工業產品開發過程中的PDM技術

摘要:介紹了產品數據管理技術產生的歷史背景及其定義 ， 分析了產品數據的特點，并介紹了實現產品數據管理的3種方式，重點介紹了基于并行工程的產品設計過程的數據管理體系結構。最后展望了產品管理技術的發展前景。

概述

隨著計算機技術、自動控制技術和網絡通訊技術的迅猛發展，使得現代制造技術和生產管理方式發生了根本性的轉變，以 CAD/CAF/CAM 集成技術為核心 ( 簡稱 VC3 技術 ) 的制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串行過程為并行方式，以動態優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周期中的所有因素，包括質量、成本、作業調度及用戶需求等。

因此，并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信息的共享，信息共享是企業進行生產過程自動化的基礎，這就是產品數據管理技術產生的必然技術背景 !

1   產品開發過程中的數據特點

產品開發過程可以分為若于個小的階段，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數據信息，由于各階段要求解決的階段性任務不同，所關心的數據信息也各異，但整體上又相互聯系，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復試探、調整的過程，設計者的操作主要是一種實時性的交互處理，對響應速度和用戶接口要求比較高。因此，產品數據既有靜態的規范數據，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數據、信息增長數據、實驗性臨時數據等，數據結構復雜多樣，記錄數據項往往要根據產品對象而變化。

歸納起來，產品數據有如下特點 :

(1) 數據類型多、數據量大 : 產品數據包括的諸多內容中主要有兩類。一是設計環境數據，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 ; 二是設計對象數據，主要是設計產品定義、設計約束控制、產品性能、生產要求、經濟核算、設計方案優化等。兩類數據中，都存在基本數據類型，同時又存在非結構化的變長數據，如變長字符串、圖形、圖像、運動視頻和聲音信息等，因此，只有具備多種媒體信息的表現方式，才能生動逼真地表現產品信息。

又由于產品對象本身的系統性和長過程的固有特點，使得產品數據量龐大而復雜，即使是較為標準的數據，如設計規范數據、標準公差、結構要素、材料和零件、技術規范等，其數據量也是很大的，這些客觀因素都要求產品數據庫具有大容量、多品種數據存儲和快速處理能力。

(2) 數據動態性 : 產品數據一般具有靜態數據部分，即事先準備好的用于指導實際的信息，如設計規范等，但更為重要的是動態數據，即在產品設計過程中隨設計行為展開而動態產生、并且直接關系到最后結果的數據，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、技術文檔處理等，所以用以存儲產品數據的結構模式也具有動態構造性質，直到產品對象最終結果生產出來才能構造完成。

(3) 數據結構復雜 : 產品數據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系是復雜多樣的，呈現網狀結構，又分層次之分 ; 分層設計不僅有層次結構，而且對于不同的設計對象的層次數目也不一樣，在每個節點中，有時可能本身就具有復雜的結構特性。而產品中關于知識和規則數據的表示和存取，其結構關系就顯現出更加紛繁復雜的景象，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，個別設計對象或管理對象又具有復雜的邏輯聯系和不確定性推理。對這種非標準數據的定義和操作是相當困難的。因此，產品數據結構復雜。

(4) 過程存取和隨機存取方式 : 產品數據主要是過程存取，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，對數據不僅僅是簡單的查詢或大量的提取數據，所提取的數據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信息，并且新產生的結果 ( 包括對已有設計數據的修改 ) 要作為事務提交并加以存儲。

同時，由于產品設計是一個試探性過程，其有反復性、嘗試性和發展性，如有些設計是對經典范例的修改，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，產品數據運行方式上還有版本控制的要求。因此，產品設計中有總體數據、各專業數據、縱向關聯數據和橫向關聯數據，在一個集成系統中，隨機存取的數據量很大。

2   產品數據管理的概念

PDM(Product   Data   Management ，產品數據管理 ) 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檔的管理問題。過去，工程師們常常要扎到數據堆中，花費很多很多的時間去尋找本應唾手可得的信息。為了解決大量工程圖樣的管理問題，通過使用圖形掃描技術等把工程圖樣轉換成電子圖像，并用軟件實現對這些電子圖像的瀏覽和修改，重新生成新的工程圖樣，這種軟件就是 TI PDM 的雛形。

隨著文檔存儲技術的發展，軟件管理的對象類型逐漸拓寬，開始處理大量的異構文檔 ( 如 CAD 圖形、圖像、字處理文件等 ) ，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，這類管理逐漸擴展到產品開發過程領域中，如設計圖樣和電子文檔的管理、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，它所支持的應用范疇也越來越廣。

在產品開發集成化過程中， PDM 是不可缺少的軟件支撐環境，它是連接集成化環境中人員、工具、信息、過程的橋梁和紐帶。 1995 年 2 月，專門從事 PDM 和 CIM 相關技術咨詢業務的 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信息和過程的技術；與產品相關的所有信息是指描述產品的各種信息，包括零部件信息、結構配置、文件、 CAD 檔案、審批信息等；與產品相關的所有過程，即對這些過程的定義和管理，包括信息的審批和發放。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筑一個并行產品藝術環境 ( 由供應、工程設計、制造、采購、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創建、交流、維護設計意圖的人，在整個信息生命周期中自由共享和傳遞與產品相關的所有異構數據。

該定義確切表明了 PDM 與并行工程之間的聯系，這里，“異構數據”是指由于產品設計所涉及的知識構成越來越復雜，各領域專家借助不同的硬件、不同的操作系統和不同的應用軟件工具參與設計，所以，產品信息往往要由不同的軟件供應商提供的多種應用軟件系統生成或使用，這樣就會產生類型各異的設計數據；又由于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信息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 采用分層結構。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 ，圖形用戶接口 ) ，處理邏輯和數據存儲作為一個整體包含在系統中。

90 年代中期流行兩層結構，這種結構把應用程序分成兩層：客戶層和服務器層，用戶接口和處理邏輯駐留在客戶端，而與其相關的所有數據則存放在服務器端。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界面的工具，而主要的業務邏輯全都放在 Web 服務器中進行處理，這個特點使系統的安裝與維護特別的方便，只需要改變服務器端，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，它僅是一個運行的模式，按照現在普通的 Web 開發方式，即使用 C 編寫 CGI( 公共網關接口 Common   Gateway   Interface) 程序，開發還是比較困難的；而且由于業務邏輯程序都在服務器端運行，當應用范圍變得越來越復雜的時候， Web 服務器的負載就會越來越重，因此，需要開發出分布式的 Web 程序來分散計算負載。

1996 年初， 3 層或多層結構的出現使計算機網絡的應用發生了根本的變化，這一開放的、分布對象的方法把客戶端龐大的程序又分成了兩個部分：用戶接口和邏輯處理，這種 3 層結構對用戶請求的響應和處理速度更快。

隨著分布式對象技術的逐漸成熟，多層分布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布式轉變，才能最終解決 Client ／ Server 結構存在的問題。在多層架構下，應用可以分布在不同的系統平臺上，通過分布式技術實現異構平臺間對象的相互通信，將應用系統集成于分布式系統之上，能極大地提高系統的可擴展性。

CORBA( 通用對象請求代理體系結構， Common   Object   Request   Broker   Architecture) 的出現解決了分布式計算的問題，它可以讓分布的應用程序完成通信的互操作。 CORBA 提供的 ORB(Object   Request   Broker) 機制可以使對象間透明地進行通訊和訪問。 ORB 作為聯系客戶端與服務器端對象的中間件，為產品異構平臺和異構系統之間的分布式互操作提供了一個有效途徑。不同的 ORB 之間可以通過 IIO P 協議進行通信。

任何對象只要用 IDL 語言 (Interface   Definition   Language) 對其接口進行描述，就可以通過 ORB 訪問其它遵循 CORBA 規范的系統，而不需要考慮這些系統的物理位置、運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，解決了產品數據分布異構環境所帶來的一系列問題。

PDM 技術是對工程數據管／里 (Engineering   Data   Management ， EDM) ，文檔管理 (D ocu ment   Management ， DM) ，產品信息管理 (Product   Informa - tion   Management ， PIM) ，技術數據管理 (Technology   Data   Management ， TDM) 、技術信息管理 (Technology   Informant   Management ， TIM) 、圖像管理 (Image   Management ， IM) 及其他產品定義信息管理技術的一種概括性的擴展，新一代 PDM 系統融合了面向對象技術、網絡通信技術、客戶／服務器結構、分布式數據庫技術與圖形化用戶接口。許多企業都把 PDM 作為貫穿整個企業的集成框架，是企業保持競爭力的戰略決策。

TI PDM 作為工程領域的集成框架，具有以下作用：

① 支持異構的計算機操作系統、數據庫與網絡；

②采用面向對象的機制，提供面向對象的建模方法，具有良好的系統開放性與可擴展性；

③具有便捷的集成插件功能，支持異構應用工具系統與 PDM 的集成，實現對工具的透明調用；

④提供產品全生命周期的串并行過程管理；

⑤提供對分布式數據的統一管理，支持信息共享。

圖 1 是基于 PDM 的產品并行設計支持系統的體系結構 ( 圖中粗線框部分 ) 。其中， PDM 框架是面向網絡分布的設計開發團隊，由控制層、應用層、應用支持層與基礎環境層組成。

(1) 控制層：位于系統的上層，它定義產品并行開發的過程模型。并行工程中的數據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、人員的職責和權限、設備資源的分配、應用工具的使用，以及決定何人應于什么時候向什么地方提交什么數據。因此，在確定支持并行工程的產品數據管理框架的體系結構時，把過程作為最上層的控制，它通過相應的軟件操作接口定義可執行的設計過程，實現流程的優化。

(2) 應用層：是數據的生成器和接收器，它面向不同的應用領域，完成不同的任務 ( 如 CAx 、 DFx 等 ) 。它可通過相應的軟件應用開發接口，將對象封裝在管理框架中，實現應用工具與 PDM 的封裝或集成。

(3) 應用支持層：是數據管理的核心層，它一方面提供用戶操作接口，使用戶實現人員組織、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接口，使用戶可以對已經封裝過的對象，進行產品數據模型的修改和補充，實現產品結構管理、應用工具封裝等用戶化任務。利用面向對象技術把所有工業標準模型和用戶化的模型，放置于圖形化的對象瀏覽器中進行統一管理，該層把網絡、操作系統及數據庫屏蔽起來，用戶可以直觀、方便地操作整個環境中的數據對象。

(4) 基礎環境層：為上兩層提供支持，其中數據庫主要對元數據 (meta   data) 進行管理，而網絡主要為該框架的客戶機／ N . 務器 ( C ／ S ) 的體系結構提供支持。

為了保證產品全生命周期中上下游信息的暢通、一致與共享， PDM 集成框架一方面需要管理與控制產品開發過程中產生的產品信息；另一方面還要實現與不同應用系統的集成，這種集成包括兩個層次，其一為 PDM 系統與 CAx ／ DFx 工具的封裝與集成，其二為基于 PDM 系統的設計系統、基于 EPR 的生產計劃管理系統間的信息交換。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、適時交換信息，加快產品的開發過程。

4 結論

結合上述并行工程體系結構，在一定的軟件環境中建立支持多功能并行開發的協同工作環境，對產品進行生命周期全數字化定義，實現信息的完全計算機化管理；定義結構優化的團隊組織模式，分層建立信息共享操作的權限；提供與不同應用工具的分層接口，有效管理工具資源信息；在對企業過程模型進行優化的基礎上，將其轉化為可控的工作流程，實現產品的并行設計。這就是產品數據管理的主要內容。

目前， PDM 技術的更高級發展階段稱為產品全生命周期管理 PLM(Product   Lifecycle   Management) ，它是對產品從用戶需求、產品設計、制造裝配、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 則大大擴展了 PDM 的范圍。本文章來自 清軟英泰 PDM ，更多詳細信息請點擊： www.plmpdm.cn