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走入PDM广告
走入 PDM
李和良
赵
敏 [摘要] 本文以当前最为广泛应用的PDM软件为例，概述了PDM功能特点、体系结构、数据管理机制和系统应用模式。让读者走入PDM，认识其一般内在特征。 [关键词] 数据，管理，并行工程，数据共享，数据交换，电子数据仓库，工作流，文档，面向对象，产品结构，产品配置，工程变更，更改控制，分类，封装，工作空间，数据库，网络，服务器，版本管理。 一、引言 正式提出产品数据管理这一概念是在八十年代后期。近几年，PDM技术突飞猛进，人们对PDM概念的内涵和外延认识也逐渐清晰。在1995年2月，主要致力于PDM技术和相关计算机集成技术的国际权威咨询公司CIMdata公司总裁Ed Miller在《PDM Today》一文中给出了PDM的简单定义：“PDM是一门用来管理所有与产品相关信息(包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等)和所有与产品相关过程(包括过程定义和管理)的技术”。而Gartner Group公司的Dave Burdick则把PDM定义为：“PDM是为企业设计和生产构筑一个并行产品开发环境(由供应、工程设计、制造、采购、销售与市场、客户构成)的关键使能技术。一个成熟的PDM系统能够使所有参与创建、交流、维护设计意图的人在整个信息生命周期中自由共享和传递与产品相关的所有异构数据”。 该报告还分析了一个能够满足企业各方面应用的PDM产品应具有的九大功能，包括文档管理、工作流和过程管理、产品结构与配置管理、查看和批注、扫描和图像服务、设计检索和零件库、项目管理、电子协作、工具与“集成件”功能，如图1所示。
PDM技术在90年代的迅猛发展，主要归因于国际上许多大型企业正逐渐接受PDM并把它作为支持经营过程重组、并行工程、ISO9000认证等的使能技术。1994年波音、休斯、罗尔罗依斯、奔驰、德仪、摩托罗拉这些行业中领头羊纷纷投入巨资实施PDM作为保持企业竞争力的重要手段。根据CIMdata公司1998年2月预测，1998年PDM产值约为13亿美元，并将在2002年以前保持每年18%的增长率。 二、PDM系统体系结构 从PDM系统的实现技术上讲，大多数PDM系统都采用了客户/服务器的体系结构，需要有数据库技术保证数据的存储和管理，需要有网络技术提供数据的通信和传递。1993年关于信息系统的泛太平洋会议上，电子咨询系统公司产品信息管理中心的Scott Tsao曾给出了产品信息管理系统的一个完整描述，并提出了一个包括应用和数据两个方面的产品信息管理系统体系结构，如图2所示。
应用结构分成三个层次：?应用层。它提供给系统用户的实际功能和一个一致的、友好的用户界面，它由环境管理器、应用功能单元和应用服务单元三个功能组成；?系统服务层。它提供通过一致的接口以一种与地点无关的方式访问分布式网络层功能，还提供访问存储在不同物理设备上的一致的数据逻辑描述，它由通信服务、计算服务、描述服务、安全性服务以及数据服务五个功能组成；?网络层。它提供通过网络连接的分布输入/输出设备、计算机之间基本的计算和通信服务，它由输入/输出、计算、通信网络三个功能组成。 数据体系结构也分成三个层次：?应用层。它描述了特殊应用使用的数据用户视图，应用之间数据共享通过数据交换、视图映射实现。?概念层。它描述了整个企业中产品信息管理数据的公共视图。?物理层。它描述了存储在企业网多个设备中的数据的数据管理员视图，还提供分布式存储和分布式查询信息。图3给出了SDRC的Metaphase Series 2.x系统体系结构，同样可以分成相应的网络层、系统服务层和应用层。
可以说，目前较为大型的PDM系统的体系结构基本上与Scott Tsao提出的体系结构相似，只是在系统的具体实现技术以及应用功能上可能有所差异。总的来说，PDM 系统正朝着柔性的、面向对象的方向发展。而且有一部分PDM的中件服务技术如工作流、对象处理将变成操作系统功能的一部分。表1给出了从PDM发展初期到未来五年PDM在体系结构上的发展历史和方向。
如前所述，满足企业级应用的PDM产品应具有的九大功能。限于篇幅，在本文中，主要对电子仓库与文档管理、工作流和过程管理、产品结构与配置管理、设计检索和零件库等这四方面功能做重点介绍。 1）电子仓库与文档管理功能 当今，传统的串行的产品开发方式正在为集成化的、并行的产品开发方式所取代。企业原有的文档管理方式已无法适应新技术发展的需要。对于那些分布在不同的地点、不同格式的文件进行有效管理需要解决以下问题：a) 分布式(多用户)、多类型的文件管理。b) 满足工程需要的不同查询方式。一个产品的开发往往会产生大量的文件和图纸，同时，一个新的系列产品开发可能会承袭80%的老产品的成果。怎样从成千上万的图纸中及时找到所需要的设计信息是十分棘手的问题。c) 数据的版本管理问题。一个系列产品从产生到消亡需要经过反复的改进，因此，描述一个产品的数据可能有多个版本，每个版本应用于不同时期的产品之中。如何保证使用某个产品的正确版本就成为工程中一个至关重要的问题。d) 数据的共享和安全性问题。产品开发更强调协同工作方式，要求以电子文件形式在计算机网络上交流，更迫切需要解决数据的安全保存和保密的问题。要求能够实现根据系统中各类人员所承担的不同职责，分别赋予不同的数据访问权利，处理不同范围的资料。同时，还要保证数据在权限许可的范围内，随时可以把正确的资料送到需要该资料的人手中，实现数据共享。 PDM系统提供的电子仓库和文档管理功能为满足上述工程需求提供了很好的解决方案。为了对分布的电子文件进行有效管理，PDM系统利用操作系统提供的网络文件服务（Network File Server）建立了分布式电子仓库（Vault）管理机制，如图4所示。图中机器1和机器2通过网络实现物理连接，每个机器中存在的操作系统目录分为两种：一种是普通操作系统文件目录，另一部分为纳入到PDM系统环境中为PDM系统控制的操作系统文件目录。用户工作目录和共享工作目录必须建立在PDM系统控制的操作系统文件目录之下。
PDM系统通过对工程实际中遇到的文档对象进行抽象，利用面向对象技术，把这些数据类型进行分类并定义为各种对象类，把工程中经常出现的查询要求定义为这些对象类的属性，或者建立起文档对象与其所描述的对象之间的联系。因此，PDM系统可以支持通过属性和通过与其相关对象这两种途径实现对工程文档的查询。 为了实现版本管理保证数据的一致性，PDM系统设计了两种不同类型的工作空间：一种是用户工作空间(Workspace)，作为一个逻辑上的对象存储器，用来存放用户私有的数据对象。另一种是共享工作空间(Vault)，它也是一个逻辑上的对象存储器，用来存放共享的数据对象，对该空间中的数据访问需要经过授权。图5 给出了不同共享层次的工作空间模型和数据版本变化模型。Va,i表示一个对象，a为该对象的正式版本号，i表示该对象的临时版本号，Va,i即表示该对象是第a个正式版本的第i个临时版本的对象。从图中可以看出产品开发者从共享工作空间检出(Check Out)数据对象到用户工作空间时其临时版本号就会增加1，每个临时版本是否保存在执行数据对象的检入操作时由用户自己选择。如果数据对象已经执行了归档(Archive)操作后，产品开发者又要对其进行修改时，则必须从全局共享空间中修订(Revise)该数据对象到用户工作空间中，此时，数据对象的正式版本就会升级，由A变成了B。从用户工作空间或共享工作空间中可以清楚地看到对象版本变化情况(如图中虚线箭头所示)。图6给出了PDM系统实现的版本模型，它是一种线性模型。
PDM不同共享层次的工作空间机制不仅实现了版本管理策略，同时，也实现了数据的安全性管理策略。用户工作空间属于一个特定的产品开发者，它可以保存该开发者的私人数据对象，只有它的拥有者可以读和增加其中的内容，而其它用户无权访问这些数据。共享工作空间提供了多个设计者共享设计数据的一个命名数据存储空间，到底由哪些用户可以访问共享工作空间的数据，需要通过系统授权来实现。无论是用户工作空间还是共享工作空间可由一个元数据库和多个用户工作目录或共享工作目录组成。图7 描述了用户工作空间和共享工作空间模型。
在PDM系统环境中，多个用户可以并发地对共享工作空间中的数据对象进行存取，所以对象管理必须提供并发控制机制来保证并发访问的正确性。并发控制的基本手段是加锁。本系统采用了对象粒度上的加锁机制，当一个用户从共享工作空间中检出一个数据对象时，系统对该对象加上共享锁，禁止其他用户对该对象进行有回写的操作，如更新(Update)或检出/检入(Check Out/Check In)等等，但允许其他用户对该对象进行读操作。当一个用户把共享工作空间中的数据对象进行了归档操作时，对该对象加上共享锁，允许所有用户执行读操作，禁止所有用户进行更新操作。由于加锁机制只在对象层次上，相对来说比较简单，可通过给对象增加两个控制属性的方法实现，无需专门的加锁进程和死锁检测进程。 2）
工作流/设计过程管理 在产品开发过程中，工程设计活动表现为创建、发放及更改设计数据。比如三维CAD建模在产品开发过程中可能需要经过上百次的更改。在一个产品开发过程中，需要设计成千上万的零件，对每个零件，由不同的人创建、修改、浏览、检查和审批，而且设计每个零件使用的应用工具不同，产生不同类型的数据。当一个产品开发者被要求对某个设计进行更改时，需要的不仅仅是原有的设计和工程更改单，还需要参考许多文档、文件和表格，而且也将牵涉到其他的产品开发成员。企业中常见的、与过程管理相关的问题如下：a) 审批发放。对工程设计结果进行审阅、检查等。b) 工程更改过程。一个产品的设计需要经过许多的工程更改，需要制定严格的更改程序，通过预先规定的工作程序，完成对设计结果的更改工作，能够自动搜索某项更改所涉及的范围，及时给有关人员发送电子邮件，使其关注某项更改可能会引起的影响。c) 产品数据的状态标识和信息传递。在产品开发过程中，计划人员需要控制产品开发的进度、协调产品开发队伍之间的冲突，因此，需要获取产品数据的状态并把这些信息传递给管理信息系统。d) 设计历史和记录备案。在企业中，对于产品数据的各种审批记录、关键性的决策都需要长期保存，以备查询。 PDM系统设计过程/工作流管理功能通过对产品开发过程的分析，抽取一些构成产品开发过程的基本积木块——基本任务单元(UoT)，由这些基本的任务单元构造来构造不同的产品开发过程，如设计评审、工程更改过程等。图8 给出了任务单元描述模型。任务单元由任务本身的描述外，还包括需要定义参与人员列表、任务完成模式、任务的工作对象，并提供完成任务和没完成任务两个出口。在任务执行过程中，可以触发一系列消息触发器完成不同的工作，如更改数据状态与版本、发送电子邮件、统计任务成员签署完成情况、传递相关数据、通知相关成员等。
在Metaphase中定义了七类基本任务单元：(a) 条件任务。一个具有命名条件的任务单元，它返回一个布尔值，用来创建设计过程中的分枝点。(b) 作业任务。参与者完成自己所承担的工作任务。(c) 审批任务。参与者检查、评审参与该过程的数据对象的任务。(d) 消息任务。一种嵌套的设计任务，实际上该任务触发一个消息，执行用户指定的一个外部程序。(e) 发布任务。表示任务已经到了一个重要的质变阶段，需要通知相关人员。(f) 嵌套任务。这种任务嵌套了一个子设计过程。(g) 并行任务。该任务可以同时被执行。 上述七类任务单元根据每个企业不同的业务需要可以构建任何复杂的产品开发过程。在产品开发过程的运行中，可以随时监控设计过程的进展，同时，运行这些任务往往会导致参与对象的状态发生变化，并伴随着相关数据的转移，对于每个任务的完成情况，都记录历史供以后查询。流程管理有助于支持并行工程的真正实现，也有利于增强实时监控、跟踪管理，及时掌握设计/制造过程情况的能力，同时通过对企业流程的整理可以发现原有产品开发过程中的瓶颈，实现对企业过程的重构。 3）产品结构与配置功能 目前，在工程领域中存在着不同的产品结构模型，有的是显式的——指已经给出产品零部件分级关系的，如装配说明书、材料清单(Bill of Materials)等，有的则是隐式的——指产品零部件分级关系隐藏在图形内部，如工程图纸等等。存在的问题是缺乏统一的产品结构描述和难于对系列产品进行有效的管理。因此，在计算机中要能够保存产品生命周期不同阶段的产品结构视图，生成满足不同需要的材料清单。并且把同一个零件的不同的版本保存在计算机内，分别对应着系列产品中不同型号的产品。 PDM系统的产品结构与配置管理功能，通过把产品分解为装配体和零件，装配体可分成可分解的或不可分解的，可分解的装配体可进一步分解为子装配体和零件，子装配体还可进一步分解，逻辑地描述了一个产品的组成关系。同时，在产品结构关系中还考虑支持企业中经常出现的替换件和互换件的概念。互换件关系是指某一产品中的某个基本构件能够为另一个形状、安装方式以及功能都相等的构件完全代替，两者完全等价。如两种直径为F8的螺钉，一种是螺纹头为十字头的，另一种为一字头的，这两种螺钉具有相同的形状、安装方式和功能，这两种构件可为互换件关系。替换件关系是指一个零件能够在一定范围内与产品中的某一零件功能要求一致，而且能够满足产品的整体功能要求，这个零部件和产品中的该零部件可为替换件关系。产品结构基本构件的版本管理与文档管理中版本模型相同。由于产品结构零部件本身存在着不同的版本，也就出现了产品结构的配置问题。图9给出了一个产品结构的版本空间和配置空间的示例。从图中可以看出，产品结构分级中零部件的版本是一种横向的视图，而配置则是产品结构分级的纵向视图。在产品的分级结构中，每个节点有多个值，在父节点的值与子节点的值之间存在着一定的约束关系。因此，在配置视图形成过程中存在着有效性问题。
配置条件指的是限制产品结构分级关系中父节点值与子节点值之间约束关系的条件。配置条件的集合构成了生成一个特定产品结构视图的配置环境。根据STEP标准AP 203，常见的有效性有两种：一种是版本有效性，另一种称为结构有效性。如从1996年4月1日起，该产品的某个版本开始发布生效，或者从1996年4月1日起，某产品的某个部件改成某种结构。有效性控制方式一般有两种：一是通过有效日期，另一种通过序列数来控制。图10，
图11 给出了两种有效性控制的示例图。实际中，一个产品结构的有效配置对应着企业中某个系列产品的一个型号。
企业产品资源可以分为静态资源和动态资源。动态资源是指正在参与到产品开发过程中的各种产品资源，而静态资源则是指企业中标准和定型的产品资源。为了更好地利用设计资源，需要对这些静态资源进行有效管理。由于企业已经很早就认识到了零部件管理的好处，许多企业对这些资源进行了一定的组织和管理工作，但由于本身数据模型的缺陷，往往管理对象的一些分类属性，无法和所有描述被管理的对象的设计文档、数据模型、工艺文件等有机地联系起来，因此，不能达到真正的设计资源再利用的目的。 PDM系统的零件检索和零件库功能不仅提供了通过分类和编码来有效地组织产品数据，零件库是将具有相同或相似特征的零件归并入库，以更好支持原有设计资源的重新利用，从而提高设计效率。设计检索则可以通过多种检索途径来获取产品零部件及其相关的设计数据。PDM软件能够提供分类规则的定义方法，以适应每个企业的信息管理要求，同时提供有力的检索工具，可以根据产品对象的名称、属性、编码等进行产品信息的查询，能够查询零件的各种信息，如状态信息、创建者信息、被哪些产品所使用，或的零件的使用频率等。在此基础上，PDM可以通过分类功能获取相关对象，并可以获得描述该对象的所有数据文档，所谓的设计重用，更重要的是获取这些设计的结果。图12 给出了PDM系统中设计检索所带来的实际利益。
项目管理是目前PDM软件中比较弱的一项功能，它仅仅提供了按照项目来管理和组织相关的产品数据。而一个较为强大的项目管理功能是指对各种生产、设计、制造等计划和项目的管理，它需要支持工作任务的分解，提供工作任务分解结构的图形化描述，较多地涉及了时间管理、任务分配、资源使用计划、进度控制等。缺乏有效的项目管理工具，使企业不能很好地控制项目的进行，不能按分目标一步步地完成任务，而造成项目的延期。因此有必要在今后完善这项功能。 6）检查与批注 通过对各种图形文件的格式转化，让用户可以查看电子仓库中的数据内容，如图形、图像文件等，并在图形和图像文件上用各种符号进行注释、圈阅，对设计进行评价，该评价结果将会附着在原图形和图像文件上，为设计修改提供参考。该功能主要用于支持电子化的审批过程。 7）电子化协作 电子化协作用于支持分布式工作环境下的产品开发人员之间的协同工作，如提供电子邮件、电子白板等等。设计过程的参与者可以通过电子邮件获取工作任务，并在与其相关的数据发生状态变化时及时得到通知；电子白板则可以允许设计团队之间共同讨论设计问题。 8）扫描与成像服务 支持工程图纸或缩微胶片通过扫描转换为数字化的图像文件，并将它们放到PDM系统中进行组织和管理。 9）工具和集成件 支持各种应用工具封装、集成到PDM系统中，以及实现与其它管理应用系统之间的数据交换和传递。一个完全开放的PDM允许用户查询、修改、扩充系统数据模型的能力，提供强大的应用接口函数（API），允许各种应用与PDM系统之间交换产品数据，更进一步，它能够提供强大的应用集成开发平台或工具支持用户的开发工作。 四、结论 PDM系统是一个实现所有与产品相关数据有序管理的工具，同时又是工程设计人员相互协作的环境。上述提到的PDM系统所具有的功能只能说明PDM系统提供了产品数据管理的基本手段和支持机制。由于每个企业的企业文化和管理模式各不相同，决定了在企业中实施产品数据管理时必须结合每个企业的实际情况进行。实施产品数据管理没有一个现成的解决方案，实施过程本身就是为企业制定特定解决方案的过程。而且，实施产品数据管理涉及到企业的各个部门甚至不同企业之间的协作方式，是一个较为复杂的系统工程，必须有正确的实施方法和步骤。 在最后一章，笔者将与读者一起“走出PDM”，探讨实施PDM的相关问题。 如果您希望与本文章的作者或其所在机构，进一步交流，请联系：姜小姐 jill.jiang@amt.com.cn | 021-51096826-112 | 在线联系 |
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