工業產品開發過程中的PDM技術

摘要:介紹了產品資料管理技術產生的歷史背景及其定義 ， 分析了產品資料的特點，並介紹了實現產品資料管理的3種方式，重點介紹了基於並行工程的產品設計過程的資料管理體系結構。最後展望了產品管理技術的發展前景。

 

概述

隨著計算機技術、自動控制技術和網路通訊技術的迅猛發展，使得現代製造技術和生產管理方式發生了根本性的轉變，以 CAD/CAF/CAM 整合技術為核心 ( 簡稱 VC3 技術 ) 的製造模式正迅速成為產品開發、生產的主流方式，整個的開發過程人們開始變序列過程為並行方式，以動態最佳化方式處理產品開發過程中的問題，力圖使產品開發人員從一開始就能考慮到產品從概念設計到產品報廢的整個產品生命週期中的所有因素，包括質量、成本、作業排程及使用者需求等。

 

因此，並行操作已經成為先進的產品開發的重要特點，而各種工程技術人員可在同一個產品模型下進行各自相關的產品開發。要完成上述過程就需要實現資訊的共享，資訊共享是企業進行生產過程自動化的基礎，這就是產品資料管理技術產生的必然技術背景 !

 

1   產品開發過程中的資料特點

產品開發過程可以分為若於個小的階段，例如可分為規劃、設計、計算、生產加工和測試裝配等階段。在這些過程中要產生大量的資料資訊，由於各階段要求解決的階段性任務不同，所關心的資料資訊也各異，但整體上又相互聯絡，常需要長時間的計算才能獲得最終結果。

 

另外，一個設計過程往往是一種反覆試探、調整的過程，設計者的操作主要是一種實時性的互動處理，對響應速度和使用者介面要求比較高。因此，產品資料既有靜態的規範資料，又有隨著設計過程的展開而經過修改、不斷產生的動態構造資料、資訊增長資料、實驗性臨時資料等，資料結構複雜多樣，記錄資料項往往要根據產品物件而變化。

 

歸納起來，產品資料有如下特點 :

(1) 資料型別多、資料量大 : 產品資料包括的諸多內容中主要有兩類。一是設計環境資料，主要是設計環境規則、設計方法、標準元素、設計條件和需求等 ; 二是設計物件資料，主要是設計產品定義、設計約束控制、產品效能、生產要求、經濟核算、設計方案最佳化等。兩類資料中，都存在基本資料型別，同時又存在非結構化的變長資料，如變長字串、圖形、影像、運動影片和聲音資訊等，因此，只有具備多種媒體資訊的表現方式，才能生動逼真地表現產品資訊。

 

又由於產品物件本身的系統性和長過程的固有特點，使得產品資料量龐大而複雜，即使是較為標準的資料，如設計規範資料、標準公差、結構要素、材料和零件、技術規範等，其資料量也是很大的，這些客觀因素都要求產品資料庫具有大容量、多品種資料儲存和快速處理能力。

 

(2) 資料動態性 : 產品資料一般具有靜態資料部分，即事先準備好的用於指導實際的資訊，如設計規範等，但更為重要的是動態資料，即在產品設計過程中隨設計行為展開而動態產生、並且直接關係到最後結果的資料，如結構分析計算、力學模型、零件圖形等，又加工藝規程、方案處埋、技術文件處理等，所以用以儲存產品資料的結構模式也具有動態構造性質，直到產品物件最終結果生產出來才能構造完成。

 

(3) 資料結構複雜 : 產品資料在隨著過程展開而動態形成發展的同時，所帶來的文體間的關係是複雜多樣的，呈現網狀結構，又分層次之分 ; 分層設計不僅有層次結構，而且對於不同的設計物件的層次數目也不一樣，在每個節點中，有時可能本身就具有複雜的結構特性。而產品中關於知識和規則資料的表示和存取，其結構關係就顯現出更加紛繁複雜的景象，特別是許多事實知識 ( 如設計和生產案例、經驗等 ) 本身就存在描述的模糊性，個別設計物件或管理物件又具有複雜的邏輯聯絡和不確定性推理。對這種非標準資料的定義和操作是相當困難的。因此，產品資料結構複雜。

 

(4) 過程存取和隨機存取方式 : 產品資料主要是過程存取，因此事務管理也是面向長事務的。產品設計通常要延續很長一段時間，對資料不僅僅是簡單的查詢或大量的提取資料，所提取的資料往往要參與設計過程產而設計過程又要使用多方面的相關資訊，並且新產生的結果 ( 包括對已有設計資料的修改 ) 要作為事務提交併加以儲存。

 

同時，由於產品設計是一個試探性過程，其有反覆性、嘗試性和發展性，如有些設計是對經典範例的修改，而有些設計可能有多種可選方案，這就要求能保留和管理設計的歷史、不同設計方案和動態變化的模式等等。此外，產品資料執行方式上還有版本控制的要求。因此，產品設計中有總體資料、各專業資料、縱向關聯資料和橫向關聯資料，在一個整合系統中，隨機存取的資料量很大。

 

2   產品資料管理的概念

PDM(Product   Data   Management ，產品資料管理 ) 技術最早出現在 20 世紀 80 年代初期，目的是為了解決大量工程圖樣文件的管理問題。過去，工程師們常常要扎到資料堆中，花費很多很多的時間去尋找本應唾手可得的資訊。為了解決大量工程圖樣的管理問題，透過使用圖形掃描技術等把工程圖樣轉換成電子影像，並用軟體實現對這些電子影像的瀏覽和修改，重新生成新的工程圖樣，這種軟體就是 TI PDM 的雛形。

 

隨著文件儲存技術的發展，軟體管理的物件型別逐漸拓寬，開始處理大量的異構文件 ( 如 CAD 圖形、影像、字處理檔案等 ) ，而且結合企業的實際，開始在計算機上模擬企業中頻繁進行且容易被延誤的“更改單”的管理過程，這類管理逐漸擴充套件到產品開發過程領域中，如設計圖樣和電子文件的管理、自動化工程更改單的管理、材料清單 (Bill  o f   Material,BOM) 的管理等。最近 幾 年， PDM 發展極為迅猛，它所支援的應用範疇也越來越廣。

 

在產品開發整合化過程中， PDM 是不可缺少的軟體支撐環境，它是連線整合化環境中人員、工具、資訊、過程的橋樑和紐帶。 1995 年 2 月，專門從事 PDM 和 CIM 相關技術諮詢業務的 CIM   Data 公司總裁 ED   Miller 在“ PDM   Today ”一文中給出的 PDM 的定義是： PDM 是管理所有與產品相關資訊和過程的技術；與產品相關的所有資訊是指描述產品的各種資訊，包括零部件資訊、結構配置、檔案、 CAD 檔案、審批資訊等；與產品相關的所有過程，即對這些過程的定義和管理，包括資訊的審批和發放。這一定義意味著 清軟英泰 TI PDM 將在工業上有廣闊的應用前景。

 

1995 年 9 月 Gartner   Group 公司的 D . Burdick 在所作的“ CIM 策略分析報告”一文中將 PDM 定義為： PDM 是為企業設計和產生構築一個並行產品藝術環境 ( 由供應、工程設計、製造、採購、銷售與市場、客戶構成 ) 的關鍵使能技術。一個成熟的 PDM 系統能夠使所有參與建立、交流、維護設計意圖的人，在整個資訊生命週期中自由共享和傳遞與產品相關的所有異構資料。

 

該定義確切表明了 PDM 與並行工程之間的聯絡，這裡，“異構資料”是指由於產品設計所涉及的知識構成越來越複雜，各領域專家藉助不同的硬體、不同的作業系統和不同的應用軟體工具參與設計，所以，產品資訊往往要由不同的軟體供應商提供的多種應用軟體系統生成或使用，這樣就會產生型別各異的設計資料；又由於參與設計的人員可能分屬不同的部門甚至是不同地域，設計活動的分散性使資訊存放在不同的部門或地點。“與產品相關的過程”指的是產品的開發過程、產品變更過程和其他的工作流程等。

 

3   PDM 的結構

在物理結構上，傳統的 PDM 採用分層結構。上個世紀 80 年代以前廣泛使用的是單層結構，單層結構的典型特點是 GUI(Graphic   User   Interface ，圖形使用者介面 ) ，處理邏輯和資料儲存作為一個整體包含在系統中。

 

90 年代中期流行兩層結構，這種結構把應用程式分成兩層：客戶層和伺服器層，使用者介面和處理邏輯駐留在客戶端，而與其相關的所有資料則存放在伺服器端。其最大的特點是客戶端的簡化，通用的客戶端瀏覽器只是一個顯示介面的工具，而主要的業務邏輯全都放在 Web 伺服器中進行處理，這個特點使系統的安裝與維護特別的方便，只需要改變伺服器端，就可以實現整個系統的更新、維護。

 

但是， Web 本身沒有提供一個良好的開發方式，它僅是一個執行的模式，按照現在普通的 Web 開發方式，即使用 C 編寫 CGI( 公共閘道器介面 Common   Gateway   Interface) 程式，開發還是比較困難的；而且由於業務邏輯程式都在伺服器端執行，當應用範圍變得越來越複雜的時候， Web 伺服器的負載就會越來越重，因此，需要開發出分散式的 Web 程式來分散計算負載。

 

1996 年初， 3 層或多層結構的出現使計算機網路的應用發生了根本的變化，這一開放的、分佈物件的方法把客戶端龐大的程式又分成了兩個部分：使用者介面和邏輯處理，這種 3 層結構對使用者請求的響應和處理速度更快。

 

隨著分散式物件技術的逐漸成熟，多層分散式應用體系結構得到越來越多的應用。應用系統只有向多層分散式轉變，才能最終解決 Client ／ Server 結構存在的問題。在多層架構下，應用可以分佈在不同的系統平臺上，透過分散式技術實現異構平臺間物件的相互通訊，將應用系統整合於分散式系統之上，能極大地提高系統的可擴充套件性。

 

CORBA( 通用物件請求代理體系結構， Common   Object   Request   Broker   Architecture) 的出現解決了分散式計算的問題，它可以讓分佈的應用程式完成通訊的互操作。 CORBA 提供的 ORB(Object   Request   Broker) 機制可以使物件間透明地進行通訊和訪問。 ORB 作為聯絡客戶端與伺服器端物件的中介軟體，為產品異構平臺和異構系統之間的分散式互操作提供了一個有效途徑。不同的 ORB 之間可以透過 IIO P 協議進行通訊。

 

任何物件只要用 IDL 語言 (Interface   Definition   Language) 對其介面進行描述，就可以透過 ORB 訪問其它遵循 CORBA 規範的系統，而不需要考慮這些系統的物理位置、執行平臺以及具體實現，這就實現了訪問以及互操作的透明性，解決了產品資料分佈異構環境所帶來的一系列問題。

 

PDM 技術是對工程資料管／裡 (Engineering   Data   Management ， EDM) ，文件管理 (D ocu ment   Management ， DM) ，產品資訊管理 (Product   Informa - tion   Management ， PIM) ，技術資料管理 (Technology   Data   Management ， TDM) 、技術資訊管理 (Technology   Informant   Management ， TIM) 、影像管理 (Image   Management ， IM) 及其他產品定義資訊管理技術的一種概括性的擴充套件，新一代 PDM 系統融合了物件導向技術、網路通訊技術、客戶／伺服器結構、分散式資料庫技術與圖形化使用者介面。許多企業都把 PDM 作為貫穿整個企業的整合框架，是企業保持競爭力的戰略決策。

 

TI PDM 作為工程領域的整合框架，具有以下作用：

① 支援異構的計算機作業系統、資料庫與網路；

②採用物件導向的機制，提供物件導向的建模方法，具有良好的系統開放性與可擴充套件性；

③具有便捷的整合外掛功能，支援異構應用工具系統與 PDM 的整合，實現對工具的透明呼叫；

④提供產品全生命週期的串並行過程管理；

⑤提供對分散式資料的統一管理，支援資訊共享。

 

圖 1 是基於 PDM 的產品並行設計支援系統的體系結構 ( 圖中粗線框部分 ) 。其中， PDM 框架是面向網路分佈的設計開發團隊，由控制層、應用層、應用支援層與基礎環境層組成。

 

(1) 控制層：位於系統的上層，它定義產品並行開發的過程模型。並行工程中的資料管理是圍繞過程來展開的。過程決定了參與人員 (Team) 的組織方式、人員的職責和許可權、裝置資源的分配、應用工具的使用，以及決定何人應於什麼時候向什麼地方提交什麼資料。因此，在確定支援並行工程的產品資料管理框架的體系結構時，把過程作為最上層的控制，它透過相應的軟體操作介面定義可執行的設計過程，實現流程的最佳化。

 

(2) 應用層：是資料的生成器和接收器，它面向不同的應用領域，完成不同的任務 ( 如 CAx 、 DFx 等 ) 。它可透過相應的軟體應用開發介面，將物件封裝在管理框架中，實現應用工具與 PDM 的封裝或整合。

 

(3) 應用支援層：是資料管理的核心層，它一方面提供使用者操作介面，使使用者實現人員組織、產品結構和過程管理等定義和操作，另一方面它還提供應用開發介面，使使用者可以對已經封裝過的物件，進行產品資料模型的修改和補充，實現產品結構管理、應用工具封裝等使用者化任務。利用物件導向技術把所有工業標準模型和使用者化的模型，放置於圖形化的物件瀏覽器中進行統一管理，該層把網路、作業系統及資料庫遮蔽起來，使用者可以直觀、方便地操作整個環境中的資料物件。

 

(4) 基礎環境層：為上兩層提供支援，其中資料庫主要對後設資料 (meta   data) 進行管理，而網路主要為該框架的客戶機／ N . 務器 ( C ／ S ) 的體系結構提供支援。

 

為了保證產品全生命週期中上下游資訊的暢通、一致與共享， PDM 整合框架一方面需要管理與控制產品開發過程中產生的產品資訊；另一方面還要實現與不同應用系統的整合，這種整合包括兩個層次，其一為 PDM 系統與 CAx ／ DFx 工具的封裝與整合，其二為基於 PDM 系統的設計系統、基於 EPR 的生產計劃管理系統間的資訊交換。在此基礎上，為 IPT 中每個成員提供一個協同工作的環境，保證他們在異地環境下互相協作、適時交換資訊，加快產品的開發過程。

 

4 結論

結合上述並行工程體系結構，在一定的軟體環境中建立支援多功能並行開發的協同工作環境，對產品進行生命週期全數字化定義，實現資訊的完全計算機化管理；定義結構最佳化的團隊組織模式，分層建立資訊共享操作的許可權；提供與不同應用工具的分層介面，有效管理工具資源資訊；在對企業過程模型進行最佳化的基礎上，將其轉化為可控的工作流程，實現產品的並行設計。這就是產品資料管理的主要內容。

 

目前， PDM 技術的更高階發展階段稱為產品全生命週期管理 PLM(Product   Lifecycle   Management) ，它是對產品從使用者需求、產品設計、製造裝配、維修服務到報廢回收的各個環節所涉及的產品、過程、資源進行管理的技術。如果說 PDM 是集中在產品設計階段，而 PLM 則大大擴充套件了 PDM 的範圍。本文章來自 清軟英泰 PDM ，更多詳細資訊請點選：