PDM的协同设计系统的结构

PDM在企业产品数据和设计过程管理的规范化和标准化中起到了重要的作用,但是,目前对PDM系统的应用主要是将其作为企业系统集成的框架、信息和过程集成的平台,较好地应用了PDM的

2.1 引言
    PDM在企业产品数据和设计过程管理的规范化和标准化中起到了重要的作用,但是,目前对PDM系统的应用主要是将其作为企业系统集成的框架、信息和过程集成的平台,较好地应用了PDM的基本功能,而对基于PDM系统的协同设计功能的研究尤其是作为协同设计主体的设计者本地的产品数据管理研究不足。

    不但企业共享的数据需要管理起来,分散在各个设计节点上的设计进行中的数据也需要有效的管理,以提高设计协同的效率。本章提出了产品数据管理本地化的思想,将对企业产品数据的管理延伸到本地。并将二者有机地集成起来,在分析了墓于PDM进行协同设计的工作模式之后,形成了应用本地产品数据管理模块的协同设计系统的体系结构。


 


 
2.2 产品数据管理的本地化
    产品数据管理系统的实施,使企业能够实现产品数据的集中、有序管理,规范文档、零部件的生成、审批、发布流程。企业设计人员、管理人员等以PDM作为工作交流的平台在流程引擎驱动下进行协同工作,使设计数据从无序变成有序,完成产品设计或工程变更工作。然而,PDM的这些通用功能还不足以为设计者提供全面的协同设计环境。
 
    在目前基于PDM的协同设计中,设计数据的处理、状态转换均在PDM的控制下,处于PDM管理的数据库中,这就使得大量的设计过程数据即临时性的数据也被保存在PDM数据库中。而实际上,设计过程中的临时性数据完全可以保存在用户本机上,PDM所要管理的只是具有阶段性界限的设计成果,即PDM中的对象版本(Object Version)。
 
    对单个设计者来说,在应用CAx工具进行数据处理时,会产生大量的临时文件,同时为了设计的需要,还得从PDM中下载设计模板、参考资料、历史数据等,尽管可以按文件夹分类方式管理本地的设计资料,但以文件整体为单位的管理显然无法与PDM以元数据(元数据是指设计文档的描述信息,如名字、设计者、审核者、材料、重量等)为依据的管理相比,为此,设计者需要花费大盆的时间来分类、查找这些文件。因此,需要对本地资源进行有效地管理。
 
    在基于PDM的协同设计系统中,数据管理是基础,设计协同是目的。本地化的产品数据管理既要有效解决本地产品数据的管理,也要考虑设计协同的问题,即通过PDM的数据交互。由于管理的对象的范围和性质不同,本地化产品数据管理模块不必实现PDM的所有功能,而只须有文档管理、产品结构管理、对象类型管理和面向协作的功能如消息管理。本地数据管理模块将数据对象保存在本地数据库中,通过数据交换接口与PDM进行对象交换。
 
    为了保证数据交换的准确性和可靠性,本地须采用与PDM中一致的数据管理模型,从而使数据交换的接口尽盘少且接口定义明确。对本地由各种应用系统产生的设计数据、文件,通过统一的集成接口进行分析,根据文件中的标题栏信息和明细表信息生成抽象的数据对象,如文档对象、零部件对象,并维护产品结构关系、零部件/文档的引用关系及文档/文件的映射关系。
 
    以产品为中心组织本地数据,使得本地数据得到有序的管理,设计者可以迅速获取所需的资料,从而提高个人设计的效率。由于本地数据管理与PDM使用同一种数据模型,设计者得以以一致的方式处理本地和PDM中的数据,使得设计者始终处于协同设计环境中,因而有助于设计过程整体效率的提商。
 
    为有效管理本地资源,作为PDM在本地的延伸,作者开发了本地产品数据管理模块本地工作区(Local Workspace, LWS)e LWS实现了以产品结构为核心的文档管理、临时对象版本管理以及消息管理等,通过登陆验证后,联机操作以实现与PDM的数据交互。下图是LWS的功能模型。
 
图2.1 本地工作区功能模型 
 


 
2.3 基于PDM进行协同工作的模式
    产品协同设计是设计目标、设计者、设计对象以及资源相互作用的过程,其间涉及产品数据的管理、信息的流动、设计任务的管理和用户角色管理等。基于PDM的协同设计系统中,PDM系统起着规划、控制全局的作用,PDM中的文档管理、产品结构管理、用户机构管理、权限服务、通讯服务等是工作组进行协同工作的基础。
 
    本地工作区以产品为中心管理设计者个人的数据,将PDM对产品数据管理的功能扩展到本地,并以PDM为中心进行公共数据的共享和交流。基于“扩展”的PDM的特点,我们定义了工作组协同的协同工作模式:以PDM作为协同数据管理和过程管理的平台,通过本地工作区在用户本地设计,在解决设计冲突的过程中,共同完成协同设计任务。
 
    协同工作中,根据工作并行在时间和空间上的分布,我们将其分为纵向协同和横向协同。纵向协同是指设计过程中不同设计阶段的并行交叉和相互补偿监督,横向协同是指设计过程中同一设计阶段的不同设计专业的设计活动的交叉。纵向协同和横向协同在设计过程中信息交互具有不同的特点:纵向协同侧重设计活动间的数据输入与输出,是一种数据依赖关系,比如工艺设计必须在结构设计部分完成的基础上才能开展,工艺设计的结果反过来又影响结构设计的修改完善:横向协同主要受设计对象之间的数据和功能约束的限制,是一种数据约束关系,比如复杂产品各个组成部件之间的数据关联关系就是一种数据约束,当某个部件的设计数据更改后,必须对与之相关的部件也作修改,以保证最终产品中没有数据冲突和干涉。
 
图2.2 协同模式分类
 
    本文论述的协同设计是纵向协同和横向系统的综合体,符合工程设计的实际情况。根据产品结构树中各个零部件之间的约束关系,进行横向的协同;设计开发的人员由设计各阶段的人员组成,如市场、设计、工艺、制造等,多学科人员组成的设计团队进行纵向的协同。协同工作组的成员以PDM为中心,应用本地工作区进行数据交换与合作。
 
    在系统的具体实现中,本地工作区因为以产品为中心集中管理了协同设计成员本机的数据,与PDM具有统一的数据模型,具有与后台PDM交互的功能,支持应用本地工作区的用户之间直接的消息交流,从而成为本系统中特色鲜明的部分。使用PDM/LWS进行协同工作,需主要完成三个工作:基于产品结构树的任务分解,集成产品开发团队的定义及授权,协同设计及工作组成员的协商。
 
    任务分解:构造产品结构树,按照产品结构树进行任务分解与组合,以得到设计任务及任务之间的先后联系。
    定义开发团队:在PDM中,以文件夹区别设计项目,在文件夹上定义该项目组的成员,并为成员指定操作权限和项目任务。
协同设计及协商:工作小组成员接到任务后,从PDM下载任务(连同相关文档和资料)到本地工作区工作;通过协同工具的应用来实现同工作组的协商。

 


 
2.4 基于PDM协同设计的组织方式
    协同设计系统是为满足相同目标协同工作的底层框架平台和相应的工具集、控制逻辑等组成的有机体.在确定一具体系统结构时不同协同设计系统的侧重点不同,采用的组织方式也不同,目前典型的协同设计组织方式主要从结构、时空等方面进行划分。
 
    (一)按结构组织:由于协同设计的规模不同,各个协同设计小组之间可以采用相应的组织结构。hander概括了协同设计三种主流结构。

    ①网络结构:在网络结构中,每个主体有自己的通信接口、局域问题求解知识、其它主体模型、当前上下文模型等功能模块。这种结构允许动态地改变协同设计系统的主体组成,具有系统开放性。但每个主体除了具备领域知识外,要包含完备的通信和控制知识,这使信息和知识的容余较大。因此网络结构适合于主体数量小、要求较强系统开放性、子任务祸合松散等特性的设计环境。
 
图2.3网络结构                  图2.4联邦结构
 
    ②联邦结构:在联邦结构中,主体间的联系和消息传输通过一个称为协调控制器的特殊主体。它是主体的神经中枢,负责协同设计组之间以及主体间的信息交换、任务规划、分解和管理。当一个主体需要服务时,只需向协调控制器发出请求,而并不同其它主体发生作用。因此,联邦结构能更灵活地实施不同的通信协议,它适合于具有子任务耦合高、主体数量大、信息交换频繁等待性的系统。

    ③面向主体的黑板结构:面向主体的黑板结构与联邦结构相似,主体间的相互作用也是分组管理的,两者的区别在于前者将系统的协调管理划分为几个组成部分。每个局域主体组中有一共享的称为黑板的数据存储区,用来存储设计数据和设计过程信息,主体间的物理通信是由网络管理器实现的,从而减小了协调控制器的负担。
 
图2
.5 面向主体的黑板结构 
 
    (二)按时空组织:Saad按时间和地点划分协同设计的类型,分别为:同地同步、同地异步、分布式同步和分布式异步,下表概括了这四种类型。
表2.1协同设计时空组织方式
 
 
    按时空组织方式分类只是基于协同设计表现形式的分类,没有揭示协同设计信息交流的深度,适于简单、临时的设计任务。
 
    以上两种协同设计组织方式有一个共同的特点,即系统的组织单元对等,协同的控制逻辑以及协同中的数据分布于各个单元内,产品数据的设计过程依赖于系统之外的设计主体进行协调。这样的组织方式虽然具有较好的开放性,但是系统的设计维护代价太高,而且分散的数据管理方式并不适合企业的实际需求。
 
    基于产品数据管理本地化的思想,我们将企业协同产品开发中的设计数据根据其所处产品设计周期的阶段分为三类,即设计阶段、待审阶段和归档阶段。归档阶段的数据代表设计最终完成时的状态,而待审阶段的数据是设计初步完成,需要进行设计审查以确认的状态。这两个阶段的数据应该作为协同设计团队共享的信息集中管理起来,PDM通用的管理功能如文档管理、零部件与结构管理、电子数据仓服务等已经实现对这部分数据的充分管理。如果不对协同设计的数据进行分类,将所有数据以绝对集中的方式由PDM管理,那么将使PDM对数据的管理复杂化。设计阶段的数据实际上应作为设计者个人的数据保存在本地,在本地对这些数据进行处理加工,而不是与公共信息一样存放在服务器上。
 
    综合以上的分析,我们采用混合的协同设计系统组织方式,将数据的集中管理和分散管理结合起来,以PDM作为集中管理的平台,以本地工作区作为分散管理的主体。集中的平台和分散的主体之间通过上行下行的操作进行数据交换。
 
图2.6 基于PDM协同系统的组织
 


 
2.5 基于PDM协同设计系统的体系结构
    为了实现产品协同设计的全局目标,提出了基于PDM的产品协同设计系统的体系结构如图所示,该系统的实现分为三个层次,即数据层、协作服务层、应用层。
 
图2.7基于PDM协同设计系统结构

 
    (1)应用层:应用层包括各种计算机辅助设计、分析、制造、装配工具和办公自动化工具,通过嵌入本地工作区组件,各种工具平滑地从单打独斗的工作方式过渡到协同工作方式,成为协同设计系统的有机组成部分。
 
    (2)协作服务层:协作服务层是系统的核心部分,包括三个模块,即本地工作区,产品数据管理系统、冲突消解工具。本地工作区提供面向用户的数据操作界面,负责本地设计数据的管理并与PDM系统交互,提升计算机辅助应用系统的协同功能;产品数据管理系统负贵企业级或工作组级的产品数据和设计过程管理,是系统的总的数据中心和控制中心;协同设计小组通过冲突消解工具如消息通知工具、网络会议工具进行工作交流和协商。
    
    (3)数据层:提供产品数据的存贮、查询以及设计知识的管理,产品数据包括元数据、模型数据和实际文档,实际文档根据需要可以压缩存储在数据库中或放在专用的文件服务器上。
 
    基于PDM协同设计系统采用的分层结构能较好地适应异构环境,只要应用系统具有充分的开发接口,就能将本地工作区集成到应用系统中。在具体的实现中,PDM软件采用的是清软英泰TIPDM,并在其中针对本系统的需要开发了协同工作区模块,本地工作区模块为自行开发。

 


 
2.6 基于PDM协同设计关键技术
    产品协同设计技术涉及产品需求到产品制造的全过程,相关的问题相当广泛,完整地表达产品协同设计过程中所有技术是相当困难的。对于一个协同设计系统,由于设计的领域不同,关键技术也有所不同。一般地说,协同产品设计地关键技术有设计任务的规划与分解、主体通信策略与语言、协同设计约束管理与求解、设计冲突的识别与消解等。
 
    在应用本地工作区的协同设计系统中,本文主要研究了协同设计任务的分解与重组、基于消息的协同感知以及设计中的对象版本管理技术,对协同设计环境技术的其他方面,不作深入研究。

 


 
2.7 小结
    本章通过对基于PDM的协同工作的模式、协同设计的组织方式以及系统体系结构的讨论。明确了系统的框架模型。特别地,提出了产品数据本地化管理的概念和思想,使得全局数据管理和局部数据管理能够有效统一起来,提高设计协同的效率。
 
 
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