产品数据管理技术的发展与应用

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产品数据管理技术的发展与应用

    主要概述了产品数据管理技术的产生背景、概念、体系结构及其基本功能,回顾了产品数据管理技术的发展过程,讨论了该技术在未来几年内的发展趋势。并提出了在产品数据管理技术发展中应当注意的几项关键技术。
 
1PDM技术的由来及定义
    随着科学技术的进步,制造业取得了迅猛的发展。大量的CAD/CAPP/CAM软件应用于企业,有效地提高了产品制造的效率。然而,伴随着计算机技术的广泛应用,计算机产生的各种数据资料也迅速增加。例如,一个企业要生产一种产品,从市场分析、产品设计、到制造、装配、销售,要产生很多的相关数据:市场分析报告、设计信息、加工图纸、零件加工工艺、数控加工程序清单、仿真测试结果分析、以及各种说明书等,其数据量之大是可想而知的。这么多的数据如何管理,是各企业面临的一大难题。基于此,80年代初期提出了产品数据管理(PDM)技术,其主要目的就是为了解决大量产品信息的计算机管理问题。
 
    PDM技术提出以后,一直在不断地发展和完善,所涉及的范围也逐步由过去单一的计算机信息管理扩展到产品开发的几个主要领域:设计图纸和电子文档的管理,材料报表(BOM)管理以及与工程文档的集成,工程变更请求/指令的跟踪与管理。到了90年代,随着网络、数据库技术的发展,以及Client/Server、Internet/Web与面向对象技术的应用,PDM技术有了很大发展。
 
    特别是其在现代集成制造系统(CIMS)、并行工程实施中所起的作用越来越受到重视。CIMS集成平台的研究、开发和应用,是目前CIMS应用实施的关键。并行工程的思想就是从产品设计开发和制造的过程出发,提倡小组协同工作,强调小组成员在产品设计的同时进行相关过程的设计。
 
    这样就要求与产品过程相关的人员在产品生命周期内的各个环节和产品过程相关的各个地方均能及时、准确地获取产品的相关信息,并对产品数据进行一定权限范围内的操作。PDM技术恰恰能满足这些方面的要求。现在,PDM技术已逐步成为并行工程运行的软件基础,成为CIMS系统实施的理想平台。其在CIMS系统中的框架作用如图1所示。

    由于PDM技术自出现以来,一直处于快速发展之中,它所涉及的范围也越来越广,因此,对于PDM技术很难有一个准确的定义加以描述。在1995年2月,主要致力于PDM技术和相关计算机集成技术的国际权威咨询公司CIMdata给PDM作了一个概括性的定义:“PDM是一门用来管理所有与产品相关信息和所有与产品相关过程的技术”。

    这个定义从广义的角度解释了PDM技术。但就现阶段PDM的发展情况而言,可以给出一个较为具体的定义:“PDM技术以软件技术为基础,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(包括审批/发放、工程更改、一般流程、配置管理等)的技术,提供产品全生命周期的信息管理,并可以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。”
 
2PDM的一般体系结构
    PDM系统应用面向对象的设计方法,采用现在流行的Client/Server体系结构,并建立在分布式数据库技术和网络技术的基础上。PDM的结构大致可分为四个层次:用户层,应用功能层,应用服务层和系统服务层,如图2所示。

2.1用户层
    用户层主要是提供给PDM系统的用户一个进行人机对话的界面。该界面是由PDM系统依据功能单元的不同和用户的帐号动态分配的,这样就使得PDM系统只展现该用户所关心的产品信息,以便用户更有效地处理自己的工作。
 
2.2应用功能层
    应用功能层包括PDM软件的一系列功能模块,其中主要有电子仓库和文档管理、工作流管理、产品结构与配置管理等模块。这些模块都是PDM系统中的重要组成部分,完成产品数据管理的大部分工作。系统集成工具也包括在这一层,它是PDM与CAx、MRPⅡ、MIS集成的重要开发工具。
 
2.3应用服务层
    应用服务层主要是为上层的功能模块提供服务,也可以说是应用功能层与系统服务层之间的桥梁。该层的功能是协调各功能模块之间的关系,处理功能模块对数据库和网络的访问。有了这一层,就减少了功能模块同系统服务之间的关联性,使得PDM上层模块的开发更容易一些,同时系统的开放性也得到了加强。
 
2.4系统服务层
    这一层主要是包括操作系统、数据库系统以及网络运行环境。这一部分是PDM系统实施的基础。PDM系统采用这种分层体系结构,具有良好的开放性。首先,使得PDM系统适应于多种基础环境。因为有应用服务层专门协调功能模块同系统服务层之间的信息交流,只要应用服务层支持与底层服务的接口,PDM就可以运行在该环境之上。因此只需开发出适应于各种数据库、操作系统、网络环境的接口程序,就可以将PDM系统运行于各种基础环境;其次,功能扩展方便。
 
    在应用功能层,PDM系统提供了专用的系统集成和开发工具,由于采用了面向对象的建模方法和技术,在进行与其它系统集成或二次开发时,大大减少了工作量,使用户可以迅速地开发适合于自己的功能模块。第三,PDM系统的规模具有可变性。由于采用Client/Server结构以及分布式数据库技术,企业在实施PDM时可以逐步推行,从一个单位、一个部门开始,直至全企业完全实现PDM技术。PDM规模的可变性还体现在企业可根据需要选择功能模块。这些都为企业实施PDM提供了很大的灵活性。
 
3PDM的主要功能
PDM系统的功能按照软件模块来划分,可以概括为以下几个方面:
3.1电子仓库和文档管理功能
    在企业中,大量不同格式的数据分散在不同地方,如何收集和管理这些数据,确保数据不致丢失和混乱,并使各部门之间协同工作时能够及时得到所需数据是非常重要的。在PDM系统中,各应用程序所生成的各类数据先是存放在由操作系统管理的文件中,PDM生成管理这些文件的元数据和文件指针,复制这些文件,并存放于电子数据仓库(VAULT)中。
 
    电子数据仓库是一个连接数据库和文件系统的逻辑单元,能对存放在它内部的数据的全部变化过程进行监控和记录,它为用户和应用程序之间的数据传递提供了一种安全的工具和手段,确保了所管理数据的完整性。借助于分布式数据库技术,它还允许用户迅速地访问其权限内全企业的所有产品信息,而不必考虑用户和数据的物理位置。
 
    电子数据仓库和文档管理能提供多用户的并行访问。为了防止多个用户同时对同一产品数据进行修改,PDM系统采用入库(Check-in)和出库(Check-out)登记机制。当一个用户打开某个数据进行编辑时,必须首先从电子数据仓库中检出该数据,将数据放在自己的工作空间内,同时系统对被检出的数据加锁,禁止其他用户对该数据进行编辑,但允许其他用户对数据进行读操作。
 
    通过这样的设计规则,就可以实现多用户并行访问,同时也确保了数据的一致性。文档管理还可以提供全企业内的文档检索,由文档与产品的关联性还可以进一步查询相关的产品数据。在PDM系统中,电子数据仓库和文档管理是整个系统的数据基础,同时也是系统的核心。
 
3.2工作流和过程管理
    工作流和过程管理主要是用来定义和控制数据操作的基本过程。它主要管理当用户对数据进行操作时会发生什么、人与人之间的数据流向、跟踪和管理流程和过程内所有事务和数据的活动。它是支持工程更改必不可少的工具。PDM系统通过对企业内产品开发过程的分析,抽取一些构成产品开发过程的基本任务单元来构造不同的产品开发过程,如设计评审、工程更改等。工作流和过程管理的原则就是,围绕设计对象定义其工作流程,并定义所提交产品数据的版本和修改权限控制。
 
    工作流和过程管理可以根据所定义的工作流程、工作人员和工作权限及时地通知每一个人,每个用户在登录后,检查自己的任务表,就能清楚地知道自己应做的工作和完成期限。同时,项目负责人可以随时了解项目的进展情况。在整个设计过程中,产品的设计和每一次修改都通过历史版本记录而保存下来,工程人员可以根据记录查询以前所做的所有工作,以便进行更好的设计。
 
3.3产品结构和配置管理
    一个产品是由众多的零件构成的,在PDM系统中,通过产品结构和配置管理,以电子仓库为基础,以BOM表为框架通过产品的装配和组成关系将产品的各个零件管理起来,并以图形化方式展现给用户,使得用户对于整个产品各部分及其相互关系有一个总体了解。另外,通过各零件与相关文档的关系,在对产品结构进行管理时,也对文档进行了有效的组织,当用户希望得到某一零件的相关文档,只需利用产品结构图检索出该零件,就可以得到相关文档资料。
 
    由于产品结构零部件本身存在着不同的版本,也就出现了不同版本的产品结构和配置问题。一个产品,从不同的角度分析,可以有不同的结构配置。PDM系统通过产品结构图中上下级节点的约束关系实现配置管理。给定不同的约束条件,就可以生成不同的产品结构图。常见的有以下几种约束条件:按产品版本配置、按设计配置、按加工配置、按装配配置、按零件有效时间配置等。PDM系统的产品结构和配置管理还具有支持互换件和替换件使用的功能,企业可以通过使用标准件、通用件,减少产品设计的工作量。
 
3.4设计检索和零件库
    PDM系统的零件检索和零件库功能提供了通过分类和编码来有效地组织产品数据。零件库是利用成组技术将具有相同或相似特征的零件归并入库,以更好支持原有设计资源的重新利用,从而提高设计效率。设计检索则可以通过多种检索途径来获取产品零部件及其相关的设计数据。
 
    PDM软件能够提供分类规则的定义方法,以适应每个企业的信息管理要求,同时提供有力的检索工具,可以根据产品对象的名称、属性、编码等进行产品信息的查询,并能查询零件的各种信息,如状态信息、创建者信息、被那些产品所使用、或零件的使用频率等。设计检索与零件库访问是在开发新产品时重新利用已有的设计信息及提高产品标准化的关键所在。
 
3.5检查与批注
    通过对各种图形文件的格式转化,让用户可以查看电子仓库中的数据内容,如图形、图像文件等,并在图形和图像文件上用各种符号进行注释、圈阅,对设计进行评价,该评价结果将会附着在原图形和图像文件上,为设计修改提供参考。
 
4PDM技术的应用与发展趋势
    PDM技术的应用领域十分广泛,现在主要是集中在制造业领域,机械、电子、汽车等行业均已开始实施PDM技术,在这些行业中,PDM系统对企业的产品数据进行统一管理,并且在产品开发的整个过程中协助管理者对开发过程进行有效管理。在此基础上,PDM系统还可以作为CIMS系统集成的基本框架,可以把CIMS系统的其他子系统,如CAD/CAPP/CAM子系统、MIS子系统、MRPⅡ子系统等,通过系统集成工具和接口有效地集成在一起,构成一个完整的CIMS系统,在全企业范围内实现数据的共享。
 
    除制造业领域,PDM技术还可以应用于工程项目中,如建筑、桥梁等;还可以应用于基础设施和公用事业中,如机场、海港、铁路运营系统、后勤仓储等。随着PDM技术的不断发展,其应用的领域也会逐步扩大。从PDM技术本身的角度出发,根据当前研究的热点来看,PDM技术今后的发展主要体现在以下几个方面:
 
4.1网络技术和分布式数据库技术在PDM系统中的应用
    基于因特网/企业内部网平台及Java语言,开发结构灵活、用户界面友好的PDM系统已成为一种趋势。今后的制造业将向着分散网络化制造的方向发展,基于网络的企业数据管理被认为是其支撑技术之一。在分散化制造中,为支持各企业之间信息共享和企业及时重组,企业内的产品数据就必须有效管理起来,以便实现与合作企业之间的网上信息交流,共同完成产品开发和制造。PDM系统要能支持分散化网络制造,就需要在系统中更多的应用网络技术和分布式数据库技术,提供用户对数据访问的透明性,简化客户端的操作,加强用户之间通过网络的信息交流。
 
4.2基于并行工程的企业信息集成
    PDM技术作为支持企业重组和并行工程的使能技术,作为在CIMS集成中的理想平台,在今后的发展中将会更多的考虑这两方面的要求。并行工程是集成的、并行的设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期,即从概念形成到产品报废处理的所有因素,包括质量、成本、进度计划和用户要求。
 
    PDM系统要能支持并行工程,需要在流程管理系统集成上按照并行工程的思想,提供并行协同的设计平台和管理平台。支持异地分布人员对同一图形进行显示与处理,保证各类技术人员在不同终端上对同一模型进行操作。在PDM系统环境中技术人员可以对图形和模型数据实现共享,管理人员可以对同一决策方案进行商讨;此外,系统需要提供各种决策评价系统,评价各个阶段的工作(包括设计、管理等),后续岗位人员将评价的结果作为提前进入的依据,确保整个工作全面、顺利、协调地展开。
 
4.3PDM与MRPⅡ相互结合
    PDM系统与MRPⅡ系统都具有对产品生命周期数据进行管理的能力,PDM侧重于对产品设计和过程数据进行管理的能力,PDM的任务是控制产品配置,使用更改控制和产品生命周期来管理产品定义数据的开发、修改以及并行使用。而MRPⅡ偏重于对计划、物料和制造过程的管理,主要任务是控制生产计划过程,平衡期望的产品销售情况与制造这些产品所需消耗资源之间的关系。因为这两个系统任何一个都不能完全包括所有的产品全生命周期的数据。
 
    所以PDM与MRPⅡ二者互相结合,实现它们之间功能互补是今后二者发展的主要方向。PDM与MRPⅡ系统集成的关键点在产品结构和配置管理,通过BOM表来传递两个系统之间的数据是集成的重要手段。BOM反映了产品的结构关系和每一零部件所需要的物料信息,为PDM和MRPⅡ系统提供了产品的基础信息。
 
    但是这些信息都是静态信息,而且PDM中的BOM表与MRPⅡ中的BOM表总不是完全一致的。所以PDM在今后发展中可以开发能够让两个系统都可用的统一的BOM表结构。而对于两个系统都要参与的更改/审批管理等动态信息的交流,可以考虑采用CORBA技术,利用CORBA技术将接口与具体的数据库实现分离,使信息处理达到实时动态的水平。PDM与MRPⅡ的进一步结合也是实现CIMS集成必须进行的工作。
 
4.4向标准化与通用化发展
    PDM系统现有的软件因开发商不同,各自考虑的侧重点也不一样。但是,PDM技术作为CIMS系统集成的基础框架,必然要有一个标准以方便其余各系统快速集成到这一框架中。PDM系统的标准化包含管理对象的标准化和管理过程的标准化。管理对象的标准化需要系统提供能与各子系统集成的标准接口,这其中包括系统封装接口和标准数据接口,对于封装接口可以采用当前流行的CORBA技术,通过CORBA技术,开发者就可以采用不同的编程语言、操作系统和硬件平台来开发面向对象的分布式应用功能模块。
 
    同时,利用CORBA技术封装的系统也可以迅速集成到PDM主框架中。对于数据接口,可以应用国际通行的STEP标准来规范各种类型的数据。管理过程的标准化则需要PDM系统在今后的发展中,对工作流程和管理流程采用ISO9000系列标准以及企业必须遵循的其他标准。这样就可以使PDM系统在应用到各企业时易于实施,使PDM系统客户化的工作相应减少。
 
5PDM发展中的关键技术
    从PDM的发展趋势中可以看出,PDM的发展离不开其他技术的应用,其中有几项技术尤为关键:
 
5.1成组技术
    成组技术,是在零件设计和制造中充分利用相似性原理将零件加以分类的方法。在PDM系统中,由于要管理的产品数据非常多,合理的分类就显得非常重要。电子仓库中各种信息的编码分类,零件库中零件族的管理,都要用到成组技术的原理和方法。在PDM中,利用成组技术将具有同类性能特征的产品、相似结构的部件和零件进行统一管理,设计人员就可以迅速的找到需要的信息。
 
    例如由CAPP子系统生成的工艺文件提交到PDM系统中以后,PDM系统可以将相似的加工工艺存放在一起(当然这只是逻辑组织上在一起,物理上可以分散于各个地方),这样,零件加工的安排、机床使用频率的统计等都可以从这些有效管理的工艺文件中得出。在零件库中,零件分类存放,逐层组织,管理人员可以从整体上了解企业产品设计能力和加工能力。另外,随着数据量的增加,分类编码管理不但可以简化PDM系统的工作,而且往往还会产生意想不到的效果,例如,通过浏览产品类、零件族,可以启发设计人员改进原有产品,设计出全新产品。这也更是实施PDM系统,促进企业信息共享的又一大好处。
 
5.2数据交换标准技术
    PDM系统作为CIMS系统集成的框架,它需要实现各种功能的集成,包括运行环境集成、信息集成、功能集成、技术集成以及人员和组织的集成等,但其核心是信息集成。PDM系统面对的是CAD/CAPP/CAM、MRPⅡ等系统所产生的数据的管理,由于各应用系统中各种对象描述采用的标准不同,造成系统间互不兼容,解决的办法就是采用统一的数据交换标准,将各系统中的共同信息提取出来,使用标准数据格式表示,保证数据一次输入,多次使用,以达到系统集成的目的。
 
    现在的PDM系统,对CAD、CAPP、CAM产生的数据分别管理,如果CAPP、CAM系统需要CAD中的零件设计信息,就必须通过一定的数据格式转换接口才能得到,如图3所示。采用统一的数据格式,CAPP、CAM可以直接获得所需的数据,而不必进行转换,如图4所示。这样不但减少信息的重复输入,而且使得各系统的集成更加紧凑合理。目前,支持产品数据共享的国际标准主要是STEP,但这一标准现在还不能覆盖PDM系统所有的内容,有待进一步研究和完善。

5.3CORBA技术
    PDM系统中的功能集成,以及PDM系统同其他各外部系统之间的集成,是建立企业信息集成系统的重要组成部分。基于CORBA技术建立标准的中间件模块,为PDM系统与其它系统集成提供了方便的手段。

    CORBA技术是当今计算机业界最令人关注的中间件技术规范,已得到许多大公司的广泛支持,成为一种产业标准,它借助Client/Server模式和面向对象技术,利用标准接口定义语言,将所有的应用程序封装成独立的对象,其界面定义了该对象可提供的操作,客户方只需知道目标对象及其界面,就可以获得目标对象所提供的服务,有效地实现了分布应用程序之间的互操作性。利用CORBA技术,不仅有利于现有系统的集成,而且有利于将来系统的扩展。
 
6结论
    PDM是目前世界上迅速发展的技术之一,在今后几年内,其在企业内的应用将会逐渐扩大。PDM技术的研究将主要集中在系统集成的具体方法上,在企业的应用则主要集中在如何实施上。PDM技术中有关项目管理、工作流程管理还有待进一步完善。但它统一管理和控制产品数据的体系结构具有巨大的发展潜力,它对企业内实施CIMS工程,实现并行工程的思想有着决定性作用,它对未来分散化网络制造及企业重组也将起到积极的促进作用。

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