产品数据管理(PDM)技术管中窥豹

摘要:起源于20世纪80年代初的产品数据管理(PDM),作为CAD/CAPP/CAM的集成平台,是在现代产品开发环境中成长和发展起来的一项管理数据新技术。笔者综合阐述了这项PDM技术。

    摘要:起源于20世纪80年代初的产品数据管理(PDM),作为CAD/CAPP/CAM的集成平台,是在现代产品开发环境中成长和发展起来的一项管理数据新技术。笔者综合阐述了这项PDM技术。
 
    计算机辅助设计(CAD)在过去的几十年中得到了迅速发展,并在工业界取得了较好的应用。但是,一方面,由于CAD系统只注重零件几何外形的设计和表示,而缺乏像尺寸、公差、装配、材料以及功能说明这样的高层语义信息和产品生命周期的其它生产环节所必需的信息,且对于设计意图、功能要求和装配关系等非几何信息难以表达,工程数据库技术的应用研究,在一定程度上对此问题提供了有意义的解决方案,却没有一个完满的答案。
 
    另一方面,现有的这些系统的信息模型都还只限于几何信息和拓扑信息,而面向加工的特征信息以及其它有关信息在系统信息模型中很少表达。这样,由于缺乏完备的产品模型及在产品生命周期中的各种数据,对于CAPP,CAM等后续应用系统来说,CAD提供的信息不够完善,无法使企业实现有序和高效地设计、制造和发送产品的目的。因而,CAD/CAPP/CAM的集成技术成为20世纪末的研究热点,并延续到本世纪。
 
    产品数据管理(ProductDataManagement,PDM)技术,作为CAD/CAPP/CAM(3c)的集成平台,将企业内分布于各种系统和介质中关于产品及产品数据的信息进行集成,并将这些信息按不同用途分门别类地进行管理和提供,各CAD/CAPP/CAM系统都可从PDM中获取各自所需的信息,再将处理结果存入PDM,从而真正实现3c集成。为企业、工程师和其他有关人员保存和提供产品设计、制造及产品维护所需要的数据信息支持,即为进行产品的全生命周期的管理提供了有力工具。
 
1 产品数据管理的研究背景
1.1 制造业面临的挑战

    随着科学与技术的进步,电子、信息及自动化技术的广泛应用,使社会生产能力得到了巨大发展,市场竞争亦变得愈来愈激烈。市场需求的不断变化,对产品的结构、性能的需求越来越苛刻,从而使新产品的研制变得越来越复杂。这就在客观上要求企业要力争在最短时间内、消耗最少的资金、生产出满足市场需求的产品。
 
    然而,产品的频繁更新对企业本身来说也带来一些问题,例如需要在设计、生产过程的调整、设备改造及制造上不断投资等等。其中开发费用基本上与时间成正比,即开发周期越长,投资越多。
 
    因此,世界各国的企业都面临着严重挑战:如何缩短日趋复杂产品的开发周期并以低成本占有市场,如何去适应快速变化的市场需求。对企业进行重组,不断以高质量、低成本、快速开发新产品等手段,在竞争中求生存和发展,已成为企业共同追求的目标。显然,在产品设计开发过程中广泛采用计算机辅助技术为达到上述目标提供可能。
 
1.2企业原有的产品数据系统存在严重的缺陷 
    20世纪80年代初,很多已经广泛深入计算机工程应用领域的企业发现,企业的发展正受到以纸质文件为基础的数据系统的严重阻碍。这主要表现在:

    (1)信息共享程度低。企业的计算机辅助工具都是一些离散孤立的系统,由这些互不兼容的软件产生的数据不能统一由一个企业级的计算机软件系统来管理,因而无法在设计、工艺、制造以及管理部门之间有效地实现信息共享与传递。

    (2)信息传递速度慢。大部分企业的信息传递主要是通过书面文件、报表及电话联络方式,无法及时收集工艺和制造过程中的反馈信息,不能实时反映设计过程中的变化,而要随时跟踪整个产品的设计和制造的进展情况就更困难了。

    (3)业务管理落后。虽然企业采用计算机辅助工具在一定程度上实现了产品设计开发的计算机化,但有关产品的其它技术资料依然采用手工管理的方式。另外,虽然CAD/CAM技术已推广应用,但各种格式的图形、数据、文本等文件还是沿用过去对纸质文件的管理方法,对文件缺乏有效的版本管理,造成不必要的重复设计。由于缺少迅速有效的产品数据的检索手段,也造成设计的重用程度差。

    (4)应用集成系统效率不高。几乎任何两个不同的应用软件都不可直接分享或交换产品数据信息。
 
1.3企业信息集成势在必行
    随着计算机应用的不断深入和细化,许多产品开发过程中的单元技术已日趋成熟。经过长期的工程实践之后,人们已经注意到集成化的产品设计支持系统,如CAD/cAE/cAPP/cAM的集成开发系统等,是进一步提高产品质量和工程设计技术水平、降低消耗、缩短新产品开发周期的重要手段。在实现这一目标的过程中,早期的集成是基于产品数据的基础之上,主要实现了产品开发不同阶段中各个系统之间的数据转换。
 
    然而,伴随着设计思想和观念的不断更新以及计算机网络技术的日益成熟,产品设计过程突破了时间和空间上的制约,逐步迈向以计算机支持的协同工作(ComputerSupportedCooperativeWork,cscw)为特征的并行、协同、分布和开放的工作模式。
 
    面对这样的发展趋势,集成的产品开发系统需要更高层次上的管理、协调和组织技术,亦即完整的产品设计管理,以保证在产品开发的全生命周期中,在预定的时间为不同的设计活动提供正确和完整的产品信息。
 
    目前,以交互式图形系统为基础、工程分析计算为主体的计算机辅助设计系统,还远远不能适应分布、开放的协同设计过程模式。集产品的计划、设计、制造、检测、装配、销售和售后服务、回收重用为一体的并行工程自动化环境,不但需要完整的产品信息集成,还要求实现在分布式计算环境下的过程集成。
 
    因此,在市场竞争压力下,现代产品设计已不再是设计领域内孤立的技术问题,而是综合了产品各相关领域、相关过程、相关技术资源(方法、工具)及相关组织形式的设计系统的组织、管理问题。产品设计已经不可避免地走向集成化、网络化和智能化。这样,就有必要建立一个组织结构体系,来管理产品设计的全过程,通过有组织的努力去完成集体设计任务。产品数据管理(PDM)正是促成上述过程的技术方法。
 
2产品数据管理的结构体系
    产品数据管理(PDM)系统是一个管理软件系统,它面向产品生命周期,以产品为核心,将产品设计开发过程中的产品数据、设计活动、人员组织以及相关的设计计算资源统一组织管理起来,其管理模型如图1所示。按照上述PDM系统的管理模型,可以建立PDM系统的功能结构,它分为3个层次。
 
图1PDM的管理模型
 
    a.用户应用层。为各种用户和应用系统提供统一的操作界面。

    b.b.系统集成层。包括对象管理(OM)、产品结构与配置管理、生命周期管理、项目与用户管理、权限控制和应用工具封装与集成等功能。

    c.环境处理层。主要针对异构的网络、数据库环境提供底层支持功能,通常包括通信服务、数据库查询、文件操作等功能,使底层系统与用户分离。
 
3产品数据管理系统的功能
    到目前为止,对PDM尚无一个完整确切的定义。这一方面是由于PDM包含的技术内容太多、太广,另一方面也是由于与PDM相关的技术内容在不断发展和变化。按照专门从事PDM和CIM相关技术咨询业务的国际公司——cIMdata公司的定义,PDM是管理与产品相关的下列信息和过程的技术:

    a.与产品相关的所有信息,即描述产品的各种信息,包括部件信息、结构配置、文件、CAD档案、审批信息等。

    b.与产品相关的所有过程,即对这些过程的定义和管理,包括信息的审批和分配。
 
    上述定义意味着PDM在工业上的广泛应用范围。但目前,作为体现PDM技术的软件系统来说,其应包含的基本功能仍然众说不一。就PDM作为制造系统的集成平台和框架而言,PDM系统的基本功能可划分为两个层次,即应用功能和系统功能。
 
3.1应用功能
    应用功能是PDM系统应用于产品开发环境中直接使用的用户化功能。

3.1.1数据与文档管理
    即具有安全机制的电子仓库。这是PDM最基本的功能,是PDM实现管理的基础。电子仓库有3种层次,各自具有不同的特点:

    第1层为集中存贮、远程登录,数据集中、安全,但访问速度慢;

    第2层为互联的电子仓库,局部速度快,但域间仍然较慢;

    第3层为具有局域和复制文件功能的虚拟电子仓库,这种方式存在数据的冗余。
 
    数据与文档管理的主要功能有:

    a.分布式文件管理,分布式电子仓库;

    b.文件的检人/检出;

    c.属性搜索机制;

    d.动态浏览与导航机制;

    e.安全机制。
 
3.1.2过程与工作流管理
    过程与工作流管理旨在控制数据变化的过程和数据的流动,帮助改进和优化产品的开发过程。过程与工作流管理的主要功能有:

    a.面向任务的工作流管理;

    b.基于规则的结构化任务流;

    c.触发、警告、提醒机制;

    d.电子邮件接口;

    e.图形化工作流设计工具;

    f.工程更改管理。
 
3.1.3产品结构与配置管理
    产品结构与配置管理提供了可以进行数据管理的结构,建立必须控制的数据关系,使得PDM要素的变化及其影响可访问。产品结构与配置管理的主要功能有:

    a.BOM创建;

    b.版本生成与修订控制管理;

    c.多视图BOM建模与管理;

    d.与MRPII/ERP系统集成;

    e.规则推动的配置管理。
 
3.1.4 零部件分类库管理
    基于一定的分类方法,建立标准件、常用件的分类库,以利于设计再利用。零部件分类库管理的主要功能有:

    a.零部件库接口;

    b.电子文档属性编码;

    c.基于设计内容的再利用。
 
3.2 系统功能
    系统功能是指为实现应用功能所提供的底层支持功能。主要包括:分布式通讯功能,数据转换功能,图像服务功能,系统集成功能,配置功能。
 
4 产品数据管理的研究状况与发展趋势
4.1 产品数据管理的研究状况

    产品数据管理的技术大致可分为4个发展阶段。第一个阶段是产品数据管理技术的初级阶段,第2个阶段是产品数据管理技术的快速发展阶段,第3个发展阶段现已显露端倪,第4个发展阶段是预测。图2给出了产品数据管理的发展阶段及相应的技术需求框图。
 
图2产品数据管理的发展阶段及技术需求框图
 
    由于产品数据管理蕴含着巨大的潜在效益,受到许多国家和组织的重视,纷纷投资进行相关领域研究,并推广实施。有的是系统研究,有的是分项研究。下面列举了一些国内外有影响的研究项目:
 
4.1.1DICE计划
    DICE(DRAPA Initiative in CE)计划是美国国防部先进研究计划局(DRAPA)投资近1100万美元,由通用电气公司的飞机发动机部门作为主要承接单位,并有西弗吉尼亚大学等多所大学参与的对并行工程进行较为全面系统地研究和实施的重大计划。DICE计划研究一个虽然用集中数据库存储全部设计,但各部门总管有自己本地数据库的分布式并行设计环境。它注重解决异构环境下数据共享的问题,通信机制用黑板(blackboards)。它关注的重点是怎样最好地在设计组问共享产品信息。
 
4.1.2CONSENS计划
    欧洲研究计划ESPRIT EP6896 CONSENS(Concurrent/Simultaneous Engineering System)是由西门子的Fraunhofer技术研究所与德国航空公司及AEG合作研究开发的不同厂家软件之间进行数据交互的软件环境,其中主要内容是PIA(Product Information Archive),该系统具有以下特色:

    (1)用框架集成了平行的工作组间信息流,便于相互之间的交互;

    (2)建立了内部数据模型,并建立工具集成描述语言TIDL(Tool Integration Description Language),用于指导相关的数据库建模。
 
4.1.3关于PDM schema的研究
     ISO-10303/W93正在讨论制定PDM schema,目前着重讨论覆盖全生命周期产品的概念与结构的概念,初步认为PDM schema所覆盖的产品模型包括AP214,AP232,AP206等协议。PDM schema由ProSTEP和PDES公司合作开发,目的是要在产品数据管理领域提高STEP应用协议AP之间的互操作性。
 
4.1.4关于OMG的PDM enablers研究
    OMG在1996年为了建立基于OMG的OMA(Object Management Architecture)上的PDM enablers向PDM开发商提出了需求征询RFP(Request For Proposal),目的是要建立CORBA之上的可互操作的PDM统一操作接口。根据OMG的资料,已有包括DEC、富士通、IBM、Metaphase等6家厂商提出了他们的建议,但他们不保证在他们的产品中实施。OMG寻求建立由PDM提供服务的标准接口,适用于ORB(Object Request Broker)的这些接口将提供所需要的标准以支持分布式产品数据管理环境,并对不同的PDM系统提供标准接口。
 
4.1.5国家863/CIMS关键技术攻关项目
    1995年,国家科委从战略的角度将并行工程列为CIMS的进一步发展方向,设立了关键技术攻关项目,对并行工程的方法和技术进行系统化的研究,开发与应用(国科高字(1995)049号)。该项目由清华大学、航天工业总公司第二研究院、北京航空航天大学、华中理工大学和上海交通大学共同承担协作完成。其研究目标为:改进某结构件开发过程,建立相应的多功能产品开发队伍,利用并行工程的方法和技术缩短产品开发周期30%~40%,降低废品率50%,同时降低产品成本,提高产品质量。解决一批关键技术的研究、开发、验证和应用工作。为我国企业97年之后实施并待工程提供参考模式,减少风险,培养人才队伍。
 
    该并行工程环境中工程分系统是用以提供产品并行设计的辅助工具,支持产品的设计过程。工程设计分系统以CIMS信息集成和CAE/CAD/CAPP/CAM为基础,扩展面向装配的设计(DFA)和面向制造的设计(DFM)功能,实现基于产品数据管理系统(PDM)的并行设计和产品生命周期的数据定义。虽然其中的产品数据管理系统为把PDM概念引入我国做出了贡献,但在这个项目中仅进行了应用研究。
 
4.2产品数据管理的发展趋势
    当前,普遍关心的PDM热点问题包括:web技术、面向对象技术、安全性、与MRP/ERP的关系、传送监控和中小企业的PDM应用等。
 
4.2.1Web使能技术

    Web是PDM的一项非常重大的使能技术,它与Internet及Intranet一起,推动PDM达到大众化。它也是一种催化剂,促使PDM走向企业。大家普遍感到,最终用户访问难是推广应用PDM的障碍之一,而web提供一种轻重量、通用的用户界面,其支持成本低,对PDM的应用将起到推波助澜的作用。
 
4.2.2面向对象技术
    面向对象技术使用户能更好地控制数据,并使销售厂商更快地支持这些系统,以响应用户越来越高的要求。现在很多的销售厂商对面向对象的数据库的集成性、可恢复性和可测量性仍不满足,但是他们正在关系数据库的上层创造面向对象的范式(Paradiam)来响应用户的需求。
 
4.2.3传送安全性
    在处理Intranet或Internet和PDM的传送安全性以及PDM的安全访问时,需要考虑两级安全性。现在企业应能在他们的Intranet中安全传送,但如果超出企业的范围,就必须采取一些措施来保证传送的安全性,如将保存的文件译成密码,并通过密码线来传送;也可以在企业的浏览器上使用安全或保险标记,限制随意访问。
 
4.2.4与MRP/ERP集成
    实现基于PDM的工程设计与管理系统(MRP/ERPII)的集成是实现企业集成所面临的巨大挑战。管理系统的核心是产品结构,需要从PDM将产品结构传送到管理系统上,并且需要将产品结构从管理系统有效地反馈到PDM上,以协调全企业的工程变化。而管理系统的产品结构强调部件的定义及如何在车间内把部件装配到一起,其产品结构是以“计划状态的”这样一种观点反映出来,推动制造和装配。
 
    所以是面向材料和生产过程的;PDM的产品结构则更多地面向产品干什么以及怎样配置产品,它受设计工程师支配,以产品结构是“设计状态的”这样一种观点反映出来,产品结构是在CAD/CAM系统上产生的。因此,PDM与管理系统的集成已经成为研究的重点之一。
 

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