面向PLM的产品数据管理技术及其工具分析

   产品生命周期管理（Product Life-circle Management）PLM是覆盖了从产品诞生到消亡的产品全过程的、开放的、互操作的一整套应用方案。它通过实施一整套的业务解决方案，把人、过程、和信息有效地集成在一起，作用于整个企业，遍历产品从概念生成到最终报废的全生命周期，支持与产品相关的协作研发、管理、分发和使用产品定义信息。从技术角度，PLM是一种对所有与产品相关的数据在其整个生命周期范围内进行管理的技术。因此，PLM与产品数据管理（Product Data Management，PDM）的关系密不可分。一方面PLM来自于PDM，是企业信息化系统向柔性化、集成化、智能化发展的必然；另一方面，PLM自身的特征——强调对企业产品全生命周期内数据的管理(尤其是对产品全生命周期内跨越供应链的所有信息进行管理)强调能够实现在多功能、多部门、多学科、多协作供应商之间的紧密协同，强调以其为基础（而不是侧重于实现与其它系统的集成）来实现整个企业的信息化，以及强调对企业智力财富的充分再利用等——使得其与PDM有着本质的差别。

    作为以产品为核心的商业战略，PLM以PDM为支撑平台，并结合其它技术和业务方案(例如，协同产品商务、视算仿真、企业应用集成、零部件供应管理等)，沟通了在延伸的产品定义供应链上的所有的OEM、转包商、外协厂商、合作伙伴以及客户。与此同时，PDM除了自身核心功能的不断发展和完善之外，也在不断融合产品协同商务（Collaborative Product Commerce CPC）协同产品定义管理（Collaborative Product Definition Management CPDM）以及PLM的理念和思想，不断地拓展自身的外延，向面向全生命周期数据管理和业务协同方向发展。

   1、面向PLM的PDM技术分析

    1.1支持并行工程的PDM技术

    产品的竞争力是PLM强调的重点。并行工程作为一种集成地、并行的设计产品及其相关过程的系统化方法，可以有效地缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。随着并行工程概念的提出以及方法和技术的逐步成熟，对PDM技术提出了新的要求；同样，支持并行工程的PDM的实施又成为实现并行工程的关键。

    早期的PDM技术主要针对图纸文档管理，能够对静态的产品支持数据（如工业标准、标准件数据等）和产品设计数据（如产品图、BOM表、工艺文件、NC代码等）以及一部分动态的产品过程数据（如设计数据的变更、审批等信息）作一定程度的管理；而对于支持并行工程的PDM而言，除了满足上述功能之外，PDM系统还需要将并行工程中涉及的活动、人员、数据和应用工具4大要素有机的结合起来，为并行工程的实现提供一个集成框架。相关研究主要集中在4个方面：对活动流程管理的支持，对人员配置的支持，对异构产品数据的存取管理的支持，以及对应用系统工具的支持。

    1.2基于Web的PDM技术

    随着Web技术的不断发展和对象关系数据库的日益成熟，PDM的发展从最初的采用简单的C/S结构和结构化编程技术，正在向基于Java、采用B/S结构的Web机制方向发展。

    基于Web的PDM系统具有较强的访问能力和应用能力、可以有效地连接供应链并且改善供应链协同、支持项目团队的异地合作、并且使虚拟联盟以及敏捷制造成为可能。当前，几乎所有的商用PDM系统都支持通过Web方式访问和操作产品数据如MatrixOne、Windchill、TeamCenter等都是以Web浏览器为客户端。

    尽管如此，基于Web的PDM技术仍面临着一些挑战，如信息传输速率的限制问题、数据信息在传输过程中的错误处理机制问题，以及供应链之间的信息一致性和安全性等问题。

    1.3支持供应链管理的PDM技术

    在虚拟企业中，一个组织要与它的供应商、合作伙伴和其他成员加入到供应链中。工程信息需要在虚拟企业内被不断的交换。PDM中各个系统间的通信和数据交换，使得产品开发时OEM间能进行合作，并能随时在整个供应链中得到产品信息。因此，支持供应链管理的PDM系统将在两个方面拓展自身的技术外延，工程数据库和工程合作。

    工程数据库负责管理技术数据，能够提供其它系统的有关参考信息，应具有灵活性、易适应性和易运行性等特点。当前的趋势表明，PDM技术将是企业内部知识管理的一个重要部分。下一代PDM系统能够管理与信息和技术知识密切相关的项目和过程。

    工程合作作为电子商务的一种形式，使得多个企业通过动态重组后能够在线合作虚拟企业的工程合作。需要支持协同工作，因此计算机支持协同工作（Computer-Supported Collaborative Work CSCW）解决方案将会与PDM技术集成，通过提供智能的、分布式的虚拟合作框架，实现一个具有连接分布式开发环境功能的、在线交互式的、可编辑产品三维模型和相关信息的可视化协商会议。此外，工作流程技术作为一个对开发过程提供全面、系统支持的重要工具也将在虚拟企业的工程合作中与PDM技术进一步紧密集成，使得整个异地工程合作更加高效、敏捷。

    1.4面向虚拟制造的PDM技术

    虚拟制造模式下的产品即为虚拟原型(Virtual Prototype VP)。虚拟原型技术是指围绕产品从概念设计、构型设计、详细设计到生产、维护、报废等产品全生命周期，通过计算机描述的可视化原型，从产品设计师、决策者、制造商、销售商、到最终的用户群等对制造系统及产品的制造过程进行全方位观察、体验、分析和操作，实时分析和评估产品的性能和可制造性，分析制造系统的行为能力、控制优化与决策能力等诸多复杂性问题，并通过涉及中的评估反馈信息不断的指导设计，保证产品寻优开发过程的顺利进行，以提高产品的市场竞争力。

    因此，面向虚拟制造的PDM技术就涉及对所有与虚拟原型相关的信息和过程的管理。产品数字信息的来源，特别是在虚拟环境中产生的产品相关信息（如触觉信息、虚拟试验信息等）都远远超出了以前PDM系统的管理范围；同时，虚拟制造过程的管理也比单一企业的制造过程的管理要复杂得多，表现在：(1)虚拟制造环境的分布性：经济的全球化以及竞争的压力使得在一个企业内实现所有的VP技术十分困难，企业通常在保证自身拥有局部竞争优势的前提下需要寻求合作伙伴来提高整体的市场竞争力以及能够迅速的响应市场的变化；(2)虚拟制造环境的异构性：不同的企业在基础层和应用层存在的差异已经构成了事实上的异构工作环境。当前STEP中性产品信息表达以及基于CORBA规范的网络通讯成为PDM技术的研究热点；(3)异构信息的共享：虚拟制造系统涉及大量的与虚拟原型相关的数据，这些数据是分散的、异构的、如何保证不同企业或不同部门的人在正确的时间以正确的方式获得正确的信息是关键问题。

    2、面向PLM的PDM产品分析

    在PLM理念提出后，涌现出不少PLM厂商。然而，由于PLM和PDM的渊源关系，绝大多数的PLM厂商都来自于PDM厂商。有一些PDM厂商已经开发出成体系的PLM解决方案，比较成功的实现了从PDM厂商向PLM厂商的转变，如EDS、IBM等；也有一些厂商（如SAP、BAAN）基于ERP提出了自己的PLM解决方案。本文将分析当前市场中具有代表性的PDM产品的技术特点以及在PLM战略背景下的技术演变过程。

    2.1Windchill

    在PTC的PLM解决方案中，Pro/E是其基石，Windchill由最初的PDM产品演变为现在的PLM平台。一体化体系结构和统一的数据模型是Windchill的特点。Windchill通过Windchill Info*Engine技术实现以Web为中心的一体化体系结构。该结构始于一个CAD-Agnostic企业数据模型方案,可不依赖于数据的源格式来存储、管理和配置MCAD数据、ECAD数据及可视化数据。这种一体化体系结构可作为记录系统来管理全数字化产品，能够最有效地组合和利用完全数字化的产品数据和关系模块，从而实现对复杂PLM过程的跨模块支持以及较低的应用程序维护成本。

    除了PDM原有的基本功能之外，为了在PLM的不同阶段提供针对性的方案，从而快速实现PLM系统的部署，PTC在Windchill平台上开发了系列解决方案，包括产品数据管理、设计协作和项目管理、动态设计配置、零件管理以及制造协作。目前Windchill Link系列解决方案包括Windchill PDMLink、Windchill ProjectLink、Windchill Dynamic DesignLink、Windchill PartsLink Windchill SupplyLink等产品模块。

    Windchill体系结构由3层组成，如图1所示，分别为是客户层、应用和数据层、以及集成层。在客户层，Windchill基于HTML及JavaApplet技术，使用户通过浏览器就可以访问Windchill的各个功能模块；应用和数据层是一个Java应用服务器，用来处理业务逻辑、数据访问、系统管理以及相关的安全服务等，其中数据区主要包括提供产品结构及其数字产品内容的数据模型；集成层由各种消息服务组成，通过XML、SOAP、WSDL、JMI、JNDI以及专用APIs与企业内、外部应用系统集成。

    2.2MatrixOne

    MatrixOne（也称eMatrix）作为PDM发展到CPC阶段的典范，提供了一套协同产品开发的工具集。开放的客户化环境和实用的辅助开发工具是MatrixOne的最大特点。

    MatrixOne系统由一个公共平台和一系列的应用模块（如系统管理工具、数据建模工具、Web合作服务、应用接口等）组成。MatrixOne并没有提供多少现成的流程或类结构仅提供了一个以类型（Type）为中心的面向对象信息模型。MatrixOne中以type为中心的信息模型清晰的反映了系统组织模式。这种组织方式结构清晰，所受约束少，但工作量更大。正因为如此，MatrixOne又提供了一系列面向业务过程的应用模块，即价值链组合（value chain portfolio）主要包括团队协工作模块MatrixOne Team Central、PLM范围内的文档管理和共享模块MatrixOne Document Central、项目管理模块MatrixOne Program Central、产品信息管理模块MatrixOne Engineering Central、产品定义和配置模块MatrixOne Product Central，以及基于Web的供应商合作模块MatrixOne Supplier Central等。

    由于采用了基于构件的标准化技术（J2EE），MatrixOne支持CORBA、RMI、EJB这3种方式的软件开发通过MatrixOne提供的应用开发工具可以实现广泛的来自不同域应用的集成MatrixOne自身提供了MQL（eMatrix Query Language）语言可实现对象管理等数据库操作并支持TCL/TK、Java以及C++接口。

    2.3TeamCenter

    TeamCenter作为企业级PDM的代表，设计思路与MatrixOne不同，它通过尽可能多的提供符合实际需求的功能，以减少客户化时的工作量。但辅助开发工具不多，在系统开发时一定程度上受到已有功能的约束。

    TeamCenter主要包括以下模块组成：支持虚拟企业的产品信息管理模块TeamCenter Collaboration Foundation，基于Web的零件及其文档管理模块TeamCenter Product Collaboration，支持中性CAD数据格式的产品设计合作模块TeamCenter Design Collaboration，项目管理合作模块TeamCenter Project Collaboration，需求管理模块TeamCenter Requirements Collaboration，以及支持系统集成的企业合作模块TeamCenter Enterprise Collaboration。图2是TeamCenter面向PLM的应用框架。

    TeamCenter提供以Root为根的类层次结构，通过为类增加属性、在不同类之间建立关系，为类或者对象定义消息以及处理消息的方法来组织整个系统，系统中各业务对象或数据对象都是类的实例。TeamCenter采用STEP标准作为异构产品数据模型的交换协议，集成方案采用与J2EE兼容的企业应用服务，提供基于XML的数据映射机制、事件驱动的消息传递机制，及基于Web的客户访问机制。在接口方面，提供基于C的MODeL(Metaphase Object Definition Language)语言同时支持C++、Java等。

    2.4ENOVIA

    作为IBMPLM战略的合作伙伴，DassaultSystemes为各种企业提供电子商务解决方案，帮助他们实施自己的数字化企业战略。与SmarTeam不同，ENOVIA专注于帮助企业管理数字化产品、流程和资源的综合性模型、协作模型及分布式模型。与CATIA和DELMIA等一道，通过整合式集成，为实现数字化产品生命周期管理开辟了一条通道，并能支持企业知识的重用。

    ENOVIA由3个不同的软件包组成：ENOVIA PM、ENOVIA VPM和ENOVIA LCA。ENOVIA PM为需要优化和组织产品开发数据和流程的产品规划者、设计专家和管理人员，提供强大的经营流程。ENOVIA VPM面向需要访问和管理开发项目的开发人员和技术专家，通过使用ENOVIA 3dcom浏览器，用户可以全面访问产品发数据。ENOVIA LCA提供现成的、基于角色的应用，满足基于工业实践的端到端（end-to-end）的整个产品生命周期管理，从最初的产品规划开始，贯穿概念设计和详细设计，服务需求，直至允许跨企业快速构型。ENOVIA LCA综合了几个产品线，在虚拟产品数据管理方面，包含ENOVIAV PM。而在PDM方面，则包含ENOVIA PM。基于通用的产品过程资源（Product-Process-Resource，PPR）模型并同时跨越两个域确保了ENOVIA LCA能够在整个企业范围内实现产品数字原型和三维产品设计知识的配置。

    3、PDM技术的演化趋势

    由于PDM所涉及的内容较广泛，目前还没有公认的、一致的关于PDM的系统化理论，甚至关于PDM的定义都存在分歧。从最初的图档管理、到产品开发过程信息管理、再到支持虚拟制造过程的集成和协同、以及现在的面向PLM的全生命周期信息管理，PDM技术自身不断的发展已经远远超出了信息系统和数据管理方法的范畴。通过PDM系统的集成能力，使之在PLM战略中承担更为重要的作用，将是未来PDM技术发展的必然趋势。

    1)、协同合作

    支持协同合作不仅要求PDM系统扩展新的产品数据管理功能，而且还要求PDM系统能够将已经存在的功能有机的集成在一起，并通过Web方式提供跨越内、外部防火墙的接口。在当前许多商业PDM产品中，“协同合作”模块已经演变为PDM系统标准模块的一部分。

    2)、产品结构管理

    大量应用于设计和制造活动中的产品结构管理在制造业的产品数据管理中一直扮演着重要的角色。在PLM战略的影响下，PSM将对贯穿产品全生命周期内的各种类型的产品结构（如产品设计结构、产品制造结构、产品交付结构等）提供进一步的支持。PSM对于产品制造活动的支持是当前的研究热点，主要集中在BOM的使用以及如何处理变型产品等问题。另一个值得关注的问题是，在企业内部的不同部门，由于对产品结构分解的出发点不同(如设计人员将产品分解为系统、子系统、部件等而制造人员则对产品进行装配分解)，造成了一个产品存在多个结构视图。如何统一不同的产品结构视图则将对PDM技术的发展产生影响。

    3)、产品配置管理

    在订单驱动的市场环境下需要企业对订单做出快速反应产品配置管理负责产品结构配置以及相关的生产过程配置即决策何时以及如何生产满足客户需求的产品随之而来的挑战就是产品控制问题和产品预测问题订单驱动所带来的是大量的变型产品当前的BOM组织如何能够无冗余的管理这些变型产品结构信息以及如何动态调整生产过程以提高响应市场变化能力的敏捷性是研究的重点由于产品配置管理所需数据与ERP密切相关因此PCM与ERP系统的集成就变得十分重要为PDM系统提供ERP集成接口功能已成为商业PDM产品的发展趋势也许这正是基于ERP所提出的PLM解决方案的优势所在。

    要想使产品信息在PDM系统中很好的被各个应用系统共享，以及被广义企业中其它PDM系统及应用共享，PDM系统中的模型必须同时考虑数据、过程、组织和资源。由于涉及范围广，使用的工具繁多，致使很难构造出满足所有要求的统一的数据模型。产品模型数据交换标准（STEP）虽然是一个面向产品全生命周期数据描述的中性标准，但由于其体系庞大、应用复杂、并且覆盖的内容和PDM需要管理的内容在范围和抽象层次上存在较大差异，造成完全基于STEP标准来开发PDM还比较困难。通过使用STEP标准和PDM使能规范（PDM Enabler）通过CORBA或DCOM技术，可以在一定程度上解决不同PDM系统之间以及PDM与不同应用系统间的信息交换和互操作问题。

    4、结束语

    PDM技术随着用户需求和IT技术的不断发展而发展，在以产品为核心的商业战略PLM的推动下，PDM作为跨企业的支持整个产品生命周期的产品开发的支撑平台已是不争的事实。高效的整合制造资源、支持并行工程、支持供应链管理、支持虚拟企业异地协同开发、制造和管理将是未来PDM系统必须具备的功能。

    产品信息模型及其标准化、工作流和过程管理、产品协同定义和全生命周期管理、以及采用中间件和基于构件技术（如J2EE、NET、CORBA）等标准化方法以提高系统的柔性和可扩展性，将是PDM技术发展的趋势。同时，如何针对不同的企业特点进行不同的PDM系统的配置和实施，以及在PDM的开发和实施过程中如何与软件配置管理（Software Configuration Management，SCM）集成都是需要进一步研究的内容。

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