1 引言
產品結構是產品各個功能單元組合形式的表達。作為貫穿產品數據管理的關鍵技術，產品結構管理在整個產品數據管理系統中起到重要作用。
(1)產品結構管理是產品數據管理的核心。①產品結構的完善是產品設計的主要目標之一；②對產品結構的修改是產品設計過程中的主要活動。同時，在許多設計過程中設計人員通過產品結構直接將表達設計結果的模型文件組織起來。此外，產品結構所表達的產品功能單元之間的關系本身就是非常重要的產品設計數據。
(2)產品結構為設計過程中的任務管理、文檔管理等功能提供了重要視圖。如引言中所述，現代設計活動往往采用項目化的方式進行管理，其中包括設計資源、設計任務、設計人員等方面的管理。產品結構管理從產品結構的角度提供了相應的操作界面，比如查看零件相關文檔、為部件分配新的仿真任務、提出標準件外協申請等。
(3)產品結構管理模塊是PLM系統與其他系統的接口。PLM系統與其他信息系統的聯系主要靠產品物料清單(Bill of Materiel，BOM)的變更與流動，如圖1所示。以企業資源管理系統(EntERPrise Resource Management，ERP)為例。以設計BOM(Engineering BOM，EBOM)為依據，可以產生計劃BOM(Process Plan BOM，PBOM)、制造BOM(Manufacturing BOM，MBOM)，此二者為ERP系統中的關鍵數據結構。在PLM系統中，BOM的產生主要依賴于產品機構管理模塊。
圖1 PLM系統與其他信息系統的聯系
2 企業PLM系統產品結構管理的需求
不同企業、組織的設計任務不同，具體情況不同，對于PLM系統的需求也不盡相同，系統所服務的企業主要特點如下：
(1)規模相對較小，產品類型相對較少。目標企業的產品類型相對較少，其設計對象的產品族特點不明顯，數據量并不是很大，企業人員組織結構比較簡單。
(2)產品生命周期鏈不完整，但關注點突出。如圖2所示，研究中心主要關注產品的設計過程，其樣機的加工過程完全通過外協外購完成，只需要對外協廠商的合同執行進度進行監控。除此之外，需對樣機進行測試以指導下一輪設計，直至合格。
圖2 產品生命周期
(3)有異地協同需求，但要求不高。產品研發制造及售后需要多家單位合作完成，但是初期任務劃分較為清晰、獨立，不同機構之間需要交流，但是在設計研發階段，大部分任務能夠在單個機構范圍之內完成。
產品采用SolidWorks作為沒計平臺，采用Workgroup PDM進行設計文檔（包括三維模型文件、圖紙文件）的管理。具體的研發過程中，該企業在產品結構管理方面面臨的主要問題有：
(1)圖紙管理需要改善。雖然有Workgroup PDM進行設計文檔的管理，但是還需要明確管理方案，否則不能有效發揮Workgroup PDM的作用。
(2)Workgroup PDM的產品模型主要集中在產品的幾何模型以及特征模型上，對于產品的其他信息無法有效的描述。除此之外，當前Workgroup PDM無法為其他管理模塊提供視圖。
(3)產品的狀態缺乏可視化的動態監控。同時缺乏相應的報表功能，上級負責人無法直接掌握當前研發狀況。
綜合考慮企業實際需求和實施PLM的相關規則，決定采用小目標實施PLM，具體到產品管理部分需要滿足以下主要需求：
(1)建立完善的產品信息模型，提供友好的管理界面。
(2)對當前零部件模型、圖紙文件進行規范化、標準化處理。
(3)為其他管理模塊提供視圖和功能接口。
(4)開發報表功能，滿足高級負責人決策需求。
3 產品管理系統設計方案
3.1 產品結構模型
企業模型中的產品信息模型(Product Information Model in EntPrprise Model，PIMEM)是在企業模型的范圍限定下，根據一定規則對產品對象進行抽象的、結構化的表達。確定產品信息模型是完成產品結構管理的第一步。在PLM系統中，為了保證產品模型的有效性和實用性，采用建模原則主要包括：產品信息模型與過程模型解耦，為過程模型提供功能接口。實際上，產品信息管理與工作流管理相互依托，所以一般產品信息與過程集成的實現方法有兩種，即基于產品的過程控制與獨立于產品的過程控制。這兩種方法各有利弊，(1)考慮到該研究中心流程復雜多樣，許多流程并不完全圍繞產品結構執行；(2)整個信息系統的設計、實現過程中有模塊化的需求，所以采用分離模型的方法。
產品信息模型應當具備如下特點：準確、完整、清晰，描述方法多樣，具有靈活的可擴展性以及視圖開放性。
根據該研究中心的實際情況，可以利用四維空間<S，D，T，V>來描述產品的信息模型。四個維度分別為分別為產品結構、表達方法、生命周期以及版本，如表1所示。
表1 產品結構模型的四個維度
利用四個維度可以快速定位所需要的信息內容或者信息索引。例如，要獲取部件m的第n個版本的裝配圖，可以利用參數<S=m，D=圖樹模型+特征模型，Type=設計（裝配圖），版本=n>來獲取相應的裝配圖索引，通過檢索接口獲得具體的裝配圖文件。此外，通過對參數進行組合、范圍限定，可以快速得到相應的BOM或者報表。值得注意的是，BOM是產品信息模型的主線，其他表示方法的信息內容往往依附于BOM之上。
3.2 CAD工具集成與設計信息獲取方案
CAD軟件是產品設計過程中的重要工具，產品設計信息的產生與獲取離不開CAD工具的支持。在PLM實施過程中，如何集成CAD軟件是一個核心問題。根據該研究中心的實際情況，主要有兩種集成方案：直接將SolideWorks軟件集成到自主開發的PLM系統當中（PLM與CAD集成）；通過集成Workgroup PDM系統實現SolidWorks軟件的集成（異構PLM系統集成、PLM與CAD集成）。
圖3 直接集成SolidWorks軟件
(1)直接集成SolidWorks軟件，系統結構，如圖3所示。PLM服務端負責產品信息管理、版本控制等功能。PLM客戶端管理本地工作區內的文件、獲取本地產品信息以及與服務器的同步。一般情況下，PLM系統集成CAD軟件可以分為三個層次：系統封裝、接口交換、功能集成，三個層次集成緊密程度由低到高。系統封裝主要特點PLM系統能夠識別、存儲并管理應用工具產生的文件，但是產品的設計信息只能通過CAD軟件進行瀏覽。接口交換是通過CAD系統的開發接口實現的。通過相應的API文件，PLM系統可以從CAD系統中獲取需要的信息。而功能集成允許PLM系統與CAD系統相互調用，實現雙向信息共享。
(2)集成Workgroup PDM；如圖4所示，利用Workgroup PDM系統集成SolidWorks軟件。從Workgroup PDM系統中獲取產品信息。信息獲取的方式共有三種：直接訪問Workgroup PDM服務器，通過解析服務器文件系統獲取產品信息；利用Workgroup PDM編程接口獲得產品信息；通過監聽Workgroup PDM系統產生的事件獲取產品信息。
圖4 集成Workgroup PDM系統
與(1)相比，(2)充分利用了現有Workgroup PDM功能，減少了系統開發工作量。同時，由于Workgroup PDM專為SolidWorks軟件設計，且為同一公司產品，其健壯性要遠遠好于第三方開發系統。除此之外，Workgroup PDM客戶端能夠以插件的形式在SolidWorks環境中運行，很大程度上方便了設計人員的使用。但是這種方案需要考慮異構PLM系統信息同步問題，而且整個系統的性能受制于Workgroup PDM系統性能。通過對系統的實施時間和實施需要綜合考慮，(2)更為合理。
3.3 產品設計管理模式
為了更好的管理產品信息，需要確定產品設計管理模式。目前制造業的產品設計管理模式主要有基于產品的管理模式和基于零件的管理模式。基于產品的管理模式需要對每一個產品的零部件及關系信息建立單獨的檔案。由于重復零部件的存在，采用這種管理模式在產品與產品之間會導致重復設計與冗余數據的出現。除此之外，實現相似零件查找與相似設計較為困難。
基于零件的管理使產品能夠共用零部件。解決了重復設計與冗余數據的問題，并且能夠實現產品快速配置與變形設計、相似設計。其實現難點在于零部件與產品對應關系，即產品結構信息與產品配置信息的管理。
產品設計過程所涉及到的零部件大體上可以分為三類：(1)核心零部件，它是產品的關鍵部分，往往需要進行多次反復設計、分析，審批流程嚴格，一般在產品中是獨一無二的；(2)普通零部件，產品不可缺少的部分，但設計工作量相對較小；(3)標準件，包括國家標準件、行業標準件以及自定義標準件，不需要進行專門的設計。
在實際設計研究過程中，以某一產品的設計為目標立項，同時，各個產品中會包含相同的標準件，因此采用混合管理模式。通過自定義的Toolbox建立標準零部件庫以管理標準零部件。
4 系統設計
整個信息平臺系統的結構，如圖5所示。其可分為四個層次即：界面層、接口層、功能層和數據層，涉及到的關鍵技術主要有：
圖5 系統結構設計
(1)面向對象技術（Object-Oriented Technology）。采用面向對象技術能夠直觀、自然地描述產品結構模型中涉及到大量的對象，符合人類思維的特點，易于構造平臺。具體表現為平臺設計過程中采用UML建模工具，平臺開發采用面向對象編程語言Java等。(2)富因特網應用程序(Richlntemet Applications，RIA)。在產品結構管理的過程中，用戶、平臺之間需要大量復雜的交互行為。這種交互利用傳統的web界面實現比較困難。在平臺開發過程中采用Flex技術實現用戶接口，并且利用插件的方式實現多種文檔的在線呈現。(3)消息隊列。主要用于解決與Solidworks Workgroup PDM之間的數據獲取問題。(4)XML技術。—般的PLM系統當中，XML技術主要用于以下兩個方面：相關數據存儲以及交換（在產品數據管理系統中的應用）。在該平臺中兩個方面均有涉及，主要應用于數據交換，包括定義平臺內數據交換格式，利用web服務對異構功能模塊的封裝等等。實現系統，如圖6所示。
圖6 系統界面
5 小結
產品結構與配置管理是現代設計中設計數據管理的重要部分，對于整個PLM系統有重要影響。在PLM系統實施方法論的指導下，根據某企業數據管理的實際需求，在實踐中完成了產品結構管理的需求分析并建立模型，最后利用消息隊列、異構系統集成等技術設計并實現了具體的產品結構管理系統。
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本文標題：基于PLM的產品信息管理系統的設計與開發
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