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PDM系统中产品结构与配置管理的开发研究

作者：耿建光章翔峰邓家禔

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引言

随着世界市场形势的激烈变化，市场对产品的开发周期和上市时间、产品质量、产品成本和增值服务（即T、Q、C、S指标）提出了较高的要求。如何适应市场要求，建立有利于自身发展的信息流通模式，如何迎接和适应诸如虚拟制造技术、精益生产、敏捷制造、智能制造技术、虚拟企业、现代集成制造技术等新模式和新哲理，是企业必须解决的现实课题。然而，要全部引进或应用全新的自动化管理手段和软件系统并不现实，因为企业在长期的生产过程中已经在计算机相关技术发展基础上引入了一些相应的自动化应用单元，这些应用单元发挥着重要作用。那么如何在已有基础上，充分利用当前资源来构筑新型的运营模式逐渐成为大家关注的焦点，作为一种软件框架系统的PDM，已经得到了相当的关注和研究。通过实施PDM系统可以构建合理、有序的信息流系统，为并行环境的建立实施提供依托。本文主要就PDM系统中的重要模块——产品结构与配置管理进行分析和实现方法研究,并提出模块在软件应用实施方面的观点。

1．产品结构与配置功能、数据分析

产品结构是工厂或企业进行产品设计、生产组织的重要依据与标准，一般意义上的产品结构是指由产品一系列图纸上的零部件明细表组成的一种树状结构。这种树状结构是立体的，它反映了企业的活动主线，通过产品结构这种直观的表现形式，可以实现企业的各个部门（如计划、设计、生产、材料、采购、质量和销售等）在同样数据基础上从不同的视角和空间看待产品。

产品结构与配置管理的重要作用主要体现为：产品结构和配置是产品数据管理系统的基础模块之一，它首先是PDM系统中流程和任务管理的基础。因为工作流主要控制工程设计活动，而实现控制的前提条件是要有足够的产品结构与配置信息，在此基础上才可以定义活动执行所需的资源；其次，产品结构与配置管理是实现PDM集成功能的桥梁之一，在正确维护了产品结构与配置信息之后就可以提供正确的材料清单和必要的资源要求，就可以将产品设计必要的人、财、物和生产对象信息向制造资源规划系统和信息管理系统传递，为整个企业的规划和安排提供依据；另外产品结构是实现虚拟化企业等崭新模式的必要准备，只有维护了必须的产品信息，才可以利用网络最新发展技术进行分布、异地的虚拟企业运作，从而实现任务的异地分配和驱动，实现面向客户的电子商务及电子协作活动。

结构与配置管理的主要数据描述如图1图中只示意了主要领域的相关数据）。从图中可以看出产品数据主要包括市场需求信息、产品概念设计数据、产品详细设计数据、产品制造数据、产品售后客户数据等。其主要特点表现为：首先数据种类繁多，包括显式的与产品设计有关的数据（例如CAD数据）和相关的隐含数据（例如产品的需求说明，设计说明等），并且这些数据不是全部可以通过规则表达的。其次数据是动态变化的，在实际设计中产品数据随着产品的概念设计、总体设计和详细设计的进行以及操作方式（自顶向下的设计方式或自底向上的设计方式）的不同，会出现不同的数据生成过程，数据是随产品相关活动的开展而逐渐由抽象向具体转化的过程。从以上两个特点可以看出产品结构数据的包容量大、表述范围广，所以描述产品数据时比较复杂。

图1 产品基本数据示意图

２．产品结构与配置管理数据分类管理

依据前述数据特点，如何组织以上数据是系统实现的关键问题之一，产品结构需要管理的数据涉及诸如项目计划、设计数据、产品模型、工程图纸、技术规范、工艺文件、电子表格、视频及音频信息以及有关零件的各种数据等。这些数据包括形式化和非形式化数据两大类型。非形式化数据主要指超文本数据，如声音、图形、图象数据等，均可用大二进制块来存放、传递。形式化的产品数据主要指可模型化的数据，它又分为产品直接相关的数据和与产品相关联的数据（如开发产品的组织、使用的资源）二类[1]。在两大类型数据中，即使形式化的数据也不能够达到特征级的细粒度控制，只能将其设计整体结果作为数据包或数据块进行管理[2]。所以系统在数据组织方式上对于两大类不同的数据采用相同的组织方式——粗纹理的集成管理。同时为了适应产品生命周期中多领域和多数据类型的特点，可以采用分类方法进行控制，形成显式、隐含数据的集中体现，满足企业的不同视图要求，另外要能够适应不同的规则驱动，保证提取相关驱动下的子结构的数据正确、实时和有效性。基本的分类方法是：对于形式化数据中可以利用规则表达的部分由相应工具软件进行组织，组织结果和非形式化数据一样，由结构管理模块统一管理，按照产品生命周期的不同过程，依据领域和部门的区别提供动态的、可定制的分类手段，通过交互式分类模板的定制，建立系统的分类规则，提供结构管理的依据。

３．产品结构与配置管理结构组织模型

结构管理是对产品数据进行的综合表达，与产品本身一样，产品结构也具有演变属性，在控制结构演变属性时使用较为容易的线形方式。另外从前面论述中可以看出，结构管理和工作流是互相依托的，工作流程的发起要依赖结构管理和配置信息，而结构关系的完整表达及实现又依赖工作流、任务流的支持，二者形成彼此依赖关系。因此结构的描述方法要能够满足工作流驱动的基本信息要求，也要能够在相关流程驱动下动态扩充。所以结构组织采用结构树分层表达方法，即将结构树分为结构主茎和结构枝叶，结构主茎搭建产品结构的总体框架，只反映了结构的总体组成关联关系，可以作为任务分配和工作流管理的信息入口；结构枝叶关系在结构主茎基础上，根据任务的分配和流程驱动进行具体设计及更改工作，形成结构树叶节点的不同版本。为了维持上述分层结构关系，分析产品结构特点，存在以下的关系。

图2 产品结构基本关系

产品由部件和零件组成，产品的结构主茎在数据模型中用P_product描述，部件的结构主茎用P-assembly表达，零件是基本的原子组成部分，其结构主茎用自身的主要数据属性描述。相应的产品、部件和零件的结构枝叶分别用V_product、V_assembly和V_part表达。结构枝叶完成结构数据的演变历史和相应演变文档管理。最后通过结构主径与结构枝叶的映射关系实现产品结构空间与产品版本空间的对应。为了实现以上的关系描述方便和树形视图的直观体现，建立分层结构管理模型（如图３所示）。

图3 产品分层结构管理模型

其中结构主茎各分类文件夹的描述对象分别为：

1). 属性数据中维护产品的主要特征信息，如零件号、材料、规格、开始有效日期、截止有效日期、相关生产批量等；

2). 相关文件主要维护某节点有关的市场需求分析、客户定单要求、参考技术资料、相关设计参数说明和更改通知单等类型的文件；

3). 主茎结构信息维护产品的结构信息和关联信息，描述组成产品的零部件间的几何从属关系和节点与PDM系统中其他对象的约束关系；

4). 结构枝叶主要描述该节点下具体某版本的属性和设计、制造以及结构关联信息，反映节点版本的整体信息。

４．产品结构与配置管理结构模型设计

根据产品结构与配置管理的数据特点和功能要求，参照STEP标准part214中关于产品结构和产品配置的模型描述，进行模块的数据模型设计。在数据模型的数据库设计中按照数据库设计的一、二、三范式对数据库进行规范化约束，但是同时需要兼顾的主要问题有：a)数据的基本管理单元：在系统中为了体现数据关联关系，以产品作为基本的管理单元，整个数据库中的相应数据是以产品作为提取标识的，所以要保留必要的属性冗余，以方便数据管理。B)数据的管理效率：整个产品的数据都要通过结构树进行体现，数据量比较大，在数据搜索过程中必须考虑数据的提取效率，在建立数据索引时要尽可能采用组合索引，提高数据提取速度。

本模块实现的主要功能是数据的有效管理和提取。产品结构与配置管理模块作为PDM系统的功能模块之一，应该同PDM系统本身一样，具有较好的开放性、重用性。因而模块应该在分布式网络、C/S结构、数据库管理和图形化用户接口基础上，尽量采用面向对象技术和基于组件的方法进行模块开发。模块的结构模型如图4所示：

图4 产品结构与配置管理结构模型

结构模型中体现出系统分为数据存储层、数据维护层、系统服务层和用户界面管理层四个基本层次。其中产品结构与信息提取管理模块作为系统服务层和产品数据对象维护层的中间接口；产品数据分类管理模块作为产品数据对象维护层和数据存储层的中间接口；目录管理作为系统定制服务与系统存储层的中间接口。

外部所示浏览工具信息主要体现用户界面管理层，在该层次上实现系统客户端的相关功能，用户可以通过internet（图中虚线示意）形式在IE浏览器上浏览结构信息，调用服务器端的服务功能向客户提供服务。另外一种形式是自己开发的使用于局域网络环境下的客户操作工具（图中线段连接浏览器的实线段所示连接）。

另外系统除提供数据管理的分类接口以外，为方便用户还提供了定制服务功能中的明细表定制功能，通过服务器提供的目录管理，对整个企业的明细表模板进行统一管理、使用。

5．结束语

产品结构与配置管理是实现虚拟化生产的必要基础，也是PDM系统实现框架系统的必要因素，因而如何实现本模块对于整个PDM系统有重要影响。本文根据产品数据的不同类型及特点，实行了分类管理的粗纹理集成方法。在此基础上为实现产品结构在PDM系统和框架集成方面的桥梁作用，采用了分层树状管理结构。最后建立了本模块的结构模型。本模块基本功能已经在课题研究期间实现完成，并在设计制造一体化集成框架技术与方法研究课题开发的相关系统中得到应用。在实践中完成了产品结构、配置管理的主要工作，实现了以结构主茎为基础的任务分配和流程控制，流程优化和任务分配的实施为企业运作提供全局控制，通过相应的网上协作手段（如电子白板，网上会议等）实现并行工作机理。但是结构与配置管理方面仍然有很多工作需要深入研究，比如全局产品数字化模型的建立、变量化配置等方面的研究实现，就是比较紧迫的问题。

参考文献
1. 周长胜 “基于STEP的产品数据库管理系统研究与实现” 北京航空航天大学博士论文．1999.3
2. 许超“适用于动态流程管理的PDM模型研究” 制造业自动化第22卷第2期, 2000(2):30~32
3. Ed Miller , PDM Today , Computer-Aided Engineering, 1995,14(9):32 ~ 41(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/21/2006)


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