面向敏捷制造的PDM总体结构研究 - 文章

面向敏捷制造的PDM总体结构研究

作者：南京航空航天大学薛善良叶文华廖文和

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摘要：盟员系统间的数据完整性和一致性，以及盟员系统的自主性和异构兼容性等，均是面向敏捷制造的PDM必须解决的问题。采用基于Web的多层C/S结构模式，构造面向敏捷制造的PDM总体结构，设计了系统的任务侦听器、任务分配器和任务分解器，满足了系统的总体需求。研究了面向敏捷制造的PDM的流程管理和基于STEP的信息模型，为盟员企业间共享动态的产品信息提供了统一的信息模型，也为异地协同设计和制造提供了有效手段。
关键词：敏捷制造；动态联盟；产品数据管理

0　引言

敏捷制造(Agile Manufacturing，AM)是由美国GM公司和里海大学于20世纪90年代初共同提出的制造战略，其目的是充分利用全球制造资源，敏捷地响应市场。敏捷制造因强调企业快速响应市场的敏捷性而倍受制造业的关注，它将成为21世纪制造业的主要生产模式[1]。实现敏捷制造的主要形式是动态联盟，它是由计算机网络连接在一起，通过企业间共享技术和资源，能对市场机遇作出快速响应的企业组成在一起的临时联盟[2]。这种联盟是动态的、跨地域和跨企业的，联盟企业间的协同工作需要信息集成平台支撑。

如今，由图档管理发展而来的产品数据管理(Product Data Management，PDM)已成为企业信息集成不可缺少的环境平台[3]。同时，为了顺应当今企业经营全球化趋势及基于Internet的电子商务的发展浪潮，PDM已逐渐演化为协同产品商务(Collaborative Product Commerce，CPC)、协同产品定义管理(collaborative Product Definition Management，ｃPDM)和产品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)，其功能也由单个企业的信息集成平台，扩展为多企业之间的信息集成及业务协同平台。但现有的PDM大都仍局限于单个企业或相对固定的多个合作企业的产品数据管理，而对动态联盟中多企业间动态的产品数据的协同管理，则考虑不足。现有的PDM系统依然是以产品为核心，以信息集成为主要目标，缺乏对敏捷制造中更高层次的企业间集成描述。为此，本文提出了面向敏捷制造的PDM总体结构研究。

1　面向敏捷制造的PDM系统的总体需求

动态联盟是由分布于不同地域的盟员企业针对某一市场机遇而临时组建的，各盟员产品数据管理系统的组织异构性、自主性和地理位置上的分布性，是盟员系统间进行产品信息共享和协同产品开发必须解决的问题。因此，面向敏捷制造的PDM要成为动态联盟的信息集成平台，除了需要具备传统PDM所具备的功能以外，还必须满足以下几个方面的特殊需要。

(1)产品数据的动态共享
动态联盟是临时的、动态的，随市场机会的变化而变化。联盟在机会出现时结成，在机会完成后解散[4]。因此，面向敏捷制造的PDM的产品数据共享也应该是临时的和动态的。

(2)盟员间产品数据的完整性和一致性
动态联盟中的各盟员产品数据库系统分散于不同的地域，构成了一个分散的数据库系统，且这些产品数据间彼此关联。因此，面向敏捷制造的PDM系统更需要维护盟员系统之间的产品数据完整性和一致性。

(3)盟员系统的自主性
在动态联盟中，各盟员企业均有其产品数据管理规则，而联盟系统的产品数据管理规则是由集成各盟员系统而形成的。为了少干扰或不干扰盟员企业的原有运作秩序，需要保证各盟员企业的产品数据管理的自主性。

(4)异构兼容性
在动态联盟中，必然存在着计算机软硬件、操作系统、数据库系统和应用系统的不同，这就需要面向敏捷制造的PDM系统应具有良好的异构兼容性。

2　基于多层C/S的PDM总体结构

2.1　PDM系统总体结构

TCP/IP协议网络在当今使用较为普遍，且有着较好的应用前景，该协议网络以C/S模式实现网络间进程的通讯。基于Web的C/S模式网络体系结构具有可移植性(支持多种操作系统平台)、易用性(良好的用户界面和操作风格)、可扩展性(易于集成新技术、新工具和新内容)等特点[5]，因而系统具有很好的开放性和异构兼容性。基于Web的三层或多层C/S结构系统，通过中间层服务器实现了客户端、数据、数据处理逻辑的完全分离，具有良好的扩展性、移植性，信息共享程度高，开放性好，而且客户端使用方便，不需要任何维护工作。为此，本文所研究的PDM系统采用基于Web的多层C/S结构(如图1)。

图1 面向敏捷制造的PDM总体结构

面向敏捷制造的PDM系统由多个盟员系统通过Internet连接起来，形成一个临时的、动态的产品数据管理网络(如图1)。其各盟员系统内部的结构完全相同。图1以盟员i为例，给出盟员系统的结构。在盟员系统结构中，应用集成服务器/Web服务器、产品数据服务器，及其数据库和电子仓库是PDM系统的基本结构部分，是实现产品元数据和图档的存储及管理等PDM的核心功能部分，其应用集成服务器/Web服务器是多层C/S模式的中间层，为系统提供所有数据操作、数据处理、数据计算功能和显示页面；用户界面为盟员用户提供基于Web的统一的登录和操作界面；集成接口为MIS、ERP、CAD/CAM/CAPP等应用系统提供应用集成接口(API)。

图1还给出了系统的任务侦听器、任务分配器、任务分解器和知识库等模块，这些模块用于实现盟员系统之间产品数据协同操作，是面向敏捷制造的PDM系统的关键部分。在组建动态联盟时，各盟员系统通过任务侦听器和任务分配器与Internet相连，使得地理上分散的多盟员系统临时组成一个有机的整体。当某一盟员系统退出联盟系统时，其任务侦听器和任务分配器断开与联盟系统的连接，而不影响由其他盟员系统所组成的联盟系统的正常运行。这样，既保证了盟员系统加盟的方便、自由，也保证了联盟系统的柔性和敏捷性。

2.2　PDM系统工作原理

面向敏捷制造的PDM系统的每个盟员系统，通过任务侦听器和任务分配器与网络相连，跨盟员系统的合作，通过任务侦听器和任务分配器协同进行。其中，任务分解器是整个系统的任务总调度，它根据用户的操作，使用存储在知识库中的规则，对数据操作任务进行分析、分解，将数据操作任务分解为只在同一盟员系统中进行数据操作的多个子任务，并规定这些子任务间的约束关系。任务分配器负责对外任务执行协调，根据任务分解器所分解的各子任务所操作的数据对象位置，决定是否需要其他盟员系统的合作。如果需要，则发送数据操作请求，并接收数据操作结果。任务侦听器负责向其他盟员系统提供进程服务，接收其他盟员系统的数据操作请求，通过本地的任务分解器、应用集成服务器/Web服务器，与本盟员的知识库和数据库系统进行交互，执行数据操作，并将执行结果返回申请方。

任务侦听器和任务分配器以先验证后操作的方式，保证盟员系统间协同产品数据操作过程中的数据完整性和一致性。任务分配器先根据各子任务的数据对象所在位置，向相应的盟员系统发出数据操作验证请求。只有所有子任务的数据操作均通过验证，任务分配器才进一步向相应的盟员系统发送数据操作请求，并将返回的数据操作结果提交给任务分解器集成处理，完成本次操作。否则，只要有一个子任务的数据操作未通过验证，任务分配器就向盟员系统发送操作取消请求，从而结束本次操作。盟员系统间进行协同数据操作的流程如图2所示。

PDM系统的数据操作流程

3　面向敏捷制造的工作流程管理

工作流程管理是PDM的主要功能之一，它通过对产品开发流程进行定义，并实现对产品开发过程的控制，为实现产品开发过程的自动管理提供必要支持。对制造过程，按一定规则进行计算机可处理的形式化定义[6]。面向敏捷制造的流程管理，需要将与产品相关的、分布于不同地域的企业与部门联系起来，打破企业间、部门间的限制，实现在产品设计与制造过程中跨企业、跨地域的人员统一调配和资源统一利用。异地协同设计与制造是实现敏捷制造的重要方法和手段，面向敏捷制造的流程管理是进行跨企业、跨地域的任务分配、任务审批及资源统一调配的有效工具，为异地协同设计与制造提供了支持。

工作流程管理包括流程定义和流程执行两个方面。其中，流程定义包括过程定义、任务定制和权限定制；流程的执行包括启动流程、分配任务和过程监控。由于动态联盟是跨企业、跨地域的临时性的动态组织，因而面向敏捷制造的流程定义需要将一个完整流程中分布在不同盟员企业的任务进行分类，重组为分布式工作流程。为此，提出如下工作流程定义方法。

(1)对整个动态联盟的全部共享资源统一调配，统一规划整个动态联盟的工作流程。
(2)对整个动态联盟的流程对象，按照盟员企业进行分类，将完整的流程按照盟员企业的不同划分为若干个子流程。
(3)对每个盟员企业子流程之间的连接部分，分别定义新的任务。这种任务一般为通知，用以通知其他盟员企业的用户，或启动触发器启动企业盟员企业的子流程。

通过上述方法进行流程定义，不仅使得整个动态联盟的共享资源得到了统一调配，也使得各盟员企业的子流程相对独立，从而方便了各盟员企业自由地加入和退出动态联盟。

面向敏捷制造的工作流程管理的功能结构如图3所示。在图3中，每个盟员系统除了传统PDM所具有的文档管理、产品管理、资源管理、组织管理、项目管理，以及流程管理等模块以外，还特别具有目录管理模块。其中，目录管理模块管理整个动态联盟共享的产品结构、资源和文档等指针；工作流程管理模块通过Internet调用目录指针指向的本企业，或其他盟员企业的产品、资源或文档对象。根据流程定义的路径和条件，启动其相关盟员企业的子流程，并将相关信息实时地传送给位于不同地域、分属于不同盟员企业的相关人员，从而实现整个动态联盟的工作流程跟踪和控制。

图3 面向敏捷制造的工作流程管理

4　面向敏捷制造的PDM的信息模型

面向敏捷制造的PDM通过Internet等现代化通信网络，在分属于不同盟员企业的相关人员之间传递产品信息，其信息模型必须是一个通用的、能及时反映产品及其动态多变特性、能提供动态联盟各阶段所需的产品信息，而又独立于任何应用的产品信息模型。同时，敏捷制造模式下的产品开发是一种对产品及相关过程进行集成地、并行地开发的系统化模式，仅仅从时间的角度来描述和分析产品并行开发过程是远远不够的，需要从全局的角度，从各个不同的侧面，以多视图来描述和分析产品的并行开发过程[7]。因此，本文参照STEP标准，采用面向对象方法，分别从产品、资源、过程和组织四个视图，对动态联盟产品开发过程中的信息进行建模，建立了面向敏捷制造的产品全生命周期的信息模型(如图4)。

图4 面向敏捷制造的PDM集成信息模型

在图4中，产品信息模型描述产品结构、设计信息、制造信息、管理信息、文档信息、ＧＴ信息、精度信息、成本信息、质量信息和交货期等；过程信息模型通过过程基本单元活动及活动间的关系定义和建模，描述了动态联盟中产品开发过程信息；资源信息模型描述动态联盟产品开发过程中所涉及到的人力、设备、物料等资源信息；组织信息模型通过建立动态联盟中盟员企业、集成开发团队、角色和人员等组织结构及其权限信息模型，描述了动态联盟产品开发的组织机构信息。同时，各信息模型之间不是彼此独立的，而是集成的有机体，且各信息模型又蕴涵着许多信息实体。

5　结论

本文研究了面向敏捷制造的PDM系统总体需求，构造了基于Web的多层C/S模式的面向敏捷制造的PDM总体结构，并设计了系统的任务侦听器、任务分配器、任务分解器，不仅实现了动态联盟中分散的产品数据共享和盟员系统间产品数据的协同操作，也满足了盟员系统的自主性、联盟系统的开放性和异构兼容性的要求。同时，研究了面向敏捷制造的PDM的工作流程管理和基于STEP的信息模型，为盟员企业间实现产品信息共享提供了统一的信息模型，并为实现敏捷制造的异地协同设计和制造提供了有效的工具。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/20/2004)


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