PDM的分布式虛擬設計平臺架構

3．1基于PDM的分布式虛擬設計平臺體系結構

基于 PDM的分布式虛擬設計平臺可以分為四個層面，從高到低依次為界面層、應用工具層、對象管理層和支撐環境層，如圖3．1所示。

圖 3．1基于PDM的分布式虛擬設計平臺體系結構

(1)界面層：所有用戶都在統一的用戶界面上進行操作，用戶可根據自己的應用需求對界面進行定制。

(2)應用工具層：為實現可視化虛擬設計平臺的多種功能提供多種應用工具，包括設計建模工具、仿真分析工具、協作設計支持工具、綜合功能建模仿真工具和設計、分析及決策系統等；利用PDM的集成工具進行集成，并通過界面層向用戶提供各種服務。

(3)對象管理層：利用PDM軟件對產品開發過程的工作流和產品設計進行管理，通過建立項目管理、過程管理和任務調度機制對產品開發過程進行全面的控制。各種應用通過PDM的標準數據訪問接口實現數據的訪問，PDM的管理功能保證了數據的一致性、完整性和連續性。

(4)支撐環境層：數據庫是PDM的支持平臺，通過數據庫提供的操作數據功能支持PDM系統對象對底層數據的管理，數據庫包括全局共享數據庫、局部共享數據庫及私有數據庫。網絡和計算機系統提供系統運行必要的軟、硬件環境。

CAD、CBD、CAE各種CAx系統相互之間的信息傳遞變成了它們與PDM的信息傳遞，即各種CAx系統都從PDM系統中提取各自需要的信息，各自產生的結果也放到PDM中去，由此可見PDM是各種CAx系統的集成平臺，它將產品設計、分析、制造、工藝規劃、和質量管理等方面的信息集成在一起，進而實現對整個產品生命周期內的數據的統一管理。

CAD系統是產生信息的源頭，包括圖形文件和屬性信息。圖形文件包括裝配體三維模型、零部件三維模型、二維工程視圖；屬性信息包括圖形的屬性信息和零部件的屬性信息(如：材料、成本等)。CAD系統將它產生的信息交給PDM系統來管理，CBD系統、CAE系統等其他系統都從PDM系統中提取需要的產品特征屬性參數、圖形文件，并將它們產生的各種圖形文件、文檔數據交給PDM來管理，這樣做到對產品數據的統一管理和共享。

3．2基于PDM的分布式虛擬設計平臺的特點

基于 PDM的分布式虛擬設計平臺具有以下特點：

(1)分布性分布性是基于PDM的分布式虛擬設計平臺的一個主要特點，表現為多節點的分布式。各子系統處于整個系統中諸節點單元系統，以元素的身份加入到系統中，在PDM模塊的統一系統下成為系統工作的一員。整個系統是在一個以計算機網絡與數據庫管理系統(中央數據庫和本地數據庫)支持下的分布式環境中運行。中央數據庫在系統中起數據倉庫的作用，系統中各模塊產生的最終數據信息通過PDM分系統存儲于中央數據庫系統：反之，各模塊實現數據共享以中央數據庫為基礎。

(2)集成性集成性是基于PDM的分布式虛擬設計平臺的另一個主要特點。分布式虛擬設計平臺采用PDM技術實現了虛擬設計過程中的產品數據的集成、過程的集成、應用的集成，它在信息集成的基礎上，著重強調了過程集成，過程集成需要優化和重組產品的開發過程，組織多部門的人員，在協調工作環境下共同完成設計任務。

(3)并行性基于PDM的分布式虛擬設計平臺把整個設計過程看成是一個集成的并行過程，從全局優化的角度出發，實現并行設計。具體體現在：一方面，實現設計過程的重組，消除產品設計的錯誤和不足，提高產品開發的一次成功率。另一方面，PDM為并行設計提供了基礎環境。它集數據庫的數據管理能力、網絡的通訊能力以及過程的控制能力于一體，能夠實現在分布式環境中設計活動的信息共享和交換并對設計和制造過程進行動態的調整

和監控，還能夠很好地支持各子系統的協調工作，支持資源的優化配置。從而實現對并行工程的支持。

(4)快速性和智能性基于PDM的分布式虛擬設計平臺采用基于實例的快速智能設計方法來進行產品開發，以PDM系統作為分布式虛擬設計平臺的支撐環境。使用基于實例的設計可以大大提高產品開發的效率，提高產品開發的速度，提高了開卷機設計的智能性和實用性，并可以大量地重用企業已有的成熟產品資源。

(5)開放性開放性是基于PDM的分布式虛擬設計平臺的重要特點，體現在四個方面：對基礎環境的適應性，與底層環境的連接是通過不同的接口來實現的；PDM內核的開放性，采用面向對象的建模方法和技術，建立系統的管理模型和信息模型，并提供對象管理機制，實現產品信息的管理；實現插件功能，工具封裝和集成。

(6)高度的柔性基于PDM的分布式虛擬設計平臺以柔性為其基礎，面向市場，面向用戶，注意組織和實現上的柔性。

3．3基于PDM的快速變型設計系統

市場競爭的全球化，使得用戶有了更多的選擇對象。用戶需求的多樣化、個性化，導致多品種、小批量 (乃至單件)的訂單方式在許多機械制造企業的普遍實行。與傳統的少品種、大批量生產方式相比較，在訂單式生產中，由于品種的增多和批量的減少，使得產品信息類型更加多樣，數量更加龐大，因而造成空前復雜的局面。但另一方面，企業要在競爭中取勝，又必須以比同行更快的交貨期、更低的成本、更好的質量和更完善的服務去響應用戶的需求。要達到此目的，企業唯有科學有序地利用現有的產品信息資源，以變型設計快速、合理地響應用戶訂單。

產品的設計，通常分為新穎性／創新設計和適應性／變型設計。創新設計可重用信息資源較少，產品質量和交貨期難以保證，成本難以控制，從而使得企業缺乏競爭力；變型設計是在原有產品的基礎上，按市場需求進行信息重組、結構重組，最大限度地重用企業已有的成熟產品資源，靈活性和適應性強，并可提高設計的速度和質量，使企業在激烈的市場競爭中，高效、高質量、低成本生產出新產品，以滿足用戶的要求。產品的快速響應變型設計是企業實現快速響應市場的重要手段。

在機械制造行業中，創新設計畢竟稀少，大量的總是變型設計。事實上，許多設計人員的確也是經常使用變型設計去響應用戶訂單，但是傳統的變型設計并不能自動保證訂單產品的快交貨、低成本和高質量。其根本原因在于變型設計的過程中涉及大量繁雜的產品信息和設計知識，而目前這些信息和知識的檢索和管理主要仍靠設計人員的手工實現和自發進行，因此嚴重影響設計的速度和合理性。為了克服這個障礙，就需要運用先進的信息理論和計算機技術，著手對企業的產品信息資源進行重組。

企業在長期的生產活動中積累了大量的極其寶貴的產品信息 (圖 紙、文件、數據、經驗、標準、規范等)，對這些信息進行充分挖掘和科學重組，使之成為有用和便于重復利用的產品信息資源，并將其存儲在數據庫中，加上在先期開發中所積累的信息資源，就足以有效支持對市場的快速響應。面對瞬息萬變的市場環境，要求企業快速響應市場需求，迅速開發新產品，變被動適應用戶為主動引導市場。因此，實施“快速響應工程”，以適應市場環境的變化和用戶需求的轉移是時代的需要。

變型設計策略以關系型產品模型和與之相適應的產品信息管理系統以及基于實例推理的智能技術為主要手段，特別強調對企業產品信息的標準化、規范化重組，通過對企業現有成熟產品的變型再設計，使企業的寶貴信息資源得到盡可能多的重用，從而達到以快交貨、高質量、低成本和重環保的快速響應競爭策略去贏得市場的目的。變型設計策略的要點為：

(1)重組企業工作流程，用變型設計快速響應市場需求；

(2)重組企業產品信息，使企業在設計開發領域中積累的豐富技術資料轉變為有用和好用的寶貴信息資源，以期用盡量少的新設計零部件，組成盡可能多的變型系列新產品；

(3)建立集成的關系型產品模型和跨功能的并行工作環境，并采用基于實例推理的智能技術，以期通過產品結構的重組，來支持快速變型設計。簡而言之，就是業務過程重組、信息資源重組和產品結構重組。

3．3．1以關系型產品模型進行信息重組和變型設計

重用企業產品信息資源，進行快速變型設計，應基于產品資源的合理定義與表達，按關系型產品模型進行信息重組。產品模型是一種數字化的信息模型，它以一定的數據抽象、定義和表達在產品生命周期中有關產品的信息，包括數據、結構和關系等。

在產品開發過程中，即從抽象的概念到具體的結構物化過程中，存在大量蘊含在物化過程中的信息，對這些隱式信息進行抽象和歸納，可以得到多種關系，而這些關系的存在和發現，保證了變型設計的正確、快速。關系型產品模型就是以變型產品開發過程中的種種關系為核心，通過對產品結構的重組來支持快速變型設計，能夠最大限度地利用企業已有的產品資源，是進行快速產品設計的有力工具。

3．3．2以產品數據管理系統作為-陜速變型設計的數據平臺

產品數據管理將所有與產品相關的信息和產品開發過程集成起來，創造出一種透明度很高的虛擬環境，能適應復雜多變的變型設計的需求，保證在整個產品生命周期中使產品數據具有一致性定義的條件下，進行產品設計的數據管理和過程控制，是集成計算機輔助工具的重要武器，成為能支持基于關系型產品模型的快速變型設計的數據平臺。

在全球性的、競爭日益激烈的市場環境下，企業必須對其經營過程從根本上重新結構化才能在產品上市時間、質量、成本、服務 (即TQCS)上保持競爭優勢，這就是企業重組(Enterprise Reengineering)。企業重組系統由業務過程重組、生產過程重組、信息技術重組構成。信息技術重組，是指采用先進的產品數據管理PDM系統，建立智能化的產品模型，使設計開發人員在進行新產品設計和變型設計時都能對整個企業的生產過程有一個清晰、全面地了解。產品數據管理系統便是實現這些哲理的使能器，是計算機工具集成的核心，己逐漸成為企業有效管理、利用產品資源，贏得市場競爭的戰略性武器。

支持快速變型設計的 PDM系統主要由事物特性表管理、分類編碼系統管理等模塊組成。事物特性是描述對象不受周圍環境影響的特性。事物特性表是一種組合排列對象組的事物和關系特性表格，可用于概括地描述、限制和選擇標準的、非標準的，物質和非物質的以及相互近似的事物對象。將其用于CAD中，可規范化的支持CAD數據的歸檔、存儲和交換，表的每一列表示相關的零部件的特性，表的每一行代表相關零部件類中的一個實例。

事物特性技術與關系型 CAD系統組合，可以建立起智能關系型產品模型，通過關系定義來保證零部件的合理變型。關系在形狀模型和事物特性表之間建立，可以實現由事物特性表驅動的快速變型設計。為了進行產品信息交流，實現高層次上的技術管理的合理化，需要選擇合適的分類標準。分類編碼體系能夠對產品資源的零件層、部件層、產品層進行統一的分類管理，形成企業的產品資源庫，建立產品、部件、零件之間以及它們與描述它們的文檔、圖 紙之間以及供應商之間的關系，建立產品結構信息。

3．3．3以CBR作為快速變型設計的智能推理工具

CBR(Case based Reasoning)技術即：基于實例的推理技術，是人工智能中新崛起的一項重要推理技術，其核心思想是對問題求解時充分利用人類的成功經驗，將人類以往處理某類問題的經驗作為現在處理這類相似問題的參考。將它應用于設計領域，就是直接參考以往的類似產品實例，通過必要的修改生成新的產品。這種推理技術符合設計人員的傳統習慣和思維方式，特別適合于進行比較大型的結構變型設計的智能推理，是進行快速變型設計的智能推理工具。

在基于實例推理操作中，最關鍵的操作是相關實例的檢索、最佳實例的選擇與實例修改。 CBR推理技術引入設計領域是為了克服傳統的基于規則的專家系統和基于模型的推理系統的缺陷，不僅可以緩和專家系統知識獲取的困難，而且可大大地提高系統的推理效率，同時，增強人工智能處理異構知識的能力，既能夠處理過程性知識又能處理經驗性知識。還能處理實例知識，其具有如下優點：

(1)CBR推理不需要精確的領域模型，因而知識的提取變成了一個收集實側的過程；

(2)CBR推理的執行過程簡化為確定描述實例的典型特征，這比產生一個精確的模型或眾多的規則要容易的多；

(3)應用數據庫技術，可以解決大量信息的管理問題；

(4)CBR系統能通過把新的知識轉換為實例而實現自學習，這樣使系統的維護容易。

因此，應用 CBR技術解決變型設計問題是可行的，對于一個不存在明確模型或尚不被完全理解的問題域，CBR是一個有效的智能系統開發工具。

3．4基于虛擬產品模型的系統集成

建立基于 PDM的分布式虛擬設計平臺，需要對所有產品數據進行結構化的表達．但這些數據分別存儲在不同的應用系統中，為了使虛擬產品模型對所有的用戶來說都是透明的，必須把這些分散的系統集成為一個整體，這些系統主要包括CAx、PDM、以及用戶自己開發的一些應用系統。

在 CAx／PDM等系統集成的過程中，下面幾個問題是需要重點考慮的：

(1)對同一信息在不同系統中的描述方式不～樣，如何進行數據的統一描述；

(2)數據的控制問題，即由誰來產生數據以及控制共同擁有的信息是這個問題的核心：

(3)數據的傳遞方向和內容；

(4)組織障礙，集成系統的各部門之間較難接受對方的思想，這也是系統集成的一個不容忽視的問題。

根據解決上述問題所采用的不同方式， CAx／PDM系統之間的集成可以采用不同的集成策略。企業對系統進行集成時，不僅僅只是考慮技術的因素，更為重要的是要考慮企業組織結構、人員以及企業能承擔的集成費用等。

根據系統集成的緊密程度可分為封裝、接口和完全集成三種集成模式：封裝這是一種最簡單的集成方式，實施起來費用較少，而且由于對原系統的改變較少，因而較易為不同部門的人員接受。 OLE技術就是在這一層次上的集成。這時集成的兩個系統不能互相操縱彼此的內部數據，例如在Word文檔中嵌入AutoCAD文檔，這時是不能在Word文檔直接對AuotCAD文檔中的數據進行改變。這種集成功能是有限的。

接口根據兩個集成系統提供的 API函數進行編程，通過API函數來抽取各自所需的信息，然后轉換成相互都能接受的格式實現信息交互。在這種集成模式下，系統通過API函數訪問系統內部數據，而API函數一般是有限的，它成為集成的一個瓶頸。同時在集成時必須充分了解各API函數中參數的數據結構。這種集成模式需要更大的投入(同封裝集成模式相比)，它是目前較常見的集成方式。

完全集成在完全集成方式中，兩個系統在原數據和面向特定功能數據定義方面都有統一的描述格式，這些數據的傳遞不必經過 API函數的轉換，集成效率高。這種集成方式需要軟件供應商的大力參與，同時要花費大量的人力、物力和時間。

3．4．1PDM系統與CAD系統的集成

(1)PDM／CAD系統集成基本功能描述PDM／CAD系統集成的核心任務是，將CAD用戶的工作結果連同有關的業務對象和數據對象一起構建在PDM數據模型中，使得虛擬產品模型中的描述零部件視圖、模型、工程圖等的所有業務對象、數據對象和數據成為一個整體。在PDM／CAD系統集成接口中主要完成以下四個方面的集成功能，如圖3．2所示。

圖 3．2PDM與CAD系統集成之間的數據交換

a．對零件的視圖和模型進行操作零件的視圖和模型首先在CAD系統中產生，為了對視圖和模型進行管理，相應地在PDM系統中產生模型基本記錄。如果此時沒有相應的零件基本記錄，必須先產生零件基本記錄，這樣就形成了零件基本記錄一模型基本記錄一模型，視圖的連接鏈。這個過程完成后就能實現零件的視圖和模型的信息在PDM與CAD系統之間傳遞。

從 CAD系統傳遞到PDM系統中的視圖和模型信息主要包括：零件的重量、體積等，這些信息構成零件模型基本記錄的組成部分：從PDM系統中傳遞到CAD系統的信息主要是零件模型和視圖的說明信息，如物品編號、標記、顯示等級和分類索引鍵，以及CAD視圖和模型的存儲路徑和文件名等。對部件來說，這個過程是相同的。

b．對零件主圖進行操作主圖是由2D視圖或從主3D模型生成的局部視圖再加上相應的工作信息(如公差等)組成的，通過主圖能夠派生出零件和部件的所有變型工程圖。對零件主圖的操作同對零件視圖／模型的操作是相似的。

c．對零件工程圖進行操作對零件的工程圖在PDM／CAD系統之間的操作主要包括工程圖的注冊、瀏覽、加載和編輯等。如在CAD端存放一張帶有邊框和工程標注中記錄了比例尺、頁號和頁數等信息，這些信息可以在注冊過程中傳送到PDM系統中相應工程圖基本記錄中。在PDM系統中瀏覽、加載和修改過程中，圖號、名稱、材料和重量等屬性可以從零件基本記錄和工程圖基本記錄中動態地傳送到CAD系統中工程圖標準欄中。

d．對部件結構進行操作第一項任務是，在PDM系統中利用從部件圖或部件模型中得到的信息自動地重新構建一個完整的產品結構，或者在已有基本結構的基礎上進行擴充，形成一個完整的產品結構；第二項任務是，利用PDM系統中的產品數據結構在CAD系統中裝配成一個相應的部件。

(2)PDM，CAD系統集成數據結構描述上面描述了PDM／CAD系統之間集成時所需要完成的主要功能，完成這些功能需要相應的數據結構的支持。下面描述PDM／CAD系統集成時產品數據結構的表達。

在 PDM系統中，通過零件簇來實現對零部件的分類和組織。主圖和主模型都通過聯系對象與相應的分類元素聯系，主圖與主模型中的參數通過與分類元素相聯系的事物特性表來表達。事物特性表中的每一行與一個相應的零件基本記錄，這樣通過零件基本記錄所對應的事物特性表中的參數和主圖以及主模型就能派生出零件的模型和工程圖等。

在從主圖和主模型派生零件模型和零件工程圖的過程中，需要利用事物特性表和參數表之間的對應關系。事物特性表一般作為 PDM系統中的對象進行管理，而在CAD系統對主圖和主模型進行描述是采用主模型和主圖的參數表來進行的，所以要建立事物特性表和參數表之間的對應關系。在CAD系統中，通過參數表中的每一行與相應的主模型和主圖能夠在CAD系統中產生相應的模型和工程圖。

在 PDM／CAD之間從主圖和主模型派生工程圖和模型的過程中，主要傳遞的數據是通過主圖和模型的參數表來傳遞的。從PDM系統中產生一個工程圖或者模型時，首先從事物特性表中映射出相應的參數表數據，然后在CAD系統中通過參數表數據產生相應的工程圖和模型；在CAD系統中產生一個模型后，可以提出相應的參數表數據，傳送到PDM系統中相應的事物特性表，在PDM系統中產生一個新的零件基本記錄。

3．4．2PDM系統與CAx系統的集成

(1)PDM／CAx系統集成基本功能描述PDM／CAx系統集成主要是指與產生一般產品文檔的CAx系統之間的集成。這里所說的CAx系統主要指與CAD系統相比較而言的，因為PDM／CAD系統之間的集成時需要對有關CAD的文檔內部信息進行處理，而與一般的CAx系統集成時，只需要把這些系統中的相關文檔作為一個信息單元進行處理，這種集成方法相對簡單得

多。

在 PDM／CAx系統集成中把文檔作為一個信息單元進行處理時，它們有一些共同的特性，在此基礎上可以構建一個通用的集成接口，這個通用接口主要完成下面幾個方面的功能，如圖3．3所示。

a．在PDM系統中注冊CAx文檔；

b．通過PDM系統加載／閱覽CAx文檔：

c．通過PDM系統加載／編輯CAx文檔：

圖 3．3PDM／CAx系統集成之間的數據交換

(2)PDM／CAx系統集成通用接口描述從上面的描述中可以看出，PDM與一些CAx系統集成時需要完成相似的功能，這樣就可以采用一個相同的結構來構建PDM／CAx系統之間的接口，降低集成的難度和成本。這個通用接口完成的主要功能是文檔在PDM系統中的注冊、瀏覽和編輯等。這個通用接口可用圖3．4來描述。

PDM／CAx系統集成的過程中，在PDM系統端只要開發一個通用的消息調用模塊和前后置處理模塊就可以與多種CAx系統集成，前后置處理模塊主要是實現文檔基本記錄的中性格式的轉換。在CAx系統端除了需要前后置處理模塊以外，還需要一個CAx專用接口，這個專用的接口主要用來實現CAx系統與其他系統的集成。

圖 3.4PDM／CAx系統集成處理一般文檔的通用接口

本章分析了基于 PDM的分布式虛擬設計平臺的體系結構和該平臺具有的特點，并探討了構建基于PDM的快速變型設計系統的關鍵性技術，最后分析了基于虛擬產品模型的系統集成。本文章來自清軟英泰御云軟件，更多詳細信息請點擊：www.plmpdm.cn，或在百度搜索清軟英泰。