产品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM) 是指对产品规划、概念设计、工程化设计、生产、营销、维修与售后服务的全生命周期中的信息与过程的管理，既是一门设计制造技术，又是一种设计制造理念。PLM支持并行设计、敏捷制造、协同设计和制造，以及网络化制造等先进设计制造技术手段。在企业实施PLM过程中，积累了大量知识源数据，目前如何根据已有的PLM系统，对企业的知识进行有效管理，正受到越来越多人的关注。当前对企业知识管理方面，众多学者进行了大量研究。Hanley指出“知识管理是一组能够展现组织设计与经营原则、流程、组织架构和应用技术的集合，它能帮助知识工作者以惊人的效率展现他们的创新能力，为企业创造价值。Eppler等认为，知识可视化是一种通过提供比信息可视化更加丰富的表达用户所知道内容的方式，以提高人们之间的知识传播和创新。由此可见，知识可视化可以提高知识管理的效率，而在如何实现知识的可视化管理方面，国内外也进行了一些研究。Alla Anohina 等认为，基于概念图的知识管理系统能帮助初学者降低任务的难度。Sigmar 等认为，使用概念图能实现知识管理的可视化，能对知识进行组织、分发等。
在企业的各种活动中，新产品研发对提高企业的竞争力有着至关重要的作用，相应地在PLM系统中，企业核心的知识都是基于新产品开发的，如何对新产品开发过程进行知识管理，是具有现实意义的。现有的PLM系统在产品开发中主要起着文档仓库作用，当某种类型产品研发成功后，再次研发类似产品时，PLM系统中只是保存着以前产品的最终设计结果，由这些数据了解原来产品的设计过程比较困难，特别是以项目开发为中心的企业，人员随项目的建立而组织，人员流动性比较大，产品开发知识库比较难以建立。在PLM的知识管理研究中，有几个问题有待解决: 首先，设计人员本身都很难分清知识，由于整个设计过程就是一个知识演变过程，相关知识提取应该是边设计边提取; 其次，PLM能够管理设计的文档和流程，它能将设计结果文档化和流程化，但是设计思维过程和知识如何与文档相关联无法体现。从现有PLM系统数据是不能得到或很难恢复原来设计过程全貌，而这部分知识恰恰是整个设计中比较重要的一部分。对于设计过程中的知识管理，Amrit Tiwana 等通过概念图应用于新产品开发知识可视化管理中发现，在复杂产品开发中，用概念图进行知识管理可以降低设计复杂性，增加设计过程柔性。
综上所述，本文通过建立产品全生命周期概念图定义，设计该概念图与PLM系统中各种设计文档关联规则，明确产品全生命周期概念图的存储格式，探索新产品开发知识可视化管理的新方法。
1 PLM中知识管理的对象
企业的所有数据，如设计、加工制造以及企业流程活动等数据都已经储存在PLM系统中，这些数据是知识的载体，要获得可以利用的知识，还要对这些数据进行加工整理。由目前主流PLM系统( 如UGSTeamcenter、Aras Innovator 等) 特点可知，PLM系统基本上是依据Item或类似功能的数据结构来组织相关CAX(CAD、CAE、CAM、CAPP 等) 文档和企业流程等信息。Item之间包含着多种关系，如部件和零件之间的父子装配关系、零/部件使用的条件约束关系、图样和零件之间描述和被描述的关系，以及功能类似的零件之间可替换关系等。首先，PLM系统知识管理的目的之一是要建立这些文档之间的关联，因为这些数据都不是孤立存在的，建立其联系有助于了解整个设计过程。其次，PLM中知识管理对象还包括设计过程中尚未信息化的知识，即将设计过程中的隐性知识表示出来。PLM知识管理的对象如图1 所示。
图1 中PLM管理功能所对应的这些文件数据中，都直接或间接地包含产品设计中的显性知识和隐性知识，如CAX 数据中包含设计原理、装配、制造相关知识; 文档类数据集中隐含概念设计、功能设计知识; 工程变更申请(Engineer Change Request，ECR) 、工程变更通知(Engineer Change Notice，ECN) 等文件中包含重要企业活动，即包含企业的变更知识; Project 文件中包含与产品设计相关的项目知识; 物料清单(Bill ofMaterial，BOM) 包含设计BOM、制造BOM 和装配BOM等，这些BOM文件中包含产品结构与配置的相关知识。因此，PLM系统进行知识管理的主要对象就是系统中这些已经信息化的数据。
图1 PLM知识管理的对象
2 PLM概念图设计
本文提出的“PLM概念图”观点，可以综合利用概念图可视化特性和PLM系统特性，对设计知识进行可视化管理。
2. 1 PLM概念图与PLM系统关系
目前的主流PLM系统基本上是根据以前PDM 系统发展过来的，其主要功能包括: 文档管理、零/部件管理、产品结构和配置管理、工程变更管理和项目管理等。本文提出的“PLM概念图”是一种用于PLM系统的概念图设计方案，目的是在产品开发过程中记录开发过程和相关知识，使设计人员能迅速、直观地了解整个开发过程，加快产品开发效率和提高设计质量。目前的PLM系统文件组织都是基于Item，所以PLM概念图的Item类型已被定义，将概念图文件存储于该Item之下。在该Item下还可以附带相应的、对Item说明的Form、CAX 文件等。该概念图Item采用如图2 所示的组织形式。
图2 中表单Form 属性记录概念图Item的相关属性，如ID、版本、创建者和日期等; 概念图文件保存概念图的拓扑信息; CAX 文件是与此概念图Item直接关联的CAX 数据。采用这种数据结构主要有两个优点:首先是比较容易建立这种数据类型，对于目前大多数的PLM系统，基本都采用相应的Item结构; 其次，用Item来实现对概念图的不同版本控制比较容易。
2. 2 PLM概念图的节点与关系设计
概念图是一种用节点代表概念，连线表示概念间关系的图示法。本文所提出的PLM概念图节点功能如图3a 所示。
图2 概念图在PLM中储存结构
图3 概念图节点功能和关系
PLM概念图中，节点名称处显示节点名称; 文件链接处显现与此概念相关联的PLM系统中主要文件链接; 图片显示处可以显示相关CAX 数据图形以及相应Item组织结构等，以方便设计人员能迅速查找到相关文档。
概念图中各个概念之间都可能有一些关联，一般用节点与节点之间的连线来表示这种关联，节点之间连线如图3b所示。
根据产品设计中概念之间关系，常见表达关系的关键词有: 依赖，原因，结果，解释，公理，理论，程序，经验，图样等，在实现概念图连线设计时，可以进行线型、颜色等属性设置。
总之，PLM概念图可以将产品设计中的知识点集中起来，形成清晰知识体系，达到提高设计效率和设计质量的目的。
2. 3 存储问题
可扩展标记语言(Extensible Markup Language，XML) 是一种元语言，可用于定义任何一种新标识语言，用于表达各种类型数据，使构成文件的每一个元素都可以有自己的名称、属性以及和其他元素之间的关系。采用半结构化数据模型来描述数据，它描述数据的结构信息，而不是对数据结构进行强制性约束，可以做动态的更新。PLM概念图使用XML来描述概念图有以下几个方面的优势。
1) 层次化结构。XML文件使用层次化结构关系来描述数据，容易建立概念图到XML之间的映射关系，所得到的文件也容易理解。
2) 可扩展性。XML的可扩展性保证了它的灵活性，很容易自定义其他数据类型。
3) 可操作性。XML文件的层次化结构以及元素之间紧密相关的关系，使得XML文件容易读写，可以快速、准确地定位以及操作有关的数据信息。
4) 可传输性。XML文件容易在网络中传输。
5) 应用范围广。XML支持跨语言、跨平台使用，一种平台上产生的XML文件可以直接被另一种平台使用，主流的编程语言都支持XML文件。
基于XML的这些优点，本文采用XML对PLM概念图进行表示和储存。在用XML对PLM概念图进行描述时，需要解决节点基本属性描述和约束属性描述问题。
2. 3. 1 节点基本属性描述
节点基本属性描述指对PLM概念图节点表现形式的描述，包括概念图节点的颜色、边框等内容。PLM概念图节点基本属性描述示例如下:
2. 3. 2 节点约束描述
约束定义其实是变量的扩展，也具有名称和值两个属性，所不同的是其值可以是变量的函数式。PLM概念图节点约束的部分描述示例如下:
3 案例分析
某公司以生产工业缝纫机和多功能家用缝纫机为主，共有31 个系列200 多个品种，年生产能力达200 万台。由于市场要求，需要开发一种自动高速工业缝纫机，该缝纫机由上百个零/部件组成，并且需要高速运行( 缝纫机转速最高达6000r /min) 。它要在1s内完成近100 个线迹，而每个线迹的形成又包含3 个阶段9 个过程的复杂动作。因此，该缝纫机各部分动作需要密切配合、协调。从缝纫机完成一个线迹的过程来看，主要由机针、梭( 摆梭或旋梭) 、挑线杆和送料牙等4 个主要部件，按一定顺序进行工作来完成的。
该公司的PLM系统是UGS 公司的Teamcenter2005，系统已集成CAD 模块，准备通过以概念图方式记录整个开发过程，便于设计过程中知识库建立和以后相关产品知识重用。
在该缝纫机概念设计阶段，首先，按从上到下的方式对设计任务进行分解。设计小组负责人制定产品研发目标后，按照各个功能部件的关系，把任务分解到各个子组或人员，子组负责人再分解到各个子组或人员，层层分解直至人员，概念设计阶段的概念图如图4 所示。
在该缝纫机详细设计阶段，继续用PLM概念图进行设计，建立缝纫机送料机构的机构模型，并进行运动学分析、有限元分析和载荷计算等。图5所示是送料机构的详细设计，概念图中包括送料机构的运动学分析、载荷计算等相关信息，所有的文档、资料均保存于PLM系统中。
图4 缝纫机概念设计
在该缝纫机样机调试时发现，缝纫机高速旋转时，引起比较大的振动并产生强噪声。为此，必须增加动平衡分析，降低振动和噪声。在原送料机构概念图中加入动平衡设计，如图5 中虚线部分所示。针对该缝纫机的整个开发过程，进行采用概念图知识可视化管理前后的对比，如表1所示。
通过该案例可以看出，在对PLM系统进行知识可视化管理后，以概念图的方式记录设计过程中大量存在的知识点，支持设计的全过程，容易把握整个设计过程的关键，并可以对原设计进行快速的修改和重用，从而提高企业的创新能力。
图5 送料机构详细设计和动平衡分析
表1 使用PLM概念图前后效果对比
4 结语
本文围绕着基于PLM系统的新产品开发中，对知识表达、知识获取、知识存储和知识重用等方面的需求以及设计过程中存在的问题，提出以“PLM概念图”为核心的新产品设计知识可视化管理方案。在新产品开发过程中，传统设计方式只能在PLM系统中看到最终设计结果，而采用本文提出的“PLM概念图”可以记录设计中各个阶段，经过重新组织相关联的数据和产品设计知识后，设计人员可以掌握整个设计过程全貌，这有利于新产品开发过程中知识重用，从而提高企业核心创造力。本项目还要进一步对PLM概念图的语义和检索、知识的冗余和效率等问题进行研究，并加强集成性的研究。
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本文标题：一种新产品开发知识可视化管理方法
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