支持PLM系统开发实施的集成产品模型

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支持PLM系统开发实施的集成产品模型

    研究分析了产品全生命周期管理(product lifecycle management,PLM)系统开发和实施过程中存在的问题,提出了集成产品模型(integrated product model,IPM)驱动的PLM系统开发实施方法,研究了IPM对象分析方法,阐述了IPM对象演化过程,建立了IPM的集成对象链。

    同时为支持IPM的建模和管理,对IPM进行了抽象,结合统一建模语言(unified modeling language,UML),建立了集成产品元模型(integrated product meta model,IPMM),IPMM定义了IPM的建模方式和规范。结合PLM管理理念,构建了IPM驱动的PLM开发实施框架。以Genexus为开发工具,实现了IPM驱动的服装PLM系统的快速开发和实施。
 
    随着市场竞争加剧和产品全生命周期管理(product lifecycle management,PLM)理念与技术的完善,越来越多的企业正在或准备实施PLM系统。实施PLM系统是一个复杂过程,目前真正成功实施的并不多,导致失败的原因主要有2种情况:一方面实施过程复杂,企业对系统本身及实施难度认识不足,执行力度不够;另一方面,业务规划薄弱,集成产品模型(integrated product model,IPM)的构建和软件系统相对分离,导致开发实施周期长,回报见效慢。
 
     目前IPM大多停留在产品开发设计阶段,不能有效支持PLM;部分研究人员初步研究了基于可扩展标记语言(extensible markup language,XML)的IPM数据的共享,实现了XML文档到关系型数据的映射,但其没有对支持PLM的IPM数据共享机制、原理进行深入研究;李海峰等人研究了元模型驱动的PLM系统架构,但其主要对元模型驱动PLM系统架构的基本原理与实现进行了分析,没有对PLM涉及的复杂问题建模进行深入研究。模型驱动架构(model driven architecture,MDA)是一个软件开发框架,由对象管理组织(object manage mentgroup,OMG)定义,目前已有部分开发工具支持其理念的实现,其关键之处在于驱动软件系统实现的模型。
 
    本文对PLM理念和PLM实施过程进行了分析,深入研究了支持模型驱动的IPM,以及基于IPM的PLM实施框架,以Genexus为开发工具、IPM为驱动模型快速开发和实施部署了服装产品的PLM集成管理平台。
 
1PLM理念及其系统实施
1.1PLM理念分析及系统
    PLM是将产品设计、制造、销售、服务和回收等产品生命周期内涉及的各种计划、产品数据、企业资产、质量管理以及环境等各方面资源和信息集成在一个统一的平台上进行管理。通过这个平台,企业各部门的员工、最终用户和合作伙伴等可以高效地协同工作。也就是说,PLM有2个层面的含义:PLM理念和PLM软件系统。
 
    PLM理念是让更多的部门,如市场、销售、采购以及用户等,参与到产品的研发和制造过程中来,实现面向客户的产品开发和设计,形成一个全新的、集成的业务流程。要实现PLM的理念,最终要落到PLM系统的实施和应用上,PLM系统是指支持企业实现PLM理念的计算机硬件和软件系统,它并不包括其他主要的企业业务系统,如计算机辅助设计(computer aided design,CAD)系统、企业资源计划(enterprise resources planning,ERP)系统、分销资源计划(distribution resources planning,DRP)系统等,其技术定位是为上述分立的应用系统提供统一的信息表示和操作基础,支持企业资源的集成、配置、统一维护和管理,最终实现多用户高效协作的平台。

1.2PLM系统实施
    实现PLM的理念没有固定的模式,不同的企业、不同的行业以及不同的时间实现PLM具有不同的要求。总体来说,PLM实施是指根据企业需求和企业文化,以PLM理念为指导,将产品全生命周期阶段内与产品相关的信息、资源、人员及过程都纳入PLM技术和管理框架之中,实现企业优化运作的过程。
 
    PLM系统实施在空间维上要跨越产品生命周期的各个阶段,而在时间维上有狭义PLM实施和广义PLM实施之分。狭义PLM实施是指PLM系统具体实施阶段,而广义PLM实施在狭义的基础上还包括了PLM理念培训、系统的引入和后续的实施评价等,图1描述了广义PLM系统实施过程。
 
    从目前的实施方法来看,软件系统和IPM相对分离,体现企业需求的IPM不能完全通过软件系统得到体现,降低了PLM系统的实施速度和成功率。以PLM为代表的集成应用系统开发实施对IPM提出了更高的要求,IPM应该能够指导信息系统的构建与部署。本文主要研究狭义PLM实施过程中IPM的设计与构建,以及对应的PLM集成管理平台的模型驱动实现,最终提高PLM的实施速率和客户满意度。

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2支持PLM系统实施的IPM
2.1IPM概述
    IPM是产品模型、过程模型、组织模型和资源模型的集成。产品模型从产品需求模型开始,逐渐演化到产品概念模型、工程设计模型、制造(装配)模型、服务(处理)模型等。而过程模型定义了产品各阶段模型的形成过程以及与组织模型、资源模型关联关系,它按并行化、集成化的思想来组织业务过程。
 
    IPM设计和构建的宗旨是确定产品从需求到概念、定义、采购、生产、服务、维护和报废各个生命周期阶段的相关数据、过程、资源分配、使用工具等信息,以及这些信息之间的有机关联,定义一个跨领域、跨阶段的全局模型,以及确定如何管理该模型。它决定了整个PLM系统的体系架构和处理能力,因此开发实施PLM系统的前提是建立完备的IPM。
 
2.2集成产品元模型
    为支持PLM系统的快速开发和实施,实现IPM管理和重用,必须自下而上对IPM进行抽象,构建集成产品元模型(integrated product meta model,IPMM)。IPMM为其实例IPM在语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明。根据支持PLM的IPMM语义,结合领域特性,可建立领域参考模型库,图2描述了基于IPMM和参考模型的IPM构建,在企业应用过程中根据企业具体需求结合领域参考模型得到面向企业实施的IPM。

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    图2基于IPMM和参考模型的IPM构建统一建模语言(unified modeling language,UML)是面向对象的工业化标准建模语言,它具有丰富的模型分析和设计技术,能用一种既准确又友好的方法来为业务流程和业务系统建模,同时UML是一种可扩展的建模语言,可以通过不同的扩展来满足不同领域的建模需要。
 
    PLM系统并不包括其他主要的企业应用系统,但企业要真正实现产品全生命周期管理,必须综合业务软件系统与PLM解决方案的交互使用。因此需要在元模型的基础上构造应用,对元模型进行解析,使不同的应用系统能在元模型的层次上交换信息,图3描述了利用UML构造的IPMM,模型对其他软件资源模型进行扩展,以满足集成的语义需求。图中描述说明如下:

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    MMR(model master record)表示模型主记录,记载与零部件有关的二维、三维模型业务数据;DoMR(document master record)表示文档主记录,描述与零部件有关的资料文件,如订单、需求说明、NC文档等业务资料;DrMR(draft master record)表示工程图主记录,描述与零部件有关的工程图业务数据。
 
    MMD(model meta-data)表示模型元数据,描述与零件有关的模型属性;DoMD(docu mentmeta data)表示文档元数据,描述与零部件有关的文档属性;DrMD(draft meta-data)表示工程图元数据,描述与零部件有关的工程图属性。
 
    Process、Activities和Rules表示了过程模型中的过程、活动和路由规则语义。Organization、role、People分别表示了组织模型中的组织、角色和人员的建模语义。而Resources、Physical、software分别表示资源模型中的通用资源、软件资源、硬件资源。
 
    根据IPMM规定的语义,以及领域知识、经验和专家分析等在支持UML标准的图形化建模环境中构建IPM领域参考模型库,这些模型信息通过XML保存在资源库中。模型资源库的主要功能包括:对模型的访问与调用、对模型的配置与客户化。
 
2.3面向对象的IPM
    利用对象可以将PLM系统管理的所有元素作为信息单元进行封装。采用IPM建模方法,将这些分散的对象在逻辑上集成为一个整体,最终形成IPM的对象演化描述:以柔性的面向对象的体系来搭建产品模型;以对象联系之间的过程管理模型协调资源模型和组织模型;以对象的生命周期控制演化策略和协同。

1)面向对象特性
    对象代表IPM中的复杂信息元素,也代表了应用于信息元素的方法,对象的内部是由一系列密切相关的对象元素、对象元素关系和规则、对象方法、对象元素的表达形式、对象对外接口和其与外部交互时的内部场景描述等组成,其中对象接口是与其他对象建立联系的信道。
 
2)对象集成性
    IPM={OS,OR},表示IPM由对象和对象联系集成。其中:OS={Oi,i=1,2,3,…,n},OS(objectspace)表示IPM对象空间,Oi为对象空间内的对象;OR={Ri,j,i,j=1,2,3,…,m,i≠j},OR(objectrelation)表示对象空间内的存在的联系,Rij为对象Oi与对象Oj之间的联系。
 
3)IPM对象演化特性
    从企业业务工程的角度看,企业经营过程就是一个连续的企业任务活动的序列,数据在活动与活动之间进行转换,同时输出相关业务信息。对象演化模型首先把IPM描述成由不同业务对象组成的集合,其演化过程是产品信息的数字化建模、加工、传递和拓延,贯穿开发、设计、生产、销售以及服务等环节。
 
    IPM对象之间的通讯是通过对象接口和消息进行的,通过过程模型控制对象的生命周期。结合产品模型对象与过程模型对象、组织模型对象以及资源模型对象形成完整的IPM对象空间和,搭建完整的集成对象链描述。参照IPMM语义,以下主要描述IPM中2条关键的对象链:产品对象链和过程活动对象链。
 
1)产品对象链
    (1)产品结构对象链:Part-Part。该对象链详细描述了产品的结构关系,依据该对象链和产品零部件属性———虚拟件、中间件以及外购件,借助于一定映射规则就可以自动地派生出产品的设计结构、工艺结构、装配结构以及装箱结构等。
    (2)文档对象链:Part-DoMR-DoMD-Docs。它描述的是与产品零部件有关的所有文档。
    (3)模型对象链:Part-MMR-MMD-Models。它包含了所有与产品零部件有关的模型。
    (4)工程图对象链:Part-DrMR-DrMD-Drafts。此对象链记录的是与产品零部件有关的所有工程图。
    图4描述了产品对象链实例的构成,在产品全生命周期领域存在不同的对象,例如零部件对象、文档主记录对象、工程图主记录对象以及模型主记录对象,等等。

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    首先构建零件对象O1269的工程图主记录对象O2713、文档主记录对象O2465以及模型主记录对象O2478,这3个对象通过联系构建完整的零件模型对象O1269;同理,部件对象O1265可由零件对象O1269和零件对象O1268关联集成而来。其中数据对象的属性由元数据对象描述,而主记录对象由元数据对象聚集构成。这些不同对象在产品生命周期不同环节,由不同计算机应用系统或人工从该对象类实例化产生,实例化时利用各种知识定义对象的属性和行为,并存放在不同的介质和不同的地点。
 
2)过程活动对象链
    (1)产品过程活动对象链:Part-Process-Activities。该对象链详细地描述了过程活动的输入与输出结果,一个过程活动可以对应一个或多个产品零部件对象,同样一个零部件对象可以关联多个过程活动,产品结构是定义过程结构的主要依据。
 
    (2)过程结构对象链:Process-Process。该对象链描述了过程活动的结构关系,依据该对象链描述可以描述业务流程的层次结构,一个过程可以包括一系列活动,一个活动可以属于不同的过程。
 
    (3)过程角色对象链:Process Activities-Organization-People。通过该对象链,过程活动可以通知相应角色完成任务,角色有相应的人员充当,属于企业不同的组织部门。
 
    (4)过程资源对象链:Process Activities-Resources。此资源对象包括了软件资源和硬件资源,通过该对象链,过程活动可以直接通知启动软件资源,同时通过对象链可以直接关联相关的硬件资源。
 
    ⑤过程规则对象链:Process Activities-Rules。该对象链建立活动与活动之间的联系,规则定义条件判断和相应的逻辑表达式。该对象链决定对象模型演化流程。
 
3基于IPM的PLM开发实施
3.1支持PLM快速实施IPM构建
    在开发实施部署过程中,企业根据其产品和业务过程特性提出需求,PLM服务提供商进行客户需求分析,再结合自身积累的领域知识,规划符合企业需求的IPM,图5描述了IPM的建模内容,主要包括产品建模、组织建模、资源建模、情景建模、过程建模以及系统集成等方面,PLM集成平台应该支持客户对产品的个性化需求,因此在产品建模的过程中,需要对产品进行标准化和规范化的工作,建立产品族,构建产品主结构,并设计与此相对应的编码系统。
 
    对涉及元素进行对象封装,并对对象属性及对象链进行定义和描述,建立产品对象链;同理对组织和资源进行建模,构建组织对象链和资源对象链;参照产品模型和协同情景需求构建过程模型,最后通过过程模型把产品模型、组织模型和资源模型集成为一个整体,建立集成对象链。
 
    根据IPMM的语义规范约束,采用UML对集成对象链进行描述,建立了IPM,它构建了产品生命周期各阶段核心业务管理模型与数据结构的总体解决方案,是独立与软件实现的计算无关模型(computational independent model,CIM)。在此,为构建满足企业特定需求的IPM,模型规划与客户需求之间须建立大量的循环迭代过程。

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3.2模型驱动的PLM集成平台快速开发
    当业务模型需要软件系统的支持时,需创建软件语义模型,第一步是对UML描述的IPM模型进行翻译和转化,对集成对象链的静态结构和动态行为进一步细化,包括定义数据字段的属性,如格式和作用域等;对类的操作方法进行描述;对类图之间的关联、多重性进行定义;对IPM的过程规则进行翻译,并与对象属性和操作方法关联,建立UML描述的顺序图、协作图等,最终创建一个平台独立的、与IPM一致的应用程序模型———平台独立模型(platform independent model,PIM),PIM描述支撑业务的软件系统,与实现平台无关。
 
    在构建了PIM的基础上,进一步进行模型的求精,实现到开发环境的配置与映射,建立包含最终实现平台全部知识的平台相关模型(platform specific model,PSM),原来的平台独立模型的语义被带入特定于平台的模型中。PIM到PSM的映射和配置主要包括3个方面:PIM到数据库的映射;PIM到业务组件的映射;PIM到接口显示的映射。图6描述了IPM到PLM集成平台的实现过程。
 
    最后,PLM平台快速实施的一个重要方面是和其他应用系统的集成,如DRP、ERP系统等,这些应用系统不能很好地符合IPMM的语义,因此要把它们也引入到IPM中,需首先封装应用程序,使不同的应用系统能在元模型的层次上交换信息,交换过程以XML网关作为中间交换平台,由XMLMapper完成数据格式的映射,把外部应用程序中的数据模型信息转化到IPM的资源库中。建立IPM驱动的开发实施方法使PLM系统具有良好的开放性、集成性、快速部署和支持快速重构等特性。

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4应用实例
    模型驱动的PLM系统开发实施要经历3个阶段:系统需求分析、IPM规划和系统实现,这是一个生命周期,采用循环迭代开发策略。笔者利用面向PLM的IPMM,采用面向对象的系统分析和设计方法,在Genexus开发工具中对服装PLM中的建模元素进行对象封装,以元模型的语义和规范为指导,结合服装企业业务过程规则,构建了面向服装PLM的IPM。
 
    图7描述了服装IPM顶层结构图。对顶层结构图进行逐步分级和分解,建立了服装产品的完备集成对象链,对集成对象联的静态结构和动态行为进行细化,建立PIM。再对该PIM绑定特定平台相关属性,如代码语言定义、数据库属性定义、通讯协议定义、接口显示等。图8描述了利用Genexus开发的面向客户的PLM集成化管理平台,系统代码采用VB语言,数据库系统是SQLserver2000,网络通讯协议是TCP/IP。
 
    该系统通过与电子商务平台、ERP系统、CAD系统,以及DRP系统的集成交互,实现了对客户定制服装的客户信息、款式信息、变体信息、面料信息,以及生产信息和销售信息等的统一描述,同时对各业务过程、负责人和生产过程中使用的资源信息也进行了集成管理。
 
    在该系统与其他应用系统的集成中,虽然Genexus提供的DataView模块可以把其他应用系统的数据库信息集成到其设计模型中来,但其他应用系统对其数据结构通常不公开。因此课题组利用XML网关作为中间交换平台,由XMLMapper完成数据格式的映射,把外部应用程序中的信息集成到平台管理中来,而对其他应用程序本身进行调用并返回还是应用了一定的手工编码。

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5结语
    本文分析了PLM理念和PLM的实施过程,对PLM实施过程中的关键要素——IPM的构建、管理进行了研究。IPM定义了PLM的业务框架模型,它是一个有组织的元素集合,元素之间联系清晰,按照元模型语义实例化的IPM描述了具体产品的构成结构及形成的过程,是PLM软件系统开发实施的驱动模型。
 
    Genexus本身是一个开发工具,在其开发过程中要遵循一定的方法才有意义和作用,本文以MDA理论为指导,研究了模型驱动PLM集成平台构建过程中的IPMM、IPM、PIM和PSM,并在宁波某服装企业开发和实施服装产品的PLM集成管理平台中得到了应用。

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