1 引言
产品结构是产品各个功能单元组合形式的表达。作为贯穿产品数据管理的关键技术，产品结构管理在整个产品数据管理系统中起到重要作用。
(1)产品结构管理是产品数据管理的核心。①产品结构的完善是产品设计的主要目标之一；②对产品结构的修改是产品设计过程中的主要活动。同时，在许多设计过程中设计人员通过产品结构直接将表达设计结果的模型文件组织起来。此外，产品结构所表达的产品功能单元之间的关系本身就是非常重要的产品设计数据。
(2)产品结构为设计过程中的任务管理、文档管理等功能提供了重要视图。如引言中所述，现代设计活动往往采用项目化的方式进行管理，其中包括设计资源、设计任务、设计人员等方面的管理。产品结构管理从产品结构的角度提供了相应的操作界面，比如查看零件相关文档、为部件分配新的仿真任务、提出标准件外协申请等。
(3)产品结构管理模块是PLM系统与其他系统的接口。PLM系统与其他信息系统的联系主要靠产品物料清单(Bill of Materiel，BOM)的变更与流动，如图1所示。以企业资源管理系统(EntERPrise Resource Management，ERP)为例。以设计BOM(Engineering BOM，EBOM)为依据，可以产生计划BOM(Process Plan BOM，PBOM)、制造BOM(Manufacturing BOM，MBOM)，此二者为ERP系统中的关键数据结构。在PLM系统中，BOM的产生主要依赖于产品机构管理模块。
图1 PLM系统与其他信息系统的联系
2 企业PLM系统产品结构管理的需求
不同企业、组织的设计任务不同，具体情况不同，对于PLM系统的需求也不尽相同，系统所服务的企业主要特点如下：
(1)规模相对较小，产品类型相对较少。目标企业的产品类型相对较少，其设计对象的产品族特点不明显，数据量并不是很大，企业人员组织结构比较简单。
(2)产品生命周期链不完整，但关注点突出。如图2所示，研究中心主要关注产品的设计过程，其样机的加工过程完全通过外协外购完成，只需要对外协厂商的合同执行进度进行监控。除此之外，需对样机进行测试以指导下一轮设计，直至合格。
图2 产品生命周期
(3)有异地协同需求，但要求不高。产品研发制造及售后需要多家单位合作完成，但是初期任务划分较为清晰、独立，不同机构之间需要交流，但是在设计研发阶段，大部分任务能够在单个机构范围之内完成。
产品采用SolidWorks作为没计平台，采用Workgroup PDM进行设计文档（包括三维模型文件、图纸文件）的管理。具体的研发过程中，该企业在产品结构管理方面面临的主要问题有：
(1)图纸管理需要改善。虽然有Workgroup PDM进行设计文档的管理，但是还需要明确管理方案，否则不能有效发挥Workgroup PDM的作用。
(2)Workgroup PDM的产品模型主要集中在产品的几何模型以及特征模型上，对于产品的其他信息无法有效的描述。除此之外，当前Workgroup PDM无法为其他管理模块提供视图。
(3)产品的状态缺乏可视化的动态监控。同时缺乏相应的报表功能，上级负责人无法直接掌握当前研发状况。
综合考虑企业实际需求和实施PLM的相关规则，决定采用小目标实施PLM，具体到产品管理部分需要满足以下主要需求：
(1)建立完善的产品信息模型，提供友好的管理界面。
(2)对当前零部件模型、图纸文件进行规范化、标准化处理。
(3)为其他管理模块提供视图和功能接口。
(4)开发报表功能，满足高级负责人决策需求。
3 产品管理系统设计方案
3.1 产品结构模型
企业模型中的产品信息模型(Product Information Model in EntPrprise Model，PIMEM)是在企业模型的范围限定下，根据一定规则对产品对象进行抽象的、结构化的表达。确定产品信息模型是完成产品结构管理的第一步。在PLM系统中，为了保证产品模型的有效性和实用性，采用建模原则主要包括：产品信息模型与过程模型解耦，为过程模型提供功能接口。实际上，产品信息管理与工作流管理相互依托，所以一般产品信息与过程集成的实现方法有两种，即基于产品的过程控制与独立于产品的过程控制。这两种方法各有利弊，(1)考虑到该研究中心流程复杂多样，许多流程并不完全围绕产品结构执行；(2)整个信息系统的设计、实现过程中有模块化的需求，所以采用分离模型的方法。
产品信息模型应当具备如下特点：准确、完整、清晰，描述方法多样，具有灵活的可扩展性以及视图开放性。
根据该研究中心的实际情况，可以利用四维空间<S，D，T，V>来描述产品的信息模型。四个维度分别为分别为产品结构、表达方法、生命周期以及版本，如表1所示。
表1 产品结构模型的四个维度
利用四个维度可以快速定位所需要的信息内容或者信息索引。例如，要获取部件m的第n个版本的装配图，可以利用参数<S=m，D=图树模型+特征模型，Type=设计（装配图），版本=n>来获取相应的装配图索引，通过检索接口获得具体的装配图文件。此外，通过对参数进行组合、范围限定，可以快速得到相应的BOM或者报表。值得注意的是，BOM是产品信息模型的主线，其他表示方法的信息内容往往依附于BOM之上。
3.2 CAD工具集成与设计信息获取方案
CAD软件是产品设计过程中的重要工具，产品设计信息的产生与获取离不开CAD工具的支持。在PLM实施过程中，如何集成CAD软件是一个核心问题。根据该研究中心的实际情况，主要有两种集成方案：直接将SolideWorks软件集成到自主开发的PLM系统当中（PLM与CAD集成）；通过集成Workgroup PDM系统实现SolidWorks软件的集成（异构PLM系统集成、PLM与CAD集成）。
图3 直接集成SolidWorks软件
(1)直接集成SolidWorks软件，系统结构，如图3所示。PLM服务端负责产品信息管理、版本控制等功能。PLM客户端管理本地工作区内的文件、获取本地产品信息以及与服务器的同步。一般情况下，PLM系统集成CAD软件可以分为三个层次：系统封装、接口交换、功能集成，三个层次集成紧密程度由低到高。系统封装主要特点PLM系统能够识别、存储并管理应用工具产生的文件，但是产品的设计信息只能通过CAD软件进行浏览。接口交换是通过CAD系统的开发接口实现的。通过相应的API文件，PLM系统可以从CAD系统中获取需要的信息。而功能集成允许PLM系统与CAD系统相互调用，实现双向信息共享。
(2)集成Workgroup PDM；如图4所示，利用Workgroup PDM系统集成SolidWorks软件。从Workgroup PDM系统中获取产品信息。信息获取的方式共有三种：直接访问Workgroup PDM服务器，通过解析服务器文件系统获取产品信息；利用Workgroup PDM编程接口获得产品信息；通过监听Workgroup PDM系统产生的事件获取产品信息。
图4 集成Workgroup PDM系统
与(1)相比，(2)充分利用了现有Workgroup PDM功能，减少了系统开发工作量。同时，由于Workgroup PDM专为SolidWorks软件设计，且为同一公司产品，其健壮性要远远好于第三方开发系统。除此之外，Workgroup PDM客户端能够以插件的形式在SolidWorks环境中运行，很大程度上方便了设计人员的使用。但是这种方案需要考虑异构PLM系统信息同步问题，而且整个系统的性能受制于Workgroup PDM系统性能。通过对系统的实施时间和实施需要综合考虑，(2)更为合理。
3.3 产品设计管理模式
为了更好的管理产品信息，需要确定产品设计管理模式。目前制造业的产品设计管理模式主要有基于产品的管理模式和基于零件的管理模式。基于产品的管理模式需要对每一个产品的零部件及关系信息建立单独的档案。由于重复零部件的存在，采用这种管理模式在产品与产品之间会导致重复设计与冗余数据的出现。除此之外，实现相似零件查找与相似设计较为困难。
基于零件的管理使产品能够共用零部件。解决了重复设计与冗余数据的问题，并且能够实现产品快速配置与变形设计、相似设计。其实现难点在于零部件与产品对应关系，即产品结构信息与产品配置信息的管理。
产品设计过程所涉及到的零部件大体上可以分为三类：(1)核心零部件，它是产品的关键部分，往往需要进行多次反复设计、分析，审批流程严格，一般在产品中是独一无二的；(2)普通零部件，产品不可缺少的部分，但设计工作量相对较小；(3)标准件，包括国家标准件、行业标准件以及自定义标准件，不需要进行专门的设计。
在实际设计研究过程中，以某一产品的设计为目标立项，同时，各个产品中会包含相同的标准件，因此采用混合管理模式。通过自定义的Toolbox建立标准零部件库以管理标准零部件。
4 系统设计
整个信息平台系统的结构，如图5所示。其可分为四个层次即：界面层、接口层、功能层和数据层，涉及到的关键技术主要有：
图5 系统结构设计
(1)面向对象技术（Object-Oriented Technology）。采用面向对象技术能够直观、自然地描述产品结构模型中涉及到大量的对象，符合人类思维的特点，易于构造平台。具体表现为平台设计过程中采用UML建模工具，平台开发采用面向对象编程语言Java等。(2)富因特网应用程序(Richlntemet Applications，RIA)。在产品结构管理的过程中，用户、平台之间需要大量复杂的交互行为。这种交互利用传统的web界面实现比较困难。在平台开发过程中采用Flex技术实现用户接口，并且利用插件的方式实现多种文档的在线呈现。(3)消息队列。主要用于解决与Solidworks Workgroup PDM之间的数据获取问题。(4)XML技术。—般的PLM系统当中，XML技术主要用于以下两个方面：相关数据存储以及交换（在产品数据管理系统中的应用）。在该平台中两个方面均有涉及，主要应用于数据交换，包括定义平台内数据交换格式，利用web服务对异构功能模块的封装等等。实现系统，如图6所示。
图6 系统界面
5 小结
产品结构与配置管理是现代设计中设计数据管理的重要部分，对于整个PLM系统有重要影响。在PLM系统实施方法论的指导下，根据某企业数据管理的实际需求，在实践中完成了产品结构管理的需求分析并建立模型，最后利用消息队列、异构系统集成等技术设计并实现了具体的产品结构管理系统。
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本文标题：基于PLM的产品信息管理系统的设计与开发
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