产品全生命周期管理系统框架及关键技术研究_沈建新

第35卷第5期2003年10月　　　　南　京　航　空　航　天　大　学　学　报JournalofNanjingUniversityofAeronautics&Astronautics　　　　Vol.35No.5　Oct.2003产品全生命周期管理系统框架及关键技术研究沈建新,周儒荣(南京航空航天大学机电学院,南京,210016)摘要:产品全生命周期管理系统目的是建立一个管理、跟踪和控制产品全生命周期信息的协同环境,通过网络创建和共享产品的规划、 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、制造、销售的信息。本文采用产品全生命周期管理系统的4层框架结构,研究了产品全生命周期管理建模、集成数据环境、协同设计制造、工作流管理等关键技术,论述了产品全生命周期管理系统的开发技术-CORBA技术及WEB技术,为开发PLM系统提供了 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。关键词:产品全生命周期管理;产品建模;集成数据环境;协同设计制造;工作流管理中图分类号:F273.2;TP391;TH12　　　文献标识码:A　　　文章编号:1005-2615(2003)05-0565-07　基金项目:“十五”国家重点科技攻关 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 -产品链管理系统的研究与开发(2002BA104C)资助项目。　收稿日期:2002-06-14;修订日期:2002-11-06　作者简介:沈建新,男,副教授,1969年11月生,E-mail:njshenjx@vip.sina.com;周儒荣,男,教授,博士生导师,1935年1月生。ReseachonPLMSystemFrameworkandKeyTechnologiesSHENJian-xin,ZHOURu-rong(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing,210016,China)Abstract:Productlifecyclemanagement(PLM)systemprovidesacollaborativeenvironmenttomanage,trackandcontrolallproduct-relatedinformationoverthecompleteproductandassetlifecycle.PLMof-fersfunctionsforcreatingandsharingproductplanning,designing,manufacturinganddistributionin-formationforcollaborationvialocalnetworksandtheInternet.PLMpullsrelevantinformationfromyourCAX,ERP,SCMandCRMsystems,andassociateswithproductknowledge.Itsharestheproductdataacrossallcompanyfunctions,customersandsuppliers,andmakestheproductdataavailabletoyourextendedenterprise.Itempowerseveryonefrommanufacturingtomarketingandfrompurchasingtofieldsupportingtoworkfasterandsmarter.ThispaperdescribesafourlayersframeworkofPLMsystem,fourmaintechnologiesincludingproductmodeling,integrateddataenvironment,designingandmanufacturingcollaborationaswellasworkflowmanagement.TheimplementofPLMsystemwithCORABandWEBtechniquesisalsodiscussed.Keywords:productlifecyclemanagement;productmodeling;integrateddataenvironment;designingandmanufacturingcollaboration;workflowmanagement引　　言目前,由于新的制造模式的发展与应用,如CIMS、并行工程和虚拟制造等[1,2],人们已经认识到产品全生命周期管理对企业作为一个集成系统运行的重要性。可以认为,产品全生命周期管理是适用于企业过程、组织方式的技术,具有强烈的企业运行模式的背景[3,4]。产品全生命周期管理的研究起始于美国“计算机辅助后勤支援”(Computeraidedlogisticsup-port,CALS)计划,是美国国防部于1985年9月提出的一项战略性计划[5]。CALS的主要内涵是全寿命管理和全寿命信息支持[6,7]。该计划实施后效益显著,显示出巨大的生命力,到20世纪80年代末期,CALS不仅扩展了内涵,进一步受到美国国防部的重视,而且引起了美国商务部的注意,美国工业界领导人在1993年的CALS杂志上撰文说,CALS是制造业全面发展的战略,致使CALS应用由武器装备向民用扩展,并且迅速向英国、法国、德国、瑞典、芬兰、日本、韩国和澳大利亚等国传播[8]。产品全生命周期管理(Productlifecycleman-agement,PLM)是指管理产品从需求、规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养、直到回收再用处置的全生命周期中的信息与过程。它既是一门技术,又是一种制造的理念。它支持并行设计、敏捷制造、协同设计和制造,网络化制造等先进的设计制造技术。因此,研究和开发产品全生命周期管理系统具有十分重要的意义。PDM只对产品设计过程中的数据进行了管理[9,10],而PLM则大大拓展了PDM的功能和范围,从产品的整个全生命周期去考虑。文[11,12]对产品全生命周期技术作了初步探讨。本文研究了产品全生命周期管理的技术,采用产品全生命周期管理系统4层框架体系结构,提出了基于STEP 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的产品全生命周期模型,解决了产品全生命周期的信息资源模型,同时对集成数据环境、设计制造协同和工作流管理技术等产品全生命周期管理中的关键技术作了阐述,文中还对产品全生命周期管理系统的实现技术作了论述。1　产品全生命周期管理系统框架产品全生命周期系统框架如图1所示,整个框架分成数据建模层、技术支持层、领域接口层、应用系统层等4层结构。图1　产品全生命周期管理系统体系结构　　数据建模层:提供企业元数据级建模工具,建立集成的协同的企业产品全生命周期数据模型。采用UML作为建模语言,使用集成图形化的建模工具。数据逻辑层的数据结构采用STEP中的EX-PRESS语言进行表达[13],定义数据的应用解释模型。在数据模型的物理层描述上,采用XML作为中间文件交换格式,并进行虚拟企业和联盟企业间的数据交换。技术支持层:包括对产品数据的管理及产品全生命周期的项目管理。产品数据管理以文档管理为中心,功能设计参照OMG定义的PDM使能器 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 (PDMenablers)[14],实现电子仓库、版本控制、工程变更等基本功能,为产品数据管理提供基础服务。项目管理对产品全生命周期中的过程和相关资源进行管理,包括项目综合管理、人力资源管理、质量管理、成本管理等。另外提供一系列的用户定义和二次开发工具。领域接口层:由CAX集成框架、办公自动化566南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第35卷集成框架、经营管理集成框架等组成。这些领域框架实现已有应用系统的封装集成,支持各领域内产品定义、并行开发过程和产品开发团队的管理。在表现形式上,集成框架通过IDL文件描述,表达出各应用系统对其他系统的接口。实现不同领域应用系统之间的全局信息和全局过程的集成。在接口的规范上,可参照OMG组织定义和发布的有关规范。应用系统层:由集成框架中应包含的各应用分系统组成,如CAX分系统、办公自动化分系统、经营管理分系统(如库存管理系统、生产计划管理系统、车间管理系统、财务管理系统等)等组成。应用系统如果基于CORBA实现,可方便地实现各应用分系统间的互操作,对于传统的应用系统,可以通过API进行应用功能的封装,实现以CORBA为对象,完成与其他应用系统的交互。分布对象计算平台和工作流集成平台是上面4层的基础。分布对象计算平台结合了分布式计算技术和面向对象技术。目前,几种主流的分布式对象的标准和具体化模型主要有:OMG组织的CORBA,Microsoft的COM/DCOM,SunMicrosystem的JavaRMI等。其中CORBA技术由于具有出色的跨平台、多语言支持特性和良好的开放性,根据复杂产品数据集成的需求,系统统一采用CORBA作为计算平台。工作流管理核心思想是将业务过程的逻辑定义和技术实现分开,这样过程的变化将不会影响到业务过程的逻辑流程,使整体业务或部分业务的简单化、自动化成为可能,从而达到个人或组在结构化或非结构化的环境中自动管理一系列重复的或非重复的业务的目的。采用上述4层结构的产品全生命周期管理系统提供了如下主要功能:(1)需求管理;(2)项目和工作流管理;(3)异地协同设计和制造管理;(4)质量管理;(5)异地企业资源管理;(6)产品数据管理;(7)产品知识库管理;(8)企业应用集成工具及开发环境管理;(9)变更管理;(10)价值链管理;(11)协同工作环境管理;(12)实施方法管理;(13)安全保密管理;(14)二次开发工具和API的提供。产品全生命周期管理的不同于传统的PDM,在于它具有将地理上分散的和形式上不同的“产品知识孤岛”,通过工作流管理平台和产品全生命周期的模型,连接为一种单一的、标准的、真正的产品信息资源的能力。在这种框架下,集成了CAX分系统、经营管理分系统、办公自动化分系统,从而将产品全生命周期中的所有资源信息管理起来。这种信息资源是伴随着整个产品从开始到最终这一全生命周期的。它不仅可以用来设计产品和建造产品等,还可以集成来自企业内外的信息资源,如:销售、市场、质量管理、制造加工、部件供应商伙伴、产品报废后的处理等的知识,从而建立起规范的产品信息来源。这种信息资源保存整个产品开发决策过程的信息,包括产品的特征描述、功能描述以及对设计和资源的考虑,从而跟踪整个项目进度,并为将来启动的新项目或产品改进项目提供可重复使用的模板。2　关键技术产品全生命周期管理系统的关键在于产品全生命周期的建模技术、集成数据环境、设计制造协同、工作流管理技术。下面分别加以论述。2.1　产品全生命周期建模产品全生命周期建模目的是建立面向产品全生命周期的统一的、具有可扩充性的能表达完整信息的产品模型,该产品模型能随着产品开发进程自动扩张,并从设计模型自动映射为不同目的的模型,如可制造性评价模型、成本估算模型、可装配性模型、可维护性模型等,同时产品模型应能全面表达和评价与产品全生命周期相关的性能指标,产品全生命周期模型如图2所示。STEP标准是工业自动化中关于产品描述的标准,从多种角度对产品的综合属性进行定义,包括产品的技术性能、生产制造工艺、结构形状等属于产品全生命周期中全部的相关信息。由于STEP中的产品数据能够对产品整个生命周期信息进行完整一致的描述,因此提供了产品数据在整个生命周期中信息共享的基础。STEP体系结构可以看作3层:应用层,逻辑层,物理层。系统中产品信息建模参照STEP标准的体系结构,并遵循STEP的有关标准。STEP体系中的应用层,采用UML对产品数据进行全生命周期建模,逻辑层采用STEP标准中的EXPESS-X语言描述应用协议和集成资源,物理层采用XML对交换文件进行描述,如图3所示。2.2　集成数据环境产品全生命周期管理系统能够为用户建立一567第5期沈建新,等:产品全生命周期管理系统框架及关键技术研究图2　产品全生命周期模型图3　产品信息描述体系结构个集成的数据环境(Integrateddataenvironment),在虚拟企业环境下,实现数据的一致性管理(见图4)。图4　集成数据环境在虚拟设计环境下,产品全生命周期的数据分开存放,系统提供数据的联邦机制,分散在网络上的用户在对数据进行存取时,所有数据对用户都应是透明的,这种位置上的透明性可用电子仓库来实现。电子仓库对分散在虚拟企业中的数据建立一个统一索引,指定数据单元存放的具体物理空间,并能对数据的增删和修改操作进行动态的维护。在产品全生命周期管理体系中,电子仓库应能保持数据的惟一性和一致性,惟一性指不同的用户在对同一数据单元进行操作时,通过网络传递的是数据的映像或者是一种参照关系,而不是通过复制和拷贝生成一个新的数据单元;一致性指数据单元的变更能及时通知到有关的工作结点,并且在数据变更时,提供一种加解锁机制,保证数据版本的统一。PLM系统所管理的数据对象由数据建模中的逻辑层进行定义,保证数据模型的一致性。在数据建模中,表示层和逻辑层采用面向对象的方法,在逻辑层生成数据单元的对象模型,这些对象模型作为数据集成平台下的管理对象,纳入到PLM系统的管理体系中。对象模型可以通过数据建模工具进行动态扩展,PLM提供对数据模型动态扩展的支持。PLM作为统一的数据管理平台,提供对产品数据生命周期有关过程的控制,如版本管理、一致性维护、出入库操作等,对于具体的数据属性信息并不加以限制,这种结构保证数据模型的可扩展性。产品数据在物理存储上,一种存放在文件数据库中,另一种存放在关系数据库中。文件数据库通过文件管理引擎对数据进行管理,这些数据包括图纸、文档、三维模型、工艺文件等类型的数据,这类文件信息量较大,占用的存储空间较多,一般可以作为独立的信息单元进行处理,并可以存放在不同的存储设备上,在管理中用XML对其进行封装。对于产品数据中的结构化信息采用关系数据库进行管理,在PDM系统中,需要建立对象模型到关系模式的映射机制,将数据属性信息保存到关系表的对应字段中。关系数据库可以选择各种主流商品化产品,如MSSQLServer,Oracle,Sybase,DB2568南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第35卷等[15]。2.3　设计制造协同异地设计与制造是指在异地异时、异构系统、异种平台进行实时动态地设计和制造,它是在企业内部或企业联盟中进行产品全生命周期管理的重要支持手段。在系统中,设计与制造协同更多地表现为一种设计理念和制造指导思想,它的实现需要许多相关技术的支持,体现在产品数据管理、分布式计算、工作流管理以及产品统一建模的实施过程中。在产品全生命周期的管理支持下产品协同设计与制造体系结构如图5所示。图5　协同设计制造该体系结构在物理逻辑上分为用户工作站和PLM服务器。联盟企业用户通过用户工作站参与整个协同产品开发过程,而PLM服务器为整个环境提供协同管理、工具服务、资源管理、数据服务等支持。在PLM服务器端提供符合CORBA规范的多种服务,这些服务分别由产品数据管理、项目管理、工作流管理等分系统提供。协同管理服务:负责协调参与协同开发各用户的行为,目的是将各用户的工作有机集成,最终获得满足要求的产品。协同管理包括任务分配、过程监控、冲突检查等,这些服务由工作流管理系统中的服务提供。工具服务:为客户端特定的工具请求提供服务,使它们在总体上形成一种群体工具,为协同开发人员提供协同工具,以提高用户的协同工作效率。工具服务包括产品的可视化工具、批注圈阅工具、视频会议、共享白板、文件传输、电子邮件等工具。其中,可视化工具、批注圈阅工具由产品数据管理系统提供,视频会议、共享白板、文件传输、电子邮件等工具由工作流管理系统提供。资源管理服务:为开发人员提供有关系统内资源的信息,辅助产品开发人员进行资源的选择。同时对资源的使用情况和状态变化进行管理,当资源发生意外情况时可以主动通知相关的客户端进行处理。资源管理服务由项目管理分系统提供。通讯服务:专门负责服务器与用户工作站之间的通讯,这是分布式计算平台的基本功能。数据服务:包括产品信息模型及其管理、共享数据库及其管理。产品信息模型表达了产品整个生命周期内的各种信息,包括数据、文件、图形、图像等多种数据格式的数据源,包含了从概念设计、产品工程设计、生产准备和制造、售后服务等的数据,分布在网络不同的节点上,信息模型的管理负责信息模型的建立、维护、信息抽象等工作。2.4　工作流管理技术在分布式异构的网络环境中,为提高相互关联任务的执行效率,企业管理提出了“业务过程”(Businessprocess)的概念,即要实现“业务过程自动化”(Businessprocessautomation)和“业务过程重组”(Businessprocessre-engineering),工作流管理技术可完成这个任务。工作流管理的主要内容是工作任务的整体处理过程和工作组成员之间依照一组已定义的规则及已制定的共同目标所交换的文本文件、各种媒体信息或任务。工作流管理必须具备3个关键要素:(1)流转路径的智能化:能够根据定义的规则自动选择路径,确保信息的正确流转。(2)提供跟踪与监控信息:必须能够随时跟踪和监控信息的流转,从而进行必要的操作,如催办、双驱动等,保证信息流转畅通;(3)与应用结合的能力:具有较强的应用结合能力,才能得到广泛的应用。图6为工作流管理参考模型。参考模型中将工作流分为2个阶段(设计、运行阶段)、3个部分(定义、控制、交互)。工作流设计提供的功能包括:图形化设计工作流网络图;能够基于工作性质、用户名或上下级关系将有关信息沿特定的路径传递;监控工作流状态;动态地改变工作流;完善的日志管理。工作流运行环境由工作流模板设计器(WorkFlowdesigner)、工作流客户端569第5期沈建新,等:产品全生命周期管理系统框架及关键技术研究图6　工作流管理参考模型节点(WorkFlowclient)、工作流流程控制器(WorkFlowmanagement)等几个主要部分组成。工作流管理实现的机制主要有两种:基于数据库和基于电子邮件。基于数据库主要依赖数据共享来实现工作流管理,在开发上只需借助数据库开发技术即可,其优点是工作流和应用系统紧密结合,缺点是实现广域范围的工作流很难。基于电子邮件只需利用电子邮件的编程接口即可,其优点是实现广域范围内的工作流比较容易,缺点是应用系统和工作流的分离。本文采用的是基于数据库机制。3　产品全生命周期管理系统实现技术3.1　分布式计算CORBA[16]在分布式计算环境中,异构性是一个十分明显的特点。在异构环境下实现信息和软件资源的共享是一项极大的挑战,而CORBA则可以提供有力的支持。各种软件通过封装都可以作为CORBA软总线上的组件实现即插即用,从而实现信息和过程的共享。对象管理体系结构(Objectmanagementar-chitecture,OMA)就是OMG组织作为分布对象计算的参考模型,如图7所示。图7　对象管理体系结构(OMA)OMA体系结构的核心是对象请求代理(Ob-jectrequestbroker,ORB),它支持对象服务、通用设施、领域接口和应用接口之间的交互和通信。在OMA参考模型的接口层示意图中,对象服务(Ob-jectServices)是独立于应用领域、为各种分布式对象软件提供的一组基本服务的接口,如名录服务,事件服务等。通用设施(CommonFacilities)是向终端用户应用提供的一组服务接口,如组合文档等。领域接口(DomainInterfaces)是针对某个应用领域(如产品数据管理PDM)而提供的服务接口。应用接口(ApplicationInterfaces)是特定的高层应用的对外接口。在产品全生命周期管理系统框架中,CORBA产品的应用,重点是在一个CORBA产品平台上实现系统的各项功能,实现应用功能的CORBA封装。在功能的集成上,参照领域接口层定义的集成框架,用IDL把各分系统需要交互操作的接口定义出来,所有接口封装为CORBA对象。CORBA软总线系统作为复杂产品异地协同开发工具集的基础支撑技术,与Web技术、计算机安全技术及计算机支持协同工作等其他技术一起,构成分布、安全、开放和互操作的支撑平台,为项目管理、文档管理以及各种应用系统的集成提供支持。3.2　基于Web技术为支持异地协同设计和产品数据交换的需要,产品全生命周期管理系统应提供Web客户端。基于CORBA开发的应用系统通过IIOP(Internetinter-ORBprotocol)协议,可以比较方便地在浏览器中地实现对服务器端CORBA对象的状态查看及方法的调用。CORBA与WWW结合,构架出真正的3层体系结构。这种3层的体系结构,以分布对象技术为基础构架,增加了应用层,将客户层与资源层隔开,降低了Web服务器的负载,避免了Web服务器的性能缺陷对整体性能的影响,并且具有连接缓冲、负载均衡、安全管理等功能,从而提高了Web应用整体的灵活性、可伸缩性和可扩展性。在这种3层体系结构中,CORBA客户方程序从Web服务器下载执行,与应用服务器上的CORBA应用对象通过IIOP协议进行通讯,调用指定的操作。CORBA应用对象首先对客户的请求进行认证和解释,根据客户请求的内容,或是直接访问资源层的数据库,或是与网络上的其他COR-BA对象交互,共同完成客户请求。CORBA-Web体系与ActiveX,JavaRMI(Remotemethodinvo-570南　京　航　空　航　天　大　学　学　报第35卷cation)比较起来,有明显优势。4　结束语产品全生命周期管理是企业信息化的关键技术之一,PLM可以提高市场竞争力,也提高产品的质量和竞争力。产品全生命周期管理系统是一个采用了CORBA和WEB等技术的应用集成平台和一套支持复杂产品异地协同制造的的,具有安全、开放、实用、可靠、柔性等功能,集成化、数字化、虚拟化、网络化、智能化的支撑工具集。它拓展了PDM的应用范围,支持整个产品全生命周期的产品协同设计、制造和管理,从概念设计、产品工程设计、生产准备和制造、售后服务等整个过程的产品全生命周期的管理。参考文献:[1]　蒋贵川,杨建华,吴　澄.先进制造关键技术:敏捷制造、并行工程与供应链[J].中国机械工程,2001,12(6):637～642.[2]　褚学宁.虚拟企业产品设计技术研究[J].中国机械工程,1999,19(1):58～60.[3]　宋天虎.先进制造技术的发展与未来[J].中国机械工程,1998,9(4):2～6.[4]　师汉民.面向产品全生命周期的设计[J].中国机械工程,1998,9(12):1～2.[5]　徐宗昌,曹军海,王淑玲.CALS与综合数字数据环境[J].中国机械工程,1998,9(12):38～40.[6]　Defenseinformationsystemsagency.CALSandre-latedMilitaryandCommercialStandards[EB/OL].http://cals.disa.mil:8003/.[7]　TheTechnicalInformationSystemsDepartment,CarderockDivision,NavalSurfaceWarfareCenter.CALSStandards/PerformanceSpecifications[EB/OL].http://navycals.dt.navy.mil/cals/calsstds.html.[8]　田雨华.CALS与敏捷制造[J].CIMS,1998,1:2～7.[9]　EdMiller.PDMtoday[J].Computer-AidedEngin-eering,1995,14(9):32～40.[10]　EdMiller.What′sPDM[J].Computer-AidedEng-ineering,1997,16(9):32～40.[11]　王建民.产品全生命周期管理技术初探[J].CAD/CAM计算机辅助设计与制造,2001,(11):6～8.[12]　郭　伟,王凤歧,杜玉明,等.产品全生命周期需求的分析及其间映射方法的研究[J].机械工程学报,1998,34(5):40～47.[13]　STEPTools,Inc.STEPStandard[EB/OL].http://www.steptools.com/library/standard/index.html.[14]　DigitalEquipmentCorporation,FUJITSULIMIT-ED,InternationalBusinessMachinesCorporation,etal.PDMEnablers,RevisedSubmission(includ-ingerratachanges)[R].mfg/1998-02-02,1998.[15]　李芳芸,柴跃廷.CIMS环境下-集成化管理信息系统的分析、设计与实施[M].北京:清华大学出版社,1996.218～221.[16]　汪　芸,顾冠群.CORBA技术及其应用[M].南京:东南大学出版社,1999.2～5.571第5期沈建新,等:产品全生命周期管理系统框架及关键技术研究