工业产品开发过程中的PDM技术

摘要:介绍了产品数据管理技术产生的历史背景及其定义 ， 分析了产品数据的特点，并介绍了实现产品数据管理的3种方式，重点介绍了基于并行工程的产品设计过程的数据管理体系结构。最后展望了产品管理技术的发展前景。

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概述

随着计算机技术、自动控制技术和网络通讯技术的迅猛发展，使得现代制造技术和生产管理方式发生了根本性的转变，以 CAD/CAF/CAM 集成技术为核心 ( 简称 VC3 技术 ) 的制造模式正迅速成为产品开发、生产的主流方式，整个的开发过程人们开始变串行过程为并行方式，以动态优化方式处理产品开发过程中的问题，力图使产品开发人员从一开始就能考虑到产品从概念设计到产品报废的整个产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、作业调度及用户需求等。

因此，并行操作已经成为先进的产品开发的重要特点，而各种工程技术人员可在同一个产品模型下进行各自相关的产品开发。要完成上述过程就需要实现信息的共享，信息共享是企业进行生产过程自动化的基础，这就是产品数据管理技术产生的必然技术背景 !

1   产品开发过程中的数据特点

产品开发过程可以分为若于个小的阶段，例如可分为规划、设计、计算、生产加工和测试装配等阶段。在这些过程中要产生大量的数据信息，由于各阶段要求解决的阶段性任务不同，所关心的数据信息也各异，但整体上又相互联系，常需要长时间的计算才能获得最终结果。

另外，一个设计过程往往是一种反复试探、调整的过程，设计者的操作主要是一种实时性的交互处理，对响应速度和用户接口要求比较高。因此，产品数据既有静态的规范数据，又有随着设计过程的展开而经过修改、不断产生的动态构造数据、信息增长数据、实验性临时数据等，数据结构复杂多样，记录数据项往往要根据产品对象而变化。

归纳起来，产品数据有如下特点 :

(1) 数据类型多、数据量大 : 产品数据包括的诸多内容中主要有两类。一是设计环境数据，主要是设计环境规则、设计方法、标准元素、设计条件和需求等 ; 二是设计对象数据，主要是设计产品定义、设计约束控制、产品性能、生产要求、经济核算、设计方案优化等。两类数据中，都存在基本数据类型，同时又存在非结构化的变长数据，如变长字符串、图形、图像、运动视频和声音信息等，因此，只有具备多种媒体信息的表现方式，才能生动逼真地表现产品信息。

又由于产品对象本身的系统性和长过程的固有特点，使得产品数据量庞大而复杂，即使是较为标准的数据，如设计规范数据、标准公差、结构要素、材料和零件、技术规范等，其数据量也是很大的，这些客观因素都要求产品数据库具有大容量、多品种数据存储和快速处理能力。

(2) 数据动态性 : 产品数据一般具有静态数据部分，即事先准备好的用于指导实际的信息，如设计规范等，但更为重要的是动态数据，即在产品设计过程中随设计行为展开而动态产生、并且直接关系到最后结果的数据，如结构分析计算、力学模型、零件图形等，又加工艺规程、方案处埋、技术文档处理等，所以用以存储产品数据的结构模式也具有动态构造性质，直到产品对象最终结果生产出来才能构造完成。

(3) 数据结构复杂 : 产品数据在随着过程展开而动态形成发展的同时，所带来的文体间的关系是复杂多样的，呈现网状结构，又分层次之分 ; 分层设计不仅有层次结构，而且对于不同的设计对象的层次数目也不一样，在每个节点中，有时可能本身就具有复杂的结构特性。而产品中关于知识和规则数据的表示和存取，其结构关系就显现出更加纷繁复杂的景象，特别是许多事实知识 ( 如设计和生产案例、经验等 ) 本身就存在描述的模糊性，个别设计对象或管理对象又具有复杂的逻辑联系和不确定性推理。对这种非标准数据的定义和操作是相当困难的。因此，产品数据结构复杂。

(4) 过程存取和随机存取方式 : 产品数据主要是过程存取，因此事务管理也是面向长事务的。产品设计通常要延续很长一段时间，对数据不仅仅是简单的查询或大量的提取数据，所提取的数据往往要参与设计过程产而设计过程又要使用多方面的相关信息，并且新产生的结果 ( 包括对已有设计数据的修改 ) 要作为事务提交并加以存储。

同时，由于产品设计是一个试探性过程，其有反复性、尝试性和发展性，如有些设计是对经典范例的修改，而有些设计可能有多种可选方案，这就要求能保留和管理设计的历史、不同设计方案和动态变化的模式等等。此外，产品数据运行方式上还有版本控制的要求。因此，产品设计中有总体数据、各专业数据、纵向关联数据和横向关联数据，在一个集成系统中，随机存取的数据量很大。

2   产品数据管理的概念

PDM(Product   Data   Management ，产品数据管理 ) 技术最早出现在 20 世纪 80 年代初期，目的是为了解决大量工程图样文档的管理问题。过去，工程师们常常要扎到数据堆中，花费很多很多的时间去寻找本应唾手可得的信息。为了解决大量工程图样的管理问题，通过使用图形扫描技术等把工程图样转换成电子图像，并用软件实现对这些电子图像的浏览和修改，重新生成新的工程图样，这种软件就是 TI PDM 的雏形。

随着文档存储技术的发展，软件管理的对象类型逐渐拓宽，开始处理大量的异构文档 ( 如 CAD 图形、图像、字处理文件等 ) ，而且结合企业的实际，开始在计算机上模拟企业中频繁进行且容易被延误的“更改单”的管理过程，这类管理逐渐扩展到产品开发过程领域中，如设计图样和电子文档的管理、自动化工程更改单的管理、材料清单 (Bill  o f   Material,BOM) 的管理等。最近 几 年， PDM 发展极为迅猛，它所支持的应用范畴也越来越广。

在产品开发集成化过程中， PDM 是不可缺少的软件支撑环境，它是连接集成化环境中人员、工具、信息、过程的桥梁和纽带。 1995 年 2 月，专门从事 PDM 和 CIM 相关技术咨询业务的 CIM   Data 公司总裁 ED   Miller 在“ PDM   Today ”一文中给出的 PDM 的定义是： PDM 是管理所有与产品相关信息和过程的技术；与产品相关的所有信息是指描述产品的各种信息，包括零部件信息、结构配置、文件、 CAD 档案、审批信息等；与产品相关的所有过程，即对这些过程的定义和管理，包括信息的审批和发放。这一定义意味着 清软英泰 TI PDM 将在工业上有广阔的应用前景。

1995 年 9 月 Gartner   Group 公司的 D . Burdick 在所作的“ CIM 策略分析报告”一文中将 PDM 定义为： PDM 是为企业设计和产生构筑一个并行产品艺术环境 ( 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。

该定义确切表明了 PDM 与并行工程之间的联系，这里，“异构数据”是指由于产品设计所涉及的知识构成越来越复杂，各领域专家借助不同的硬件、不同的操作系统和不同的应用软件工具参与设计，所以，产品信息往往要由不同的软件供应商提供的多种应用软件系统生成或使用，这样就会产生类型各异的设计数据；又由于参与设计的人员可能分属不同的部门甚至是不同地域，设计活动的分散性使信息存放在不同的部门或地点。“与产品相关的过程”指的是产品的开发过程、产品变更过程和其他的工作流程等。

3   PDM 的结构

在物理结构上，传统的 PDM 采用分层结构。上个世纪 80 年代以前广泛使用的是单层结构，单层结构的典型特点是 GUI(Graphic   User   Interface ，图形用户接口 ) ，处理逻辑和数据存储作为一个整体包含在系统中。

90 年代中期流行两层结构，这种结构把应用程序分成两层：客户层和服务器层，用户接口和处理逻辑驻留在客户端，而与其相关的所有数据则存放在服务器端。其最大的特点是客户端的简化，通用的客户端浏览器只是一个显示界面的工具，而主要的业务逻辑全都放在 Web 服务器中进行处理，这个特点使系统的安装与维护特别的方便，只需要改变服务器端，就可以实现整个系统的更新、维护。

但是， Web 本身没有提供一个良好的开发方式，它仅是一个运行的模式，按照现在普通的 Web 开发方式，即使用 C 编写 CGI( 公共网关接口 Common   Gateway   Interface) 程序，开发还是比较困难的；而且由于业务逻辑程序都在服务器端运行，当应用范围变得越来越复杂的时候， Web 服务器的负载就会越来越重，因此，需要开发出分布式的 Web 程序来分散计算负载。

1996 年初， 3 层或多层结构的出现使计算机网络的应用发生了根本的变化，这一开放的、分布对象的方法把客户端庞大的程序又分成了两个部分：用户接口和逻辑处理，这种 3 层结构对用户请求的响应和处理速度更快。

随着分布式对象技术的逐渐成熟，多层分布式应用体系结构得到越来越多的应用。应用系统只有向多层分布式转变，才能最终解决 Client ／ Server 结构存在的问题。在多层架构下，应用可以分布在不同的系统平台上，通过分布式技术实现异构平台间对象的相互通信，将应用系统集成于分布式系统之上，能极大地提高系统的可扩展性。

CORBA( 通用对象请求代理体系结构， Common   Object   Request   Broker   Architecture) 的出现解决了分布式计算的问题，它可以让分布的应用程序完成通信的互操作。 CORBA 提供的 ORB(Object   Request   Broker) 机制可以使对象间透明地进行通讯和访问。 ORB 作为联系客户端与服务器端对象的中间件，为产品异构平台和异构系统之间的分布式互操作提供了一个有效途径。不同的 ORB 之间可以通过 IIO P 协议进行通信。

任何对象只要用 IDL 语言 (Interface   Definition   Language) 对其接口进行描述，就可以通过 ORB 访问其它遵循 CORBA 规范的系统，而不需要考虑这些系统的物理位置、运行平台以及具体实现，这就实现了访问以及互操作的透明性，解决了产品数据分布异构环境所带来的一系列问题。

PDM 技术是对工程数据管／里 (Engineering   Data   Management ， EDM) ，文档管理 (D ocu ment   Management ， DM) ，产品信息管理 (Product   Informa - tion   Management ， PIM) ，技术数据管理 (Technology   Data   Management ， TDM) 、技术信息管理 (Technology   Informant   Management ， TIM) 、图像管理 (Image   Management ， IM) 及其他产品定义信息管理技术的一种概括性的扩展，新一代 PDM 系统融合了面向对象技术、网络通信技术、客户／服务器结构、分布式数据库技术与图形化用户接口。许多企业都把 PDM 作为贯穿整个企业的集成框架，是企业保持竞争力的战略决策。

TI PDM 作为工程领域的集成框架，具有以下作用：

① 支持异构的计算机操作系统、数据库与网络；

②采用面向对象的机制，提供面向对象的建模方法，具有良好的系统开放性与可扩展性；

③具有便捷的集成插件功能，支持异构应用工具系统与 PDM 的集成，实现对工具的透明调用；

④提供产品全生命周期的串并行过程管理；

⑤提供对分布式数据的统一管理，支持信息共享。

图 1 是基于 PDM 的产品并行设计支持系统的体系结构 ( 图中粗线框部分 ) 。其中， PDM 框架是面向网络分布的设计开发团队，由控制层、应用层、应用支持层与基础环境层组成。

(1) 控制层：位于系统的上层，它定义产品并行开发的过程模型。并行工程中的数据管理是围绕过程来展开的。过程决定了参与人员 (Team) 的组织方式、人员的职责和权限、设备资源的分配、应用工具的使用，以及决定何人应于什么时候向什么地方提交什么数据。因此，在确定支持并行工程的产品数据管理框架的体系结构时，把过程作为最上层的控制，它通过相应的软件操作接口定义可执行的设计过程，实现流程的优化。

(2) 应用层：是数据的生成器和接收器，它面向不同的应用领域，完成不同的任务 ( 如 CAx 、 DFx 等 ) 。它可通过相应的软件应用开发接口，将对象封装在管理框架中，实现应用工具与 PDM 的封装或集成。

(3) 应用支持层：是数据管理的核心层，它一方面提供用户操作接口，使用户实现人员组织、产品结构和过程管理等定义和操作，另一方面它还提供应用开发接口，使用户可以对已经封装过的对象，进行产品数据模型的修改和补充，实现产品结构管理、应用工具封装等用户化任务。利用面向对象技术把所有工业标准模型和用户化的模型，放置于图形化的对象浏览器中进行统一管理，该层把网络、操作系统及数据库屏蔽起来，用户可以直观、方便地操作整个环境中的数据对象。

(4) 基础环境层：为上两层提供支持，其中数据库主要对元数据 (meta   data) 进行管理，而网络主要为该框架的客户机／ N . 务器 ( C ／ S ) 的体系结构提供支持。

为了保证产品全生命周期中上下游信息的畅通、一致与共享， PDM 集成框架一方面需要管理与控制产品开发过程中产生的产品信息；另一方面还要实现与不同应用系统的集成，这种集成包括两个层次，其一为 PDM 系统与 CAx ／ DFx 工具的封装与集成，其二为基于 PDM 系统的设计系统、基于 EPR 的生产计划管理系统间的信息交换。在此基础上，为 IPT 中每个成员提供一个协同工作的环境，保证他们在异地环境下互相协作、适时交换信息，加快产品的开发过程。

4 结论

结合上述并行工程体系结构，在一定的软件环境中建立支持多功能并行开发的协同工作环境，对产品进行生命周期全数字化定义，实现信息的完全计算机化管理；定义结构优化的团队组织模式，分层建立信息共享操作的权限；提供与不同应用工具的分层接口，有效管理工具资源信息；在对企业过程模型进行优化的基础上，将其转化为可控的工作流程，实现产品的并行设计。这就是产品数据管理的主要内容。

目前， PDM 技术的更高级发展阶段称为产品全生命周期管理 PLM(Product   Lifecycle   Management) ，它是对产品从用户需求、产品设计、制造装配、维修服务到报废回收的各个环节所涉及的产品、过程、资源进行管理的技术。如果说 PDM 是集中在产品设计阶段，而 PLM 则大大扩展了 PDM 的范围。本文章来自 清软英泰 PDM ，更多详细信息请点击： www.plmpdm.cn