产品全生命周期管理系统体系结构研究

作者：南京新模式软件集成有限公司 李海峰

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 产品全生命周期管理从产品设计入手，关注产品从需求分析到设计、制造、销售、使用、报废的整个过程，围绕产品这个核心进行信息管理，能有效提高企业的竞争能力，从而成为企业信息化领域新的突破点。 1、引 言 信息技术在企业的应用主要体现在设计与生产两大环节，设计阶段代表性的技术是CAD和PDM，生产阶段则以ERP及相关技术为主导。从产品的整个生命周期来看，产品的成本耗费约80%是在研发阶段决定的，企业实力的增强、核心竞争力的提升要求企业把更多的精力集中在研发阶段的产品创新，而不是只通过ERP系统的应用在制造环节精打细算。产品全生命周期管理（Product Life cycle Management, PLM）从产品设计入手，关注产品从需求分析到设计、制造、销售、使用、报废的整个过程，围绕产品这个核心进行信息管理，能有效提高企业的竞争能力，从而成为企业信息化领域新的突破点。 2、PLM基本概念 PLM的概念的提出经历了一个发展过程，它是企业生产方式发生改变后对支撑技术环境所提出的一种需求。随着并行工程（CE）、协同制造等工作方式的成熟，动态联盟和虚拟企业成为企业运行模式的发展趋势，这要求企业内部、企业之间能够围绕产品进行信息系统的构造和配置。 目前有关企业信息系统的概念和技术很多，我们可以从商务、协同、产品几个方面进行分类。在商务执行手段上，电子商务（B2C、B2B）、计算机支持下的连续采办和生命周期支持（CALS）已在实际中得到具体应用。在企业协同方面，集成化产品开发团队（IPT）、集成化团队开发（IPD）、计算机支持的协同工作环境（CSCW）等理念和工作方式成为指导企业进行产品开发的标准规范，并进一步发展到综合产品各项活动的协同产品商务（CPC）。对比以上概念，PLM以产品的整个生命周期过程为主线，在产品数据管理（PDM）、协同产品定义管理（cPDM）的基础上，融合CPC中的协同工作模式和协同工具，并有效集成CAD/CAM、ERP/SCM/CRM等应用系统，从而成为支持企业运行的统一的集成平台。在此平台上，PLM提供企业间的应用集成方法，通过企业集成门户（EIP）支持企业间信息交互和电子商务活动的开展。 3、PLM体系结构及关键技术 3.1典型体系结构 目前，已有一些研究公司或机构推出自己的PLM系统，如IBM的CATIAV5R8；SAP公司的mySAP PLM[1]；EDS公司的TeamCenter等[2]，典型的PLM体系结构如下： PLM系统功能从总体上可分成三类，支持并行设计和协同开发的cPDM；协同产品商务支撑平台及辅助工具CPC；实现电子商务功能的使能器和门户。在每一大类中包含若干相对独立的功能单元，这些单元可能表现为一种工具，如可视化，也可能表现为相对独立的子系统，如项目管理和工作流管理。功能单元之间的互操作一般基于分布式对象技术，其中CORBA因其良好的跨平台性和对异构系统的整合能力而成为主流的集成技术，在CORBA平台之上，各种应用通过IDL描述其所能提供的服务并实现互操作。在系统互操作方面，随着网络计算技术的发展，Web Services可能成为下一代的集成框架标准。在数据交换方式上，一些产品如PTC公司的Windchill，引入XML实现企业应用系统之间的数据传递与解析。在永久数据类型的管理上，PLM数据组织方式相对复杂，要求系统提供联邦数据库机制，以实现在互联网环境下的数据分布与集成。 通过领域接口，PLM实现与应用系统的集成。目前有很多组织致力于CAD/ERP等系统的标准化工作，如OMG在其领域接口中定义了CAD、PDM、SCM等应用系统接口的IDL描述，为PLM与应用系统的集成提供了可资参考的标准。 4、关键技术 PLM中涉及的技术很多，包括：并行工程技术（集成框架、CSCW、CAX、DFX、IPT、约束问题求解）；虚拟制造技术（visualization、数字样机、虚拟现实）；集成产品开发技术（IPT、IPD、IPPD）；项目管理技术（WBS分解、项目资源、工作流）；统一数据模型技术（产品建模、模型交换）等[3]。在上述各种技术中，目前的难点有数字样机技术和统一数据模型技术，前者有很多机构在研究，而后者则未引起足够重视。 数字样机以CAD技术为基础，是一种基于计算机仿真模型的数字化设计方法。在产品环境模型支持下的虚拟环境下，通过产品模型库相关产品开发工具（CAX/DFX工具、外观/功能/行为建模工具等）或已有相关产品模型（CAD模型、外观表示模型、性能仿真模型等）构造产品的数字样机，并根据需求对模型进行模拟分析，进而根据分析结果，在模型的VV&A过程支持下，修改产品设计模型和相应的仿真分析模型[4]。在建模和分析的过程中，可能有多个企业参与活动，这些企业采用的CAD环境往往不同，如何在统一平台下进行虚拟装配是最大的难题。在早期的CAD图形交换标准中，STEP曾有很大影响，各种CAD系统通过STEP中型文件进行交互，但STEP在实际应用中效果并不理想，原因主要是采用文本格式描述的中间文件组织繁琐，但又不能精确表达模型的几何信息与结构信息。目前EDS的EAI平台推出JT这种中间文件格式，它能够保留产品模型必要的几何信息和装配信息，过滤与数字样机无关的其它信息，为虚拟装配实现提供了可行的解决方案。 统一数据模型的建立对PLM系统的实现具有重要意义。PLM系统的运做与执行涉及到产品设计与生产的各个方面，与企业资源、产品数据、管理模式、供应商、客户等信息密切相关，而目前通过集成框架的信息集成方法存在的缺点明显：缺乏信息模型的统一规划，难以做到企业资源的统一调度，只是实现了关联数据在分系统间的传递与交互。实际运行的企业是一个高度复杂的系统，只有把整个企业作为统一整体进行考虑，才能实现信息最终的有效集成。在现有PLM体系结构的基础上，本文提出基于模型驱动的PLM解决方案，重点讨论在统一数据模型下企业信息模型的整体集成方法，其中需要重点解决两方面的问题，一是企业信息模型的表示，二是信息模型的交换。 5、改进的解决方案 5.1基于统一数据模型的PLM结构 相对于传统的PLM体系结构，改进的方案中重点增加统一数据模型处理的内容，并考虑引入新的实现技术，如Web services、XML等技术，使PLM系统具有更好的开放性和集成性。 支持PLM系统的统一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；存储模型信息的知识库；对知识库的访问和管理；通用模型与应用系统数据模型的映射等。其中，知识库及相应的元模型是统一数据模型的核心，元模型与知识库通过各种接口与前、后端应用系统进行交互。 5.2元模型与知识库 企业数据模型的建立需要一套明确语义支持的建模语言，建模方法有很多种，如ARIS、PERA、IDEFx、CIM-OSA等[5]，这里选用UML[6]。UML是一种可视化的建模语言，它是在面向对象思想的形成和发展过程中成熟起来的，具有定义良好、易于表达、功能强大和普遍适用的特点，成为面向对象建模的首选。UML的定义包括UML语义和UML表示法两个部分，UML语义通过其元模型严格定义。元模型为UML的所有元素在语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使开发者在语义上取得一致，另外，UML语义支持对元模型的扩展定义。UML表示法定义了UML的表示符号，为建模者和建模支持工具的开发者提供了标准的图形符号和正文语法。这些图形符号和文字所表达的是应用级的模型，在语义上它是UML元模型的实例。在实际建模过程中，以UML语义为基础，根据企业模型的特点，加入领域知识方面的约束。约束采用UML中的构造型（stereotype）和标记值（tag）表示，对于复杂约束，采用对象约束语言（OCL）进行描述。 大量的模型最终存放在知识库中，表示模型的数据格式采用XML，因此，UML建模环境下构造的图形化数据模型需要转换成字节流格式。转换过程中采用数据流交换格式（Stream-based Model Interchange Format, SMIF），目的是建立不同知识库、中间件、工具之间的标准交换机制。转换实现需要两方面的支持：XML DTD生成规则和XML Document生成规则，前者针对编码元数据生成XML DTD，后者把元数据解释成与XML兼容的格式。DTD与XML分离的优点在于DTD可以存储在本地，数据交换只需传递XML文件。 5.3模型管理与应用 模型管理与应用主要包括两部分内容：1）对模型的访问和调用；2）应用系统模型与元模型的交互。对模型的管理和应用关系到PLM系统是否能集成在统一的元模型下，因此，各类管理工具和接口转换工具是必不可少的。PLM在开发时会选择一种具体的开发技术，实际可供选择的开发平台有很多种，主流的包括J2EE/ CORBA /Web services/.Net等，这些开发平台体系结构各不相同，在进行模型到接口的转换过程中，需要针对每种开发平台分别提供模型转换服务。如针对Web Services，从模型中生成WSDL和UDDI文件；针对CORBA服务，生成PSDL（Persistent State Definition Language）和CIDL（Component-Implementation Definition Language）；针对J2EE，生成相应的Java文件。这些接口与相应的服务进行联编，生成.obj、.dll、.intermediate byte code(java)等资源，最后是对服务端应用程序的组装和配置。 另一方面，知识库中的模型需要与现有的CAD/ERP等系统进行交互，交换的格式同样选择XML文件作为中间介质，通过XML Mapper完成数据格式的映射，并把外部应用系统中的数据模型信息通过XML Builder转换到数据模型的知识库中。有关应用系统的集成，可参照EAI（Enterprise Application Integration）集成思想，EAI重点解决应用系统数据库的连接问题，采用数据引用参考或信息拷贝方式，可以简化应用系统的集成方式。在XML Mapper实现方面，微软公司的BizTalk Server是一个可供选择的产品。它的Mapper工具提供一个可视化的操作界面，可以通过关联方式建立XML文档到与XML模型间的对应关系。结合自身的Editor、Orchestration Designer工具，BizTalk能在企业内部、企业之间对分布式商务活动进行建模、配置和维护。 6、小 结 PLM系统涉及到企业信息系统从市场到设计、生产的各个层面，需要多种技术作为支撑和保障，其中统一的数据模型应成为PLM系统的核心和基础。目前，一些组织的已开始有关方面的研究，如OMG制定了MDA（Model Driven Architecture）框架性标准[7]，针对模型驱动中统一模型语义、模型表示、领域接口做了初步定义。参照这些标准，一些公司开发出通用的模型驱动开发环境，如SOFTEAM公司的objecteering[8]，已实现MDA规范中的部分内容。在该领域下一步工作集中在对知识库和相关管理设施的实现上，进一步完善数据模型层中各部分功能。 参考文献： [1] SAP. mySAP Product Lifecycle Management. [2] EDS. TeamCenter-PLM Enterprise Collaboration. [3] 汤军社，秦现生，彭炎午. 产品全生命周期集成技术研究现状和发展趋势. 制造业自动化. 2001(8):1-4. [4] 李伯虎，柴旭东. 航天CIMS研究、实践与发展. 制造业自动化. 2001(1):1-10. [5] 朱云龙、薛劲松、于海斌等. 面向对象的企业过程建模及实现方法研究. 信息与控制. 2001(6):481-485. [6] Rational. UML For Enterprise Applications: Model Driven Solutions For The Enterprise. [7] OMG. The MDA Architecture. [8] Objecteering Software. The first CASE tool to fully support the OMG’s MDA approach. (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/7/2004)