产品全生命周期信息模型

1、北京航空航天大学研究生课程论文目录0引言11产品信息2.1.1产品信息2.1.2产品信息分类及特点 2.2产品全生命周期信息模型的概念及发展 32.1数据模型与信息模型 3.2.2产品信息模型发展过程.4.3产品数据交换标准 5.3.1 STEP体系结构.5.3.2 EXPRESS 语言构造6.4产品模型数据交换的实现 6.5产品生命周期模型体系结构 7.5.1产品生命周期模型框架 7.5.2产品生命周期各阶段模型 9.5.2.1产品需求模型9.5.2.2产品概念模型 9.5.2.3产品设计模型9.5.2.4产品制造模型1.15.2.5产品服务模型1.15.3产品模型集成框架 12参考文献1.

2、4北京航空航天大学研究生课程论文产品全生命周期信息模型摘要：产品模型可反映客户需求、产品性能、功能技术、制造和管理等信息，本文分析了面向几何、面向特征和集成产品信息模型的发展过程， 总结出产品数据交换方法。 根据 产品生命周期的阶段划分，认为产品生命周期阶段模型是从产品需求模型开始，逐渐演化到产品概念模型、设计模型、制造模型、服务模型。后阶段的模型继承了前阶段模型的信息。最后运用集成化思想，建立产品生命周期各阶段之间的联系，在产品模型框架体系下存放全部产品数据和知识，并实现信息的传递、处理。关键字：产品模型、数据交换、产品生命周期阶段模型、产品模型集成框架0引言面对全球范围的市场竞争， 企业面

3、临的难题是如何以最低成本来快速响应多元化的客户 需求和提供高质量的产品。现有的CAx、精益生产(Lean Product)、企业资源管理(EnterpriseResource Planning)、供应链管理(Supply Chain Management)等制造模式和管理技术已在一 般企业系统中发挥出了重要作用。但对于生产制造飞机等大型复杂产品的企业来说，上述技术和管理并不足以支撑该企业作为一个整体来获得更高的效率、取得更多的创新和满足客户的特殊需求。我认为要将企业作为一个整体系统来运行，就得将单独的系统结合在一起实现企业信息化。由于复杂产品的设计制造过程不仅需要企业内各个业务部门的协同，还需

4、要分布在不同区域的多企业间的协同合作。企业必须以集成的思想将产品的销售、原材料供应、工艺、设计制造、质量等方面的数据有机结合起来，实现产品全生命周管理(Product LifecycleManagement)。产品全生命周期信息模型在分布式制造(几乎所有航空企业采用这一制造模式)环境中支持产品数据的描述、传递和共享，解决了产品数据集成、共享问题。同时，面向全生命周 期的产品模型由于信息的完备性，有助于实现产品的设计兼容性分析及以此为基础的面向装配设计、面向制造的设计等的DFx，而DFx的设计将大大节省生产实物模型的资金投入因此，研究支撑整个产品全生命周期业务过程的、集成化的产品信息模型显得尤为

5、重要。2北京航空航天大学研究生课程论文-6-1产品信息1.1产品信息产品是企业生产活动的源头及终结。产品的信息模型简单来讲就是反映产品信息系统的 概况，是对产品的形状、功能技术、制造和管理等信息的抽象理解和表示。产品信息包括：产品定义知识；与产品定义相关的过程知识；产品定义的实现，即制造过程与产品开发过程相关的知识；产品检验使用及维护的知识等2。因此，产品模型从其完备意义上来说应包含两个相关的方面：产品数据模型和过程链。产品数据模型是按一定形式组织的产品数据结构。 它能够完整提供产品数据各应用领域所要求的产品信息，也就是说产品数据模型将覆盖产品生命周期各环节所需要的信息。过程链是指产品开发工作

6、流程，包括一系列从原始思想到最终产品的技术和管理功能，它反映了产品周期的所有行为。1.2产品信息分类及特点产品中包含了大量的信息， 这些信息以不同的形式， 通过不同的载体存在表现出来。 信 息的存在形式与信息所在系统的物理结构、功能及组织形式紧密相关。为了描述信息的特性，常常需要对信息进行合理的分类 。按产品的制造流程划分为：功能信息：描述产品和零件的功能。结构信息：描述产品的构成元素及其构成关系。设计信息：描述产品设计过程中所用到的信息。工艺信息：描述产品的工艺特征。制造信息：描述制造特征。装配信息：描述产品零件之间的装配特征。顾客信息：描述产品的使用对象的情况。市场信息：描述产品的市场分布

7、产品定货等信息。维护信息：描述产品的售后服务维修等存在的优势和问题。按照信息的结构特征划分为：结构化信息：这类信息结构简单， 可用关系模型来表示其数据结构，完全可以在关系数 据库中存放与管理。如一般的管理信息、质量信息等。非结构化信息：这类信息结构复杂， 一般无法用关系模型来表示， 用数据库来存放和管 理存在困难。如产品的几何模型、工艺信息、数控程序、声音图像等。通过上述分析可知产品信息具有以下特点：信息结构复杂，产品开发过程中产生大量的数据除结构化数据外还有图形文字表格等非结构化数据；产品信息有静态的，也有动态的，而且随着产品开发过程的进行，数量不断增大，类型不断增多，且要不断修改和补充；产

8、品信息中存在着从产品的初始模型推导出的二次数据，一旦初始模型被修改，导出数据就失效，需要重新计算用新的数据取代失效的数据以保证产品信息的一致性。2产品全生命周期信息模型的概念及发展产品全生命周期信息模型是基于信息理论和计算机技术，以一定的数据模式定义和描述在产品开发设计、工艺规划、加工制造、检验装配、销售维护直至产品消亡的整个生命周期中关于产品的数据内容活动过程及数据联系的一种信息模型5。它由各活动的定义及其全部过程实施的知识所构成，包括与产品有关的所有几何与非几何信息，用来为产品全生命周期各个阶段和各个部门提供服务。产品全生命周期信息模型将整个产品开发活动和过程视为一 有机整体，所有的活动和

9、过程都围绕一个统一的产品模型来协调进行。2.1数据模型与信息模型数据模型是用来表达系统中数据的逻辑结构，其功能仅面向计算机系统和数据的存储。随着信息系统复杂程度的增加，系统人员希望了解数据的含义，并将它封装在数据库模型中， 由此产生了语义数据模型。但语义数据模型仍具有高度的结构化，缺乏灵活性，难以表达真实世界的复杂程度。为了解决该问题，产生了可以为用户所理解的信息模型。信息模型和数据模型既有区别，又有联系。二者表达了系统中同样的数据，只是表达方式和目的不同。前者的表达是非结构化的， 具有灵活性，目的是为了让用户更好地理解系统；后者的表达是结构化的，缺乏灵活性，目的是为了方便计算机处理6。信息模

10、型是最高层次的逻辑数据模型，为了实现各应用系统之间的信息共享，最好有共同的信息模型。建立在不同信息模型基础上的信息共享是非常困难，甚至是不可能的。例如 面向几何的CAD系统和面向特征的 CAD系统之间实现信息交换是困难的。信息模型设计是准确地定义应用系统所反映的客观世界的实体、属性以及实体之间的关系和约束。一般采用IDEF1X、E-R图、EXPRESS等信息建模语言来表达。CAD/CAM集成的领域，扩展到整O2.2产品信息模型发展过程随着先进制造技术的发展，产品模型的应用突破了个制造自动化系统，已经成为实现自动化的一项关键技术般对产品信息模型及相应建模技术的研究，经历了从简单到复杂、从局部到整

11、体、从8。单一功能到覆盖整个产品生命周期内各种活动的发展过程。目前，产品信息模型主要可以概 括为面向几何的产品信息模型、面向特征的产品信息模型和集成产品信息模型三类1）面向几何的产品信息模型。产品模型经历了二维图形、三维线框、表面模型和实体模型的发展过程，主要由线框、面、实体和混合模型表示。它们可以定义为计算机内部模型， 其主要的目的是表达某产品的形状，着重于产品的几何构成。由于几何模型的数据结构是专门设计表达产品几何拓扑关系的，对非几何信息则无法合理表达，缺乏产品开发过程中所要求的工程信息。2）面向特征的产品信息模型。随着人们对制造系统作为集成系统的认识的深入和信息技术的发展，产品建模进入了

12、面向特征的阶段。20世纪80年代后期出现了集几何信息与非几何信息于一体的基于特征的产品信息模型。这一模型在产品信息的局部层次上，通过一组预定义的特征来实现产品的几何形状、公差及表面粗糙度的描述，对于每个具体的生产活动，都具有相应局部信息的特征与之相对应。该模型可以有效地描述局部信息，但是并不能完整地表达产品全局信息，例如产品的装配关系信息、产品定义与产品制造间的关系等。因此，产品建模仅依靠特征还不能完全描述产品开发活动中的所有信息。3）集成产品信息模型。该模型是20世纪90年代后期提出的，它进一步推广了特征含义。广义特征概念包含了产品生命周期内各种特征信息，解决了 CAD/CAPP/CAM集成

13、化中数据共享和一致性等问题。这种集成是语义上的集成，以特征为中心，缺乏面向对象思想，所建立的模型缺乏层次性，特征间的关系不够明确9。北京航空航天大学研究生课程论文-7-北京航空航天大学研究生课程论文-8-3产品数据交换标准由前述的产品信息特点可知，尤其是复杂产品，其大量的产品信息需要在企业内及企业内部之间信息交换。产品数据的表述和传递成为大型复杂产品开发成败的关键。3.1 STEP体系结构STEP ( Stand for the Exchange of Product Model Data )是国际标准化组织制订的一个产品数据表达与交换标准，也称为产品模型数据交换标准。在认识到IGES不足之后

14、，美国决定放弃 IGES 而开发新的 PDES( Product Data Exchange Specification )标准，即 STEP。其首要目的是能够描述各种行业的产品生命周期中个阶段的数据,支持分布式计算机应用系统对产品数据的共享。STEP标准采用分层方法描述数据，该体系包含七大类内容，如图3-1所示。描述方法是通用的STEP数据构件描述机制，它主要包括形式化数据描述语言EXPRESS。实施方法是实现STEP标准描述的信息结构的方法。每个实施方法确定了STEP数据结构如何映射到实施过程，包括文件交换结构、 标准的数据访问接口和语言绑定。致性测试方法用于描述如何检验数据和应用是否符合

15、标准。STEP标准体系数据描述应用协议应用解释构件描述方法集成资源一致性测试方法应用资源类资源实施方法图3-1 STEP标准体系包数据描述是STEP标准体系结构的基本构成部分10。它主要包括三部分：应用协议、应用解释构件和集成资源。应用协议是可以实施的数据描述，它与实施方法相对应。由于STEP北京航空航天大学研究生课程论文-12-是一个庞大的标准体系，研究人员和相关组织致力于开发各种特定领域的应用协议。应用解释构件描述产品数据的结构和语义，以便在多个应用协议之间交换数据。它通过通用的产品数据描述方法，支持多应用协议对产品数据源的互换。集成资源构成一个完整的产品数据的概念模型，包括各种语义元素来

16、描述产品生命周期各阶段数据。3.2 EXPRESS语言构造在上一节中已提到，STEP主要采用EXPRESS描述产品数据。它是一个形式化数据描 述语言，其设计目标要求这类形式化的描述不仅能被人们理解和能用计算机处理，而且能够全面描述出客观现实产品的形式和结构。EXPRESS吸收了多种语言的基本特点，具有类型、表达式、语句、函数、过程等功能，又采用了面向对象技术中的继承机制等技术。但是， EXPRESS不是一种编程语言，只作为一种形式化描述语言来描述数据，不存在输入输出、 数据处理、异常处理等语言元素。EXPRESS语言通过一系列的说明来建立产品数据模型。这些说明包括类型（TYPE ）、实体（EN

17、TITY ）、模式（SCHEMA ）、常数（CONSTANT ）、规则（RULE ）、函数（FUNCTION） 和过程（PROCEDURE ）等。其中实体是 EXPRESS语言对建模对象的基本定义。一个建模 对象的信息在实体中用属性及其属性上的约束来表达。4产品模型数据交换的实现目前，STEP标准为用户提供数据交换的实施分为四个级别：文件交换、工作格式交换、数据库交换、知识库交换11。产品数据交换的方法与产品模型是相适应的，各产品模型对 应的产品数据交换方法见表4.1。表4.1不同产品模型的数据交换方法产品模型产品数据交换方法几何模型直接父换、间接父换、公共数据库特征模型特征识别、特征变换集成

18、化模型文件交换、应用编程接口、数据库实现以上各方法，可归纳为三种：直接交换、间接交换和数据库方式。在交换的两个系统间或功能模块间，通过确定相互间的数据结构和建立一对一的信息转 换机制，直接进行数据交换称为直接交换。 采用直接交换方式的除了基于几何的模型不同系 统之间的专用接口外， 特征识别也是直接交换。 特征识别技术直接将设计模型识别或转换成 应用模型，因此可归为直接交换。每个应用系统具有各自独立的数据库/文件系统，应用间的信息通过数据标准的交换方式称为间接交换。由于各 CAD/CAM系统所配置的前后处理器基本上都仅实现数据标准规 范（如IGES）的一个子集，而且是互不相同的子集，因此通过数据

19、标准的数据交换在交换过 程中经常会出现错误或信息丢失的现象。基于STEP的文件交换也属于应用数据交换标准的间接交换，但它与基于几何的产品模型的间接交换的区别是：STEP中制定有应用协议标准；STEP文件是集成产品模型按应用 协议标准进行产品信息映射产生的， 具有共同的表示方法，从而使不同应用领域内的应用模 型相统一并具有相容性。虽然STEP文件不会引起类似于IGES数据转换的信息丢失等情况， 但成熟的集成产品模型的公布与应用还需要相当长的时间。通过统一的产品模型和公共数据库实现信息交换的方式称为基于公共数据库的信息交 换。基于公共数据库的信息交换有两类。一类是目前的基于几何的产品模型的多功能集

20、成系统，系统多功能模块之间在公共数据库支持下共享统一的产品模型。它们以基于统一的产品模型的数据库为核心，将产品开发所需的设计、分析、测试和加工等集成于一体。信息在多功能模块之间快速、双向、连续流动，实现充分的信息共享以支持产品的全生命周期活动。 另一类就是基于集成产品模型STEP的公共数据库的信息共享。5产品生命周期模型体系结构5.1产品生命周期模型框架产品生命周期概念指从产品的构思开始，经历设计制造、市场销售、使用和报废的连续时间过程。由于产品开发和使用过程十分复杂，不可能采用一个模型来描述产品生命周期，必须采用一组模型分阶段和方面进行描述12。产品全生命周期建模应解决三个问题：确定建立和维

21、产品模型所要描述的要素；划分产品生命周期的阶段和建立阶段性产品数据模型;护产品生命周期阶段模型之间的联系，根据模型对产品数据进行分布式存储、访问和处理。如图5-1所示，产品生命周期模型所涉及的要素可以分为四个层次：组织要素、应用服务要素、信息要素和概念要素。产品生命周期模型必须满足全部用户（如销售员、设计工程师和质量检验员等）对产品数据获取和处理的要求。对应用信息的描述能够使人们清楚地 了解在分布式制造环境中有多少信息系统对产品数据进行访问和处理。决策人员制造计划员物料米购员库存管理员质量检验员（企业组织模型层客户销售员设计工程师制造工艺师制造工艺师安装工程师售后服务人员1机接口人客户关系管理

22、系统企业制造资源规划系统质量控制系统质量执行系统应用服务层办公系统CAD系统CAPP系统CAE系统CAM系统服务支持系统Multi-Agent_J7VV数据通信机制信息集成平台7V /JDBCADOXSLSTEP数据转换机制北京航空航天大学研究生课程论文-#-北京航空航天大学研究生课程论文-#-数据存放形式设计说明行业标准客户需求概念方案成本估计性能评价产品几何数据质量检验数据产品安装记录产品公差数据加工装配指令产品运行记录产品结构数据制造装配工艺维修记录Office文档XML文件CAD文件关系数据库 VRML文件多媒体文件7V_严卞. 全生命周期模型 北京航空航天大学研究生课程论文-17-V

23、: _产品制造阶段维护支持阶段需求分析阶段概念设计阶段产品设计阶段时间图5-1产品生命周期模型框架产品数据要素是产品生命周期建模和管理的核心，产品数据按照多种编码格式进行存储。在分布式制造环境中，一般存在Office文档、XML文档、关系数据库、多媒体文件等存储格式。概念要素是人们对具体物理数据和联系的抽象，包括产品数据分类、产品数据对象设计、对象关系和管理的原则等。概念要素建立抽象数据和物理数据之间的映射，形成产品生命周期的元模型。图5-1中，概念映射机制将产品模型的概念映射到具体的物理数据。数据访问机制用 于确定企业员工和计算机信息系统对物理数据的访问范围、权限。数据访问机制针对每个数据访

24、问请求，通过计算机软件系统进行数据处理，检索数据的物理路径和输出方式。人机交互实现企业组织层与信息系统间的动态交互。综上所述，产品生命周期模型框架应该包括对组织要素的描述，建立组织视图模型，对各阶段的产品模型概念映射后实现信息的存储、共享、处理和与企业人员的交互。5.2产品生命周期各阶段模型我们宏观上将产品生命周期划分为五个阶段：需求分析、概念设计、产品设计、加工制造和维护支持3。按照所划分的阶段，我们建立产品需求模型、概念模型、设计模型、制造 模型和维护支持模型，同时需要有机地实现各阶段模型之间的转换、集成、操作。因此，我 们有必要了解各阶段的产品模型是怎样的。5.2.1产品需求模型产品建模

25、总是从客户需求模型或概念模型开始的。由于客户需求一般用口头语言、文字或草图描述，因此，获取、表达、分析客户需求信息成为建立需求模型应解决的主要问题。由于XML在结构化文档处理和集成方面的优越性，基于XML的需求模型可以结构化地表达客户需求等信息，同时支持对需求信息的评价、分析和完善。需求模型的作用在于可 以实现产品信息从客户角度向设计者角度的转换，借助QFD (Quality Function Deployment )将客户需求转化成相应的面向设计制造等环节的工程技术需求。522产品概念模型产品概念模型分为四部分。第一部分主要描述产品概念设计参数，如产品的工作原理、功能、性能和外观等。第二部分

26、描述产品的概念结构，如关键的装配件、零件、装配关系等。第三部分体现了产品开发和使用对环境的影响。第四部分描述了所应用的方法和产品的成本信息。5.2.3产品设计模型产品设计模型用于表现产品设计的结果。它应包括产品的几何图形描述、文本描述，并建立几何实体和文本实体之间的关联。作为产品生命周期中的核心模型，产品设计模型的主要任务是将概念产品转化成设计方案。在此阶段，一般采用面向对象的语言（UML或EXPRESS等）建立产品设计模型。图5-2是一个通用的基于 UML的产品设计模型。在该模型中，产品类由标准件类、零件类和装配件类组成，同时装配类由标准件类、零件类组成。产品功能要求和装配方案制约着零件结构

27、，而零件结构又反作用于产品的装配方案。产品类代表基本产品类型， 为了满足特定客户需求产品可以变型。因此，产品类与变型产品类之间存在一种泛化关系（也可称为继承）。5-2基于UML的产品设计模型对于每个产品基类， 设计BOM采用属性结构表示零部件之间的层次结构关系，节点和 分支分别代表项目及关系。产品类与产品设计BOM类之间是一种双向关联关系，同样，变型产品类与变型产品设计 BOM类之间也是这种关系。在上一小节中已提到，概念模型描述了产品的成本信息，其后继模型（即产品设计模型）继承了成本信息，并进一步体现了成本规划信息，使得企业准确地了解产品生命周期中各种业务活动的费用和资源消耗。成本信息可以帮助

28、企业提升利润空间和市场竞争力。524产品制造模型在产品的制造过程中，原材料经过加工成为零件，并与采购的标准件、外协厂家的 零部件等装配形成产品。 产品制造模型应该在产品设计模型的基础上，添加相应的产品制造信息，支持工艺规划、资源配置、生产计划、库存管理、加工装配等活动。根据产品的加工和装配关系，改变产品的设计BOM，形成制造 BOM，侧重表达加工和装配操作的时间顺序。制造 BOM首先确定哪些零部件需要自制，哪些可从外部采购。其 次，确定加工装配过程中的顺序约束，提供工艺规程、材料和装配指令等信息，描述零件信 息、零件之间的层次关系、零件位置和方向、配合关系等。产品设计模型体现了产品功能需求对零

29、件结构的制约，同样，在产品制造模型中， 产品的功能需求和体现于零件的具体几何结构，特别是零件间的连接和装配关系。装配工艺可以采用两种方式，即自顶向上和自顶向下两种方式。前者是在整体方案确定后，设计人员利用CAD工具分别进行各个零件的详细结构设计，然后定义这些零件之间的装配关系，形成产 品装配模型。后者首先建立产品的整体结构表达，然后不断细化零部件的几何结构，以保证零件结构满足产品功能需求，最终建立产品装配模型。5.2.5产品服务模型产品服务可以分成三个阶段：交付前服务、运行维护和回收处理。 产品服务模型应包括四部分信息：客户信息、产品交付信息、产品运行维护信息和回收处理信息，如图5-3所示。图

30、5-3基于UML的产品服务模型客户信息主要包括客户数据、合同信息、使用人员信息和培训信息等。客户信息可以支持产品的销售工作。产品交互信息主要包括产品运输数据、产品安装数据、产品交付状态、 客户验收意见和技术手册。产品交付信息的初始来源是产品的制造模型，同时附加挨了产品安装信息。产品运行维护信息包括产品运行状况、故障记录、维修记录和技术支持。产品回收处理信息包括报废处理单、拆卸工艺和材料分解工艺等。5.3产品模型集成框架在上一节中详细介绍产品生命周期各阶段模型，中间阶段的模型集成了钱阶段模型的信息，体现出简单的集成关系。产品模型集成将建立它们间的联系（不仅仅是继承），支持建立逻辑上唯一的数据源，

31、 存放全部产品数据和知识， 维护产品生命周期中数据的一致性，降低数据量和制造复杂性。产品生命周期模型的操作框架通常采用客户/服务和浏览器/服务器混合结构。前者用于内部信息处理和管理功能，后者用于外部信息处理。由于后者的跨平台性较好，并且能使开 发人员能够将开发重点放在服务器端，逐有全面取代前者的趋势。产品模型集成框架结构分为三层：应用层、服务层和数据层。应用层有五个应用代理， 分别是需求代理、概念代理、设计代理、制造代理和服务代理，分别对应产品生命周期模型的五个子模型。应用代理通过各种通信协议（如TCP/IP等）来访问服务层中的基本服务大力，如图形代理、安全代理、协调代理、查询代理、资源代理等。图形