1 概述

    经济全球化和工业信息化使制造业的企业组织模式、竞争环境和活动空问发生了深刻的变化。企业所生产的产品越来越复杂，涉及的学科、部门越来越多，企业的生产逐渐转变成按订单安排生产的方式。同时随着信息化过程的深入，整合企业内部甚至企业之问信息化资源的需求越来越强烈，因此，迫切需要对产品的设计过程进行全面管理。为了应对这些变化，产品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)的思想顺时而生。

    PLM是指管理产品从需求规划、概念设计、产品设计、工艺规划、生产测试、销售以及售后服务全生命周期中的信息与过程。

    本文根据PLM的思想要求，在分析企业业现状及需求的基础上，设计了面向PLM的产品设计资源集成方案。

2 PLM的概念及定位

    近年来，各大软件商纷纷推出了自己的PLM解决方案。虽然他们对PLM的描述、系统架构和实现方法各不相同，但是PLM的管理思想是一致的：

    (1)协同：即把以前那些只针对单点的解决方案(如CAX，SCM，ERP等)都很好地协同起来，在统一的环境下管理企业的一切智力资源，并且使企业目前已有的方案、工具和资源更充分地发挥作用。

    (2)深化集成：传统的对接式集成提供剐性的、单纯化的信息之间的联合性，已经不能满足现代企业的需要，而提供上下文关联式的、更宽泛和更柔性的联合性信息是信息化发展的必然要求。

    (3)持续发展：企业的信息化发展应该与企业的发展同步。这就要求信息化系统具有一定的灵活性和扩展性，减少企业因自身发展而升级信息系统的代价，使企业已经使用的系统和工具具有长期的生命力。

    以上3点即是企业未来信息化的发展趋势，也是企业为了适应新环境而采取的一种生产组织理念。因此，面向PLM的产品设计资源集成系统可以定义为：一个面向产品生命周期、管理全过程数据、支持多系统协同工作，并能反映产品实时状态与历史变化的管理平台。

    面向PLM的设计资源集成系统是一个环境，而不是一件产品，包括基础技术和标准(如XML、产品模型、协作和企业应用集成)、信息生成工具(如CAX和技术发布)、核心功能(如数据仓库、文档和内容管理、工作流和程序管理)、功能性的应用(如配置管理J以及构建在其他系统上的商业解决方案。

    设计资源集成系统旨在构建一个企业组织之上的基础设施环境，这个基础结构支持企业组织并行行为，为产品设计开工提供一个可快速改变的数字计算环境。

3 需求分析

    设计和生产是制造企业的2条主线，如图1所示，其他活动都围绕着这2条主线发生。

    企业发展需要做好开源和节流两方面的工作。开源必须设计并生产出适销对路的产品，节流则要求企业合理运用资源、降低产品成本。完成这2个目标不仅要提高产品技术创新，还要优化组织生产关系。

图1. 制造企业中的组织结构和流程

    产品由设计到生产的过程中，随着各阶段和过程的推延，产品的功能、性能、技术指标、部件结构、几何形状、材料工艺、制造资源等技术信息相互传递、相互影响、相互制约，并通过设计过程的不断迭代，产品知识螺旋上升，逐渐融合，最终形成完整的产品设计。而在产品生产、销售过程中，产品的质量、成本、价格、销量以及采购、销售等过程中形成商务信息逐步、逐层反馈。决策部门根据反馈信息再来制定产品的设计与生产策略，最终形成一个闭环的产品生命周期。

    另一方面，企业实施了多种信息系统，对企业不同层面的业务进行优化管理，并且积累了大量的产品设计数据、制造数据、质量数据、售后服务数据等。从流程角度看，企业中各种信息系统没有有效的相互沟通。不能达到协同工作的要求。姨产品数据的角度看，这些数据缺乏一个可靠的可以普遍访问到的、最新、最准确、最完整的产品信息源。因此，企业希望能够通过解决这些问题开拓潜在业务，整合设计资源。这些需求可以归纳为以下4点：

    (1)建立分布式数据管理平台，对产品设计制造各个阶段相关的异质多样的知识和数据载体进行管理。

    (2)建立完整的产品模型，用户能够利用导航工具，沿产品结构树来访问产品生命周期各阶段的数据，并在此基础上展开描述部件的文字形式和图形形式的产品定义数据。

    (3)建立产品导向的设计管理过程、基于项日管理的开发系统、可视化协同社区，以技术研究院为中心，集成各事业部、供应商、合作伙伴的协同产品开发环境，达到按定单设计的快速产品开发。

    (4)建立基于知识技术的信息管理方法，如知识的获取、组织、传递和再利用，以更好地提取和重用知识的内容，满足产品敏捷定制设计过程对知识管理的需求。

4 系统建模

    企业业务的各个要素间的关联异常复杂，只有对企业的诸要素及其关联的本质进行分析，建立完整、合理、清晰、有效的描述体系，才能为系统的设计和实现提供坚实的基础。建模过程采用面向对象的方法，将企业的设计过程划分成3个要素：实体，功能和流程。

    实体是对企业成员的描述，分为2种类型：主体和客体。主体是指有自主行为的企业成员，如设计人员、组织(部门)、试验设备等。主体具有一定的智能，能够感知环境变化并完成一定的功能。客体是主体的操作对象。即数据。功能表示主体如何处理对象，即如何处理数据。如果把一个主体执行特定的功能，对某一个客体进行操作定义成一个活动，则流程是指在产品生命周期中不同阶段与产品相关的一系列活动的有序集合。活动模型是离散的，强调数据的截面。而流程模型是连续的，强调数据生命周期。

4.1 实体、功能与活动模型

    (1)主体：产品生命周期中涉及的主体可以是人员、组织或试验设备等企业资源。主体具有层次性，例如人员可以构成组织，组织也可以包含设备，所以在模型中规定主体是与一定功能对应的不可分割的资源集合。

    (2)数据：是指包含产品信息的载体，在企业中以多种形式存在。数据也具有层次性，可以分为编码层、逻辑层和语义层。

    1)数据格式(编码)：定义数据在系统中的存储和表达方式。

    2)数据结构(逻辑)：定义数据在系统中的组织结构(如BOM实现方式可以是树结构或链结构来实现)。

    3)表示内容(语义)：定义数据在不同的系统或学科间的含义(如设计BOM与制造BOM中的关系可以分别表示结构关系和工艺关系)。

    (3)活动：如图2所示，主体、数据和功能构成了唯一的活动。

图2. 活动与封闭数据集

    在设计过程中功能与数据的联系更加密切，因此，为了简化模型，把功能与数据相结合提出了封闭数据集的概念。即特定的数据集合以及定义在这些数据集合上的操作，并且对数据执行所定义的操作后的数据仍属于这一数据集合。如CAD文件和CAD系统可以看成一个封闭数据集；BOM以及对BOM的增加、删除等操作也可以看成一个封闭数据集。

    (4)集成：在上述模型的基础上，集成的概念就变成了为一个主体增加一个功能用来访问特定的数据，或者主体调用封闭数据集的操作。通过对设计过程的分析。设计过程中的集成主要包括：

    1)同质系统间的协同(横向)：在产品生命周期的同一个阶段中。多个部门协同地进行产品不同模块的设计、规划，如设计阶段多个同类CAD问的数据共享、设计协同。

    2)同一业务流程内的协同(纵向)：如CAD与CAPP的数据共享、业务集成和知识传递。

    3)不同业务流程间的协同：ERE PLM或SCM之间的集成，包括数据共享、数据转换、业务集成。

    4)供应链中企业间的协同：包括产品数据共享、采购、库存等业务集成。

    就数据而言，集成可以在编码层、逻辑层和语义层分别实现。但目前数据集成大多建正在编码层，通过中央数据库或数据接口的方式集成。编码层集成的缺点是需要做大量的工作建立接几或转换数据，并且业务人员难以参与和理解。逻辑层的集成可以通过构件化系统实现，有利于数据的重用，但是对于逻辑已经固化化的现有系统，集成起来需要逻辑转换。语义层的集成需要建立在知识表述的基础上，支持系统间的知识共享和传递。

    (5)协同BOM模型：要达到面向全生命周期的管理，用户必须能够利用导航工具，沿产品结构树来访问产品生命周期各阶段的数据，并在此基础上展开描述部件的文字形式和图形形式的产品定义数据，所以需要建立一个以产品为中心的产品数据模型。为此，本文设计了如图3所示的基于总线结构的协同BOM的结构。

图3. 协同BOM结构

    协同BOM的结构是在产品总线的基础上挂接不同的封闭数据集，可以理解为面向产品的数据集成。协同BOM中，产品总线提供面向产品的上下文关联，使一个领域的创造性的活动对整个环境具有完整的意义，封闭数据集提供数据的问和操作接口，可以实现更宽泛和更柔性的联合性。

4.2 协同工作模型

    流程被定义为一系列活动的有序集合，其中活动定义了“做什么”、“怎样做”，“由谁做”，而有序集合则呵以分成活动序列、规则和消息，用来完成对活动的动态管理。例如设计过程中的更改流程如图4所示。

图4. 设计更改流程设置界面

    更改完成后提交更改，就会自动在系统中申报，并根据需要通知相关人员，进行进一步校核、审核、会签、审定、批准等，最终将文档自动归档入库，并根据需要修改相关的设计文档。

    (1)活动序列定义流程的活动节点以及节点之间的顺序并完成时问控制。图4中自定义流程上每一个节点代表一个活动，表示某一个组织(主体)对数据(客体)执行相戌的操作。

    (2)规则定义节点间的协作模式和流转条件，并用来控制活动的启动和判断活动的停止。规则模型以XML的形式存于规则库。如会签结束后，根据会签活动的返回值来判断流程的走向规则可以表示为IF-ELSE流程。

    (3)消息模型定义数据的表现方式和传递方式。图5中消息包括3个部分：1)传输封装：定义消息的身份标识和传送方式。2)控制封装：表示远程过程调用和应答的协定，即如何处理消息的框架。3)数据体：用于表示应用程序需要使用的数据实例以及数据类型。

图5. 消息的结构

    消息从发送端到接收端的单向传输，或者与程序结合起来执行类似请求／应答的模式。数据发送方使用标准的通信接口序列化引擎来实现数据的序列化，即将数据实体封装为标准的消息格式。消息中所使用的数据实体代表业务领域中的实体，就像消息约定一样，可以通过修改消息模板来改变消息成员或语义。

5 系统实现

    某航天设计院是我国集成发射平台的主要设计与生产单位，产品包括车辆平台、发射控制装置、箱体及航天器等多种机电一体化没备。设计院下属多个研究所、室和生产车间负责多种型号器材的没计与制造。笔者针对航搴制造业产品型号多、技术复杂、用户要求高的特点，设计了面向PLM的产品设计资源集成系统。系统在协同BOM模型与工作流技术的基础上，结合项目管理方法，支持产品导向设计管理，实现了产品生命周期各阶段协同进行。而图形化的工作流管理系统是设计过程正常运行的技术支撑，它使分散地域的信息流、知识流集成成为可能。主要功能包括型号计划建立、任务分解、项目管理、进程监控、项目维护等。

    为了更好地实现系统的灵活性和扩展性，在设计系统时采用面向方面的设计(Aspect Oriented Programming，AOP)模式，在系统模型的基础上将系统构建为4个模块：数据模块，支持模块，接口模块，应用模块。图6所示为系统模块与模型及业务模块的对应关系。

图6. 系统模块与业务、模型的对应关系

    系统模块各层级的功能如下：

    (1)数据层：数据模块足整个设计资源集成系统的核心，借助Oracle9i等数据库和文件管理系统作为底层数据支持。数据模块管理着分布于不同地点的异构数据源，并通过封装实现对接口层的透明和数据源的热插拔。

    (2)接口层：对数据访问框架的封装集成，支持各子系统对接口的定义和扩展，从而满足各应用系统访问数据的要求。主要包括联结数据源信息、数据转换的描述、对象和数据池管理、用户访问权限和日志管理等。

    (3)支持层：主要完成项目管理、工作流控制和软件模块配置的工作。

    (4)应用层：包括CAX系统、办公自动化系统、供应链管理(SCM)、客户关系管理(CRM)、企业资源规划(ERP)等。

    AOP模式分解系统需求以确定横切关注点和公共关注点，分离了一般设计过程的一些通用功能，例如文档管理、事务机制、安全机制以及动态对象库或流程状态等性能优化机制。这些功能机制是每个应用系统几乎都需要的，因此，可以从具体应用系统中分离出来，形成一个通用的框架平台，如图7所示。

图7. 产品设计资源集成系统体系结构

    该系统在综合计划处的牵头下，在院部、工艺研究所等单位先后实施，实现了各分单位的统一数据源和流程的自动化。目前，院内几乎全部的霞要型号数据的设计都在系统的管理之下，相比以前的型号，设计周期缩短了50％，产品出错率降低了30％，同时管理的型号从过去的2-3个品种增加到7-9个品种。

6 结束语

    PLM是一个以产品为核心韵管理模式，它应用一系列的商业解决方案来协同化地支持产品定义信息的生成、管理、分发和使用，以便高效地把产品推向市场。然而设计是一种创新性活动，如何开拓潜在业务，整合现在的、未来的技术和方法，并在此基础上进行对创新性管理、知识管理、智力资源管理进行复杂性分祈与评价是PLM需要进一步研究的工作。