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PDM/PLM/CAPP |
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关于构建立体式协同研发与设计平台的探索 |
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作者：祖文东 岳金峰 |
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1 立体式协同研发与设计平台概述
企业实施PDM 能提高产品开发效率、缩短上市时间，提高设计与制造部门之间的信息共享速度和准确性，PDM 系统功能的发挥必须以充分的产品数据为基础，且要有完善的推广措施才能实现，因此必须首先做好PDM 的数据工程和运行推广工作。为了实现产品价值链上下游企业之间的数据共享，对PDM 的协同式应用（CPDM）研究非常重要，协同研发与设计能够更好地实现产品并行开发、管理工程变更及控制产品开发项目进度，从而确保产品开发流程的有效实施，提高开发质量和效率，因此提出了立体式协同研发与设计系统平台，如图1 所示。
在实际应用中，多数企业往往只注重PDM 或CPDM 应用，对PLM 的推广甚少，很少有企业重视立体式协同研发与设计模型。立体式协同研发与设计模型的三维为：
1）基础维PDM，是整个模型体系的基础，突出企业内部的产品数据管理及开发流程；
2）协作维CPDM，是整个模型体系的拓展，突出上下游企业间的协同研发；
3）发展维PLM，是整个模型体系的高度，突出多学科多技术领域的有机集成。“三维”要均衡发展，整个体系要协调一致，才能更好地发挥信息系统的优势，实现信息化带动工业化发展。
图1 立体式协同研发与设计平台模型
2 正确对待PDM 数据工程与运行推广工作是整个模型体系的基础
产品开发部门要想成功实施PDM，首先是软硬件基础体系建设，但要真正发挥PDM 的作用，还要继续做好数据工程与系统运行推广工作。如果PDM 没有充实和准确的数据为基础，关键模块功能就无法发挥，更谈不上提高设计效率。为了使这一阶段顺利完成，应采取的措施是：企业高层领导高度重视、项目管理部门协调与考核、设计（系统使用）部门紧密配合及PDM 系统工作小组的周密安排与落实。
2.1 制作完备的数据准备流程
数据是PDM 的基础，数据的准确性和完整性很重要。以PDM 系统实施为分界，产品数据可以分为“已有数据”和“新开发产品数据”。
1）对于新开发的产品，可利用PDM 的CAD 集成模块，直接在系统中生成数据，从而实现整个产品数据的系统管理。
2）对于PDM 系统实施前已经开发完成的产品数据，需要录入系统，一方面方便该产品数据的管理，另一方面为后续产品开发打下基础。PDM 实施前，企业产品数据通常存在的问题是数据杂乱存放在不同电脑中，不能快速挑选出完整有效的最新版本数据。为解决这个问题，提出数据准备流程，如图2 所示。
图2 PDM数据准备流程
该准备流程的宗旨是：只向PDM 系统录入“有效”的数据，即要挑选出数据的有效版本，又要兼顾数据的完整性（例如以一个产品的完整数据为单元）。通过数据准备流程的实施，使数据使用部门之间、员工之间更加明确分工和协作，使整个产品结构一目了然。在准备数据过程中对于没有电子图档的零件，可以采取2 种解决方案：a. 在CAD 设计环境中创建补充；b. 创建数据标签（空图档）加以补充，目的是迅速完成整个产品结构，为BOM 和明细表模块发挥作用打下基础。
2.2 完善管理体系保证基础维（PDM）工作质量
PDM 有效实施三分靠软硬件系统，七分靠管理。将PDM看成纯粹的软件是错误的，这是因为PDM 70% 的体系架构的构建源于企业的管理体系和业务流程，这里的管理包括行政管理、业务管理和技术管理。PDM 数据准备的运行涉及到企业管理方式的变革和全体使用者工作方式的转变，和所有新生事物一样需要一个接受的过程，因此必须要靠行政管理来推行。通过业务流程管理，不断完善流程体系，澄清业务界限，提高管理效率；通过技术管理，严把数据质量关。PDM 运行时，为了达到效果，加强管理必不可少。
通过实施PDM，可以规范企业产品数据管理体系，为数字化管理打下基础。随着企业发展，创新成为永恒的主题，因此，不断提高PDM 系统二次开发和定制水平，是PDM 系统能够适应企业发展的需要。
2.3 PDM 项目管理带动其他模块发展
实施PDM 涉及多部门协同工作，融合企业管理和产品开发职能。为使PDM 系统高效运行，首先是要建立完整的运行推广组织结构（如图3 所示）。
图3 PDM运行推广组织结构
企业管理通常是矩阵式管理模式，既有部门之间的横向协作，又有一个产品开发项目从头到尾的纵向管理。产品开发项目可以用PDM 系统中的“项目管理模块”来管理，具体方法是：
1）计划控制部门将所有正在运行的项目基本信息都录入到PDM 系统中，建立项目基础信息；
2）项目经理以计划控制部门建立起来的项目基础信息为基础，利用“项目管理模块”功能管理各自项目；
3）项目参与人通过PDM 的文档管理、试验数据管理、零部件管理和CAD 集成等模块功能完成各自工作任务（创建文档、生成数据文件等）；
4）计划控制部门通过PDM 项目管理模块监控以上过程，实现对所有项目的统一调度管理。
通过以上组织体系和项目管理流程的实施，可以调动整个PDM 体系充分发挥作用。
3 产品价值链上下游企业协同研发是发挥整个模型体系的关键
3.1 协同研发的必要性
当立体式研发与设计模型的基础维成功推行后，企业通过PDM 系统有计划、有组织地录入或新生成大量数据，下一步就是如何利用好这些数据的问题。数据的利用并不是只限于在本企业内部，而是要在整个产品价值链上实现共享。需要组成该体系的各单元高度互联，并且相应的信息化基础设施同步兼容，才能提高整个体系的效率。可以将整个体系看成是一个封闭的交通环路，由很多路段组成，不同的路段代表不同企业或者部门，任何一段堵塞都会导致这个环路信息共享的速度和效率，协同研发模型如图4 所示。
图4 协同研发模型
协同设计是指为了完成某一设计目标，由两个或两个以上设计主体（企业），通过一定的信息交换和相互协同机制，分别以不同的设计任务共同完成同一设计目标（产品）。以汽车产业为例，为给用户提供高性价比的汽车产品，整车制造商既要协同上游的材料制造商和零部件制造商，也要协同销售和售后服务企业，因此要以PDM 为核心，建成跨地域、跨部门及异地协同集成平台来推动汽车产品的异地协同开发进程，提升汽车领域产品研发、生产及销售的综合水平，为用户提供高质量的服务。通过以上分析，企业必须研究和发展第二维：协作维（CPDM）。
从产品开发技术角度讲，市场调研、企业产品规划、产品开发、工程变更、成本改善及售后服务等各个环节都需要共享产品信息资源，通过协同开发体系，可以实现信息的高效、准确、快速传递及利用。
3.2 协同研发的解决方案
3.2.1 整合宏观流程解决领导层问题
参与协同研发体系的各单位在梳理好各自的流程体系后，要考虑宏观流程体系。从管理角度和业务角度出发，寻找同其它单位的流程接口，包括接口的条件、可行性原则和操作规则。要明确需要什么（其它单位的流程输入）、处理什么及产出什么（向其它单位的流程输出）。企业之间的流程接口需要领导层之间的协商与确认，这个环节将决定整个协同开发体系的主体框架结构。
3.2.2 解决信息集成和技术层问题
整合了宏观流程以后，给企业之间协同研发提供了基础，但细节需要信息集成来实现。在没有实施协同研发体系之前，大多数企业的开发部门与供应商之间数据交流要通过“人工拷贝—Internet 文件传输—本地分析—供应商设计”方式。这样的方式周期长，数据版本一致性差，降低整个系统效率。信息集成能很好地解决这个问题，就是要在不同企业或部门的信息系统之间建立起有机联系。如果所有企业都能访问同一个PDM，效果最为理想。事实上，不同企业可能有不同系统供应商的PDM，甚至有不同的信息系统（如ERP 等）。解决信息集成问题，归根到底就是要解决这些系统之间的集成问题。把整合宏观流程体系中确定的接口作为需求，委托给PDM 开发商，PDM 开发商开发信息集成接口软件使整个体系畅通，达到无缝集成。
有了信息集成，能够迅速在客户需求和产品功能及性能之间架起一道桥梁，从而使开发出的产品能够充分满足客户的需求，实现模块化产品设计，降低产品开发的风险和成本，提高产品开发的速度，整合开发商优势。
3.2.3 建立标准体系解决制度层问题
解决了信息集成，如果没有强大标准体系支持，结果易混乱甚至背离核心目标。参与协同研发各单位都有自己标准体系，考虑到协同研发顺利进行，在结合国家和行业标准体系的基础上必须还要建立一套规范模式（以汽车行业为例）。
3.2.3.1 建立零部件数据结构规范模式
零部件CAD 数据是PDM 系统的底层基础核心数据，企业应建立汽车零部件结构和零部件、图样状态管理模式，进行PDM 数据的初始化，方便终端客户通过零部件数据查取相关信息，产品信息的这种集约化有助于实现数据的统一性。
3.2.3.2 建立工程更改单流程
规范数据管理发布流程主要是构建以工程更改单流程为中心的数据管理发布体系，实现PDM 系统与设计CAD 平台的集成。建立有效的工程更改体系，PDM 系统可以管理、控制和跟踪产品数据的整个发布过程，并有效地发布内容。
3.2.3.3 建立产品配置规范模式
汽车制造企业只有进行汽车产品配置管理，实现数据的可视化共享，才能和供应商展开产品的协同设计。汽车产品的配置关系均以总成系统为单元，以总成系统单元为单位参与配置运算。
3.2.4 实现网络互联解决物理层问题
实现网络互联是所有协同研发的基础。在Internet 上，通过成熟的网络连接模式将协同参与的各企业关联起来，从而实现信息通道的畅通。
4 建立PLM 体系促进整个模型体系的技术发展
在立体式研发与设计模型体系中，发展基础维，使PDM存储大量的数据并能得到充分利用；发展协作维，使跨企业和跨平台的协同研发成为可能。但是具备协同研发与设计功能的CPDM 仍然存在不足，如：1）没有集成概念设计（如车身造型）；2）没有集成仿真分析（如CAE）；3）没有集成试验数据管理以及参与产品研发与设计的很多相关学科领域等。因此，提出立体式研发与设计模型的第三维是融合多学科和新技术的PLM。如果说协同研发与设计是从横向上集成各企业和各应用的接口，那么PLM 就是在纵向上集成关键应用、多学科及新技术。立体式研发与设计模型的发展维模型如图5 所示。
图5 PLM模型
4.1 PLM 的技术领域
重视对发展维PLM 的研究，就是要为企业搭建一个多学科协同的产品研发过程集成、数据管理与优化设计平台，很好地实现对产品设计、仿真分析和试验验证的协同管理，从而实现研发过程的正规化、流程化及统一化，在极大提高研发效率、降低研发成本、确保产品质量、促进知识创新及知识积累的同时，进一步推动企业研发数据与研发流程的规范管理和状态控制。与立体式模型相关的学科领域和技术很多，首先分析3 大关键管理技术，即PDM、SPDM 及TDM 技术，这3 项技术分别对应着CAD/CAE/CAT 过程，也就是将设计、分析及试验集成进去。3 项技术都有各自的流程和数据体系，每一项都是大量数据，各自都有独特的属性和多样性，3 个平台的系统可能不在一个软件体系中，因此发展维PLM 的关键是既要确定好各个平台内部的数据和流程，又要确定平台之间的接口。通过PLM 架构体系可以有机整合3 个技术平台体系，共同支撑企业的数字化设计开发过程，实现相互协作，提供更加深入的专业过程集成自动化和多学科优化创新能力。
4.2 CAI 是PLM 的催化剂
CAI （ Computer Aided Innovation ）是指计算机辅助创新，是新产品开发中的一项关键基础技术，它是以近年来在欧美国家迅速发展的创新问题解决理论（ TRIZ ）研究为基础， 结合本体论（ Ontology）、现代设计方法学及计算机软件技术等多领域科学知识，综合而成的创新技术。
在PLM 的研究领域中，CAI 技术的应用还很少。CAI 强调创新并不只是靠灵感和思维，而是有章可循，并且可以充分地借鉴以往的知识和经验。在协同研发和设计产品时，基本上都采用正向思维。当要借鉴某一产品进行集成创新式开发时，就会发现有很多重复工作要做。即使立体式协同研发模型发挥到理想境界，还会觉得产品开发速度跟不上市场对新产品的需求速度，这是个永恒的矛盾。因此需要在PLM 中应用集成CAI 技术，CAI 可采用逆向思维，将整个产品进行概念（或原理）级的功能分析，只要在其标准规范体系中引入对产品的新功能和新技术要求，在系统数据和经验积累的基础上进行适当的合并、删除和修改，就能快速设计出符合相关性新产品。利用CAI 技术，可以打破以往思维定势、拓展思路分析问题，根据市场的需求正确地发现原有产品或工艺流程中存在的问题，最终快速地找出切实可行的创新设计方案。
5 立体式协同研发与设计模型三维均衡发展
在立体式模型中，基础维PDM 是整个模型的基础。基础维的发展构成了一条直线，它的长度代表了企业的基础数据工程量和运行推广程度。基础维也是企业在整个立体模型中工作任务重和工作量大的一维。协作维与基础维构成一面，通过这个面真正使PDM 协同起来，使每一个信息“ 孤岛” 变成网络中的节点，节点上的企业既是数据的提供者又是数据的使用者。如果立体式模型中只在这两维发展，没有真正达到信息的集成，因此要发展高度，就是立体式模型的中发展维，让产品的整个生命周期控制在体系之中。立体式模型三维不能盲目发展，具有内在的因果关系。但只注重一维就是会使立体失调，比如没有搞好基础工程（基础维和协作维）而一味地发展PLM，那么立体就会又细又高，这样的模型是很不稳定的。
6 结论
通过发展立体式协同研发与设计模型，切实搞好企业数据工程与运行推广基础工作，加强了企业直接协同与协作，企业之间界限不再明显，同时渗透了多学科、多技术领域，提高了产品研发与设计的效率，产品的全生命周期都纳入统一体系中进行管理，缩短了新品上市的时间。(end)
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(8/31/2008) |
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