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华中科技大学 硕士学位论文 PLM系统中产品结构管理关键技术研究 姓名：何正 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：万立 20060429 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 产品设计与制造技术是体现企业核心竞争力的最重要因素，随着用户对产品要 求的提高和市场竞争的加剧，企业面临更加严酷的挑战和压力。网络技术的广泛应 用使得跨地域、跨企业、跨学科的协同产品开发成为可能，基于 PLM（产品全生命 周期管理）的产品开发和管理模式为企业迎接市场挑战提供了解决方案。本文根据 PLM 下产品开发的特点， 对 PLM 系统中产品结构管理的若干关键技术进行了研究。 首先本文对 PLM 下的产品结构管理的特点和业务模型进行了分析，给出了基 于产品模型、版本管理、配置管理、编码管理和多视图管理五大关键技术的产品结 构管理功能模型。 其次，本文分别对产品模型管理、产品配置管理和编码管理三大关键技术进行 了重点论述与研究： (1) 产品模型管理是产品管理的基础。本文提出了一个基于事物特性表的产品 族结构模型， 采用变形的事物特性表对产品全生命周期内的特性信息进行了集 成管理。 (2) 产品配置管理是满足用户个性化需求、实现产品快速设计的关键技术。为 了实现大批量定制模式下产品配置设计的需求， 提出了一种参数化产品配置方 法，并给出了相应的参数提取方法和规则简化方法，最后给出了产品配置推理 算法。 (3) 编码技术是实现产品全生命周期管理的关键技术。本文在信息分类方法的 基础上分析了编码管理系统，定义了码段和节点，分别对面分类法和层分类法 进行支持，定义路由规则以实现编码生成的智能性，并给出了编码推理算法。 最后在系统实践方面，采用.Net 框架、Oracle/SQL Server 数据库和 PB 平台， 并运用多层次的软件架构技术对以上三个子系统进行了开发与实施，相关的子系统 或模块已在企业中得到应用。 关键字关键字：产品模型，事物特性表，配置管理，编码 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Product design and manufacture technology is one of the most important factors which constitute the core competition of the enterprise. As the customers requirements improving, the marketing competition becomes more and more furious. Enterprise has to face more intensive challenges and competitive pressure. With the widespread use of network technology in enterprise, interregional multi-enterprise and cross-disciplinary collaborative product development is becoming the trend of product development. Product development and management pattern based on PLM (product lifecycle management) provides the solution for the enterprises in the competitive market situation. According to the characteristic of product development in PLM, this paper studies several key issues of the product structure management in PLM system. Firstly, this paper analyses the requirement and operation model of the product structure management in PLM system. A product structure management function model is introduced, which includes product model, version management, configuration management, coding management and BOM multi-view technology. Secondly, this paper deeply studies three key technologies: (1) Product model management is the basis of the product management. To integrate and manage the information raised from product lifecycle time, the tabular layouts of article characteristics is introduced to describe the product family model. A general product/component family model is constructed based on the tabular layouts of article characteristics. (2) Product configuration management is the core technology to fulfill the customs personality requirement and shortens the product development cycle. This paper put forwards a parametric product configuration method which gives the parameter-obtaining method and predigests the rule-definition and rule-illation. (3) Coding technology is one of the key technologies to realize the product lifecycle management. This paper analyses the coding management system based on information classification and defines segments and nodes to support mix classification method. Additionally, route rules and relevant illation arithmetic are 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III introduced to improve the efficiency of the code generation. Finally, three sub systems are developed based on multi-lay software framework on .Net and PB platform. Relevant sub systems or modules have been implemented in enterprise. Key words: Product Model, Tabular Layouts of Article Characteristics, Product Configuration Management, Code 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 产品结构管理概述产品结构管理概述 1.1.1 背景背景 计算机技术的应用与发展改变着企业的设计与生产模式。早期的手工绘图设计 方式效率低、错误率高导致企业新产品的开发周期长、成本高、质量低等一系列问 题，计算机在设计领域的应用彻底颠覆了传统的手工绘图的设计方式，转向了以 CAD 系统为基础的无纸化设计，CAD 系统的方便性与易用性大大减轻了设计人员 的工作量，提高了设计效率和设计质量，加快了新产品的上市速度。随着企业设计 数据的积累，产生了大量的电子图档与文件，这些电子文件存放在企业不同部门的 计算机上，造成了企业信息孤岛，不利于设计数据的共享、查询与重用。为此，数 据库技术开始应用在设计中，产生了以数据库为基础对文档进行集中管理的 PDM 系统。文档管理在企业中的使用在一定程度上实现了企业设计知识的传承与共享， 使企业的设计从一系列重复劳动中解放出来，进一步降低了设计成本、提高了设计 质量。企业规模的扩大和产品设计的复杂性的增加使得传统的基于文档的 PDM 系 统在一定程度上已经无法满足企业的需求， 因此也产生了一些集成流程管理的 PDM 系统，这种 PDM 系统能够进行任务的自动分发与管理，支持了多个团队之间的协 同，实现了设计流程的自动化管理，进一步提高了企业在产品设计方面的竞争力， 减少了产品的上市时间。 进入 21 世纪，企业之间的竞争达到了白热化阶段，企业面临越来越多的挑战。 首先，用户对产品质量和服务的要求越来越高，却希望获得较短的交货时间和较低 的产品价格，因此 TQCS(Time，Quality，Cost，Service)成为企业取胜的关键之一； 其次，用户不仅仅要求产品实现其功能，同时用户的个性化需求和偏好成为选择产 品的重要考虑因素，因此在设计与生产过程中考虑如何以更多更丰富的产品满足用 户的个性化需求成为企业必须考虑的第二个关键点；再次，随着资源的消耗，环境 的日益恶化，环保成为公众日益关注的问题，特别是在国际环保标准 ISO14000 于 1996 年 1 月份正式颁布和实施以后， 在不久的将来环保会成为衡量产品性能的一个 重要因素，是企业竞争的焦点。这些挑战给企业带来了两大改变：在生产方式上企 业的生产由离散向集中、由混沌向有序转变，既有横向企业之间的竞争，又有纵向 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 企业之间的协同；在设计和制造的理念上敏捷设计/制造1、绿色设计/制造2、大批 量定制(mass customization, MC) 3等一系列概念相继被一些公司和学者提出并得到 采用。 网络技术的飞速发展使得 Internet 成为覆盖全球的最大网络，这一技术为企业 带来了发展机遇，网络技术与先进制造技术的融合形成了一种全新的制造模式 网络化制造4。网络化制造技术的出现与发展，引起了全球制造领域的极大关注。 2000 年 3 月在新加坡召开了第五届国际计算机集成制造(CIM)大会，大会组织委员 会主席 Robert Gay 和学术委员会主席 Jasbir Sing 联合撰写的大会论文集前言中指出 5： “近年来制造业最伟大的影响就是基于 Internet 技术和相关业务的出现” 。网络 化制造涉及的技术问题多且复杂，许多问题有待深入研究和解决。在这些技术内容 和技术问题中，网络化产品协同开发将是今后相当一段时间网络化制造的主要研究 课题。其原因在于网络化协同产品的开发有利于快速响应市场需求，能迅速组织人 力、物力和资源开发出满足客户个性化需求、高质量、低成本的产品，能够为用户 提供高水准的专业服务从而帮助企业赢得市场竞争。 网络化环境下的新产品的研究、开发、设计、制造、管理、营销、服务不再限 于一个城市、 一个地区、 甚至一个国家， 它是跨地域的整个产业链进行整合的结果。 首先产品设计/制造的复杂性使得单个的企业无法单独胜任产品的开发， 因此必须充 分利用所有企业的技术优势；其次客户对产品需求的理念发生改变，产品已经不再 仅仅指产品本身，还包括产品的销售、服务和产品的回收等过程，单个的企业无法 胜任产品的全生命周期过程。因此产品从设计到生产，从原材料到成品，从销售到 回收，需要多领域、多学科的人员参与，是一个多企业、多部门参与的复杂过程。 要实现这种网络化的协同，现有的网络技术条件、工作流技术以及企业信息化 程度都为其提供了必要的基础与实现的可能，特别是 PLM(Product Lifecycle Management 产品全生命周期)概念的提出，已经将企业的设计、制造、销售以及产 品的回收等活动进行了概念上的整合。从时间上看将产品设计的概念延伸到了产品 全生命周期的各个阶段，从产品的需求、功能分析、概要设计到产品的结构设计、 工艺设计再到产品的制造、 销售与回收， PLM 系统涵盖了产品生命周期的各个阶段， 为每个阶段的数据，信息都提供了信息化管理支持；从空间上来看，企业的并购、 重组以及 OEM（Original Equipment Manufacturer）生产模式的产生，使得企业的研 发、设计、生产和销售在空间上是分布式的，因而跨地域协同是 PLM 的重要内容 之一。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 然而从实际的应用来讲，基于产品全生命周期的协同管理的研究还不够深入， 理论与实际应用还存在一定的差距。其中一个关键的问题是产品结构管理问题。产 品的设计与制造是协同的各个企业或部门所关注的焦点，因此如何组织产品信息， 如何实现信息在企业和部门间的共享，如何给出一个合理的产品结构模型实现产品 的快速开发，如何实现对产品及零部件全生命周期的信息查询、追踪与管理等是实 现 PLM 产品全生命周期管理必须首先面对和解决的问题。对这一问题的研究具有 重要的理论价值和实用价值。本文将针对 PLM 下产品结构管理的特点，对产品建 模技术、产品配置技术和编码管理技术展开论述，此项研究受到国家 863 高技术计 划支持，并在南方某起重机厂 PLM 系统应用开发基础上展开。 1.1.2 以产品为核心的以产品为核心的 PLM 系统系统 产品生命周期的概念最早出现在经济管理领域，由 Dean6和 Levirt7提出，其 目的是研究产品的市场战略，按照产品在市场中的演化过程将生命周期分为推广、 成长、成熟和衰亡阶段。20 世纪 80 年代并行工程的提出首次将产品生命周期的概 念从经济管理领域扩展到了工程领域，将产品生命周期的范围从市场阶段扩展到了 研制阶段，产品生命周期的概念覆盖了从产品需求、概念设计、详细设计、制造、 销售、售后服务，直到产品报废回收全过程8。 随着信息技术和企业应用的发展， PLM 的内涵也在不断的充实和发展， 对 PLM 的定义也没有完全统一，比较具有代表性的有：CIMData 将 PLM 定义为一种战略 性的商业方法，它应用一组一致的业务解决方案来支持企业创建、管理、分发和使 用可覆盖产品从概念到消亡整个生命周期的定义信息9；Portella10认为，PLM 是 一个企业级的信息基础框架，它提供了一个单一的产品信息源和一致的产品信息管 理机制，保证正确的人、在正确的时间，以正确的方式访问到正确的信息；文献11 认为 PLM 是一个信息桥梁，将 OEM(Original Equipment Manufacturer)、伙伴、子承 包商、供应商和用户连接起来，为扩展企业提供一个一致的产品相关信息视图，实 现了产品数据的共享，使扩展企业中不同部门、不同地域的人和组织可以方便地进 行协同等等。 这些定义尽管在表述上各有所侧重， 但其本质内容是一致的： PLM 管理的对象 是产品及其相关信息，管理的跨度为整个产品的生命周期，管理的参与者是多个部 门或多个企业的不同人员，管理的目的是实现产品信息的共享和活动的协同。如图 1.1 所示： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 PLM 生命周期管理生命周期管理 协作企业协作企业 协作企业协作企业协作企业协作企业 协作企业协作企业 产品产品 协同协同 图1.1图1.1网络协同环境下的产品全生命周期管理 产品是用户所关注的焦点，是企业的业务目的，企业之间的协作通过产品的设 计与制造展开，因此 PLM 支撑系统必然以产品为核心。以产品为核心的 PLM 系统 是一个层次模型，具有多个功能模块，依据其在系统中的不同作用，本文将其分为 两个层次：核心层与服务层。其中核心层组织产品的信息和数据，服务层则为核心 层提供相应的服务， 以实现数据的安全性、 流程的自动化等功能， 系统结构如图 1.2 所示： BOM 多视 图 产品 模型 版本 管理 产品 配置 产品 编码 产品产品 用户 管理 权限 管理 变更 管理 文档 管理 属性 集管 理 流程 管理 零部 件库 图图 1.2 层次化的 PLM 系统结构图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 从图 1.2 中可以看出，这类系统将产品置于核心位置，围绕产品结构管理有一 套核心的技术： 版本管理、 产品模型、 产品配置、 编码管理和 BOM （Bill Of Material） 多视图。这些核心技术从不同的层面和角度描述了产品管理的内容： (1) 产品模型技术建立通用的产品结构模型实现了产品生命周期信息的集成； (2) 产品编码技术对产品及其零部件进行结构编码，保障了产品和零部件在系 统中的唯一性，是对产品及其零部件进行质量和状态追踪不可或缺的； (3) 产品配置管理是支持产品个性化设计与快速设计的关键技术； (4) 版本管理记录了对象的历史变迁信息，以便于设计人员对以前的版本进行 追踪、比较、优化，以选择最合适的版本； (5) BOM 多视图技术显示了不同生命周期阶段的产品结构信息，如设计阶段有 设计视图，工艺阶段有工艺视图，制造阶段有制造视图，同时不同的部门也可 以有自己的产品结构视图，多视图技术则是由产品结构出发，由产品结构依据 不同的生命周期状态导出相应的视图，以供不同的部门和人员使用。 在这些关键技术的外围是一系列辅助技术：属性集管理、流程管理、零部件库、 文档管理、 用户管理、 变更管理和权限管理等。 这些辅助技术为关键技术提供服务。 1.1.3 国内外研究现状国内外研究现状 国内外对产品结构管理的相关技术研究相当活跃，既有理论上的研究成果也有 可以付诸于实际使用的系统。 在产品建模方面提出了一系列的产品结构模型。文献12提出了一种基于 GBOM(Generic BOM)的产品结构模型，综述了产品模型由传统 BOM 向增删 BOM(Add/Delete BOM)、模块化 BOM(Modular BOM)、变量型(Variant BOM)、创成 式 BOM(Generic BOM，简称 GBOM)逐渐发展的过程；文献13研究了基于超图的产 品族结构模型，通过结构化超图能表达集合元素之间层次关系的特点，采用结构化 超图来构造产品族结构模型；文献14提出了一个成长树产品结构模型，采用树枝分 解的方式记录产品结构；文献15,16中给出了基于本体的产品模型，有效的支持了产 品配置设计。 在版本管理方面提出了多种版本管理模型和方法。文献17将版本分为：临时版 本，工作版本与发布版本，并对版本控制、创建、命名和版本与对象之间的绑定关 系等问题进行了论述，并给出了一个解决方案；文献18中给出了一个版本管理集成 机制的概念框架，解决了分布式企业协同过程中对象版本与设计约束之间的一致性 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 问题；文献19中分析了三类版本管理模型：线性版本模型，树状版本模型和有向无 环图版本管理模型，在此基础上将版本分为四类：工作版本、提交版本、冻结版本 和发放版本，并结合工作流技术讨论了这四类版本的转换；文献20中分析了传统粗 放型版本管理的缺陷，提出了一种面向多视图的多数据源版本管理方法，给出了版 本追溯算法，提高了版本管理的安全性；文献21对大规模定制下的版本管理进行了 研究，提出了父拷贝算法，解决了零部件对象演化和产品结构关系演化两类条件下 的产品版本管理问题。 作为人工智能一个成功的应用领域22， 关于产品配置方面的研究主要集中在配 置模型的建立与配置推理算法的研究上。不同的学者提出了基于不同模型、原理和 算法的产品配置方法。文献14给出了基于成长树的产品配置；文献23-26中讨论了基 于约束满足问题的产品配置方法，通过产品模型、约束规则与配置算法实现了产配 置；文献15,16,27-29讨论了基于本体的产品配置，实现了异构系统、异构企业之间配 置知识的共享；文献30,31中讨论了基于产生式 BOM(GBOM)的产品配置方法；文献 32对基于知识库的产品配置方法进行了讨论等。 以上这些研究人员和学者从不同的 层次采用不同的方法对产品配置进行了深入的研究，在一定的应用层面和范围内解 决产品配置问题。 BOM 多视图技术是实现产品全生命周期管理的关键技术之一，也是产品全生 命周期管理研究中的热点问题。国际对象管理组织(OMG)对 BOM 在产品生命周期 各阶段的表示方法提出了参考模型33；文献34,35中给出了 BOM 视图转换方法，通 过定义虚设部件、中间部件和外协部件及相关映射函数，实现了设计 BOM，工艺 BOM 和制造 BOM 之间的转换；文献36提出了一种面向产品生命周期管理的单层 BOM 基本视图和多层 BOM 表达技术， 描述了产品生命周期中 BOM 多视图的内在 联系；文献37提出了一种基于单一数据源的产品 BOM 数据多视图映射技术，建立 了BOM多视图映射的基本理论和BOM主要视图间的BOM映射类型， 分析了BOM 多视图间的数据映射关系，实现了分布式环境下的 BOM 主要视图间的数据映射。 产品编码管理是研究热点问题之一。文献38分析了信息编码分类的特点，给出 了面向对象的产品编码模型；文献39中给出了一个计算机辅助编码支持系统框架， 实现了计算机自动编码，并解决了编码使用、管理和回收等问题；文献40分析了编 码的数学模型给出了一个组件化的编码体系工具。 在实用方面，EDS 公司的 iMan 实现了一个基于 GBOM 的产品结构管理模型， 通过 Item 与 Item revision 组织产品结构，给出了产品结构的非精确模型，并在模型 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 上定义了配置规则，实现了非精确模型到精确产品结构的配置设计。Dassault 公司 的 PLM 系统则通过 PPR(Product, Process, Resource)模型实现了产品、工艺流程、资 源的统一管理。 然而上述的大部分研究着重于产品结构管理的某一个点展开，偏重于点的深入 而忽略了产品全生命周期过程中产品结构管理各个模块之间的关系。存在的问题 有： (1) 产品结构建模方面，产品及其零部件信息的集成度不够，产品模型在信息 的表达方式上不通用，因而在 BOM 多视图生成时造成一定的困难，模型的通 用性不够，不适于网络协同环境。 (2) 产品配置方面，仅关注对客户功能需求的满足，而对一些非功能需求，如 产品的价格等个性化的配置条件与约束考虑不够。 (3) 产品编码管理上，大多数编码体系建立了丰富的规则库来对码位的取值进 行定义，而对码位之间的关系与约束缺乏必要的描述，导致在编码生成上缺乏 智能性；在保证分布式企业编码的唯一性上存在缺陷，因而在满足企业对细粒 度数据信息进行追踪方面存在缺陷。 本文将重点针对产品结构、产品配置与编码管理这三个方面的内容展开研究。 1.2 课题的目的、来源及意义课题的目的、来源及意义 本课题来源于华中科技大学 CAD 中心 IntePDM 与 IntePLM 研发及与其他企业 合作的企业信息化项目。鉴于现有的基于图档管理模式的 PDM 不能满足网络化协 同环境下企业的业务需要，存在产品模型不通用、生命周期信息集成度不够造成多 视图生成困难、产品配置方法不够灵活、产品/零部件编码存在缺陷等问题，本文以 相关的理论研究和工程实际应用为背景，为企业提供一个网络化环境下的协同支撑 平台，实现跨地域的企业间的协同，提高企业的整体竞争力。本文主要就 PLM 系 统的核心模块产品结构管理的相关技术展开研究，解决了产品结构模型的通用性及 其全生命周期信息集成、 参数化的产品配置、 跨地域企业/部门的零部件编码等问题， 取得了良好的应用效果。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 1.3 本文所做的工作及本文的结构本文所做的工作及本文的结构 1.3.1 本文的工作本文的工作 本文在华中科技大学 CAD 中心 IntePDM 参数化产品配置项目以及产品全生命 周期管理系统 IntePLM 开发的基础上完成的。 针对企业在产品结构管理方面的特点 和需求以及其他相关 PDM/PLM 系统的不足，研究了产品结构管理的相关理论。产 品结构管理是 PLM 的核心功能，它包括产品模型管理、版本管理、配置管理、多 视图管理和编码管理五部分，本文在工程实际需求和现有研究的基础上重点研究了 产品模型管理、产品配置管理与编码管理。提出了一种基于事务特性表的产品结构 模型， 实现了参数化的产品配置， 最后为实现产品全生命周期内的信息查询与追踪、 确保跨地域协同过程中产品/零部件的标识唯一性， 讨论了基于规则的自定义智能编 码技术。 本文的工作具体如下： (1) 对产品信息模型进行了分析研究，在此基础上给出了一种基于事务特性表 的产品结构模型。 (2) 依据企业需求对产品配置进行了研究，提出了一种简化的规则定义方法， 给出了规则传递路径与规则推理算法，实现了参数化的产品配置。 (3) 依据企业需求对编码子系统进行研究，构建了一个基于规则的编码子系统， 通过节点规则定义和路由规则定义支持智能化的编码生成与编码解释。 (4) 采用.Net 平台与 Oracle 数据库实现了各个子系统。 (5) 在子系统互操作方面，对于 C/S 模式，为了向下兼容采用了 COM 代理技术 实现了传统的非托管机制与托管机制的互操作；对于 Web 模式，则采用 Web Service 实现子系统之间的交互。 1.3.2 章节安排章节安排 本文共分为七章，内容安排如下： 第一章绪论部分，内容涉及课题的背景、国内外研究现状、本文研究的目的、 意义以及所做的工作。通过对网络化制造、大规模生产模式等背景的阐述提出了企 业目前面临的关键问题与需求，论述了以产品为核心的 PLM 系统的必要性及其相 关的关键技术，通过对国内外研究现状进行分析，提出了现有研究的不足。在此基 础上给出了本文的重点研究对象和技术。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 第二章研究 PLM 中产品结构管理体系架构，在分析产品结构管理概念的基础 上讨论了产品结构管理的业务模型和概念模型，讨论了产品结构管理的技术体系架 构和关键技术。 第三章研究了产品结构模型及其数据库实现技术。在对产品结构模型进行需求 分析的基础上引入了事物特性表技术，并讨论了基于事物特性表技术的产品结构模 型，给出了其数据库实现。 第四章讨论了产品配置技术。将产品配置分为配置变量、配置规则、配置推理 三部分，并分别对其进行论述。首先对配置变量进行了分类，给出了配置变量的提 取方法；其次对配置规则做了简化，使其适于树状拓扑结构的产品模型；最后给出 了推理算法，实现了参数化产品配置。 第五章讨论了编码管理技术。重点讨论了编码管理的系统结构，两种编码规则 的定义及其作用，最后讨论了编码系统的实现技术及其在不同使用环境下的部署方 式。 第六章给出了相关的应用实例。 第七章为全文的总结与展望。 本文全篇结构如图 1.3 所示： 第一章 绪论 第一章 绪论 第二章 产品结构管理体系架构 第二章 产品结构管理体系架构 第三章 产品结构模型及其实现 第三章 产品结构模型及其实现 第四章 产品配置管理研究与实现 第四章 产品配置管理研究与实现 第五章 编码管理技术研究与实现 第五章 编码管理技术研究与实现 第六章 应用实例 第六章 应用实例 第七章 总结与展望 第七章 总结与展望 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 图图 1.3 论文结构 1.4 本章小结本章小结 本章介绍了本文的研究背景和相关的需求，对国内外研究状况进行了回顾与分 析；总结了当前研究中存在的一些主要问题，从而明确了本文的主要研究内容与方 向，最后给出了本文的主要工作和章节结构安排。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2 PLM 中的产品结构管理体系架构中的产品结构管理体系架构 2.1 PLM 产品结构管理的概念产品结构管理的概念 传统的产品结构管理首先定义一个零部件集合 Parts，Parts 包含所有组成产品 的零部件，然后是定义一组操作集合 OP，OP 可能包含如下元素：查询、创建、添 加、 删除和属性设置等， 通过操作集 OP 中的各项操作可得到一个零部件关系集 Rel。 零部件关系可以是包含关系或引用关系，其表达方式可以用结构树也可以用矩阵等 其他方式。产品拓扑结构描述为（Parts，Rel） ，因此传统的零部件结构管理通过零 部件库管理及其定义在上面的一系列操作完成，记为（Parts，Rel，OP） 。 随着应用的深入，企业提出更多的需求，如：零部件的版本管理，产品的配置 管理等。 引入版本管理与配置管理后， 产品结构管理可记为 （Parts， Rel， VersionMng， PCRules，OP） ，其中 VersionMng 表示版本管理、PCRules 表示配置规则。 网络技术的不断发展促成了全球市场的形成，而围绕新产品的市场竞争日趋激 烈，企业不再满足于对产品设计数据进行静态管理，对产品数据进行基于流程的全 生命周期管理成为企业的迫切需求。这一需求也大大扩展和丰富了产品结构管理的 内容，一个统一的支持全生命周期管理的产品结构信息模型，一个灵活的可扩展的 产品配置管理方法，一组可支持全生命周期内数据追踪与提取的服务成为产品结构 管理的必要内容。 围绕这些需求产品结构管理的内容得到了进一步的扩展，在这种情况下我们首 先要定义一个能表达产品结构的统一模型 Model，该模型记录了所有与零部件相关 的关键信息和零部件关系，并给出了一组编辑该模型的操作，因此模型 Model （Parts，Rel，OP） ；其次为支持灵活的产品配置管理必须给出产品配置规则 PCRules(Product Configuration Ruels)；各个部门所关注的产品结构信息其侧重点不 同，如设计部门关注的是设计结构与功能实现，工艺部门关注零部件的工艺结构与 制造工艺的设计，制造部门则关注于产品的装配结构等，为了支持多视图生成，必 须以产品结构模型为基础给出一套 BOM 视图生成规则 VRules(View Rules)； 零部件 在不同的生命周期状态有不同的特征，为了对零部件在不同的生命周期状态的信息 能够进行追踪管理，典型的例子是当客户提出产品质量问题时，依据该问题能够回 溯到产品的各个生命周期状态，追踪到产生该问题的根源，为此必须对零部件进行 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 统一编码，标识其全局唯一性，从而支持产品及零部件信息追踪，这必然要求定义 一套零部件编码生成规则 CRules(Coding Rules)。因此产品结构管理可定义为模型 Model、版本管理 VersionMng 与作用在模型上的一组规则组成，规则包括产品配置 规则 PCRules、BOM 多视图生成规则 VRules 和零部件编码规则 CRules，故产品结 构管理记为（Model，VersionMng，PCRules，VRules，CRules） 。 2.2 产品结构管理的模型与关键技术产品结构管理的模型与关键技术 上一节我们分析了产品结构管理的概念，本节进一步对产品结构管理的业务模 型、功能模型与结构管理过程进行分析。 2.2.1 产品管理的业务模型产品管理的业务模型 产品结构管理的业务模型有一个逐步演化的过程，随着技术的进步与需求的提 出，产品结构管理的业务日益丰富，模型也随之复杂。 基于活动的业务模型 早期的 PDM 系统主要是一个文档管理系统， 零部件库与文档库是 PDM 系统管 理的核心内容。整个系统采用 C/S 结构，通过客户端与文档服务器来对设计数据进 行分工管理，客户端进行数据创建与维护，服务器端则进行数据存储。对产品结构 的管理主要是通过设计人员的设计活动来完成，其结构框图如图 2.1 所示： Server Client A Client B Client C Client D Check Out/In Check Out/In Check Out/In Check Out/In 文档库/零部件库 图图 2.1 基于活动的 PDM 业务模型 设计人员在客户端通过本地工作区来访问文档与零部件服务器，对服务器上的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 文档与零部件进行签入/签出(Check Out/In)，获得或释放对文档/零部件进行独立编 辑的权限，服务器端则通过电子数据仓与数据库来管理文档与零部件，这种管理机 制保证了产品结构数据的一致性与完整性，对数据采用集中式的管理保证了数据的 安全性，并方便了对文档与零部件的查询。 基于流程的业务模型 简单的文档与零部件管理显然不能完全满足设计人员的需求，对设计活动的管 理不仅要保证其数据的一致性与安全性，还要对设计活动提供必要的支持以提高设 计效率，因此简单的流程管理与项目管理也整合到 PDM 系统中，但这种流程管理 与项目管理仅仅用于设计人员之间的任务分派和工作的自动流转，如图 2.2 所示： 设 计 完 成 设 计 完 成 需求需求 需求分析需求分析 任务分派任务分派 设计组A 设计组B 设计组C 发放流程发放流程1 发放流程发放流程2 发放流程发放流程3 审核流程审核流程1设计流程设计流程1 审核流程审核流程2设计流程设计流程2 审核流程审核流程3设计流程设计流程3 图图 2.2 基于流程的 PDM 业务模型 用户需求分析完成后，得到产品的大致功能模块，这些模块分给不同的设计小 组进行设计，各个设计小组内部通过一定的设计流程来丰富产品的功能结构，最后 整合这些小组的设计成果，从而形成一个完整的产品。由于产品一开始就分为多个 部件，而部件的设计则是在流程中逐步丰富与完善的，因此对部件模型的维护与管 理是产品管理的核心内容，同时设计流程中产生的零部件多版本问题和通过原型系 统进行新产品配置设计等问题，使得版本管理与产品配置也成为产品结构管理的重 要内容。 基于生命周期的业务模型 网络化协同制造的出现将产品管理的范围从时间上扩展到了产品的全生命周 期，在空间上则扩展为跨部门、跨企业。产品结构管理在内容上不再是简单的产品 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 结构的组织，文档库与零部件库的管理；在使用范围上不再局限于一两个部门，通 过简单的项目与工作流管理对产品设计实现自动化的任务分派与流转。图 2.3 显示 了基于生命周期的产品管理的业务模型： 产品生命周期产品生命周期 工艺规划产品设计需求分析销售与服务制造装配 配 置 设 计 配 置 设 计 用户反馈与数据追踪用户反馈与数据追踪 用户需求用户需求 产品模型 EBomPPBomMBom 需求 转换 为配 置参 数 销售销售/客户客户 图图 2.3 产品全生命周期管理业务模型 由图 2.3 中可看出产品结构管理是随着产品生命周期的推进进行的， 其过程为： 通过销售人员与客户交流获取客户需求；分析客户需求将客户需求转换为配置参 数，将配置参数输入到产品模型进行配置设计得到产品的设计 BOM；随着产品生 命周期的推进，设计 BOM 依次转化为工艺 BOM 和制造 BOM，若其他部门，如财 务部门、采购部门等需要获得各自的视图，则可以依据相应的转换规则进行 BOM 视图的转换；产品制造出来后交付客户使用，若客户使用中出了问题或各部门在设 计工程中发现产品结构或零部件有问题都可以向其上游部门进行反馈与查询，找出 问题的根源。 在这种模型中，产品结构管理的内容进一步丰富，主要包括如下几个方面： (1) 产品生命周期的数据以产品模型为核心进行组织，因此产品模型的管理是 产品结构管理的核心问题之一； (2) 不同的生命周期阶段有不同的 BOM 视图，产品结构管理必须涉及到 BOM 视图的生成与管理； (3) 以产品模型为基础，依据配置规则快速生成个性化产品是产品结构管理的 关键技术之一； (4) 产品零部件设计是一个不断迭代推进的过程，在这个过程中必然产生产品/ 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 零部件的多个版本，版本管理是产品结构管理的重要内容； (5) 基于全生命周期的产品结构管理延伸了产品结构管理的范围，产品的制造、 销售和回收都是其管理的必要阶段， 如何对各个阶段每个具体对象进行状态与 信息追踪，也是产品管理的重要内容之一。 2.2.2 产品结构管理的功能模型产品结构管理的功能模型 产品结构管理是企业的核心活动之一，特别是基于全生命周期的产品结构管理 极大的扩展了产品管理的范围，使得产品结构管理不再是对一个静态产品数据的管 理，而是随着产品生命周期的推进，涉及到一系列的动态特征，包括 BOM 视图转 换，信息反馈与追踪等，因而其复杂度大大增加，产品结构管理的过程不再是一个 简单的线性过程，而是一个并行的迭代过程。为了支持这种迭代设计过程，实现企 业之间的协同，我们将产品结构管理依据其内容划分为五大功能模块，如图 2.4 所 示： 版本管理产品配置管理产品模型管理 产品/零部件编码 多视图管理 图图 2.4 产品结构管理功能模型 其中产品模型管理主要负责模型的建立，维护等相关操作；版本管理则记录模 型演化的历史记录，支持版本的查询，有效性设定等功能；配置管理则维护一套配 置规则， 其内部有一套推理算法， 主要功能是对产品模型进行快速的配置设计； BOM 多视图则维护了一套多视图生成规则，依据不同的生命周期与各部门的需要得到其 相关的 BOM 视图；编码管理则是对产品模型和组成产品的零部件进行编码，并管 理编码，以方便对产品与零部件信息的查询。 2.2.3 产品结构管理关键技术产品结构管理关键技术 产品结构管理在功能上分为五个模块，为了实现产品结构管理，相应的在技术 上对应五大关键技术： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 产品模型管理技术 产品模型管理是产品结构管理的核心，产品结构管理通过产品模型管理展开。 在网络协同环境下，产品模型不再是一个简单的产品信息的集合，它必须满足网络 协同的要求，这些要求包括： (1) 产品模型必须是一个完整的产品信息集合，能够记录和表达产品生命周期 各阶段的产品信息； (2) 产品模型必须是基于产品/零部件族的，以支持配置设计，满足用户的个性 化定制需求； (3) 产品模型信息记录方式必须具有通用性，以适合在不同的企业或异构系统 使用，而无需进行数据的转换； 只有满足以上三点要求，才可能实现企业间产品结构信息的共享，实现产品生 命周期内各企业之间的协同，因此建立一个合理的产品模型是产品结构管理的关键 技术之一。 产品配置管理技术 产品质量和价格是用户最为关注的问题，而时间和成本是制造商最为关注的问 题，如何以最好的质量、最低的成本、最短的时间生产出满足用户需要的产品是企 业赢得竞争的关键。在网络化协同环境下，产品的设计、制造涉及到多个企业的参 与，如何缩短设计时间、降低制造成本、满足