0 引言
隨著計算機技術的發展，計算機在企業的應用已經基本普及，CAX技術在某軍工企業技術中心和中小型機械制造企業用得如火如茶，改變了傳統產品設計方法和流程。但是，大部分計算機輔助工具產生的數據涉及產品的不同方面，各系統相互獨立，缺乏有效的溝通和管理，無法進行信息共享和傳遞，于是形成了所謂的“信息化孤島”。部分企業甚至仍然通過書面文件、電話等方式進行日常的工作，無法及時收集設計和制造過程中的反饋信息，不能實時跟蹤整個產品的開發進展情況。另外，企業還存在著文檔管理方式比較陳舊，版本管理混亂，安全保密無法得到保障等一系列問題。產品數據管理系統(produce data management，PDM)是解決上述問題的主要手段，國內外已有一些成熟產品，如PTC的Windchill，NX的Teamcenter等，這些產品功能強大，操作復雜，費用昂貴，中小型制造企業及軍工企業技術中心采用后費效比極差，國內也開展了一些初步的研究，但在文檔的審閱、安全等方面考慮不周，適應性不強。筆者根據中小型制造企業設計部門的管理、開發流程、現有設備和信息化現狀，利用網絡技術和CAX技術開發一套面向設計部門的PDM系統，以解決信息共享、傳遞和安全等問題。
1 總體設計
傳統產品設計方法和流程如圖1。
圖1 機械產品研發方式
PDM系統作為一個服務于產品設計的信息溝通平臺，主要目標是實現產品研發過程統一管理和設計信息的有效集成。首先構建產品設計數字化集成平臺，該平臺不僅要滿足單項技術應用的需求，如設計過程等，而且要滿足不同設計小組之間信息有效溝通和業務流程協同管理的需求。PDM系統的設計緊緊圍繞研究目標，遵循以下原則進行實現：1)通用性：建立通用的體系構架，使其可柔性化定制，滿足用戶應用需求；2)集成性：PDM系統中各應用系統之間應進行信息和業務流程的高度集成，確保系統的整體性；3)穩定性：確保系統的穩定性、有效性和健壯性；4)松耦合性：在不影響集成度的前提下，降低各系統之間耦合度；5)可擴展性：具有充分的柔性和拓展性；6)易用性：用戶的使用習慣，降低操作難度。
由于中小型機械制造企業的產品設計與管理涉及面廣，各個層面的應用對象對軟件系統的功能要求也相對比較獨立，在系統的體系結構圖2中，系統分為了6個層次，分別為客戶端、Web應用層、系統接口層、系統業務邏輯組件層、數據庫訪問層以及數據庫層。其中系統業務邏輯組件層是核心層，也是PDM系統的主要功能組件。
圖2 PDM系統的體系結構
2 文檔審閱、安全機制和產品數據建模
2.1 文檔的瀏覽與批注
在產品設計過程中，每天產生大量的各種格式的文檔信息，如*.doc、*.dwg、*.bmp、*.xls等等。其中一部分的產品信息都需要經過審批后，才能發放給使用人員。檢驗和發放是整個企業質量管理的重要組成部分，只有經過審批和發放許可的產品信息才能保證在使用過程中不會發生錯誤。在PDM系統中瀏覽圖紙文檔通常有2種方法：一是根據不同文檔類型選用相應的閱讀器瀏覽；二是用通用的瀏覽工具閱讀文檔。為了使系統在瀏覽的同時能進行適當的批注。系統采用Windows客戶端插入AutoVue控件，嵌入到DocumentForm窗體中，即可保證原始文檔的完整性和安全性，又可不調入外部應用環境直接進行各種類型的文檔瀏覽、批注、查找、測量和對比等功能。
2.2 加密、解密和安全機制
1)加密。
信息給企業帶來大量好處的同時也給企業帶來各種危機，如信息的一大優勢是可以重復利用和共享，但是一旦信息被不該共享的人員所獲得，可能直接導致企業破產。因此信息的安全性是企業生死攸關的大問題。信息在PDM系統中是以數據的形式表達的，而文檔是數據的載體。PDM系統在將文檔提交到服務器時，服務器端的Web服務程序調用加密算法程序，自動進行128位加密操作，形成擴展名“.ex”文檔后，存入電子倉庫和數據庫中。
2)解密。
調用文檔時，通過客戶機端的瀏覽請求下載到本地計算機。開發圖檔瀏覽功能模塊PDM Toolkit具有解密功能。當打開圖檔文件時，自動登錄服務器進行身份驗證、網卡物理地址驗證和本地IP地址驗證。如果通過驗證，則調用服務器端提供的文件解密Web服務，將加密文件進行解密。
3)安全機制。
在服務器端數據庫建立網絡適配器物理地址和計算機IP地址表，進行訪問控制。系統管理員給PDM系統設置安全模式及權限。若為高級安全模式，則客戶端瀏覽請求時，服務器端程序進行身份驗證和網卡物理地址驗證；若為普通安全模式，則客戶機端瀏覽請求時，服務器端程序進行身份驗證和本地IP地址驗證；在低級安全模式下則只需進行身份驗證。
2.3 產品結構數據模型
一組相關零件按照特定的裝配關系組裝起來即構成部件，一系列的零件和部件有機地裝配在一起則構成產品，因此一般產品數據模型采用分層樹狀結構一一產品結構（樹），這是概念層次上的模型。在實際應用中，零部件的開發是一個反復迭代和逐步求精的過程，會產生許多版本形式，需要在結構樹中體現，而且版本與版本之間的關系也需要明確表達，并以最終產品或部件的形式表示結構樹，因此，需要進行擴展，如圖3所示。在趁此結構樹的基礎上，形成了拓展數據模型，該數據模型描述了：1)產品或部件的層次結構關系；2)不同版本對象之間的關聯；3)零部件版本與文檔版本間的關聯性；4)產品的相關屬性。
圖3 產品結構的擴展數據模型
3 功能模塊的建模與設計
PDM系統從應用角度分為組織管理、日程管理、項目管理、文檔管理、郵件管理、產品結構與配置管理和系統管理等，各個模塊間交錯相連，其依賴關系（如圖4所示）。本系統采用面向對象方法的統一建模語言UML進行建模。UML是系統開發人員之間、開發人員與用戶之間交流的一種語言工具，提供了9種不同的、語義豐富的、彼此關聯的圖，通過這些圖可以從多個視圖展示系統，從不同層次和不同角度對軟件系統從系統分析到設計實現提供了有力支持，如系統用例圖如5所示。
圖4 系統各功能模塊間的依賴關系
圖5 PDM系統用例圖
3.1 項目管理
項目是為了實現特定目標而設立的，因此其有自身獨特的屬性：1）獨特性；2）臨時性；3）目標的確定性；4）生命周期特性；5）相互依賴性；6）沖突特性。將項目管理分為5個階段：啟動過程、計劃過程、執行過程、控制過程和結束過程。PDM系統是面向中小型制造企業的，用戶是在這些企業中從事設計和管理的員工。PDM中的項目管理主要完成項目相關信息的建立和管理（項目管理流程如圖6所示），輔助項目負責人分配任務、配置人員、制定進度，并對項目進行管理和監控。
圖6 項目管理流程
3.2 工作流程管理
工作流程模塊實現流程管理和任務管理2個功能。流程管理包括定制流程和更改流程。定制流程是輸入自身相應屬性，通過流程模板進行定制，輸入必要的信息后實例化，存入PDM系統。更改流程是指產品設計和開發過程中的更改，更改必須履行批準手續。任務管理可以查看任務列表，了解每個任務的信息如狀態、執行截至日期等，或接受任務，并根據用戶任務提交狀況，自動更改任務狀態。工作流程用例圖如圖7所示。
圖7 工作流程用例圖
通過對設計部門流程分析和專家討論，制定了下列原則，將上述2個流程分為若干子任務：1)子任務的執行規定具體時間段；2)子任務按順序執行的，前一子任務執行完，后一子任務才能啟動；3)子任務的分解具有代表性。重新定義和分解，建立典型設計審批流程和更改審批流程模板。
3.3 系統集成
產品研發過程從業務范圍上需要覆蓋項目管理、概念設計、工程設計等環節，其中涉及到的應用系統眾多，數據種類復雜，軟件所采用的體系架構各不相同，存在信息交互和軟件功能調用。系統采用在統一的產品結構拓展數據模型的基礎上，根據中小型企業設計部門的研發模式和信息技術應用現狀，建立信息的統一編碼、技術標準規范、公共基礎資源數據庫。數據交換主要存在于產品結構設計、性能仿真和PDM系統之間：1)產品結構設計內部的數據交換主要包括：產品三維模型、零部件的屬性的信息；與PDM的數據交換主要是任務、資料、產品三維模型、產品特征參數等信息；2)性能分析與PDM系統之間的數據交換只要包括：任務、資料、仿真模型、報告等信息。基于以上分析，PDM系統與其它應用系統之間的集成采用：1)自行研發的功能模塊采用緊密集成方式，由PDM系統統一管理數據；2)成熟的商用軟件采用封裝集成的方式，PDM系統統一管理文檔和查詢指針。
4 運行實例
筆者采用C#語言，開發了一套基于Web的面向設計部門的PDM系統。由于PDM系統是一個多功能集成軟件系統，系統實施周期較長。系統在某中型機械制造企業進行試點運行。基于該企業的現狀，采用快速原型實施方法和里程碑控制方法，使該企業產品研發人員盡早參加系統的實施和應用。在此基礎上，進行實施過程控制體系研究，建立由需求控制、實施進度控制、實施質量控制、實施成本和經費控制、實施過程的文檔控制5方面構成的過程控制體系。采用“里程碑”控制方法，在PDM系統實施的每個階段進行驗收。系統實施過程中，進行實例的運行，部分界面如圖8～10所示。
圖8 產品結構管理實例圖
圖9 Toolkit瀏覽圖紙
圖10 AutoVueX控件的工具箱
5 結論
筆者開發的“面向設計部門的PDM系統”已經在某中型軍工企業產品研發局域網上安裝和運行，4個設計室、9個課題組應用了該系統，系統工作穩定，使用方便。PDM系統的實施，使該企業產品設計從兩維設計和兩維繪圖，轉變成三維數字化設計，產品數據實現集中管理，改變了傳統的設計方法和管理模式，使產品研發周期大大縮短，研發效率和質量得到了較大的提高和改善。
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本文標題：面向設計部門的PDM系統研發及應用
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