PLM 系统体系结构及元模型

PLM 系统体系结构及元模型 PLM 系统的体系结构是 PLM 的重要研究内容,是构建 PLM 系统的依据。过去的研究主要集中在系统的集成、功能扩展、数据交换等方面,对 PLM 的框架大多沿用传

PLM 系统体系结构及元模型

    PLM 系统的体系结构是 PLM 的重要研究内容,是构建 PLM 系统的依据。过去的研究主要集中在系统的集成、功能扩展、数据交换等方面,对 PLM 的框架大多沿用传统的形式。
 
    一般由于方案过于复杂,对企业信息化要求高,企业实现难度大,成功率不高,阻碍了企业信息化的实施。鉴于 PLM 体系结构的研究工作将对今后系统的实现以及高效应用具有现实的意义,本节就研究过程中的重要问题进行了系统的分析和综述。
 
    相对于传统的 PLM 的体系结构,改进的方案中重点增加统一产品数据模型处理的内容,并考虑引入新的实现技术,使 PLM 系统具有更好的开放性和集成性。
 
 5.1 系统体系结构的设计
    产品生命周期模型的集成框架分为三个层次,应用层、服务层和数据层,底层的数据库层为上层的应用层提供基础,上层通过调用下层来实现自己的功能。
 
    充分考虑到产品开发的各个阶段对产品数据的集成,以及在业务伙伴、远程分公司、供应商和客户之间进行产品开发协同的需要,是一个可以随着业务需求变化而变化的、能够满足公司目前应用需求和未来应用扩展的开放式体系结构,对企业可以起到完整的技术支撑作用。
 
5.1.1 模型驱动的体系结构
    经典的软件工程思想将软件开发分成五个阶段:需求捕获阶段、系统分析设计阶段、系统实现阶段、测试阶段和维护阶段。在需求捕获阶段,对系统的需求进行详细的分析,并给出明确的定义,编制系统需求分析说明书。
 
    在系统分析设计阶段,根据系统的需求设计系统的体系结构和软件模块。在系统实现阶段,主要任务是选择程序设计语言和工具,编写计算机可以接受的软件代码程序,实现系统的各项功能。在测试阶段,主要任务是测试软件,排除错误,确保开发得到的软件功能和性能达到规定的要求。在维护阶段,对系统进行修改和完善。
 
    模型驱动的体系结构(Model Driven Architecture,MDA)是由对象管理组织(Object Management Group ,OMG)提出并且大力倡导的软件开发方法。基于元模型的应用系统集成方法提高了用户构造大规模应用系统的能力。
 
    元模型驱动的开发模式减少了业务模型发生更改时,对组件内部逻辑和外部接口进行的修改工作量,并方便实现应用开发从一种平台到另外一种平台的切换。
 
    采用元模型作为 PLM 系统进行集成的方法,在元模型的基础上构造应用,并对元模型进行解析,使不同应用系统能在元模型层次上交换数据信息。在统一模型的基础上,进一步实现元模型到开发环境的映射和转换,建立元模型驱动的开发方法。
 
    MDA 是一种将一系列趋势性技术整合到一起的新的软件开发方法,它基于可视化、存储、交换软件设计模型的业界标准,强调设计及设计阶段建立的模型。
 
    在 MDA 中,软件开发过程是由建模行为驱动的。MDA 的思想是在模型层,系统是统一的、同构的,通过模型转换将同构一致的功能模型转换到终异构系统。
 
    平台独立模型(Platform Independent Model ,PIM)和平台相关模型(Platform Specific Model ,PSM)是 MDA 的核心。PIM 具有高抽象层次,是独立于任何实现技术的模型,PSM 为某种实现技术量身定制,只对了解相应平台的开发者有意义。
 
    MDA 定义 PIM 与 PSM,同时定义它们之间的关系,通过业务过程需求分析建立 PIM,然后把它转换成一个或多个 PSM,后变换为代码,其中建立 PIM 及其与 PSM 映射关系是 MDA 开发过程中复杂的过程。
 
    MDA 的优点:(1)对建模的投资将更加持久有效,远大于你目前实现的技术,这将更有利于保护你的投资,(2)具有了技术上的灵活性,(3)将不再受技术或应用所具有的不同变化周期的影响,在 MDA 的帮助下,可以中立的保持两方面的多样性。
 
    对象管理组织 OMG,定义了 PIM 与 PSM 之间的种映射关系:(1)PIM-PIM,该映射实际上是模型之间的增强、过滤和精化,其主要是从分析模型到设计模型的转换,(2)PIM-PSM,该转换是从抽象模型映射到与平台相关的模型,(3)PSM-PSM,该映射是对 PSM 模型的精化,(4)PSM-PIM,该转换类似与逆向工程,是从 PSM 中提取与平台无关的模型信息。
 
    在 MDA 中,模型不仅是描绘系统、辅助沟通的工具,而是软件开发的核心。模型之间通过模型映射机制相互转换,从而保证模型可追溯性。软件开发和更新过程是模型自顶向下,逐步精化的过程如图 5.1 所示。

    MDA 已经成为软件工程新的研究热点,目前科研人员在技术层已开始进行深入研究,内容涉及模型映射、一致性保证等,同时在应用领域也进行了初步研究。
 
    但是目前对 MDA 的研究还没有涉及到业务模型和软件模型一致性同步保证,在专业领域的研究也没有深入,也就是说,MDA 提供了一种框架和实现过程,还没有对专业领域的驱动模型进行深入研究。MDA 软件开发过程如图 5.2 所示。

    在系统设计阶段,采用 UML 建立的元模型与中间件平台无关。在详细设计阶段,需要根据具体开发平台,对 UML 进行进一步的扩展和解释,把平台无关模型转换成与 CORBA (Common Object Request Broker Architecture,公共对象请求代理体系结构)相关的模型,为此需要制定某些规则。
 
    根据 CORBA 服务描述的特点,把模型中的信息首先转换为 CORBA 平台需要的 IDL (Interface Definition Language,接口定义语言)。在 IDL 基础上,CORBA 开发环境对 IDL进行编译,成对应服务器的构架和对应客户端的桩。
 
    PLM 系统功能代码通过与构架进行编译,生成符合 CORBA 规范的软件组件。IDL 语言是一种独立于编程语言、下层网络和具体实现的数据类型描述语言,其本身是一种描述性语言,而非编程语言。
 
    为使客户程序和对象实现程序能够统一地使用 IDL 语言中定义的数据类型和接口的信息,CORBA 规范中规定了 IDL 到具体编程语言如 VC、Java 等多种编程语言的映射,其具体实现由符合 CORBA 规范的产品提供。
 
5.1.2 产品全生命周期模型集成框架
    产品生命周期模型的集成框架分为三个层次,应用层、服务层和数据层,如图 5.3 所示。应用层有六个,概念产生、产品设计、采购、产品生产、产品销售和服务,分别对应产品生命周期模型的六个子模型。
 
    服务是 PLM 实现的功能,包括数据管理、过程管理、项目管理、资源管理、质量管理、协同管理和供销管理,应用层和服务层之间是通过 PLM 实现通信的。
 

    数据层是产品描述信息,包括需求说明书、CAD 模型、仿真模型等,它们通过建立统一产品数据模型,存放在产品模型库中,服务层和数据层是通过产品模型库,进行数据访问的。

5.2 元数据模型
    根据模型驱动的体系结构,开发 PLM 系统,首要对系统进行分析和设计,建立系统的元模型,以下先针对 PLM 系统的几个关键部分建立元模型,以 PLM 系统用户管理产品数据为例。
 
    PLM 系统的用户可以进行角色分配,分为产品研发人员、产品设计人员、物料采购人员、产品生产人员、产品销售人员、产品服务人员。不同的角色可以对产品模型库中的特定信息进行各种操作,这些操作主要包括注册、复制、检入、检出、冻结、审核、访问权限转移等,如图 5.4 所示。

    用户数据包含业务项和数据项。业务项用来描述与业务相关的那些产品信息,例如产品的版本,业务项仅存在于系统的数据库中,没有任何物理的数据与它相对应。
 
    文档是业务项的一个子类,用来组织和控制产品信息的,与特定产品或产品零件相关联的数据项可以通过与文档建立关系而一起进行管理。
 
    数据项是用来描述产品信息的物理数据包括:用字处理软件创建的设计说明书,CAD 系统创建的三维模型或者二维图纸,电子表格格式的测试结果,以打印或硬拷贝格式存在的市场资料。
 
    数据项通常是由应用程序创建的实际物理数据,同时在关系数据库中还存在相对应的数据记录。其中,可编辑文本文件包含可编辑 ASCII 文本字符的文件,它可以在不同计算机系统中运用多种工具进行浏览和编文本文件包含可编辑 ASCII 文本字符的文件,它可以在不同计算机系统中运用多种工具进行浏览和编辑。
 
    目录的概念与操作系统中的目录概念相同,对它进行的任何操作(如:移动、复制、删除)都会影响到此目录下的所有子目录和文件。
 
    使用注释,用户可以对一定问题发表评论,然后再把它与别的对象(如文档)相关联。独立二进制文件是单一的计算机文件,它所包含的内容是可以在各种计算机系统间以可用方式实现交换的二进制格式。
 
    独立二进制文件的典型例子是 GIF 格式的文件,OS 相关二进制文件也是单一的计算机文件,但是它所包含的内容是不可以在各种计算机之间以可用方式进行自由传递的二进制格式。
 
    不可编辑文本文件是尽管可以被浏览和编辑,但规定不能使用一般的文本编辑工具进行编辑的文本文件,报表包含对象信息和他们之间关系信息的文本文件,文件代表文件柜里或桌面上的打印项,如图 5.5 所示。

    系统管理员的任务之一是在整个系统网主机上确认用户,用户在能够在一台系统提供了一些缺省的用户组以便于系统管理员向用户络中定义所有的用户,在主机上创建文件系统中的对象之前,该用户必须在该主机上被确认。
 
    通过激活用户或者使用户失效,系统管理员可以控制一个用户对系统的访问许可,系统管理员可以通过删除一个用户的操作将用户从系统中永久删除。维护规则缓存,所有与规则相关的信息都保存在一个叫规则缓存的文件中,这个缓存文件被用以提高系统的性能,如图 5.6 所示。
 
    另一种组织用户的方式是通过用户组来组织,分配权限,这使得系统管理员能够给予一个新用户适当的用户设定。系统建议使用缺省的用户设定,但并非必须如此,在尝试了推荐的用户组之后,可以允许自己来设定用户的权限。
 
    通过向用户组中添加用户,要获得用户组中规定的权力。用户组分为超级用户组、权限控制用户组、普通用户组、自定义用户组,如图 5.7 所示。

 
    基于角色与基于规则相结合的访问控制模型,该模型以可扩展的用户组织结构为框架,根据用户组织,电子仓库的规则有条件,消息访问规则,路径结构定义角色的属性及其继承关系,用参数化的规则集合描述用户组织结构中由上下级关系所引发的操作许可,实现面向群组协同工作的分级权限管理体系。
 
    访问权限的规则特指由用户组织结构中的上下级关系所带来的访问控制规则,这种访问控制规则与基于角色的权限控制是不矛盾的,而是并行的对系统的信息资源保护发生作用,如图 5.8 所示.。

    电子仓库管理的对象是电子仓库和电子仓库存储目录选择规则和事件通知规则。条件用于规则中的计算 (“如果条件满足则执行……”),消息访问规则是判断谁可以访问或修改电子仓库中的对象,路径选择规则表示可以存储哪些对象到电子仓库中,事件通知规则判断谁将得到关于对象事件的通知。
 
    电子仓库的操作有:创建电子仓库,电子仓库是信息存储的安全的场所;创建电子仓库位置,当电子仓库中包含联机数据项的时候,需要有仓库存储目录;激活电子仓库,系统管理员的职责之一就是决定如何使用电子仓库并编写相应的规则,如图 5.9所示。

    系统使用项目来组织信息并简化对这些信息的访问控制,项目关注的要点是预先定义的各种角色的活动。创建项目,组织系统中各种信息和用户的有效途径之一就是通过项目来管理,在一个项目可用之前,系统管理员必须首先定义该项目。
 
    创建角色,角色定义了在项目中承担的工作或任务。创建角色分配,系统使用角色来代表在项目中参与的任务或工作的职责,角色分配用来在系统的用户/用户组与项目之间以角色的方式来建立关联,如图 5.10 所示。

    文件系统是系统管理的磁盘空间,用来存放个人工作区和数据仓库位置,定义文件系统要定义主机名、根目录、目录格式等。个人工作区目录和电子仓库存储目录存储在文件系统中,都依赖于文件系统,如图 5.11 所示。

    系统的组件视图代表系统的一个物理实现快,团队中的各个成员可以清楚的知道自己在系统中所开发的模块和相关的组件,并且对于团队的建设和组织的划分很有帮助。
 
    在大型软件开发过程中,每个小的团队都可以根据开发视图明确自己在整个系统中的位置,当遇到相关的技术问题时,可以很快的找到相关的团队进行沟通解决,这样对整个系统的开发是有帮助的。
 
    PLM 系统由基于数据库的对象管理框架和实现的数据管理、资源管理、质量管理、过程管理、协同管理、供销管理和项目管理功能模块组成,如图 5.12 所示。

    PLM 系统开发实施时间上跨越产品生命周期的各个阶段,有狭义和广义之分。狭义开发实施是指软件系统开发实施阶段,而广义开发实施进程是在狭义基础上还包括项目准备、预算与风险管理、解决方案制定、系统运行和系统维护等。
 
    基于元模型的应用系统集成方法提高了用户构造大规模应用系统的能力,模型驱动的开发模式减少了业务对象发生更改时,对组件内部逻辑和外部接口进行修改的工作量,并方便地实现应用开发从一种平台到另外一种平台的切换,这种模型驱动的开发方法已引起业界关注。
 
5.3 基于统一产品数据模型的 PLM 结构
目前,PLM 系统常用的体系结构有:
    (1)一体化 PLM 体系结构:构筑于一组公共体系结构层和技出现冗余、交叉或冲突。具有一体化体系结构的解决方案共享一个公共数据库模式、公共业务对象和过程模型,以及一个具有单一登录形式和外观的、基于 Web 的公共用户接口。
 
    (2)纯互联网式 PLM 体系结构:包括 100%的互联网基础结构、技术以及基于行业标准的代码.企业需要一种互联网体系结构以支持分布式产品协同开发过程,其中的用户来自于企业不同部门,还有供应商、制造合作商以及客户团体内的用户。
 
    (3)基于 PDM 的 PLM 体系结构 :是面向产品生命周期的支持协同商务的一个框架,底层是支持系统的各种技术,中间是基于 PDM 的 PLM 系统的核心功能,其次是可以集成到系统环境的各种应用软件,外层在其它各层的基础上构成了完整的企业解决方案。
 
    (4)基于 J2EE 和 XML 的技术的 PLM 体系结构:根据 PLM 系统的功能,将PLM 系统的体系结构分为客户层、中间层、企业信息层。
 
    (5)柔性 PLM 系统体系结构:在传统 PLM 体系结构基础上,运用软件柔性体系结构理念,提出了基于 STEP 标准和工作流技术的产品全生命周期模型,整个框架主要分为四层结构:建模层、支持层、接口层、应用层。
 
    产品生命周期管理体系结构可以帮助理解产品生命周期管理的功能需求、应用系统构成及系统之间的集成关系,具体地讲,产品生命周期管理体系结构描述在产品生命周期主要的处理业务。
 
    它使制造企业可以清晰的确定核心的产品数据处理功能和业务流程。在一定程度上,产品生命周期管理构成了一个基本的企业信息化整体解决方案。
 
    支持 PLM 系统的统一产品数据模型表示需要解决的关键问题有,具有规范语义的元模型 ,图形化建模环境,存储模型信息的产品模型库,对产品模型库的访问和管理,通用模型与应用系统数据模型的映射等。
 
    其中,产品模型库库及相应的模型是统一数据模型的核心,元模型与产品模型库通过各种接口与前、后端应用系统进行交互。从软件系统的角度理解产品生命周期管理,它仅仅是一个扩展的产品数据管理系统。
 
    从企业管理战略的角度理解产品生命周期管理,它包括全部与产品管理有关的业务系统。如图 5.13 所示,产品生命周期管理体系结构分为三个层次。第一层次是数据层,它是由各种数据要素构成的产品数据源。产品数据源在物理上是分布的。
 
    第二个层次是模型层,是逻辑上集成的统一产品数据,即产品数据源的元模型。第三层是 PLM 系统的功能服务层,它直接获取、存储和管理产品数据。
 
    并集成各种应用系统。应用系统用于完成特定专业领域的业务处理,其种类繁多,图中只列出了比较常见的典型应用系统,如:CAD 系统、ERP 系统、SCM 系统、CRM 系统、CAM 系统、CAE 系统等。

 

5.4 本章小结
    首先介绍了模型驱动方法开发软件的过程,提出了产品生命周期模型集成框架,结合统一建模语言,建立了模型驱动体系结构下的产品生命周期管理应用系统元模型。后,分析了 PLM 系统常用的体系结构,并给出基于统一产品数据模型的 PLM 体系结构。


 

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