传统的卷烟产品研发管理系统在配方管理、辅助配方设计、原料平衡及烟叶品质分析评价方面做了较为深入的研究，但对产品数据和研发过程管理较少涉及。在实际研发管理过程中，存在着研发数据管理分散、数据关联差、研发设计变更缺乏有效控制手段等问题，造成研发过程可追溯性差，难以保障产品技术状态信息的一致性。此外，由于研发管理系统与ERP(EntERPrise Resource Planning)系统、MES(Manufacturing Execution System)系统未能紧密集成，从而造成研发与生产协同性不足。产品数据管理PDM(Product Data Management)是以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关数据、过程、资源一体化集成管理的技术，其核心思想是研发设计数据的有序、设计过程的优化和资源的共享。近年来，随着CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems)工程、并行工程、敏捷制造等的应用和推广，PDM技术已经在国内机械、汽车、电子等行业得到了较广泛的应用，成为企业实现信息共享，有效管理产品数据，提高研发效率，增强核心竞争力的一项重要技术措施。由于烟草原料农产品属性以及卷烟流程型加工的特点，PDM技术在烟草加工行业的应用难度较大，目前尚处于起步阶段，仅对PDM技术在烟草生产应用中需解决的产品信息模型、产品结构管理、工作流管理等问题进行了初步探讨。为此，提出了基于PDM的卷烟产品研发管理系统架构和功能模块设计，以实现对研发数据和过程的有效管理和控制，提高研发与生产的协同性。
1 系统架构
为实现对研发数据和过程的有效管理，在研发系统的设计中引入了PDM管理理念，采用面向对象的技术，建立产品数据模型和研发过程模型以描述研发数据、过程以及数据和过程的有机联系和发展变化。具体设计步骤为：①以产品BOM(Bill of Material)为对象组成框架建立虚拟的产品数据模型；②通过研发过程建模，采用工作流管理技术有效管理和控制研发设计过程，并通过过程模型与数据模型相互关联形成完整的产品、研发过程描述以及生产过程控制相关描述；③通过企业统一的产品数据模型BOM不同视图的转换和传递，实现系统间的紧密集成，最终构成支持整个产品形成过程的信息系统。
1.1 基于面向对象技术核心框架和B/S架构的体系结构
为使架构设计较好地适应系统的扩展性和集成性要求，系统体系结构采用B/S架构，分为系统层、功能层、用户层3个层次，见图1。系统层支撑系统运行；功能层是整个系统的核心，包括应用服务器、WEB服务器和SOA(Service-oriented Architecture)数据交换平台。其中，应用服务包括研发管理系统基本功能模块、资源信息库和系统集成模块。SOA数据交换平台通过基于SOA面向服务架构的Web Service接口进行业务发布和数据整合。
图1 基于PDM的卷烟产品研发管理系统体系结构
1.2 基于PDM的卷烟产品研发管理系统功能框架
PDM的应用功能必须能够支持整个产品形成过程中各个阶段的应用需要。根据卷烟产品形成过程各阶段应用及卷烟产品研发设计的特点，将应用功能模块分为基础支撑层、核心业务层、数据分析应用层3个层次，功能设计见图2。
图2 基于PDM的卷烟产品研发管理系统功能设计
系统管理、资源信息库和系统集成功能模块从系统权限控制、数据安全、工作流、数据和文档管理及系统集成方面支撑核心业务层的运作。其中，资源信息库存储与产品研发相关的信息，这些信息按原料、工艺、品质、技术标准、实验、市场等主题分类，并以产品虚拟模型为核心进行组织管理。
核心业务功能设计以研发设计和品质管理为核心，以产品研发设计流程管理和产品数据管理为主线展开，实现对产品相关数据和过程的管理。其中，①项目管理作为各种研发活动的载体和业务驱动，对新产品开发、老产品维护、课题研究、工艺改进和其他科技创新项目进行管理。②研发设计管理采用工作流技术管理整个研发设计过程，通过将配方、工艺、香精香料和包装设计平台的集成，实现业务各环节的协同工作和管理控制。③标准管理对产品技术标准体系的各类标准进行维护管理，包括叶组配方、工艺标准、材料标准、产品主要技术参数、包装设计样标图等，通过权限、版本、状态管理，确保企业标准文件的唯一性和有效性。④原料管理对烟叶生产、采购、复烤加工、仓储醇化品质情况进行记录和管理，并建立烟叶特性数据库。⑤品质管理实现对原料、烟用材料、添加剂、在制品和成品的样品检测、评吸活动、检测和评吸数据的统一管理，对研发过程中产品的品质安全进行控制。
数据应用分析层基于产品数据管理模块实现数据分析和辅助设计。其中数据分析提供成本、配方结构、原料平衡和预警等分析功能，辅助设计功能主要有替代烟搜索、各种品质评价模型、优化算法、规则库等。
2 技术实现
2.1 卷烟产品数据建模
产品数据模型是PDM系统的核心。卷烟产品数据建模的难点在于模型不仅要尽可能精确地对产品组成进行定义，还要能动态地反映产品的变化。在研发管理系统中，采用面向对象技术和基于继承技术的层次式结构类定义构建一个卷烟产品模型，模型中产品组成是一个多层次的BOM结构。模型将描述产品的对象分成数据对象和业务对象两类。其中数据对象主要用于描述组成产品结构的元数据和各种物理数据文件的引用，业务对象描述业务过程产生的各种动态信息。
如图3所示，组成某一卷烟产品结构的元数据有原烟、片烟、成品丝、烟用材料、其他在制品等。片烟元数据包含年份、品种、产地、等级等基本属性，其物理数据文件引用有原烟清选方案、配打方案、技术参数。这些数据文件的引用通过数据对象描述。业务对象描述某一产品相关项目、试验、产品规划、开发、设计、工艺过程规划等业务活动记录、相关设计文档和技术标准。以叶组配方标准为例，其属性包括版本号、叶组配方组成、配方比例、处理状态、发放阶段以及标准的文件引用。
图3 卷烟产品数据模型（局部）
在整个产品模型中，数据对象、业务对象及数据对象和业务对象之间可以建立一对多或多对多的联系，并构成一个集成的产品模型。业务对象在各种业务活动中产生，并与数据对象建立有机的联系，从而实现描述产品模型的内在联系和发展变化，如产品版本变更、品质改善等情况。此外，根据对象间的联系可以形成满足不同需要的视图，如设计视图、工艺视图等。各种设计文档和技术标准采用标准模块生成，对信息进行结构化处理，便于信息的检索和共享管理。由此集成的卷烟产品模型能清晰和动态地描述产品信息和生产过程相关信息，实现企业统一的产品信息共享。
2.2 研发过程建模
研发过程管理的主要目的是对产品研发过程进行协调和控制，使相关人员协同工作，并在需要时进行过程追溯。系统通过建立研发过程模型实现对业务流的控制和管理，过程模型由业务单元、活动、角色组成，见图4。业务单元描述工作流程的节点，如设计评审、设计验证、标准审核、标准发布等。活动描述具体的业务操作，如审核、批准。角色规定相应的操作者及其所拥有的权限。过程模型与产品数据模型之间紧密关联，研发过程执行的每个步骤都需要使用产品模型，从而使相关产品数据得到实时更新。过程模型中每个业务单元都具有一个过程状态标识，随着业务活动的发生，过程状态将产生相应变化，同时产品数据模型中的文档记录状态也发生改变，从而使过程、数据、资源保持协调一致。例如叶组配方标准的编制、审核、批准、发布等业务过程，过程状态标识定义包含编制中、待审核、审核中、待批准、待发布等状态。相应的叶组配方标准也包含编制、审核、发布、签收、启用、停用等状态。业务流程规则的定义和文档状态应符合ISO质量管理要求。
图4 研发过程模型
2.3 系统集成
研发管理系统的集成包括信息集成和过程集成两个方面。系统主要与MES、ERP、OA及基础数据管理平台进行系统间集成，集成信息通过企业服务总线(ESB，Enterprise Service Bus)实现交互，集成框架见图5。为建立企业统一的产品视图，首先应使企业基础数据保持一致。为此，元数据（原料、烟用材料、工艺参数、计量单位等）定义统一在基础数据管理平台进行，基础数据管理平台同时实现元数据的维护和审核发布。
图5 基于PDM的卷烟产品研发管理系统集成框架
研发管理系统与MES、ERP系统的集成关键是BOM和工艺标准规程的集成，BOM是研发管理系统与MES、ERP系统信息集成的纽带。在企业统一的产品数据模型共享的基础上，可以根据不同的需要形成制造BOM、计划BOM、成本BOM等所需的视图信息，实现与MES、ERP系统的集成。系统与MES的工艺标准和工艺路径的传递通过建立虚拟的工艺树模型实现。工艺树模型按生产区域、工段、工序分层建立，在逻辑层描述卷烟工艺路径，实现工艺标准和路径参数化。设计和输出工艺标准时，在工艺树模型中自由选择生产区域、工段和工序，配置参数，实现产品的柔性设计和制造。
研发管理系统过程集成涉及从产品设计到制造加工整个过程的监控和管理。系统通过建立和共享企业统一的产品视图，集成研发设计、标准管理、ERP和MES系统。产品技术标准设计输出后在研发系统中完成审批发布，并发送标准更新通知到MES系统中。技术标准由MES系统获取并签收，实现技术标准参数的下达。MES系统将技术标准的启用、执行和停用状态通过消息返回研发管理系统。研发管理系统通过MES系统提供的查询服务监控与标准执行相关的生产批次和品质情况。过程集成实现了“单点设计，多点生产”模式，满足了研发生产一体化的要求。
3 应用效果
基于PDM的卷烟产品研发管理系统的实施，为研发部门搭建了一个支持创新和协同工作的平台，解决了原研发数据分散、无序、不能充分共享等问题。虚拟产品数据模型的建立方便了数据资料的快速检索、管理和积累，保障了产品技术状态信息的一致性。系统支持并改善了研发过程各环节的信息传输管理，提高了研发工作效率，研发过程的可追溯性加强了产品设计品质管理。系统通过统一的产品数据视图实现了与MES和ERP的紧密集成，加强了研发与生产的协同性，实现了面向生产的产品技术标准管控和多点生产的品质管理。
在系统的应用过程中，也存在一些不足之处。如系统的产品数据模型未能从更深层次上把握产品的本质属性，化学成分与感官品质方面描述不足，在一定程度上限制了研发人员对产品数据的使用效果；对于研发过程建模，目前的工作主要是解决规范管理问题，如何建立更加灵活、适应柔性的研发管理，并支持研发过程协同的模型还需进一步研究探讨。
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