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PDM的并行设计开发与管理
- 【导读】
- 多学科协同工作的并行设计环境，可以帮助企业编短产品设计开发周期、提高产品质量、降低总体成本，提供IT整体效益。产品数据管理由于支持不同软硬件系统的集成和分布数据的透明
摘要:多学科协同工作的并行设计环境，可以帮助企业编短产品设计开发周期、提高产品质量、降低总体成本，提供IT整体效益。产品数据管理由于支持不同软硬件系统的集成和分布数据的透明访问，可以作为并行工程的集成框架。本文通过对企业设计开发过程存在的问题和应用播求的调研分析，借助商用产品数据管理产品，建成并行化产品开发环境，实现了对产品数据全生命周期的有效管理。
引言
并行工程(CE)和产品数据管理(PDM)都是80年代出现的新技术，经过近20年的发展，日趋成熟，它们是企业解决P，T，Q，C，S的有效工具，有关这两方面的研究很多。PDM之所以能充当并行化产品开发系统的管理框架，主要是因为它能集数据库的管理能力、网络的通讯能力和过程的控制能力于一体，实现在分布式环境中群体活动的信息交换与共享，并对设计过程进行动态调整和监控，还能很好地支持多功能设计队伍的协同工作。按照世界三大信息咨询公司之一CIMdata公司总裁Ed.Miller的观点，PDM系统不再是一个单一的应用技术，而是将企业过程、数据和应用联系在一起的“信息基础设施”。由此可见，PDM在企业信息化建设中的重要性。
1 并行设计开发环境的应用需求和功能实现
很多企业在MIS，ERP，OA，CAD，CAE，CAPP，CAM等应用方面投人了大量资金，在很大程度上改善了员工的工作条件，然而，单项技术的应用只能在局部改善企业的工作效率，并不能从根本上改变传统的、串行的工作模式。多学科协同工作的并行设计环境，可以帮助企业从整体上缩短产品设计开发周期、提高产品质量、降低总体成本，实现IT技术的整体效益。企业产品设计开发环节的应用需求，决定了基于PDM的并行设计开发环境的所需功能及其实现方法。
1.1异构、分布式计算的体系结构籍求
PDM作为并行、快速产品开发的信息和通信平台，前提是必须能适应异构的系统环境，其中包括大型的主机系统、小型计算机、工作站和个人计算机等各类计算机。随着制造业竞争的不断激烈，PDM系统还需要对大最的、跨地域、跨企业的数据资源进行处理和管理，以便利用IT技术对与产品和过程有关的顾客、供应商或协作企业进行协调。
客户机/服务器体系结构是，种实用的、能满足这种要求的技术，并具有较好的开放性，能够优化服务器硬件和客户端计算机的性能，最大限度地利用可供使用的资源等优点。这时系统的效益在很大程度上与系统的集成度有关，即PDM客户端必须能够与所连接的数据处理系统进行双向、直接的通信。
图1是基于客户机/服务器体系的多层PDM系统结构。一个典型的多层客户机/服务器体系结构，可以分成客户端应用层、业务逻辑层和服务器层，这种与语言和平台无关的分布式系统的效率，很大程度上取决于客户端与服务器之间的中间件。
近年来，面向对象技术和Internet技术的迅速发展，对PDM技术产生了十分深远的影响，从面向功能的客户机/服务器系统向面向对象的客户机/服务器系统的发展，主要也是采用了中间件技术。中间件是处于两种或多种软件之间的传递信息的软件，其实现方法有以下几种:
(1)借助于SocketAPI可以很方便地进行应用构件之间的通信，直接将数据写人Socket或从Socket读出数据，以实现整个系统的有效通信。这种方法的缺点是:不太适用于复杂的应用系统。
(2)采用远程进程调用(RPC)技术RPC标准协议是OSF/DCE标准的一部分，可以解决直接Socket程序设计时碰到的困难，面向功能的RPC接口，可以在高级语育如C或PASCAL层次上进行客户端与服务器端程序间的通信，利用RPC功能，可以按照参数表中的定义将数据传送到Socket或从Socket读取数据，使用远程进程调用的原理，可以开发出功能强大的系统。在这样的系统中，客户端程序与服务器端程序间的调用关系是静态的，客户端程序必须事先知道所需要的服务是由哪个服务器提供的、应该用怎样的方式加以调用，这种调用关系的静态性导致了所构建的系统也是静态的。
图1 基于C／S件系的多层式PDM系统结构
(3)基于ORB的CORBA技术基于CORBA规范的应用程序，可以是一个个对象，每个对象可以请求其他对象的服务，或者从其他对象获得有关的数据，对象之间的通信可以在局域网中进行，也可以在广域网中进行，CORBA-ORB支持静态和动态调用，其动态调用接口使得客户端程序可以在运行时挑选目标对象，然后动态地调用其方法，客户端程序可以调用任何对象的任何操作，而不必与编译存根。
对于服务器端的程序来说，不一定要面向对象，可以是FORTRAN或COBOL程序，只是与静态调用相比，编程工作童更多，调用速度较慢。这种方法不仅与语言和平台无关，而且具有高度的灵活性，随着CORBA核心组成部分向Internet技术的延伸，OMG成员的大幅度增长，越来越多采用该技术的软件，将为计算机用户带来更多的福音。
对于供应商来说，尽快开发出墓于CORBA体系结构的PDM系统是很必要的，除了CORBA对象请求代理外，还可以使用远程方法调用(RMI)和分布式组件对象模型(DCOM)等技术。对于广大的企业用户来说，为了在为数可观的信息化孤岛的基础上建立企业级的通信，投人了大量的费用。因此，用户需要懊重考虑，是否还花钱购买不是基于CORBA体系结构的PDM系统，或者投人大量人力在现有技术的基础上作开发。
1.2多用户协同工作时的数据分布需求和异地数据通信
PDM是将制造企业中各个信息化孤岛有机地集成起来的一种方法，为了真正发挥强大的并行工程开发功能，必须对制造企业中所有技术或管理方面的数据进行有效的、可靠的管理。因此，对海量数据的有效管理是实施PDM系统面临的艰巨任务之一。为了保存和分配数据，目前已有多种信息处理技术可供选择，其根据是规模和组织结构等。
(1)基于集中式数据库采用位于某个局域网内的单一的物理数据库，负责对PDM系统的所有数据资源进行管理。产品数据资源被分为元数据和文档数据两部分，分别存放在硬件服务器中的数据服务器(datasever)和文件服务器(filesever)中，集中式数据库的管理由当地的PDM系统完成。这种方法对数据库的管理相对简单，但不能满足跨地域的工作。通常，企业在PDM项目的开始阶段采用一个集中式的数据库比较稳妥，待系统的稳定性和性能方面积累一定经验后。为大范围推广提供参考，当PDM系统要跨越好几个地点或企业规模很大时，采用分布式数据库更适合。
(2)基于分布式数据库即将一个集中式数据库分散在两个或多个较小的数据库中，并将这些数据库分布在不同地点的局域网中。这时，每个数据库都是集中式数据库的一部分，共同组成一个逻辑整体，所有局域数据库必须具有相同的规则和权限定义方法，由某个地点的用户建立、使用和维护的元数据和文档数据，原则上由其负贵管理。如果需要对某个地点的规则和权限定义进行更改，必须同步地对分布在其他地点的PDM系统进行更改。这样，需要在各个地点之间严密地、有组织地进行联系。因此，在实际应用中，使用成本较离。灵活性较差，管理的难度也较大，而且，当相互独立的企业组成企业联盟，以网络式PDM系统进行协同产品开发时，分布式数据库模型显然是不能满足需要的。
(3)基于网络式数据库即利用网络将两个或多个相互独立的PDM系统的局域数据库连接在一起，每个当地的PDM系统都是独立的，它可以有自己的数据模型及其规则和权限定义，各PDM系统都对其他地点的用户，针对什么业务对象和数据对象进行怎样的处理作了明确的规定，这些管理是完全独立的.对于全球化企业，由于不同的分支机构的工作重点不同，应完成不同的任务，可采用不同的PDM实施方案，这样，既经济又灵活。
无论是采用分布式数据库，还是采用网络式数据库，当对PDM系统进行大量的数据存取时，均会出现因响应时间较长，而影响用户工作效率的问题。对于前者，根据分布式数据库集中复制的机理，可以采用复制部分数据库的办法处理数据的冗余问题，对于后者，同样可将所选择的对象复制在本地的PDM系统中。
用户可以在本地对该对象进行修改，而无需考虑原始对象，被更改的副本将作为原始对象的新版本存放在本地数据库中。在位于异地PDM系统中的原始对象与存放在本地的、新的或被更改的副本之间建立起一种网络式联系，其他地点的用户可通过网络联系，了解到在网络的某个地方还存在该原始对象的一个新版本。这样，通过网络不仅将各合作伙伴独立的PDM系统连接起来，还用畅通无阻的信息流和通信流保证双方紧密而有效地合作，因而，基于网络式数据库原理的集成PDM系统是一种比较适用的方法。
1.3 与应用系统的集成据求
在制造业的中、小企业和大企业中，CAD,CAPP,CAM,CAQ和ERP等系统，在一定时期内既提高了企业技术、管理和制造过程的效率，又改善了工作质量。但由于庞大的数据流，以及数据和过程缺乏透明性，造成工作效率低下，部分抵销了各单元系统的正面效果。PDM系统为企业提供了一个将所有单元系统的数据和过程集成在一起的、真正意义上的总体系统集成解决方案。
在进行应用集成时，有很多种数据交换和系统间通信的方法，信息的传送可采用联机或脱机的方式，在存在一个联机接口的情况下，原则上可采取两种系统集成的方式:CAx应用软件和PDM客户端分别作为独立的过程在两个窗口中运行，PDM系统与CAx应用软件之间存在紧密的联系。采用第一种方式时，PDM客户端和CAx应用软件分别作为独立的系统运行。
在进行通信时，一个系统通过会话方式发出指令，另一个系统则处于等待状态，当进行版本升级时，只需要更新接口即可;采用第二种方式时，因为必须将PDM客户端嵌人到每一个CAx应用软件的用户界面中，所以在版本升级时可能会出现一些问题，接口的开发和维护费用比较高。
对于广大的企业用户来说。绝大多数都不具备自己开发接口的能力，因而出现了专业集成商。他们针对不同软件商产品和用户需求开发各种应用接口，为企业用户提供服务。越来越多的PDM软件商本身也提供各种应用接口，这对企业来说是好消息。因此，企业用户在进行软件选型时，应该把PDM软件和原有CAx应用系统的集成接口的功能作为最重要的考虑之一，不论接口由软件商提供，还是由集成商提供，或者自己组织人力开发，都应考虑到以下诸因素。
(1)PDM/CAD接口的设计这是最重要的接口，因为CAD是企业技术部门最重要的计算机应用系统，是开发和设计人员使用最多的计算机工具。PDM/CAD接口的开发与系统结构和工作方式密切相关，如CAD系统是二维的还是三维的?如何保存模型、模型结构以及工程图?CAD系统是否具有自己的数据管理功能?PDM端必须与几个不同的CAD系统集成?等等。
PDM/CAD接口应具有以下功能:①在PDM系统中注册、加载/阅览、加载/编辑零部件的CAD视图/模型以及工程图；②通过PDM系统移动、发放、复制CAD视图/模型以及工程图；③从部件的CAD视图/模型或工程图中生成PDM产品结构；④从PDM产品结构中生成部件的CAD视图/模型等。关于实施PDM/CAD接口的技术方案，可采用远程进程调用/功能调用的方法。
(2)PDM/ERP接口的设计其主要任务是将用于产品数据管理的工程设计系统与用于企业资源计划管理的管理信息系统集成在一起，从而将产品开发和产品制造的各个子过程集成为一个通贯全局的产品形成过程。为了充分利用这种手段并产生很好的实用价值，必须对整个实施方案进行精确规划，如怎样对产品形成过程进行结构化?哪些任务由PDM系统完成?哪些任务由ERP系统完成?等等。
PDM/ERP接口应具备的功能包括:①根据PDM系统中的产品结构，在ERP系统中编制物料清单，将PDM系统中的零件记录、工程图记录和文档基本记录，在ERP系统中保存为相应的物料基本记录、工程图引用指针和文档引用指针；②根据ERP系统中的物料清单，在PDM系统中构建产品结构，将ERP系统中的物料基本记录在PDM系统中保存为零件基本记录等。在PDM/ERP接口设计中，比较困难的是对物料编码的处理，即保证同样的零件在两个数据库中具有同样的物料编码时，编码发生器位于何处?这需要根据企业业务性质、组织机构等因素确定。
(3)PDM/CAx(除CAD外)接口的设计对这个接口的要求较低，其基本功能包括在PDM系统中注册、加载/阅览、加载/编辑CAx文档等。
作为一个通用的应用接口，必须能处理最小的公共信息单元，也就是说，它必须是一个面向每种应用软件的统一的集成平台。无论采用面向功能的方法还是面向对象的方法，无论采用标准的软件系统还是自行开发的专用系统，无论是基于大型主机还是基于客户机/服务器体系结构，一个通用的接口必须向用户提供一种按照简单的方式，将各种不同软件系统与PDM系统集成的手段。从这个角度出发，通过交换文件进行数据传输，仍不失为一种行之有效的方法。企业需要在技术的先进性和有效性之间、长远规划目标和近期能力之间寻求一种平衡。
1.4 PDM系统的功能藉求
对于大多数企业用户来说，主要是从众多的商用PDM产品中选择适合自己的软件系统，因此，除了决定上述的PDM体系结构、产品数据分布和异地通信。以及系统集成重要环节外，PDM所提供的功能将是企业选型的重要依据。尽管众多的PDM厂商都在产品营销时宣称他们的产品具备某某功能，但实际上还是有一定距离的，用户在这个环节上应尽可能多地了解PDM的技术细节和软件功能，从中选择最适合自己的PDM软件商。
在PDM系统中，可将功能分成应用、操作和管理三种功能。其中，应用功能包括文档管理、文档分类、零件管理、零件分类、产品结构管理、工作流管理、项目管理、配置管理和应用集成等。操作功能包括复制、检人/检出、冻结、审核、访问权限的转移、浏览和红线标记等;管理功能包括用户管理、权限管理、数据备份、长期存档、数据的轴人输出、系统的配置、通用接口和开发工具等。
企业在引人和实施PDM系统时，其最终目标并不仅仅是为了缩短产品的上市时间、推行新的生产方式或进行全面质量管理，而是为了赚利。因此，在决定引进PDM系统时，必须认真分析本企业的实际应用水平和需求，要保证所有措施都服务于燕利这个大目标。PDM系统的引人意味着企业的组织方式必须进行相应的改变，只有面向产品和面向项目组的结构化方式，才能有效地发挥整体效益。
对于我国绝大多数企业来说，计算机应用水平有限，对PDM系统的认知程度也各有高低。在这种情况下，应本着从小范围的实施试点到大范围的推广应用的原则。并且，PDM系统的开发一定要慎重，避免在过时的技术和不切实际的需求上浪费大谧的人力、财力和物力，甚至影响企业员工的积极性。如何恰如其分地推广PDM系统，确实值得软件商、集成商、院校服务队以及企业共同商讨，并在实践中总结经验。
2 基于PDM的并行设计开发环境的实现与管理举例
以某企业最新开发设计的新型柴油机产品为例，该产品采用PTC公司的CAD软件Pro/E进行全三维设计。产品模型中数据垃圾最少。并行设计开发环境的支撑框架选用同一公司的工作组级PDM产品Pro/Intralink，Pro/I采用T面向对象的技术和Client/Server体系结构，它以项目管理的方式将产品数据、设计活动、人员组织和应用工具统一组织和管理起来，采用接口与Pro/E集成，采用封装与其他文件系统/CAD系统集成。由于内部数据结构一致，能保证数据在CAD和PDM系统中的双向传输，可减小实施难度，同时又有利于实施队伍积累经验，为以后的推广工作莫定基础。
存储在公共数据库的产品数据分别存放在文件服务器和数据服务器上，数据服务器存储表类数据，文件服务器存储真正的物理文件，可根据企业开发人员和硬件分布情况，设置多个文件服务器，或在同一服务器上设置多个文件柜，建立分布式管理模式，以减少不必要的信息传输时间。用户可根据自己的权限获得所需要的任何信息，而不需要关心信息的物理位置，成为企业产品数据安全的必要保证。
因此，Pro/I的体系结构、集成接口、分布式数据管理模式，基本满足了企业在这个项目的并行设计开发的应用需求，而且，软件商可提供很好的技术服务。图2是基于Pro/I的多用户并行协同工作的产品数据存储模式。
图2 基于Pro／I的多用户并行协同工作时的产品数据存储模式
在建立基本的并行协同工作环境后，还有很多的具体工作要做:
(1)设计开发过程建模和过程管理并行设计是并行工程的核心所在，离不开过程管理与协调。但如何实现并行化的产品设计开发，没有固定的模式可循，播要针对具体问题分析和对待。企业经多年实践建立起来的设计开发流程，也是企业研发工作正常进行的保证，与PDM的思路不同之处在于，传统的串行设计流程管理的重点是图纸的审批过程，而不是设计过程。在进行产品设计开发流程的建模和定义时，既要将PDM的新思路引人企业的产品开发过程，同时又要兼顾企业的原有工作方法，以免引起企业文化的强烈冲突，最终影响实施效果。
图3是基于Pro/I并行设计开发环境下的企业产品开发过程的定义，PDM实施一期工程的工作重点放在产品设计开发阶段，产品数据的生命周期包括设计任务书、草技(初步)设计、草技(初步)设计审核、详细设计、详细设计审核、工程更改、综合审核、发放阶段。
由图3可见，设计过程的每一阶段都是多学科小组的成员围绕共同的产品模型并行工作，信息充分共享，后一阶段的工作不必等前一阶段工作完全结束后才开始，按照授权规则，后阶段的设计师可随时监控前一阶段中与自己密切相关部分的工作进展，并提出自己的意见和建议。
一旦工作已进入后一阶段，又需要前一阶段的设计师做出必要的修改，则必须提出书面表达的正当理由，作为企业永久的保存文档，它包括工艺性分析、计算机模拟结果、分析软件计算结果、实验结果和审核审批意见等。产品设计阶段结束后，图纸存档，需要修改时同样要提出书面表达的正当理由，所填写的更改通知单，需经过审批流程后才能生效。Pro/I所提供的版本管理功能可以实现产品数据的全生命周期和产品开发过程的跟踪和管理。
图3 井行设计开发环境下的产品开发过程的定义
(2)人员的组织与管理人是产品设计与开发的主体，是设计过程管理中必不可少的一个要素，计算机只是辅助设计的工具，因此，对文档、产品结构和设计过程的管理，是通过对人员、项目和组织的管理实现的。按照并行工程的概念，提高企业开发队伍的应变能力要求动态的团队管理，即随着设计过程中任务的产生和分解，动态管理每个阶段性任务的团队或执行者。
如图4所示，以产品为项目将产品数据存放在文件夹中，相应的企业审批流程加在文件夹上，通过定义某一用户担任事先定义好的审批流程中的某个角色，该用户即对该产品数据及其属性具有一定的操作权限。每个用户可在多个项目中担任不同或相同的角色，每个角色可由不同或相同的用户担任。PDM对项目、人员、角色和权限的管理功能，基本上可以满足并行设计开发中动态管理的需求。
图4 用户、角色、权限及其与审批流程和对象的关系
(3)三维标准件库的组织与管理采用三维建模技术后，由于设计师各自建立的标准件模型命名不统一，同一标准件有不同的文件命名和属性，相同规格的标准件有多个模型，既不便实现与企业其他系统的基于BOM的集成和管理，同时也浪费设计师的大，宝，时间利用Pro/I提供的零件族的管理功能，设置标准件专用文件夹，用于存放标准件的三维模型，标准件库分国标(GB)、铁标(TB)、厂标(DL)、国际标准(ISO)四个部分。
由专人维护。设计师只有使用权，无更改和增减权，对于装配参数待定的少数标准件设专门文件夹，设计师有权修改可变参数。统一的管理和维护有利于减少标准件的规格和种类，降低生产准备(采购、库存管理)、装配(装配工具)、售后维修等费用，从而有助于降低产品的整体成本。
(4)基于骨架模型的三维建模和管理为了保证产品三维模型的安全和共享，结合人员授权管理功能，对关键零部件采用骨架建模方法，建立针对不同用户的模型，骨架模型中包括的关键参数供所有用户共享，设计、分析、工艺等用户，可根据骨架模型建立自己的三维模型，分别进行零部件详细设计、Ansys，Mechanical等力学分析和MAGMA、MARK等工艺分析。这是因为分析师和工艺师在做分析和模拟计算时，必须对产品模型做一定的简化处理，但又不允许他们对设计师的模型进行修改，当设计师对关键参数做出修改时，这些模型需要自动更新，以保证三维模型之间及其与二维图纸的统一。骨架建模方法如图5所示。
图5 基于骨架模型的三维建模
(5)工程更改过程建模和管理工程更改(EC)是产品开发过程的重要组成部分，更改通知单是协调企业产品设计、改进、制造过程的有效手段，也是企业最大限度地跟踪市场和满足用户需求的一个有效途径，它可从一个侧面反映设计开发过程的合理性和设计行为的规范性，同时，设计更改过程中反映的真实原因也是企业的宝贵资源，有效地利用这部分资源是降低生产成本的根本途径之一。
在基于Pro/I的并行设计环境中，定义了工程更改单专用审批流程.产品数据发放后需要对图纸进行修改时，设计人员必须提出书面表达的正当理由，所填写的更改通知单需经过专用审批流程批准后，由授权人员将对象所处的审批流程回退到工程更改阶段，设计师方可进行更改工作，再经过审批后更改才能生效。与此同时，纸质更改通知单下发到各有关部门供更改原图纸用，这样既可使公共数据区内的共享产品数据保持最新，保证产品开发、借用、工艺分析、模拟分析的三维模型正确和一致。又可满足企业现有纸质文档和电子文档共存的状况，保证纸质文件的正确修改，确保生产组织的正常进行。
3 结束语
综上所述，企业基本实现了PDM系统的首期目标，即针对新型号柴油机，建立一个支持信息集成的分布式产品数据管理环境，实现信息共享、过程集成、并行设计，缩短产品设计开发周期；建立适合企业自身特点的电子仓库，着重设计、工艺数据等，实现文档的自动版本更改、发放、权限管理，支持工程设计中的信息检索与复用；实现设计流程的管理，保证产品数据在生命周期内一致、最新、共享和安全，实现产品结构管理，建立数据之间的超级链接，根据产品数据从设计开始自动生成物料清单，并满足工程设计、加工制造等各方面的不同需求，促进企业信息向结构化、有序化、电子化方向发展，为下一步的产品成本核算及报价系统提供准确依据。
虽然本文研究的只是针对一个产品的工作组级PDM的实施，但确实是企业级PDM实施的必由之路，所取得的经验很具普遍性。同时我们也深刻体会到，PDM的实施是一项复杂的系统工程，需要企业领导高度重视，更新文化观念，发扬团队精神，克服长期以来人们习惯的各部门之间壁垒森严、界限分明的工作方法，才能为企业全面实施PDM系统奠定思想基础。
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