CAD/CAM 关键技术 - 产品数据管理(PDM)

HEATS 发表于 2010-9-13 22:20:23

CAD/CAM 关键技术 -- 产品数据管理(PDM)

产品数据管理（PDM? Product Data Management）是指企业内分布于各种系统和介质中关于产品及产品数据的信息和应用的集成与管理。产品数据管理集成了所有与产品相关的信息。企业的产品开发效益取决于有序和高效地设计、制造和发送产品。产品数据管理有助于达到这些目的。
产品数据管理是帮助企业、工程师和其他有关人员管理数据并支持产品开发过程的有力工具。产品数据管理系统保存和提供产品设计、制造所需要的数据信息，并提供对产品维护的支持，即进行产品的全生命周期的管理。　
1 研究背景
1.1制造业面临的挑战
制造业发达是一个国家经济强盛的标志。随着科学与技术的进步，电子、信息及自动化技术的广泛应用，使生产得到了巨大发展，市场竞争亦变得愈来愈激烈，竞争推动着整个社会飞速前进，同时给企业造成了严酷的生存环境。
企业要力争在最短时间(T)内、消耗最少的资金(C)、生产出满足市场需求(Q)的产品。市场的需求在不断变化，对产品的结构、性能的需求越来越苛刻，从而使新产品的研制变得越来越复杂。然而，产品的频繁更新对企业本身来说也带来一些问题：需要在再设计(Redesign)、企业过程的调整(BPR)等包括设备改造及制造上不断投资。其中开发费用基本上与时间成正比，即开发周期越长，投资越多。这种因素也促使企业采用各种手段缩短产品开发周期。
因此，世界各国的企业都面临着严重挑战：如何缩短日趋复杂产品的开发周期以占有市场、并降低成本！如何去适应快速变化的市场需求，对企业进行重组，不断以高质量、低成本、快速开发新产品等手段，在竞争中求生存和发展，已成为企业共同追求的目标。
为了达到上述目标，企业不断强化了在产品设计开发过程中采用计算机辅助技术的措施，由此又引发了新的问题。　
1.2企业信息化过程中的问题
如图1所示（t轴表产品开发周期长度，I代表信息量）随着各种先进技术的运用，产品开发周期在缩短，但信息量却在成倍增加，这说明信息在企业中已占据愈来愈重要的位置。　
企业逐渐实现计算机信息化，标志着企业的进步与发展，信息化最有效的应用在于支持企业目标的实现，信息由企业创建，成为一种新的企业资源，其利用程度（信息创建、流动的速度与重用的程度），有效的管理（存取，版本）就成为企业信息化的新的任务：
·信息共享程度。企业的计算机辅助工具大都是一些离散孤立的系统，由于这些互不兼容的软件产生的数据格式不一致，存储介质亦是各种各样，再加上人员组织管理的不同，这一切使得企业无法在管理设计、工艺和制造部门之间以及相关企业间甚至企业与贸易间有效地传递数据信息，实现信息共享。企业应采用更为先进的方法来管理和协调整个产品开发直到制造过程。
·提高信息传递速度。大部分企业的信息传递主要是通过书面文件、报表及电话联络方式。设计开发的上游部门无法及时与下游过程进行信息交换与共享，各部门不能及时地了解设计开发过程中的变化，因而产品的研制开发时间长，企业应采用有效手段来跟踪检查整个产品的设计和制造的进展。
·有效的信息管理。虽然企业采用计算机辅助工具在一定程度上实现了绘图和设计的计算机化，但是仍然依赖纸质文档的管理，由于缺乏有效的文档管理，不能有效地利用已有的设计资源。
·要求先进的相适应的信息基础设施（计算机信息系统支撑环境）。在数据管理方面，企业仍然停留在使用大型商用关系数据库的层次上，由于这些数据库不能有效地管理图形、图像等非结构数据，更无法实现过程管理、配置管理以及对应用工具的集成，从而不能满足在异构与分布式计算机环境中使企业内各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成。
·提高应用集成系统效率。在产品开发设计过程中，几乎任何两个不同的应用软件都不可直接分享或交换产品数据信息，CIMdata公司指出：目前在企业中每天大约有1/3到1/4的设计、管理工程技术人员不是专心于自己的本职工作，而是开会、讨论、等待或处理各种信息；美国的调查表明，由于设计制造缺乏产品数据的统一管理，导致产品工时增加20%，成本上升10%。因此提高应用集成系统的效率，其核心为各应用系统间可互操作性。
早在七十年代，美国的Joseph Harrington 博士就根据计算机越来越强大的信息处理能力和计算机网络技术的发展情况及其在制造业广泛的应用前景，首先提出了计算机集成制造 (CIM, Computer Integrated Manufacturing) 的概念，其核心思想就是强调在制造业中充分利用计算机的网络、通讯技术和数据处理技术，实现产品信息的集成。而近年来提出的并行工程 (CE, Concurrent Engineering) 的概念则是强调在CIM信息集成的基础上，在制造业中采用并行处理的方法进行产品设计及其相关过程的实施，克服了传统的顺序工程在设计时不能及早考虑制造过程、支持环境、质量保证和设计开发周期长等问题，使得企业开发的产品能够及早地以低成本投放市场，并很好地满足用户的需求，以期获得强大的市场竞争能力；1994年开始的美国NIIIP（National Industry Information Infrastructure Protocol）项目，则把目标定在不同应用系统间跨因特网解决产品信息的共享与交换。为了达到更加有力地支持并行工程的目的，从产品信息角度看必须要有一个更新的概念和方法来满足这些需求。　
1.3解决的对策
针对上述存在的问题，企业在已有一定的计算机辅助工具的基础上，需要有一个统一的工具从宏观上将各种应用软件集成起来，并对其产生的大量数据统一管理与控制；要用先进的信息管理手段支持团队的异地协作，保证产品数据的安全、可控，并可以跟踪产品开发进度及适应数据的频繁修改等。换句话说，随着各自动化“孤岛”变大变强，它们也就把它们自己置于更大的海洋之中了，相互之间沟通不够，将大大限制它们能力的发挥，现在已到了将它们连结起来的时候了，如图2。 
这就是产品数据管理的思想，图3和4从数据流的角度示出了企业有无产品数据管理（PDM, Product Data Management）系统的区别。
没有产品数据管理系统时，数据流可能很复杂，一些关键的数据可能存储在好几个地方，这使得检索更加繁琐；特别是当某一处从另一处获取数据后，该数据发生了改变，比较难以保证数据的一致性。而有产品数据管理系统则将使上述问题简化并可解决一系列相关问题，为CIMS和并行工程实施奠定良好基础。
总之，由于计算机技术的全面发展和普遍应用，使得产品开发过程各阶段计算机化，要求和推动了产品数据管理的产生和发展。　
2 产品数据管理的基本概念
2.1 产品信息的产生和发展
产品是指人造品，产品进入市场销售而成为商品，企业通过产品的附加值经营而获取利润。信息是用以在通信中对事实、过程、概念、思想的表达或描述。而数据则是信息的符号化表示，这里的符号有自己的特定集合。为了能够更加明确地说明问题，给定如下关于产品数据和产品定义数据的定义：
产品数据是关于产品的一个或一组事实、概念、相关过程和要求的形式化描述，在产品周期内使之适合于计算机处理。
产品定义数据是产品数据的一个子集。是唯一完整定义、描述产品的数据。在使用CAD/CAM系统时，产品定义数据唯一地由CAD系统产生并提供给产品全生命周期使用。
产品信息由来已久，但在早期工匠制造时代由于：
(1)设计制造过程是统一的，并由个人独立完成，相互配合协商不重要，因此
有关产品的信息表达和交换不被重视；
(2)由于注重依靠经验与技能，制做过程和方法的记述不完整，有时关键地方故意忽略，因而信息表达也不完整。
但到了近代特别是现代，由于科学进步的促进和社会需要，制造业飞速发展迎来了大工业化时代，产品信息的表达和管理也随之发生巨大变化如图4。

从图中的信息管理状态和设计制造技术关系可以看出现代制造业发展迅猛，这一切与引入了电子计算机密不可分。在大批量生产时代主要的设计方法还是依靠图纸传递设计信息，设计劳动强度大、工期长，二维平面描述与三维实体之间存在映射转换。随着计算机广泛深入的应用，利用计算机造型的CAD等先进工具被引入制造业，伴随着CAD等应用的逐步拓展，生产的组织与质量获得极大提高，各局部信息自动化管理随之产生。并行工程思想、智能制造技术的发展对信息的要求愈来愈高，信息流已先于其他流在企业内部流动，信息集成化管理时代到来，信息的表达与交换标准凸显重要。不远的将来随着敏捷制造、动态联盟的发展，大规模网络化信息分布交换与处理的时代即将到来。

2.2 产品数据管理的形成
产品数据管理技术是从CAD/CAM和工程设计领域产生出来的。自80年代中期以来，人们就已经初步认识到了产品数据管理的作用。最初，是以协调制图的存储和检索的文件管理方式建立系统，来跟踪由CAD/CAM产生的绘图；接着，加进修订功能以便使用者能更好的管理设计变化；其后，又增加了将图形文件与产品结构中相关信息链接起来的能力。由于那时需求尚比较单一及片面，因此人们根据自己的理解、自身特点及所面对的应用问题，有的强调绘图文件的管理，有的着重与MIS软件的衔接，有的希望解决一些工作流管理的问题，也有的急于将重要的研发数据纳入到数据库之中。
进入九十年代中后期，人们才逐步认识到产品数据管理的重要性。如果说当时产品数据管理的需求及功能是一头大象的话，那么人们的对产品数据管理认识就有点儿像“盲人摸象”，各自找到了一些各自的感觉。单从名称上就可以看出这种特点： DM(Document Management)、EDM(Electronic Document Management、Engineering Data Management)、IM(Image Management)、Work flow、CM(Configuration Management)、TDM (Technical Data Management)、EDL(Engineering Data Lib)、TIM(Technical Information Management)、DMCS(Data Management Control System)等等。目前，由于新的制造模式的发展与应用，如CIMS、并行工程、虚拟制造等，人们已经认识到产品数据管理对企业作为一个集成系统运行的重要性，可以认为产品数据管理是适用于企业过程、组织方式的技术，具有强烈的企业运行模式的背景。
产品数据管理译自英文Product Data Management直接含义可理解为管理一切与产品相关的数据信息。产品数据管理要包含所有与产品设计相关的设计信息(不仅仅是工程图纸)，并使它们可被所有参与产品开发的人员(不仅仅是技术人员)访问。关于产品数据管理的定义尚未有统一的定论，我们认为D.Burdick论述得较为精辟，他给出的PDM定义为：
·PDM是在企业范围内为设计与制造构筑一个并行化产品协作环境的关键使能器。
·一个成熟的PDM系统能够使所有参与创建、交流、维护设计意图的人们在整个产品生命周期中自由共享与产品相关的所有异构数据，包括图纸与数字化文档，CAD文件和产品结构等。
产品数据管理实际上是企业计算机信息化发展到一定阶段的必然结果。企业产品开发的各专业领域计算机化到一定程度，必然要遇到信息集成的问题，一般的系统难以承担此任。唯有产品数据管理系统才能以前所未有的更大更完整的视图展示产品、过程与人员的关系。它横跨企业的产品设计开发全过程直至产品全生命周期，它纵向深入到产品结构的各个层面直至产品零件的各个侧面，它从信息共享等方面有力地支持并行工程，它为产品开发团队（Teamwork）的每一个成员角色提供更加完备的服务；特别是在支持设计重用方面它能发挥明显的优势，产品数据管理系统则是按照产品数据管理思想实现的软件。
企业组织的分散化也使分布式系统成为计算机系统发展的方向。从技术角度讲，分布式系统是由多种计算资源，以一定的互联方式组成的，开放式的，多平台的，可互操作的，合作的系统，能够为用户提供一定范围的服务。一个分布式系统内部资源的位置对用户来讲是透明的，任何用户只要具备关于所用系统最基本的知识，就可在任何地点、任何时候访问并使用系统中的任何资源。
产品数据管理的内涵是集成并管理与产品有关的信息与过程。产品数据管理在企业范围为设计与制造建立一个并行化产品开发协作环境。它视整个企业为一体，可跨越整个工程技术群体，是加速产品开发的使能器。它也是在分布式企业管理模式的基础上，与其它应用系统建立直接联系的重要工具。产品数据管理依据全局产品信息强调共享的观点，扩大了产品开发建模的含义。它为不同地点、不同部门的人员提供了一个协同工作环境，使其可以在同一数字化的产品模型上一起工作。
产品数据管理如同面向对象一词一样，被当做时髦的语言，有被滥用的趋势。本文将试图对产品数据管理的模型作出严格的描述。产品的定义（模型），产品数据模型，产品数据管理模型，与计算机信息系统提供的基础设施（环境）所组成的共同模型将在以后章节中加以讨论。

今后如无特别说明所讨论的产品数据管理适用的对象都是限定在离散化机械制造领域范围内。
2.3 产品数据管理系统在企业中的地位
可以从以下几方面来看产品数据管理系统在企业产品设计开发中的作用：
1）．PDM是CAD/CAPP/CAM(3C)的集成平台。目前已有许多性能优良的独立CAD、CAPP、CAM系统，它们分别在各自的领域里发挥了重要作用。但是这些各自独立的系统之间不能相互进行信息的自动传递和交换。因为只有当CAD的信息能在后续环节（如CAPP、CAM中）一再被应用，才是最经济的，所以实现CAD/CAPP/CAM的集成，才能实现设计生产的自动化。
目前，PDM系统是最好的3C集成平台。它可以把与产品有关的信息统一管理起来，并将信息按不同的用途分门别类地进行有条不紊的管理与提供。各CAD/CAPP/CAM系统都可以从PDM中提取各自所需要的信息，再把结果放回到PDM中，从而真正实现3C的集成。
2）．PDM是产品信息传递的桥梁。人、财、物、产、供、销六大部门是企业的经营管理与决策部门。PDM作为3C的集成平台，用计算机技术完整地描述了产品整个生命周期的数据和模型，是EPM和ERP中有关产品全部数据的来源。PDM是沟通产品工艺设计部门和管理信息系统及制造资源系统之间信息传递的桥梁，如图5所示。 
3）．PDM支持并行工程。并行工程在优化和重组产品开发过程的同时，不仅要实现多专业领域人员群体协同工作，而且要求把产品开发信息和开发过程有机地集成起来。PDM作为支持并行工程的使能技术，首先能支持异构计算机环境；其次能够实现产品数据的统一管理与共享，提供单一的产品数据源；PDM能有效地管理应用工具产生的信息，提供应用系统之间的信息传递与交换平台；它还可以提供过程管理与监控，为并行工程中的过程集成提供必要的支持。PDM在突出产品数据管理的基础上，正逐步完善其作为制造业领域集成框架的功能，为并行工程的实施提供更强有力的自动化环境。
4）．PDM是CIMS的集成框架之一。随着CIMS技术的不断深入发展和应用，其规模在不断扩大，企业集成信息模型越来越复杂，对信息控制和维护的有效性、可靠性和实时性要求越来越高，迫切需要更高层次上的集成技术，能够提供更好的产品信息集成管理机制，从而提高CIMS的运作效率。PDM系统由于其技术支持产品生命期过程而具有的先进性和合理性，成为新一代信息集成平台中先进的技术，所以说是企业实现CIMS的集成框架之一。
3 国内外相关领域研究状况
由于产品数据管理蕴含着巨大的潜在效益，受到许多国家和组织的重视，纷纷投资进行相关领域研究，并推广实施。有的是系统研究，有的是分项研究。
3.1 DICE计划
DICE(DRAPA Initiative in CE)计划是美国国防部先进研究计划局(DRAPA)投资近1100万美元，通用电气公司的飞机发动机部门作为主要承接单位，并有西弗吉尼亚大学等多所大学参与的对并行工程进行较为全面和系统研究和实施的重大计划。
DICE计划(如图5)研究一个虽然用集中数据库存储全部设计，但各agent有自己本地数据库的分布式并行设计环境。它注重解决异构环境下数据共享的问题，通信机制用黑板(blackboards)。DICE计划认为当今的多功能数据是用专有格式和不同的表达法收集的，因此它只关注怎样最好地在设计组间共享产品信息。
DICE计划虽然没有明确提出产品数据管理的概念，也没有意识到以产品数据为中心可以给出产品的一个完整的视图，以解决设计中存在的问题，但它的PPO模型和畅通的信息交流渠道为提高设计效率和加快开发周期提供了必要的基础，DICE对STEP标准重视不够。 
3.2 CONSENS计划
欧洲研究计划ESPRIT EP6896 CONSENS（Concurrent/Simultaneous Engineering System）是由西门子的Fraunhofer技术研究所与德国航空公司及AEG合作研究开发的不同厂家的软件之间进行数据交互的软件环境，其中主要内容是PIA（Product Information Archive），该系统具有以下特色：
·用框架集成了平行的工作组间信息流，便于相互之间的交互；
·建立了内部数据模型，并建立工具集成描述语言TIDL（Tool Integration Description Language），用于指导相关的数据库建模。
该系统借鉴了STEP建模方式进行了系统建模，但并没有规定产品数据表达用STEP标准；该系统极为重视不同的CAE工具间的信息交流并设计了相互之间的接口，但并未就此给出彻底的解决方案；另外，从其他的欧洲研究计划如ESPRIT计划6041 MARITIME（Modeling And Reuse of Information over TIME）可以看出他们仅把产品数据管理看做未来的解决方案。
3.3 关于PDM schema的研究情况
ISO-10303/wg3正在讨论制定PDM schema，目前着重在讨论覆盖全生命周期产品的概念与结构的概念，初步认为PDM schema所覆盖的产品模型包括AP214、AP232、AP206等协议。
PDM schema由ProSTEP和PDES公司合作开发，目的是要在产品数据管理领域提高STEP应用协议AP之间的互操作性。目前发展情况，PDM schema v1.0只涉及AP214 和 AP203的Entity，即把所涉及的Entity全部分组，进行命名和定义的归纳统一，有许多分组需要进一步讨论，有些分组仅仅提出名称来还没有解决。
3.4 关于OMG的PDM enablers研究情况
OMG在1996年为了建立基于OMG的OMA（Object Management Architecture）上的PDM enablers向PDM开发商提出了需求征询RFP(Request For Proposal)，目的是要建立CORBA之上的可互操作的PDM统一操作接口。根据OMG的资料已有包括DEC、富士通、IBM、Metaphase等六家厂商提出了他们的建议，但他们不保证在他们建议在他们的产品中实施。OMG寻求建立由PDM提供服务的标准接口，适用于ORB(Object Request Broker)的这些接口将提供所需要的标准以支持分布式产品数据管理环境及对不同的PDM系统提供标准接口。对OMG给出的八个需求，六厂家共给出12个接口描述，该方案的系统研究正在进行中。
3.5 国家863/CIMS关键技术攻关项目
1995年，国家科委从战略的角度将并行工程列为CIMS的进一步发展方向，设立了关键技术攻关项目，对并行工程的方法和技术进行系统化的研究，开发与应用（国科高字049号）。该项目由清华大学，航天工业总公司第二研究院，北京航空航天大学，华中理工大学和上海交通大学共同承担协作完成。其研究目标为：改进某结构件开发过程，建立相应的多功能产品开发队伍，利用并行工程的方法和技术缩短产品开发周期30%-40%，降低废品率50%，同时降低产品成本，提高产品质量。解决一批关键技术的研究、开发、验证和应用工作。为我国企业97年之后实施并行工程提供参考模式，减少风险，培养人才队伍。
该并行工程环境中工程分系统是用以提供产品并行设计的辅助工具，支持产品的设计过程。工程设计分系统以CIMS信息集成和CAE/CAD/CAPP/CAM为基础，扩展面向装配的设计(DFA)和面向制造的设计(DFM)功能，实现基于产品数据管理系统(PDM)的并行设计和产品生命周期的数据定义。工程分系统体系结构如图7所示。
虽然其中的产品数据管理系统为把PDM概念引入我国做出了贡献，但在这个项目中仅进行了应用研究。 
3.6 有关的局部领域的研究状况
有许多文献虽未就产品数据管理系统全面研究，但就相关问题的研究也有一定的深度，很有借鉴意义。Krishnamurthy等人提出了一种支持多专业领域协同设计的数据管理模型，并给出了版本、装配、配置三级框架，他们对版本处理也有一定特色。Westfechtel提出一种将产品和过程结合起来的管理方法，基本方法是将产品或零件看做对象，不同时间产生的文档作为相应的版本，组合各专业领域的版本构成版本组与对象对应，这样构成的网映射成一个过程网，并进一步把它缩为工作流，Westfechtel强调只管理不控制工作流。Peltonen等人认为由于对基本概念的不同理解，导致出现各种各样的PDMS，因此应当首先从文档、版本、生命周期这些基本概念入手进行研究，但他们基本上局限于CAD领域。Pohl等人提出在交叉专业领域之间可跟踪性问题，以解决不一致性和冲突，加强协同工作。O’Donnell等人认为现代CAD系统以一个较低的抽象层次(与许多设计工作及人类通信相比)表达产品信息，他们认为产品结构非常重要，并提出了产品结构方法学。Cleetus认为传统的产品结构树必须改进才能适应当前的发展，在part-of 关系的基础上还应增加perspective-of和dependent-on关系。Teeuw等人的文章谈到一些项目研究PDI(Product Data Interchange)，强调产品数据交换的重要性，并关注STEP标准的应用。Gu等人认为企业应当在产品生命周期的任一阶段都要共享一个共同的产品模型，并描述了一个基于STEP的通用产品模型，它不按任何AP协议，直接使用了STEP的集成资源。Yoshikawa认为成功实施CIM应当关注人的因素。
3.7 相关的商品软件情况
由于企业发展的客观需要，国内外相继推出一些带有产品数据管理思想的PDM商品软件，比较著名的有美国SDRC公司的Metaphase、CV公司的Optegra、EDS公司的IMAN，以色列BAIN公司的MANTA等。国内的有高华的GHPDMS、同创的PDM等。
这些商品软件使我国的企业认识并接受产品数据管理的思想，紧跟世界发展潮流起到了积极的促进作用，特别是上述国外公司从软件的开发到推广有许多值得借鉴的地方。
但是这其中有的公司原来是CAD开发商，所以有从CAD发展角度考虑问题的倾向，难免有些局限制约；有的开发思路还是基于功能分析方法，难以灵活地适应新的发展变化需求；有的是从工程数据库发展过来的，过分强调依赖关系数据库；最值得关注的是它们管理的产品数据的表达没有采用国际标准，这给产品数据的交换与共享带来一些麻烦，并将影响其今后的进一步发展。
4 产品数据管理的发展趋势
产品数据管理的技术发展随着对产品开发过程技术的发展而日益发展，随着过程的集成、应用系统之间的可互操作、分布跨网，而大体上有如图8中横向所示的几个发展阶段。
产品数据管理的基本要求是对表示产品开发过程状态的记录文档管理，更高的要求是作为产品开发过程自动化的核心支持产品数据交换与共享。
产品数据管理的技术大致可分为四个发展阶段。第一个阶段是产品数据管理技术的初级阶段，从第二个阶段开始是产品数据管理技术的快速发展阶段，第三个发展阶段已显露端倪，第四个发展阶段是预测。体现各阶段发展技术的标志在图8中列出四项，它们在一个阶段内相互支持，同时对下一阶段相应技术提供支持，这表明各种技术的发展是相互关联的，由此可以导出一个PDM基本模型与框架，其中“结构件”可模块化，为适合不同要求而进行组装。

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