立性原则：所划分的模块应当在功能上或结构上是独立的，能够进行单独的 设计制造及检验，对于某些产品的模块还应考虑作为“黑盒子”单独流通的可能性： 3 粒度适中原则：模块分解的粒度太大，模块与模块之间的耦合度必然增加，模 块化设计及制造并行开展的余地就减小；模块分解的粒度太小，则会导致产品开发及 生产制造的进度过于零碎，不具有可操作性； 4 组合化原则：对于在动态联盟企业中设计和制造完成之后的产品模块，应便于 在结构上的叠加，以完成所要求的产品的具体结构； 5 集成化原则：模块应可以在功能上有机地融合，以满足要求产品的整体功能： 6 经济化原则：模块的划分应有利于降低成本； 7 灵捷化原则：模块的划分应与动态联盟和敏捷制造所追求的目标一致，即开发 和制造过程加快，对市场和用户需求的响应能力增强。 模块化设计可以分为四种【3 3 ： 横系列模块化设计：指型别不同或型别相同但是有不同的变型的模块化设计。它 在模块化设计方法中最普遍、最简单。 跨系列模块化设计：是指对不同类别或组别的产品进行统一的模块化设计。它有 两种模块化方式：一种是基本相同的基础件上选用不同模块而构成跨系列产品，另一 种是基础件结构不同的跨系列产品上具有同一功能的单元，选用相同的模块。 纵系列模块化设计：是指对不同主参数的基型产品进行模块化设计，设计比较复 杂。 全系列模块化设计：是包括纵系列设计和横系列设计的模块化设计方法。 产品模块化具有以下特点川： 1 产品更新换代快。新产品的发展常是局部改进，若将先进技术引进相应模块， 比较容易实现局部改进，这就加快了产品的更新换代。 2 缩短了设计和制造周期。当用户提出要求后，只需更换部分模块，或设计、制 造个别模块即可获得所需产品，这样就大大缩短了设计和制造周期。 3 降低成本。模块化后，同一个功能模块可用于数种产品，增大了该模块的生产 数量，还便于采用先进工艺、成组技术等，缩短了设计时间，从而降低了产品成本， l o 华中科技大学硕士学位论文 提高了产品质量。 4 维修方便。产品维修时，只须更换损坏的模块，维修方便、快捷。 5 ， 性能稳定可靠。模块化设计对产品的功能及模块划分进行了精心研究，保证 了它的性能，使产品性能稳定可靠。 6 系统较复杂。由于考虑模块的适应性和互换性，系统比较复杂，层次编排没有 程序化设计清晰。 7 适用于小批量生产。模块设计特别适用于生产批量较小的系列产品。 2 3 柳汽设计制造实际情况分析 图2 1 柳汽产品开发过程 柳汽最初的产品结构是基于明细表的，只有最下级是实际的零部件，其它中间各 级是人为划分的明细表，没有反映零部件的上下级和组成关系，并不是真正意义上的 产品结构。这样的产品结构存在重复率高，检索、维护和重用困难等问题，使得产品 华中科技大学硕士学位论文 的设计和制造周期比较长，不能适应激烈的市场竞争和面向订单的生产模式。所以， 柳汽开始在产品结构的管理上作了改进，开始有真正意义上的产品结构，并且进一步 实施了产品的模块化设计、制造。 柳汽面向订单基于产品模块化的生产过程见图3 1 ，在中国的汽车行业中具有典型 的代表性。面对客户需求，如果当前的基本型产品或者已经存在的变型设计满足客户 需求，那么就可以直接配置生成b o m 清单，进行制造、装配；如果当前的产品不能 满足客户需求，但通过变形设计能满足需要，则需要进行变形设计，得到新的模块并 替换原有模块，形成新的变型产品；最后一种情况是全新系列产品设计：根据客户需 求设计产品的功能，并进行功能分解，然后把功能映射到结构，进行模块化设计，当 然也可能新系列借用原有的模块，在这期间可以根据经验，考虑到用户可能的潜在需 求，设计一些可选的模块，形成系列产品。 因为汽车行业的特点以及实施产品模块化的经验和其他的限制，柳汽的产品模块 化设计目前主要是相对简单的横系列模块化设计和跨系列模块化设计，即对同型别产 品有不同变型的模块化设计和基础件结构不同的跨系列产品上具有同功能的单元， 选用相同的模块的模块化设计。经过多年的积累，柳汽形成了数百种系列的车型，每 种系列都包括基本车型和一系列变形的大量的可选模块，数据量比较大，检索重用困 难，迫切需要适合实际需要的产品结构与配置管理。 2 4 产品配置的相关概念 1 产品模型 产品模型( p r o d u c tm o d e l ) 表达了一类产品结构。在产品结构管理中设置产品模型 主要是为了适应产品的系列化设计、变形设计，在老产品的某个零部件作出一些修改 就成为一种新的产品，但新、老产品就其产品基本结构来说却是相近的或相同的。这 样，基本结构相同的产品就可以统一起来，抽象成为产品模型。 2 ，产品结构 这里指狭义的产品结构( p r o d u c ts t r u c t u r e ) ，指产品中各零部件之间的装配关系。 在产品结构中选用的零部件都是确定的，也就是一个具体的产品。 3 配置规则、约束 配霞规则约束在产品配置中的选用关系，来确保产品配置的正确性，只有满足配 置约束的产品才是正确的产品。 4 产品配置 产品配置是由产品模型，根据用户输入的需求和配置约束，在产品配置器的帮助 2 华中科技大学硕士学位论文 下生成相应的具体产品结构的过程，以满足特定客户在产品功能、性能等方面的特殊 要求。 5 b o m 当产品结构形成之后，就可以生成产品的材料清单b o m ( b i l lo fm a t e r i a l l 。b o m 即可以是树形结构形式描述，也可以采用综合明细表来描述 3 5 - 3 6 。b o m 表可以方便 地做统计和报表。可以为不同的用户对象，根据用户的需要、输入的不同条件，产生 不同的视图，成为b o m 多视图。 2 5 面向模块化的产品配置模型 产品配置管理( p c m ) 是p d m 系统的重要功能，在许多国内外的p d m 软件中，配 置管理都占有重要的地位。产品配置管理是随着产品的系列化和客户化生产而出现的， 它能够使企业的各个部门在产品的整个生命周期内共享统一的产品配置，并且对应不 同阶段的产品定义，生成相应的产品视图，如设计视图、装配视图和工艺视图。产品 设计部门进行设计时需要尽可能的考虑用户对产品的所有需求，生产时根据客户的具 体要求配置得到确定产品。 客户化、模块化的产品配置是在客户化、模块化定制的产品开发环境下提高企业 响应市场需求能力的有效手段。产品配置管理能有效缩短产品选配时间，并充分保证 选配结果的正确性。 2 5 1i n t e p d m 3 0 原有产品配置管理的不足 i n t e p d m 3 0 系统原有的产品配置是基于静态结构树的：为每一个产品型号建立一 颗结构树，将可选件、互换件、互斥件、组合件等直接定义在产品结构树上，再利用 这些配置约束，由用户选配，得到最终配置【3 7 ，38 1 。 这种产品配置解决了一定的实际问题，但是存在某种程度上不足，尤其是面对产 品模块化之后的产品配置。首先，它没有对所有可选件进行标准化分块，可选模块与 它相关的零部件之间的关系定义在产品结构之上，不能保证可选模块的高度独立性， 不能保持可选配主件与相关总成、零部件之间结台的稳定性，而是必须在每个产品单 独定义它们之间的关系。其次，产品模块化之后，变形设计得到的可选模块数量众多， 由于基本型产品与可选配部分没有分开：使得可选件、互换件、互斥件、组合件等定 义过多，产品模型复杂。另外，用户选配时不能提供给用户清晰、直观的选配向导。 华中科技大学硕士学位论文 2 5 2 面向模块化的产品配置模型 针对i n t e p d m 系统原有产品配置管理的不足，本文提出面向模块化的产品配置。 面向模块化的产品配置以基本型产品为核心，以模块内的总成、零部件之间结合的高 度稳定性，保证模块的高度独立性为原则，建立基本型产品的模块化b o m ：在基本 产品的可选配范围，对所有可选件进行标准化分块，以可选配主件为核心，以相关总 成、零部件之间保持结合的稳定性、保证可选模块的高度独立性为原则，建立选装模 块；并且根据模块之间的相融和互斥关系建立选装模块的关系。在基本型产品和选装 模块以及选装模块之间的关系确定的配置规则和范围内，根据用户需求进行选配。任 何一种具体配置的产品，都由产品模块+ n 个选装模块构成。 2 5 2 1 基本型产品与模块 基本型产品也是一个完整的、最终的产品，有所有必要的零部件( 模块) 。作为基 本型的产品一般是同一系列产品中比较基础、普通、大众的一个，或者是最初设计的 一个。同一系列的其他产品是此产品的变形或改进设计。基本型产品具有具体的树形 产品结构，它由零部件( 模块) 组成。这些零部件的装配关系( 包括数量) 是确定的。 在本文中模块是指模块化的零部件。模块也有具体的结构，由子模块( 零部件) 组成。但是零部件不一定是模块，如标准件等。在实现中由零部件的属性来区分是否 是模块。 基本型产品与模块的结构由产品结构管理模块进行管理、维护。产品结构是多层 次树状形态，它是在产品功能层次化、模块化划分的基础上得到的结果。树上节点间 的层次关系直接反映了产品、模块的组成关系。结构树上每一个节点，都为一个模块， 有自己的属性，如代号、名称、版本、材料等。在p d m 中通过产品结构树来组织产 品的所有描述信息和对象，使它们结构化、系列化。 图2 2 产品结构树 华中科技大学硕士学位论文 2 5 2 2 选装模块 选装模块是以可选配主件为核心对所有可选件进行标准化分块的结果。它是对基 本型产品的增减件包，可以说是对基本型产品的操作集；在其中定义了对标准模块的 修改( 增、减) 变化内容。模块加上选装模块