產品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM) 是指對產品規劃、概念設計、工程化設計、生產、營銷、維修與售后服務的全生命周期中的信息與過程的管理，既是一門設計制造技術，又是一種設計制造理念。PLM支持并行設計、敏捷制造、協同設計和制造，以及網絡化制造等先進設計制造技術手段。在企業實施PLM過程中，積累了大量知識源數據，目前如何根據已有的PLM系統，對企業的知識進行有效管理，正受到越來越多人的關注。當前對企業知識管理方面，眾多學者進行了大量研究。Hanley指出“知識管理是一組能夠展現組織設計與經營原則、流程、組織架構和應用技術的集合，它能幫助知識工作者以驚人的效率展現他們的創新能力，為企業創造價值。Eppler等認為，知識可視化是一種通過提供比信息可視化更加豐富的表達用戶所知道內容的方式，以提高人們之間的知識傳播和創新。由此可見，知識可視化可以提高知識管理的效率，而在如何實現知識的可視化管理方面，國內外也進行了一些研究。Alla Anohina 等認為，基于概念圖的知識管理系統能幫助初學者降低任務的難度。Sigmar 等認為，使用概念圖能實現知識管理的可視化，能對知識進行組織、分發等。
在企業的各種活動中，新產品研發對提高企業的競爭力有著至關重要的作用，相應地在PLM系統中，企業核心的知識都是基于新產品開發的，如何對新產品開發過程進行知識管理，是具有現實意義的。現有的PLM系統在產品開發中主要起著文檔倉庫作用，當某種類型產品研發成功后，再次研發類似產品時，PLM系統中只是保存著以前產品的最終設計結果，由這些數據了解原來產品的設計過程比較困難，特別是以項目開發為中心的企業，人員隨項目的建立而組織，人員流動性比較大，產品開發知識庫比較難以建立。在PLM的知識管理研究中，有幾個問題有待解決: 首先，設計人員本身都很難分清知識，由于整個設計過程就是一個知識演變過程，相關知識提取應該是邊設計邊提取; 其次，PLM能夠管理設計的文檔和流程，它能將設計結果文檔化和流程化，但是設計思維過程和知識如何與文檔相關聯無法體現。從現有PLM系統數據是不能得到或很難恢復原來設計過程全貌，而這部分知識恰恰是整個設計中比較重要的一部分。對于設計過程中的知識管理，Amrit Tiwana 等通過概念圖應用于新產品開發知識可視化管理中發現，在復雜產品開發中，用概念圖進行知識管理可以降低設計復雜性，增加設計過程柔性。
綜上所述，本文通過建立產品全生命周期概念圖定義，設計該概念圖與PLM系統中各種設計文檔關聯規則，明確產品全生命周期概念圖的存儲格式，探索新產品開發知識可視化管理的新方法。
1 PLM中知識管理的對象
企業的所有數據，如設計、加工制造以及企業流程活動等數據都已經儲存在PLM系統中，這些數據是知識的載體，要獲得可以利用的知識，還要對這些數據進行加工整理。由目前主流PLM系統( 如UGSTeamcenter、Aras Innovator 等) 特點可知，PLM系統基本上是依據Item或類似功能的數據結構來組織相關CAX(CAD、CAE、CAM、CAPP 等) 文檔和企業流程等信息。Item之間包含著多種關系，如部件和零件之間的父子裝配關系、零/部件使用的條件約束關系、圖樣和零件之間描述和被描述的關系，以及功能類似的零件之間可替換關系等。首先，PLM系統知識管理的目的之一是要建立這些文檔之間的關聯，因為這些數據都不是孤立存在的，建立其聯系有助于了解整個設計過程。其次，PLM中知識管理對象還包括設計過程中尚未信息化的知識，即將設計過程中的隱性知識表示出來。PLM知識管理的對象如圖1 所示。
圖1 中PLM管理功能所對應的這些文件數據中，都直接或間接地包含產品設計中的顯性知識和隱性知識，如CAX 數據中包含設計原理、裝配、制造相關知識; 文檔類數據集中隱含概念設計、功能設計知識; 工程變更申請(Engineer Change Request，ECR) 、工程變更通知(Engineer Change Notice，ECN) 等文件中包含重要企業活動，即包含企業的變更知識; Project 文件中包含與產品設計相關的項目知識; 物料清單(Bill ofMaterial，BOM) 包含設計BOM、制造BOM 和裝配BOM等，這些BOM文件中包含產品結構與配置的相關知識。因此，PLM系統進行知識管理的主要對象就是系統中這些已經信息化的數據。
圖1 PLM知識管理的對象
2 PLM概念圖設計
本文提出的“PLM概念圖”觀點，可以綜合利用概念圖可視化特性和PLM系統特性，對設計知識進行可視化管理。
2. 1 PLM概念圖與PLM系統關系
目前的主流PLM系統基本上是根據以前PDM 系統發展過來的，其主要功能包括: 文檔管理、零/部件管理、產品結構和配置管理、工程變更管理和項目管理等。本文提出的“PLM概念圖”是一種用于PLM系統的概念圖設計方案，目的是在產品開發過程中記錄開發過程和相關知識，使設計人員能迅速、直觀地了解整個開發過程，加快產品開發效率和提高設計質量。目前的PLM系統文件組織都是基于Item，所以PLM概念圖的Item類型已被定義，將概念圖文件存儲于該Item之下。在該Item下還可以附帶相應的、對Item說明的Form、CAX 文件等。該概念圖Item采用如圖2 所示的組織形式。
圖2 中表單Form 屬性記錄概念圖Item的相關屬性，如ID、版本、創建者和日期等; 概念圖文件保存概念圖的拓撲信息; CAX 文件是與此概念圖Item直接關聯的CAX 數據。采用這種數據結構主要有兩個優點:首先是比較容易建立這種數據類型，對于目前大多數的PLM系統，基本都采用相應的Item結構; 其次，用Item來實現對概念圖的不同版本控制比較容易。
2. 2 PLM概念圖的節點與關系設計
概念圖是一種用節點代表概念，連線表示概念間關系的圖示法。本文所提出的PLM概念圖節點功能如圖3a 所示。
圖2 概念圖在PLM中儲存結構
圖3 概念圖節點功能和關系
PLM概念圖中，節點名稱處顯示節點名稱; 文件鏈接處顯現與此概念相關聯的PLM系統中主要文件鏈接; 圖片顯示處可以顯示相關CAX 數據圖形以及相應Item組織結構等，以方便設計人員能迅速查找到相關文檔。
概念圖中各個概念之間都可能有一些關聯，一般用節點與節點之間的連線來表示這種關聯，節點之間連線如圖3b所示。
根據產品設計中概念之間關系，常見表達關系的關鍵詞有: 依賴，原因，結果，解釋，公理，理論，程序，經驗，圖樣等，在實現概念圖連線設計時，可以進行線型、顏色等屬性設置。
總之，PLM概念圖可以將產品設計中的知識點集中起來，形成清晰知識體系，達到提高設計效率和設計質量的目的。
2. 3 存儲問題
可擴展標記語言(Extensible Markup Language，XML) 是一種元語言，可用于定義任何一種新標識語言，用于表達各種類型數據，使構成文件的每一個元素都可以有自己的名稱、屬性以及和其他元素之間的關系。采用半結構化數據模型來描述數據，它描述數據的結構信息，而不是對數據結構進行強制性約束，可以做動態的更新。PLM概念圖使用XML來描述概念圖有以下幾個方面的優勢。
1) 層次化結構。XML文件使用層次化結構關系來描述數據，容易建立概念圖到XML之間的映射關系，所得到的文件也容易理解。
2) 可擴展性。XML的可擴展性保證了它的靈活性，很容易自定義其他數據類型。
3) 可操作性。XML文件的層次化結構以及元素之間緊密相關的關系，使得XML文件容易讀寫，可以快速、準確地定位以及操作有關的數據信息。
4) 可傳輸性。XML文件容易在網絡中傳輸。
5) 應用范圍廣。XML支持跨語言、跨平臺使用，一種平臺上產生的XML文件可以直接被另一種平臺使用，主流的編程語言都支持XML文件。
基于XML的這些優點，本文采用XML對PLM概念圖進行表示和儲存。在用XML對PLM概念圖進行描述時，需要解決節點基本屬性描述和約束屬性描述問題。
2. 3. 1 節點基本屬性描述
節點基本屬性描述指對PLM概念圖節點表現形式的描述，包括概念圖節點的顏色、邊框等內容。PLM概念圖節點基本屬性描述示例如下:
2. 3. 2 節點約束描述
約束定義其實是變量的擴展，也具有名稱和值兩個屬性，所不同的是其值可以是變量的函數式。PLM概念圖節點約束的部分描述示例如下:
3 案例分析
某公司以生產工業縫紉機和多功能家用縫紉機為主，共有31 個系列200 多個品種，年生產能力達200 萬臺。由于市場要求，需要開發一種自動高速工業縫紉機，該縫紉機由上百個零/部件組成，并且需要高速運行( 縫紉機轉速最高達6000r /min) 。它要在1s內完成近100 個線跡，而每個線跡的形成又包含3 個階段9 個過程的復雜動作。因此，該縫紉機各部分動作需要密切配合、協調。從縫紉機完成一個線跡的過程來看，主要由機針、梭( 擺梭或旋梭) 、挑線桿和送料牙等4 個主要部件，按一定順序進行工作來完成的。
該公司的PLM系統是UGS 公司的Teamcenter2005，系統已集成CAD 模塊，準備通過以概念圖方式記錄整個開發過程，便于設計過程中知識庫建立和以后相關產品知識重用。
在該縫紉機概念設計階段，首先，按從上到下的方式對設計任務進行分解。設計小組負責人制定產品研發目標后，按照各個功能部件的關系，把任務分解到各個子組或人員，子組負責人再分解到各個子組或人員，層層分解直至人員，概念設計階段的概念圖如圖4 所示。
在該縫紉機詳細設計階段，繼續用PLM概念圖進行設計，建立縫紉機送料機構的機構模型，并進行運動學分析、有限元分析和載荷計算等。圖5所示是送料機構的詳細設計，概念圖中包括送料機構的運動學分析、載荷計算等相關信息，所有的文檔、資料均保存于PLM系統中。
圖4 縫紉機概念設計
在該縫紉機樣機調試時發現，縫紉機高速旋轉時，引起比較大的振動并產生強噪聲。為此，必須增加動平衡分析，降低振動和噪聲。在原送料機構概念圖中加入動平衡設計，如圖5 中虛線部分所示。針對該縫紉機的整個開發過程，進行采用概念圖知識可視化管理前后的對比，如表1所示。
通過該案例可以看出，在對PLM系統進行知識可視化管理后，以概念圖的方式記錄設計過程中大量存在的知識點，支持設計的全過程，容易把握整個設計過程的關鍵，并可以對原設計進行快速的修改和重用，從而提高企業的創新能力。
圖5 送料機構詳細設計和動平衡分析
表1 使用PLM概念圖前后效果對比
4 結語
本文圍繞著基于PLM系統的新產品開發中，對知識表達、知識獲取、知識存儲和知識重用等方面的需求以及設計過程中存在的問題，提出以“PLM概念圖”為核心的新產品設計知識可視化管理方案。在新產品開發過程中，傳統設計方式只能在PLM系統中看到最終設計結果，而采用本文提出的“PLM概念圖”可以記錄設計中各個階段，經過重新組織相關聯的數據和產品設計知識后，設計人員可以掌握整個設計過程全貌，這有利于新產品開發過程中知識重用，從而提高企業核心創造力。本項目還要進一步對PLM概念圖的語義和檢索、知識的冗余和效率等問題進行研究，并加強集成性的研究。
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本文標題：一種新產品開發知識可視化管理方法
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