（机械制造及其自动化专业论文）面向虚拟制造的产品数据管理系统研究.pdf

d e c2 0 0 1 y 42 5 7 0 2 向虚拟制造的产品数据管理系统研究 摘要 产品数据管理( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ，p d m j 是虚拟制造信息基础结构的重要 组成部分，是实现虚拟制造的一项币要支撑技术。研究面向虚拟制造的产品数据管理或 称虚拟原型数据管理( v i r t u a lp r o t o t y p ed a t am a n a g e m e n t ，v p d m ) 具有重要的理沦和 现实意义。7 。 本文从系统的结构展开研究，从信息集成和过程集成两个方面对系统进行详细的研 究和论述，为建立一个统一的、涵盖产品形成周期的集成环境打下基础。 本文首先根据v p d m 系统的特点和要求，提出一种v p d m 的体系结构，并给出系 统的通讯模型、分析系统的网络环境。 然后从信息集成的角度，对系统的信息模型和基于v p d m 的支持虚拟企业信息共 享的方法进行了研究。、参考s t e p 标准中对产品数据模型的描述，采心面向对蒙的方法， 建立了系统的主要对象模型和产品数据模型；联合s t e p 技术、i n t e r n e t 技术及面同对象 的数据库技术，提出种基于v p d m 的信息共享解决方案。” 再次从过程集成的角度，对系统的工作流管理进行了研究。引入a g e n t 技术，提出 了适用于产品数据管理技术的基于a g e n t 的工作流解决方案。 最后根据参与项目开发的p d m 系统及本论文的理论研究，对网络化p d m 系统进 行了部分开发，给出系统的一些应用实例。 关键词：产品数据管理，虚拟制造，信息模型，虚拟t = = 业，信息共享， a g e n t 工作流管理系统 d e c ，2 0 0 1 面向虚拟制造的产品数据管理系统研究 a b s t r a c t p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) i sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ev m ( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) i n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r ea n da k e ys u p p o r t i n gt e c h o n o l o g yt o t h er e a l i z a t i o no fv i r t u a l m a n u f a c t u r i n g t h er e s e a r c ho nv p d m ( v i r t u a lp r o t o t y p ed a t am a n a g e m e n t ) i sv a l u a b l eb o t hi n t h e o r ya n dp r a c t i c e b e g i n n i n gf r o mt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h i sp a p e rs t u d i e sa n dd i s c u s s e st h es y s t e mf o r mt h e a s p e c t so fi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na n dt h ep r o c e s si n t e g r a t i o ni nd e t a i li no r d e rt ol a yf o u n d a t i o n s f o rt h ee s t a b l i s h m e n to fa ni n t e g r a t e de n v i r o n m e n tw h i c hc o v e r st h ew h o l ep r o d u c td e v e l o p i n g c i r c l e f i r s t l y i nt h i s p a p e r , t h es y s t e ma r c h i t e c t u r e i s p r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n d r e q u i r e m e n t o ft h e s y s t e m t h e c o m m u n i c a t i o nm o d e la n dn e t w o r ke n v i r o n m e n t a r ea l s o d i s c u s s e da sw e l l s e c o n d l nt h ei n f o r m a t i o nm o d e la n dav p d m b a s e dm e t h o dt h a ts u p p o r t si n f o r m m i o ns h a r i n gi n v i r t u a l e n t e r p r i s e a r es t u d i e df r o mt h ev i e w p o i n to fi n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n c o n s u l t i n gt h e d e s c r i p t i o no fp r o d u c td a t am o d e li ns t e ps p e c i f i c a t i o na n du s i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dm o d e l i n g m e t h o d ，t h es y s t e m sm a i no b j e c tm o d e la n dp r o d u c td a t am o d e la r ee s t a b l i s h e d a n dav p d m b a s e di n f o r m a t i o ns h a r i n gs o l u t i o ni sp u tf o r w a r dt h r o u g hc o m b i n du s i n go fs t e p t e c h n o l o g y ， i n t e m e t t e c h n o l o g ya n do o d b m ( o b j e c t - o r i e n t e d d a t a b a s em a n a g e m e n t ) t e c h n o l o g y t h i r d l y , w o r k f l o wm a n a g e m e n ti s d i s c u s s e df r o mt h ev i e w p o i n to fp r o c e s si n t e g r a t i o n a g e n t t e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e di n t ot h es y s t e mi no r d e rt o p u tf o r w a r d a n a g e n t b a s e d w o r k f l o w m a n a g e m e n t s o l u t i o n f i n a l l y ，t h er e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f aw e b - b a s e dp 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 a c a d e m i cr e s e a r c h e sm e n t i o n e da b o v ei si n g o d u c e d k e yw o r d s ：p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，i n f o r m a t i o n m o d e v i r t u a le n t e r p r i s e ，i n f o r m a t i o ns h a r i n g ，a g e n t ，w o r k f l o wm a n a g e m e n ts y s t e m i i d e c 2 0 0 1向斑拟制造的产品数据管理系坑研咒 1 绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 制造技术及其发展 制造是人类经济活动的重要基石，也是人类历史发展和文明进步的动力。随着人 类文明的不断进步，制造业已经发展为一个国家国民经济和综合国力的重要基础之一。 它不仅直接创造价值，成为社会财富的主要创造者和国民经济收入的重要来源，并且 为国民经济、科学研究各个部门，包括国防、交通、能源、信息领域的发展提供先进 的设备和手段。同时，它还是提供人类生活资料最重要的部门，可以说，几乎没有任 何生活资料的生产可以离开制造半步川。因此大力发展制造技术是新世纪各国振兴国家 经济的一项基本国策口j 。 近百年来制造业的实践主要致力于具体制造技术的改进、提高和制造过程的合理 组织，从而大大加强了大批量生产模式的主导地位。但自从上个世纪7 0 年代后，制造 业市场发生了巨大变化，呈现出市场国际化、需求主导市场的趋势。制造业市场已转 向满足市场需求为中心的买方市场，消费者对产品品种、花色和数量的需求日趋主体 化、个性化和多样化。迅速变化的市场难以预测，明显表现出“多品种、变批量”的 特征。 此时，处于市场需求曰趋多变、国际经济竞争日趋激烈环境中的制造业，开始了 艰巨而伟大的技术变革。一方面，自动化技术、计算机技术、材料技术等的迅猛发展 为制造技术和制造模式的改变提供了强有力的武器：另方面，市场需求的日益多样 化和竞争的日趋激烈，促使产品的制造过程重组，促使产品更新换代加快、制造周期 缩短、制造成本降低、制造质量提高，同时要能满足遍布全球的形形色色用户的“个 性化”产品的要求。企业的柔性和快速响应市场的能力而不是企业规模化生产能力已 成为企业竞争能力的主要标志。因此制造业的发展及其变化主要体现在制造模式上的 根本变革，即从3 0 年代开始的“追求大规模、大批量生产的规模效益”为主的制造模 式转换成适应2 1 世纪制造业发展的“快速响应市场的多品种变批量柔性生产”的制造 模式。 在人类社会科学技术和经济发展推动的大背景下，系列新的先进制造模式和制 d e c2 0 0 1 面向虚拟制造的产品教据管理秉兢1 开究 造技术在制造业中出现并迅速发展，其中最具代表性的有计算机集成制造系统( c i m s ， c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、精益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 、柔性制 造系统( f m s ，f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、并行工程( c e ，c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 、 敏捷制造( a m ，a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 和智能制造( i m ，i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ) 等。尽管这些先进制造概念强调的重点各不相同，有的强调技术方面，如智能制造， 有的强调组织管理方面，如精良生产，但它们的目标是相同的，即提高企业的竞争力 以赢得市场竞争，它们的本质也是相同的，即通过集成的方法，把各种资源包括人的 资源集成在一起，使之得到充分而有效的利用，从而获得企业的最佳效益。虚拟制造 ( v m ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 也与这些先进制造模式具有相似的目标，是面向2 l 世 纪的新型制造模式。图1 1 说明了不同制造哲理的活动空间和柔性范畴。 活动空间 社会 公司 企业 车问 一 一 c i m s ：计算机集成制造系统 a m i 焉；釜委蒜掣造系统 ； v m i v m ：虚拟制造 。： ：c e ：并行工程 ： ；l p ：精益生产 c i m sl pj ： 图11 不同制造哲理的活动空间和柔性范畴 1 1 2 虚拟制造提出的背景及其内涵 虚拟制造技术就是根据企业竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，于上个世 纪8 0 年代提出的，并随着计算机技术，特别是信息技术的迅速发展，在9 0 年代得到 人们的极大重视并获得迅速发展。 综合目前国际上有代表性的文献，肖田元教授领导的c i m s e r c 研究小组对虚拟 制造作出如下定义：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机 仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加丁= 制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程， 以增强制造过程各级的决策与控制能力。1 。图1 2 表明了虚拟制造与实际制造之间的关 一2 性柔 产员织一技管人组 一 一术理员。一技管人 呈； 一 阳一术理 _ 兰 技管 堕潞 d e c 2 0 0 1 向趣拟制遗的产品数据管理囊统研究 系。 在计算机上“制造” 真实产品的制造 图12 虚拟制造与实际制造 与实际制造相比较，虚拟制造的主要优点是： ( 1 ) 高度集成产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设 计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验产品设计、加丁、 装配并进行产品操作。产品定型不依赖于传统的原型样机的反复修改。 ( 2 ) 支持敏捷制造开发的产品( 部件) 可以存放在计算机里，不但大大节省仓 储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投入批量生产，从而能大 幅度压缩新产品的开发时间，开发时间每缩短一年将降低开发成本2 5 、投资成本2 0 和产品直接成本2 ，提高了产品从设计、制造到销售全过程的整体性和敏捷性，增强 了企业( 群体) 的竞争能力1 6 “。目前有关敏捷制造、虚拟企业的研究与实践活动已在 全世界内蓬勃展开，现代企业向虚拟企业、敏捷制造发展己成为历史的必然。 ( 3 ) 分布合作可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模 型上同时工作，相互交流，共享信息，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差， 从而使产品开发快捷、优质、低耗的响应市场变化。 应该认识到虚拟制造不是原有单项制造仿真技术的简单组合，而是在相关理论和 已有知识的基础上，对制造知识进行系统化组织，对工程对象和制造活动进行全面建 模，在建立真实制造系统前，采用计算机仿真来评估设计与制造活动，以消除设计中 的不合理部分。简单地说它是在计算机上仿真制造全过程，是建模与仿真技术对制造 业的全方位改造。其突出特点是： i )以模型为核心虚拟现实环境下的虚拟制造技术的运用依赖于各种虚拟制造 模型，所涉及到的模型有产品模型、过程模型、活动模型和资源模型。产品模型是产 品信息在计算机上的表示，是产品信息的载体：过程模型是产品开发过程的计算机表 一3 一 d e c 2 0 0 1 面向虚拟制造，的产品数据管理系航研究 示，包括设计过程工艺规划、过程加工制造、过程装配、过程性能分析过程等，产品 设计过程模型和制造过程的仿真成为其中的研究热点；活动模型主要是针对企业生产 组织与经营活动建立的模型：资源模型是对企业的人力物力等信息的描述。 2 ) 以模型信息集成为根本虚拟制造对单项仿真技术的依赖决定了它所面临的 足众多用于各单项仿真技术的异构模型，如何合理地集成这些模型就成为虚拟制造成 功的基础a 这不仅包括产品模型、过程模型、活动模型和资源模型之间的信息集成， 还包括它们各自的不同领域模型之间的信息集成，如产品设计模型与分析模型之间的 信息集成，以及由不同建模语言描述的分析模型的集成。 3 ) 以高逼真度仿真为特色包括两个方面的含义：仿真结果的高可信度，以及 人与这个虚拟制造环境交互的自然化。模型结果的可信度主要是依靠模型的v v & a 技 术( v e r i f i c a t i o n ，v a l i d a t i o na n da c c r e d i t a t i o n ) 。虚拟现实技术或动画技术是改善人机交 互自然化的普遍认可的途径。 一些学者预测，这个世纪初是技术创新的年代，就是以高新技术、新颖的产品去 开拓市场，创新将是市场竞争的主要标志。因此知识的创新和获取、信息的交流和技 术的合作，都是这个世纪市场竞争的热点问题。不难看出，随着全球科技和经济的发 展，制造业的企业不仅追求技术创新，而且重视管理创新、组织创新、机制创新和生 产模式创新，以此不断推进全球制造业的技术进步与发展。虚拟制造技术的提出极大 的推动了制造业先进制造技术的发展。 1 1 3 虚拟制造技术研究与应用现状 “虚拟制造”概念自提出以后引起了人们的广泛关注，不仅在科技界，而且在企业 界，都成为研究的热点之一。形成这种状况的原因在于尽管虚拟制造的出现只有短短 的几年时间，但它对制造业的革命性影响却很快显示出来。目前采用虚拟制造的典型 应用有【4 l ：1 ) 波音7 7 7 全面应用虚拟制造技术，其整机设计、部件测试、整机装配以 及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8 年时间缩短到5 年，甚至在一架样机未生产的情况下就获得了订单。2 ) 福特( f o r d ) 和克莱斯勒 ( c h r y s l e r ) 公司与i b m 合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制。在样车生产 之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。由于实施了虚 拟产品开发策略，f o r d 和c h r y s l e r 将他们新型汽车的开发周期由3 6 个月缩短至2 4 个 月。3 ) 波音一西科斯基公司在设计制造r a h - 6 6 直升机时，使用了全任务仿真的方法 进行设计和验证，通过使用数字样机和多种仿真技术，花费4 5 9 0 小时仿真测试时间， 却省却了1 1 5 9 0 小时的飞行时间，节约经费总计6 7 3 亿美元，获得了巨大收益。同时， 一 d e c ，2 0 0 1 面向虚拟制造的产品数据蕾理系统研究 数字式设计使得所需的人力减到最少，在c h 5 3 e 型直升机设计中，3 8 名绘图员花费 6 个月绘制飞机外形生产轮廓图，而在r a h 6 6 中，一名工程师用一个月就完成了。 虚拟制造技术展现了诱人的应用前景。因此近几年，工业发达国家均着力于虚拟 制造的研究与应用。在美国”，n i s t ( n a h o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 正 在建立虚拟制造环境( 称之为国家先进制造测试床n a t i o n a la d v a n c e dm a a u f a c t u r i n g t e s t b e d ，n a m t ) ，波音公司与麦道公司联手建立了m d a ( m e c h a l l i c a l d e s i g n a u t o m a t i o n ) ，在德国，d a r m s t a t t 技术大学f r a u n h o f e r 计算机图形研究所，加拿大的 w a t e r l o o 大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术 的研究。 但是由于时间短，目前对虚拟制造还缺乏从产品设计全过程的高度开展研究。这 表现在”】： ( 1 ) 基于集成的数字化产品模型技术尚处于概念阶段 v m 要求基于集成的数字化产品模型开展研究工作，但是，在这方面的研究丁作 刚刚开始，很多有关的技术尚处于概念阶段，有待于进一步研究，具体包括： c a d 模型中的产品信息含量太低 现有的c a d 模型无法支持产品的概念设计 缺乏良好的产品信息重用机制 ( 2 ) 产品创新支持工具尚不充分 目前产品创新支持技术有了一定的进展，有了部分支持工具，例如u g i i 的w a v e 、 p r o e n g i n e e r i n g 的l a y o u t ，但是离v m 对产品创新支持技术的要求还有一定的距离，主 要表现在： 缺少创新设计支持系统 缺乏将知识与v m 结合的工具 缺少交互式外型设计技术与虚拟制造的集成工具 缺少支持逆向设计的工具 ( 3 ) 产品数字化技术 p d m 与其它应用软件的集成问题 产品数字化的核心是如何采用p d m 技术，虽然p d m 技术受到学术界和企业界的 青睐已有近十年的历史，各种版本的p d m 软件也竞相问世，在实施方面也取得了一 定的经验，但p d m 系统缺乏标准，这也就造成了p d m 软件与其它应用系统( 例如 m r p i i 、c a d 、w e b 浏览器等) 的集成问题。在虚拟环境下，各专业、各部门人员基 于同产品模型协同工作，则必须解决p d m 与其它应用软件的集成问题。 一5 一 d e c ，2 0 0 1向虚拟制造的产品数据蕾理秉堍研究 虚拟产品开发的产品数据组织体系 虚拟产品开发方式生成的产品数字样机的产品结构树不仅要反映产品设计阶段的 构造层次结构，而且还要反映产品的装配顺序，制造部门可以直接根据产品数字样机 进行制造，而不必再去构造新的b o m 。如果将零件、部件的加工时间、工位信息等考 虑在零、部件的对象模型内部，在产品结构树再增加一些虚设结点，则采用虚拟产品 开发方式产生的产品数字样机的产品结构树又可以反映生产流程。所以研究适合虚拟 产品开发的产品数据组织体系是切实必要的。 与数字化产品模型相关数据的组织和管理 如何有效解决相关数据的组织和管理使之有效适合v m 的需要是目前国际产品数 字化技术研究的热点。产品的数字化不但包括建立产品数字模型，还包括对该数字模 型进行的性能分析，( 主要包括结构分析、运动学分析、动力学分析，热力学分析的结 果) ，为产品的定型提供理论依据，并有利于对产品性能进行改进，从而缩短产品的开 发时间和提高产品的开发质量。 ( 4 ) 制造过程仿真建模方法和技术 基于物理学模型的制造过程仿真技术尽管已经得到了广泛的应用，但其建模方法 及建模技术仍未有突破性的进展，在虚拟加工、虚拟装配、虚拟测试方面分别体现在： 虚拟加工分析工具尚不丰富 0 0 方法装配建模的研究 国际上关于虚拟装配的研究虽不少见，但在装配建模方面，采用o o 方法是装配 建模的一种潮流。先粗后精，由抽象到具体，符合人们“t o p d o w n ”式的自然思维习惯。 集成化是装配建模的必然趋势。信息模型应能支持v m 环境下与装配相关各阶段活动。 装配工艺规划有待于进一步研究 虚拟装配的基础理论研究 v m 对虚拟装配中的公差分析与综合技术还缺乏理论基础。 虚拟测试技术研究 虚拟测试是成功运用“虚拟产品开发”技术的关键环节，因为在现有的技术条件下 对于单元模型不论是产品、工艺还是系统，测试和校验环节是不可缺少的。测试和校 验环节还会对“虚拟产品开发”的效率产生重要影响，因为当所有环节都计算机化后， 测试和校验环节就成为影响效率的重要因素。 从以上的分析我们知道虚拟制造对于大多数工业部门来说仍处于酝酿阶段，但随 着计算机硬件和软件的发展和全球竞争的加剧，虚拟制造作为加速新产品开发的有效 手段，发展将非常快。虚拟制造涵盖了产品开发从设计到制造的各个阶段，各个阶段 6 d e c ，2 0 0 1面向虚拟制造的产品数据管理秉统研究 的建模也有着相当的难度，但这无疑代表制造技术新的革命，值得制造业高度重视。 近几年来，虚拟制造技术已引起我国科技工作者的关注，据不完全统计，目前全 围已有3 4 家科研机构、高等院校和企业正在开展v m 技术方面的研究。国家8 6 3 c i m s 主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。国家自然科学基 金也有专门的研究课题。中国加入w t o 后，面临着巨大的机遇与挑战，市场竞争将会 更加严酷，为了在竞争中立于不败之地，我国制造业必须在贯彻江泽民总书记“用信息 化带动工业化”的过程中，大力发展虚拟制造技术，为提高原创性能力，提高产品的技 术含量，加速产品结构调整，提供强有力的技术支持手段，尽快使我国的主要制造业 能赶上工业发达国家的水平。 1 1 4 虚拟制造与p d m p d m 在虚拟制造系统中占有重要的地位，可以从三个方面加以阐述。 首先，p d m 系统是推动传统制造业向虚拟制造发展的使能引擎。企业面对不断推 出新产品的压力，新产品开发过程加快，造成需要管理的产品数据以及产生这些数据 的过程数据量急剧增加。制造业面临的挑战不仅是缩短新产品投入市场所需的时间， 而且还包括驾驭变化和满足顾客特殊要求的能力。因此，制造企业必须在技术管理方 法上作出重大变革。其中关键之一产品设计和生产过程中生成的大量数据必须具有合 理存储、协调管理及有效重组的能力，因而迫切需要一种能处理大量产品数据并将之 转换成使能信息的系统方法或工具。p d m 系统能使企业采用虚拟制造时，以安全的方 式存储、分配、跟踪、监测和控制产品数据，并使不同的企业或者企业的不同部门能 及时获得完成他们任务所需的信息。 其次，虚拟制造需要p d m 。网络环境下，虚拟制造在组织结构上采用虚拟企业机 制，进行跨领域、跨企业的合作。从i t ( 信息技术) 的前景来看，虚拟企业是一个非 常复杂的环境。那些试图在个企业内的多个部门之间或是一个供应链内的多个企业 之间采用i t 来解决问题的企业遇到了重大的技术和文化障碍。不同的组织缺乏一致 的恒定的i t 需求。如不同的企业甚至是企业的不同部门对i t 需求的发展过程存在着 很大差异。因此，可以预见，调查取得的l t 需求是复杂的、有冲突的并且是不断发展 的。虚拟企业是动态变化的。不仅仅是需求不同，产生这些需求的组织构成也动态 变化。在现实世界中，规则随着伙伴关系的建立和解散而变化，获取和剥夺获取的权 利改变着合作实体的面貌。集中式管理不再是可行的方案。由于虚拟企业中令成员 构成了典型的自主商业单元，各自对自己的成败负责，集中的规划和管理由于不同的 企业不愿意交出对自己信息财富的控制权而不再可行。总之，这些问题与挑战表明在 一 一 d e c ，2 0 0 1 面向虚拟制造的产品数据管理系兢研究 虚拟企业内传统的方法己不能解决问题了。典型的同构和集中规划的信息系统不再能 满足需要。p d m 的提出与发展为这个问题提供了解决的方案。p d m 可以使得所有部 门成员、供应链成员参与到产品设计、开发和生产过程的全生命周期。利用w e b 技术， 可以为分散在世界各地的联盟企业建立信息连接。因此，虚拟制造需要p d m 以解决复 杂和动态变化的环境。 第三，从1 1 3 节谈到的虚拟制造五大研究内容可以看出，第三大内容与产品数据 管理显然是休戚相关。p d m 必须解决与其它应用软件的集成问题，必须具有良好的产 品结构管理功能以适合虚拟产品开发的产品数据组织体系，必须能有效解决与数字化 产品模型相关数据的组织与管理。 一句话，p d m 是虚拟制造信息基础结构的重要组成部分，是实现虚拟制造的一项 关键支撑技术。 1 2 国内外p d m 的研究现状 1 2 1 产品数据管理的概念 目前学术界和工程领域对p d m 的理解基本上达成了共识，即产品数据管理是集成 并管理所有与产品相关的信息、过程以及相关组织与人员的一项关键使能技术。 1 2 2 产品数据管理的发展状况 从功能上看p d m 技术的发展大致可以分为三个阶段：配合c a d 使用的早期简单 的p d m 系统、产品数据管理( p d m ) 和产品协同商务( c p c ) ： ( 1 ) 配合c a d 使用的早期简单的p d m 系统 早期的p d m 产品诞生于2 0 世纪的8 0 年代初。工程师们在利用已经得到广泛应用 的c a d 技术的同时，也不得不将大量的时间花费在查找设计所需的相关信息上。对 c a d 技术所产生的电子数据进行规范管理的需求变得越来越迫切。在这种工程背景下， 各c a d 厂家配合自己的c a d 软件推出了第一代p d m 产品。第一代p d m 产品在一定 程度上缓解了“信息孤岛”问题，但仍然普遍存在系统功能较弱、集成能力和开放程 度较低等问题p l 。 ( 2 ) 产品数据管理( p d m ) 通过对早期p d m 产品功能的不断扩展与完善，九十年代初形成了专业化的p d m 产品。与第一代p d m 产品相比，第二代p d m 产品中增加了许多新功能，如对产品生 命周期内异构产品数据的管理能力、对产品结构与配置的管理、对电子数据发布和更 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 d e c ，2 0 0 1向盘拟制造的产品戡据管理系娩研究 程度也有了较大的提高，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。p d m 开始成为一个产业，出现了许多专业化的进行开发、销售和实施p d m 的 公司。 ( 3 ) 产品协同商务( c p c ) 1 9 9 7 年2 月，针对p d m 的标准化应用，o m g 组织制定并公布了一个规范，即 “p d m 使能部件( p d me n a b l e r s ) ”标准草案。作为p d m 领域的第一个国际标准，本 草案由许多p d m 领域的主导厂商参与制订并提供技术支持，如i b m 、s d r c 、p t c 等。 “p d me n a b l e r s ”的公布标志着p d m 技术在标准化方面迈出了崭新的一步。“p d m e n a b l e r s ”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。这一标准的制订为新代标准化p d m 产品- - c p c 的 发展奠定了基础pj 。其中比较典型的是由p t c 公司和m a t r i x o n e 公司提出的产品协同 商务( c p c ) 解决方案，它是一个完全建立在i n t e m e t 平台、c o r b a 和j a v a 技术的基 础上的产品。之后，各p d m 公司相继推出个各自的c p c 版本或c p c 解决方案以 w i n d c h i l l 和e m a t r i x 为代表，c p c 的特点主要包括如下几点：基于分布式w b 计算 框架的联邦式体系结构；基于i n t e r n e t i n t r a n e t ；采用j a v a 。目前，p d m 使能规范 已经发展到了第1 3 版本【8 】。 从结构上看p d m 技术的发展可归纳为传统的p d m 系统和先进的p d m 系统两类。 传统的p d m 系统采用两层的客户朋务器模式。它们存在着三个主要缺点：实施困 难；缺乏全球通信功能；缺乏用户友好的界面。先进的p d m 系统朝着网络化的方 向发展，基于w e b ，是典型的b s a v ( 浏览器应用服务器数据库服务器) 模式。关于 这样的系统将在本论文第二章中深入研讨。面向虚拟制造的p d m 首先是基于w e b 技 术的。 八十年代后期，p d m 技术得到应用并在九十年代得到迅速发展。根据著名的咨询 公司c i m d a t a 在2 0 0 1 年发布的c p d m 市场研究报告，未来几年p d m 市场将以惊人的 速度增长”。( 见图1 3 ) 大致上，在2 0 0 0 年，p d m 市场已有3 0 亿美元的产值。在2 0 0 1 年，p d m 市场估计将有4 3 亿美元的产值。到2 0 0 5 年，这个市场的潜力将预期增加到 1 3 0 亿美元的产值，而在1 9 9 8 年，p d m 产值仅约为1 3 亿美元。7 年之内，增长速率 能够达到1 0 倍! 9 d e c 2 0 0 1 面向虚拟制造的产品数据管理系统研究 l _ 。一_ 一 i 7 一 广 产 一 | - j f 7 图1 3 今后几年p d m 市场增长趋势 1 2 3p d m 的研究现状 p d m 系统在实施和执行过程中必须实现以下三大功能：信息集成、功能集成和过 程集成。信息集成从资源共享和知识运用方面为过程开展提供必要的资源支撑，功能 集成从工具和手段方面保证过程集成必要的技术支撑，而过程集成则是保证在信息集 成和功能集成基础上发挥协同工作必要的环境支撑【l 。因此，从总体上看，对产品数 据管理的研究有以下几个重要部分： 研究某种运行环境下的p d m 的系统结构； 研究p d m 系统的信息模型； 研究运用p d m 进行信息共享的方法； 研究运用p d m 进行过程管理的有效方案。 系统的体系结构的基础是其功能需求l ，不同的运行环境对功能有不同的需求， 如面向中小型企业、面向虚拟企业、砸向虚拟制造等。好的体系结构能够保证获得好 的功能集成的能力。目前，国内外对p d m 系统结构的研究均是朝着分布化、网络化、 集成化的方向发展1 2 1 【1 3 】 1 4 1 。基于w e b 技术f 1 7 】 1 9 1 , 或基于c o i m a 技术1 2 1 1 , 或将w e b 、c o r b a ( d c o m ) 技术相融合2 2 l 2 3 l 。从国内文章研究的内容来看，基本 上是给出了粗略结构或框架，但对于具体如何实现，在一些关键技术上的研究还不够， 有待于进一步深入细化研究。而且从目前的研究状况来看，面向虚拟制造的p d m 几乎 还没有人问津。 一个信息系统的研究总是从其信息模型开始口”。信息建模的目的是对真实信息描 一1 0 一 和 | 耋 | | | 伽 薹| 娜 舢 美酊 d e c ，2 0 0 1面向虚拟制造的产品教措蕾理系统研究 述的形式化，可使之通过计算机有效地处理、通信，为各种应用对象服务。p d m 要求 以产品数据为核心，来管理与产品相关的信息和过程，建立起包括各个应用系统在内 的整体系统的一致的、全局的共享信息模型。谢金崇、邓家提提出一种中性信息模型1 2 ”， 采用s t e p 技术使存储于不同结构下的产品数据获得统一视图，从而达到在产品开发 的任一时刻获得产品全生命周期视图，能支持虚拟制造这个新理念。苟吉华等针对集 成化产品设计描述了p d m 中面向对象的产品数据模型2 “。周长胜等建立了p d m 系统 的产品、过程、组织和资源管理模型j 2 ”，属于产品的数据管理模型。郝建材等采用面 向对象的产品数据组织方法建立了基于p d m 的产品总体信息模型m 】。张玲等对虚拟制 造中的产品模型的信息组织和集成框架进行了研究，提出一种基于产品定义单元和元 建模的产品模型口。在上述的研究中，中性信息模型值得学习和借鉴；面向对象的信 息建模方法可以保证系统良好的开放性；描述的虚拟制造中的产品模型使虚拟制造下 产品涉及的信息更加清晰，从而为建立统一的共享信息模型提供帮助。 虚拟企业是虚拟制造系统虚拟性的一个典型表现而产品信息共享技术是虚拟企业 集成的基础。d d o m a z e t 针对现有p d m 系统的缺陷，提出个s o m f 框架”。基于 s t e p 技术和面向对象的数据库技术，可以与p d m 系统进行集成来获得异地企业协作 人员良好的信息共享能力。y a n g p i n gz h a n g 等为虚拟企业建立了一个基于i n t e r n e t 的 s t e p 信息交换框架【”】，试图通过网络寻找具有不同应用协议间、不同标准间的s t e p 转换接口供应商，供应商通过网络为各种文件转换( c a d f e a ，c a d c a m 等) 提供 服务，直接获得c a x 系统间的信息共享。谢金崇等也对虚拟企业信息共享技术进行了 研究【”】，产品模型采用s t e p 标准进行描述，各个企业通过本企业的数据管理接口访 问盟主企业的s t e p 服务器，在一系列的约束下，通过一系列的操作获得所要的数据。 也有人提出采用s t e p 使得p d m 系统间进行数据交换的十个步骤p ”。在上述的研究中， 面向对象的数据库技术在v p d m 系统中值得借鉴，基于i n t e m e t 的s t e p 信息交换框 架也有一定的参考价值。 工作流管理是进几年来的一个研究热点。汪淘等认为目前的工作流管理发展的状 况非常类似于七十年代初，关系数据模型和e r 模型出现以前数据库管理系统的发展 状况，大家各持己见，没有一个储一的标准，所开发的产品大部分也不兼容f 3 ”。从实 施环境上看，当前的工作流管理系统可以支持典型组织机构中大多数的处理过程，大 约有7 0 8 0 ，但许多系统不支持异构、自治和分布环境中应用系统的集成和互操 作。从建模技术上看，e l 前大部分研究倾向于采用基于p e t r i 网及其变种的方法”1 1 3 5 1 1 3 6 1 1 3 7 1 ，对于常用的p e t r i 网及其变种( 如有色网c p n c o l o r e d p e t r in e t s ，谓词变迁网p r t - p r e d i c a t e t r a n s i t i o nn e t s 等) 还有些不足，其中有一点就是不能支持动态性，而动态性 d e c ，2 0 0 1向虚拟制造的产品数据管理最筑研究 是实际应用中不可避免的，如在虚拟产品开发过程，对于开发复杂产品且周期长时， 设计变更难以避免。但是，这并不是说p e t r i 网不适合于工作流建模，事实上把p e 打j 网作为工作流建模的理论工具是得到大多数研究人员认同的。只要对传统的p e t r i 网作 些改进，还是能很好地描述工作流模型。邓达强等提出一种称之为“事件化状态迁移 图”的新的工作流模型p ”，试图克服现有工作流管理模型的缺点，如不能很好支持非 确定型业务和意外情况的处理：缺乏一种反馈机制，不能够反复迭代、不断寻优。王 建华等提出一种基于a g e n t 的工作流管理模型【”j ，具有灵活、易扩展的特点，但是将 工作流定义中的每个活动都创建相应的a g e n t ，如果用于虚拟产品开发，因虚拟产品开 发的过程非常复杂，就将创建大量的a g e n t ，如何利用这些a g e n t 协调过程将成为一大 难题，此系统适用于简单又动态多变的流程。 1 3 课题研究的意义及本文主要内容 1 3 1 实施p d m 给企业带来的技术优势 成功实施p d m 的企业可以获得许多技术优势提高企业的生产率与竞争能力。这 些技术优势总结如下4 0 i 1 4 1 1 1 4 2 】： ( 1 ) 企业内协同工作；p d m 环境下，可以方便地跟踪与某一产品变化有关的所有 文件和设计结果。提供协同工作环境，保证设计人员互相交流设计思路，通过协作方 式解决问题，大大降低了失败的风险； ( 2 ) 有效缩短产品开发周期：由于企业各部门之间及企业与供应链之间加强合作， 产品信息的获取变得容易，产品开发的时间大大缩短。这使得企业能够以更强的竞争 力快速响应市场，能够不断地向其客户提供新的创新的产品； ( 3 ) 提高设计与制造的准确性：参加同一项目设计的人员都依据相同的数据开展工 作，并且一直跟踪并保持最新的数据，从而大大提高了设计与制造的准确性； ( 4 ) 更好地控制项目：p d m 系统可以对项目的进展进行有效的控制，产品结构管 理、变更管理、配置管理和可跟踪性是p d m 的主要功能。另外，p d m 通过数据发布 和电子签发程序来加强控制，从而减少了由于工作失误而造成的信息忽略、掩盖或遗 忘； ( 5 ) 更好地管理工程变更：p d m 系统允许在数据库里保存设计信息的多个修订版 本和改型信息。通过对每个版本和修订版的“签字”和“标注日期”，消除对现有设计 的有关分歧，从而，提供完整有效的变更审查线索： ( 6 ) 供应链协作：p d m 系统被认为对供应链关系有着巨大的影响，它连接子承包 d e c ，2 0 0 1面向虚拟制造的产品数据管理系航研究 商、供应商、顾问、合伙人和客户，并给予他们获取相同信息的途径。p d m 系统也可 以作为一个数据仓库存储本企业开发的部件及来自于供应商的外协件。通过使用p d m 系统的零部件库，设计者可以减少许多重复性的工作进而降低开发时间和成本。 据国外资料统计，p d m 的应用能使产品设计周期缩短2 5 ，减少工程设计修改4 ， 加快产品投放市场进度5 0 8 0 ，总成本削减2 5 以上。国外的一些汽车、飞机公 司实施p d m 系统后均大大提高了企业的效益。据对国内机电工业近五百家企业调查， 新产品开发周期平均达2 4 个月，其中单件、小批量产品的生产技术准备周期约占供货 期的3 2 ，有的高达6 0 ，采用p d m 技术后，可缩短生产周期5 0 8 0 。c i m s 示范 应用企业使用p d m 新技术后，在降低产品开发成本、提高设计能力等方面均取得了明 显的效益【4 3 】1 4 ”。随着中国信息化进程的发展，国内应用p d m 系统的企业将越来越多， p d m 产品的开发与应用也将进入快速发展时期。 1 3 2 选题意义 全球化的竞争要求未来的企业具有下列属性【4 “：顾客响应度：市场响应度； 工厂和设备的响应度；人力资源的响应度：作为核心竞争能力的团队组织方式； 具有快速响应能力的企业变化。虚拟制造的优势为2 1 世纪企业的发展指明了方向。 “虚拟制造”概念自提出以后引起了人们的广泛