1 重型装备制造企业PDM系统的需求分析
1.1 重型装备制造企业的基本特点
重型装备制造企业属于典型的多品种、小批量离散制造业，与流程型行业及批量生产的离散制造业相比，具有自身鲜明的特点，这些特点也造成了其企业信息化建设路线上的不同。
重型装备制造企业通常都是面向订单组织生产的机械制造企业，产品主要是大型成台套设备。成台套产品都是由成千上万个零件组成，相关性强，重复性低。产品结构比较复杂，专用程度高。产品类型非常多，而每种产品的批量较小。产品设计、工艺设计涉及多组织，业务交叉，流程复杂且准并行，物料基础数据庞大且换发频次高，数据传递批次多，业务协同和数据同步难度大。产品生产工序周期长，技术复杂，涉及冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、机械加工、装配等几大专业领域。企业生产设备的布置不是按产品布置而是按照工艺职能进行布置的。例如机械加工是按车、磨、刨、铣等专业设备来安排机床的位置。在组织生产时，每个零件的工艺流程都可能不一样，而且可以进行同种加工工艺的机床有多台。每个零件的加工路线灵活多变，即使同一种零件的加IT路线，加工机床，加工方法都不一定一样。零件的质量和生产效率很大程度依赖于加工工人的技术水平、工艺方法及装备精度，自动化主要集中在单元级，例如数控机床等。
基于重型装备制造企业的特点，其PDM系统的需求与传统PDM系统相比有其自身特点，具体体现在：
(1)传统PDM核心数据模型架构存在缺陷，不具备定义完整制造过程的数据结构：结构化数据和图文档数据之间的事务一致性较难保证：BOM数据的变更处理非常困难，难以管理各种变更及变更的后续处理：与CAD软件集成方式别扭等等。
(2)重型装备行业的业务运作的主要信息载体是物料，各业务系统都是围绕着物料不断添加表达制造过程的数据。
1.2 系统建设目标
重型装备行业的PDM系统应从技术支撑能力和功能实现上满足企业内部技术准备业务相关的信息化总体需求，为企业构造数字化技术准备业务体系支撑平台和企业级协同化产品研发平台。其主要目标如下：
(1)改变重型装备行业现有基于订货代号的产品数据管理模式，在系统内实现以物料为数据组织核心的产品数据全面管理模式。奠定面向制造的种、项、件管理基础，能够构造并输出全面的BOM数据，确保产品数据有序、统一、准确、单源。逐步实现产品工程研发知识的自然沉淀。
(2)强化任务管理功能，从目前较为独立的任务管理和工作流管理过渡到面向项目、基于流程、任务驱动的业务过程管理。从而实现技术准备业务管理过程、执行过程、变更过程的协同，控制进度计划，确保准时交付。
(3)打破传统PDM与CAD集成的方式，重构二维CAD软件与PDM系统集成方式，实现工程图形数据与工程管理数据分立维护、集成展示，并初步建立起3D CAD软件与PDM系统集成模式。通过CAD设计工具与PDM管理过程的深度集成，杜绝设计源头数据的冗余与错乱，确保设计数据源头单源、准确，避免错误放大扩散。
(4)实现基于数据库平台的工艺设计数据编制和管理、工艺文件图形版展示的双轨制的工艺处理方式。
(5)强化信息生命周期的有效性控制，细化系统权限控制的力度和范围，优化系统容错方式和错误跟踪与追溯机制，实现对系统安全的全面、精确控制。保证各种访问许可之间的一致性，确保设计数据不被有意或无意的破坏。
(6)增强产品数据监控与分析能力，统一考虑产品数据技术状态、相关人员工作负荷、产品数据关联关系等内容。对产品、过程、用户进行可视化查询与分析，实现产品数据运行的状态管理可视可控，数据关系梳理关联有序，为管理者提供决策辅助支持。
(7)通过规范系统业务操作、细化基础数据管理、强化变更过程控制，使产品数据的有效性控制从事后和事中校验，转化为事前控制。任何“备注”信息均不能作为系统处理依据，确保产品数据在设计过程和变更过程中的有效性得到严格控制。消除电子数据与纸质数据可能会发生的不一致问题。
2 数据框架设计
PDM系统的数据框架既包含业务数据，也包含业务过程以及控制过程，因此系统的数据框架应该是全关联的全业务数据框架。全业务数据框架包含物料框架用于描述业务数据，项目框架用于描述工作分解，任务框架用于描述业务过程，安全框架用于描述访问管控。
(1)物料框架
重型装备企业的核心业务运作的主要载体是物料，技术准备所生成的业务数据和生产制造所需要的数据包括：组成最终产品的所有物料及其相互装配关系；制造过程中消耗（使用）的所有物料及其相互装配关系；每项物料的制造方法、加工过程，以及关联物料之间的渐次加工的相互逻辑关系与形态变化，组合加工、工装匹配、开坯、焊缝等特定物料变化的完整的数字化产品数据：物料所关联的技术文件。
(2)项目框架
项目框架按照产品的组织形式，针对特定的项目要求，对产品的技术准备业务过程进行任务分解，分解后形成项目的WBS分解结构。项目的分解过程一方面是对产品大框架的分解过程，另一方面也是对工作任务的分解过程。分解后形成相应的任务包（即WBS节点），在任务包之下即可以展开具体的产品技术准备业务过程。
(3)任务框架
任务框架以WBS所形成的任务包作为输入，以形成的零件、图纸、路线等业务数据作为输出。通过工作流程将任务对象组织起来，并对任务的执行过程进行控制和管理，从而和WBS结合起来对整个业务过程进行管控。
(4)安全框架
安全框架核心在于用户、角色、部门的权限如何分配和控制。建立由“行政组织+产品组织+角色+时效性+流程任务+任务状态”等要素组合控制的权限管理。即，以“行政组织+产品组织+角色”配置用户的基本权限（组），以“流程任务”节点的任务锁定用户的当前执行权限（行政组织节点、WBS/BOM节点、当前执行角色），以时效性和任务状态进一步针对性地约束和限制用户的当前执行权限。
对应一项流程的任何一个节点的工作任务（或工作对象），已经包含了其隶属的产品组织节点、行政组织节点、任务状态、用户的当前执行角色等确定权限的充分必要条件，其权限是确定的。
PDM系统主程序框架采用动态插件的方式进行实现。系统主体分为业务功能和系统功能两大部分，另外还有和外部应用系统的集成接口。在系统功能中，主要完成权限管理、流程模板管理等支系统正常运行的、面向系统管理人员使用的功能。业务功能主要包括任务管理、变更管理以及各专业的业务操作等功能，主要面向专业技术人员的具体日常业务应用。对于设计工作和工艺工作来讲，通过重构二维CAD软件与PDM系统集成方式，实现工程图形数据与工程管理数据分立维护、集成展示。其图纸设计与维护过程在系统中得到控制，将原来的批量导人方式转化为每件处理的方式。同时，优化现有的图形版的工艺编制方式，转变为完全基于数据库平台的工艺设计数据编制、管理（数据版）和工艺文件动态可视化生成展示的方式。
3 关键技术设计
3.1 物料结构变迁与管理
物料结构的变迁与管理实际上就是对业务数据形成过程的控制和形成结果的管理。对其管控的目的是保证数据结构的正确性，以及其与业务过程的符合性。既要保证基础物料在业务处理过程中能够进行正确的组织和关联，还要保证产品结构在不同视角下能以不同的方式展示。
物料结构变迁与管理的基本思路是用种项件的方式和概念来组织物料的基本结构，用物料变迁约束来关联物料的逻辑变化结果，用多视图方式来管理产品结构的不同视角。
种项件方式分层次对物料进行结构关联，种独立于产品，项为结构关系，件为订货代号，并记录装配路径。
物料变迁约束主要是通过关系来记录物料的前驱和后继，且区分前后的关系类型，如开坯关系、加工关系、装配关系等。
物料结构及其变迁主要分为四部分来进行管控，即从设计的角度来看所构造的物料及其结构，从工艺的角度来看体现物料的形成过程及其结构，从过程管理的角度来看其与过程的关系，以及从其他视角看所需要的结构。这里，根据现有的情况，假定产品结构指的是具有装配关系的完整产品，BOM指各种和物料相关的清单。
(1)种项件构成的产品结构
种——要素和基本属性相同的零件，即物料。它是产品的基本组成又超越产品，在物料表（零件库）内，拥有唯一的标识代码(Item ID)。
项——组成产品的零件实例，针对特定产品，是“种”零件的引用。在产品结构中，每一个实际的节点就对应着一项零件，或者认为项就是订货代号，拥有自己唯一的标识代码(Part ID)。
件——是生产中的实物，不在PDM系统中进行管理。
物料是产品的源头，项引用物料，它既表达了物料相互之间的装配结构，又反映了客户需要的订货代号的格式。
订货代号通过记录零件、装配以及BOM路径唯一确定物料结构展示。BOM路径是通过物料ID所形成的具有上下级父子关系的结构。通过“订货代号+BOM路径”的组合来唯一确定物料结构展示。种项结构示意图见图1。
图1 种项结构示意图
(2)工艺过程驱动的物料结构
产品结构上的物料是制造的最终结果，但是物料本身的形态也在制造过程中发生变化。因此，需要有效的数据结构来记录其变化过程中的阶段结果。
一个物料形成的完整过程见图2。
图2 物料形成过程
从最初的原材料到最终的成品，经历一个逐步变化的过程。每一步也会生成相应的物料，这些物料也具有自己的描述性数据，靠工艺过程驱动，靠制造过程实现。为了记录其变化过程，可以设定如下的记录方式：为物料分类，物料记录其分类形式（主要是为了相关逻辑处理），并记录其源物料。其数据关系见图3。
图3 物料形成过程关系
比较特殊的是开坯、焊接和合铸，他们的物料关系比较复杂。但是，从物料形成和物料装配的角度来严格区分的话，只有开坯属于物料自身形态的变化，而焊接和合铸严格上都是装配关系，因此他们之间的关系按照装配结构来处理，见图4。记录源物料这样一个数据结构能够满足开坯过程的要求。
图4 物料关系分析
(3)业务过程与物料的关系
业务过程和物料的关系是指在业务执行过程中，任务以及依据任务而生成的物料之间的关系。基本上可以分解为三个方面：项目任务WBS与顶层物料的关系，设计任务与物料的关系，以及工艺任务与工艺物料的关系。
业务过程是可以和物料分离存在的，在业务执行过程中产生了物料数据，但是物料数据不是依附于业务过程而存在。
在WBS分解的同时，即生成对应的顶层物料，而且这些物料自动构建起对应的顶层产品结构。执行流程任务时，如果是设计任务，则其任务的产出为物料。物料根据装配关系搭建产品结构，每个设计任务对应一个物料。如果是执行工艺任务，若有工艺物料则生成对应的物料，同时将生成的工艺文档挂接在物料上。
(4)和报表相关的BOM及多视图
如果我们把BOM定义为一种产品构成信息以不同形式抽取而生成的输出性的结果，那么其本身就是一种报表。是结果而没有过程，因此不需要管理其过程，只需要按照需求输出即可。如果产品有变化则再次输出。
3.2 图形分离存储与动态拼接处理
图形的动态拼接主要是为了实现图纸的结构化信息与图纸的非结构化信息的分离管理与集成展示，从而彻底解决CAD的深度集成问题。
图形的动态拼接主要思路为结构化信息在图形的可视化输出、图形与图框和图块的动态组合。其核心在于各种图形要素的位置定位以及动态插入。
结构化信息主要包括图纸本身的描述信息和装配图中的参装件信息以及技术要求、变更等信息。这些信息在动态输出时根据绘制规则，自动将其映射为标题栏块、明细栏块以及技术要求块和变更块，并将其自动插入图形的约定位置或者保存时记忆的位置。
然后将图形插入图框的特定位置，进而形成一个完整的CAD图形。
图形的分离存储和动态拼接的基本实现原理是将图纸各要素分离，记录他们之间的逻辑关系和位置关系，然后分离存储。在显示图形时，将这些分离的数据取出，按照逻辑关系和位置关系进行拼接，然后显示。
需要分离的数据可以分解为：图框、图形、技术要求、变更区域。其中，图框容纳图形，技术要求和变更区域在图形中绘制。为了实现其能够分离存储，将技术要求和变更区域以及明细栏和标题栏作为块输入。图形结构化分解示意图见图5。
图5 图形结构化分解
在存储时，首先根据系统预定义的图框信息，从规定坐标范围内取图形数据，然后过滤掉技术要求、变更区域等块，剥离出来图形信息。
然后再把技术要求块、变更区域块等信息提取出来。最后把图形、技术要求、变更区域等数据信息转变为流信息，这些信息内置了位置信息，存储为物理文件。图形结构化对应数据结构示意图见图6。
图6 图形结构化对应数据结构
在拼接图形时，根据图纸对象，获取所关联的图框、图形、变更区域、技术要求等，将这些数据以流的方式合并在一起，并从结构化数据中提取数据，填充到相应的标题栏和明细栏，从而形成一个完整的图形文件。
4 结语
传统PDM系统在重型装备行业的推行一直是企业信息化领域的难点，其根本原因就是数据量大，变化多。本文探讨了这两个现象背后的实质，并给出了基于工艺过程的全新物料模型。解决了传统PDM数据模型架构存在的缺陷，具备定义完整制造过程的数据结构。各业务系统都是围绕着物料不断添加表达制造过程的数据，并重构了CAD与PDM的集成关系，解决了结构化数据和图文档数据之间的事务一致性。
该理论和架构模型已经在某大型重型装备制造业的PDM升级改造项目中得以实施，体现与传统PDM系统模型相比，新系统有着巨大的优势，为重型装备制造企业实施PDM系统探索了一条新的可行方案。
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本文标题：PDM系统在重型装备制造业的应用研究
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