支持从设计到生产的产品数据管理

    1前言

    在从设计到制造的整个产品开发过程中，对产品设计信息的管理已成为其中至关重要的一环。对于那些希望通过优化过程以减少产品开发时间，使产品提前走向市场的企业来说尤其如此。产品越复杂，对基于计算机的产品管理的要求也就越高，例如对设计知识库等的要求。产品数据管理系统和工具已经在一些制造企业使用了很长时间，主要用于管理产品设计过程中产生的数据和文档，产品数据管理（PDM）系统还具有其它一些功能，如电子仓库、文档管理、产品配置管理、项目管理以及工作流管理等。当产品是层次式结构并且在设计项目组内需要对文档的存取进行控制的场合（例如使用文件夹管理方式），PDM系统往往能被成功地运用在产品开发过程中以创造和协作为特点的设计阶段（比如CAD/CAM阶段）。尽管PDM系统对特别是在产品设计的初级阶段的产品文档和数据的管理提供了良好支持，但它对产品开发过程中固有的非结构化的过程管理的支持是有限的。此外PDM系统只提供了很弱的活动定义功能，对制造阶段的活动定义更是不曾涉及。
    与此相反，工作流管理系统允许管理者调整和规划组织部门的活动，以便优化部门中的信息和操作流程。目前商业化的工作流管理软件和一些科研机构的研究成果已经能够对工作流相关的信息存储和跟踪工作流程中的审批操作。这些工作流管理系统看上去在执行已经定义好工作流操作的情况下是很有效的。但是，工作流管理系统在处理一些类似发生在设计过程甚至出现在工作流自身定义（例如所谓的科学工作流管理）等一些动态过程定义方面却十分薄弱。
    制造业目前很普遍的情况是，设计工程师使用PDM系统，而生产管理者使用生产规划系统（Productionplanningsystem）或者工作流管理方面的软件。设计管理软件和生产管理软件是分开的，两者之间很少甚至根本就不存在信息互通，这就造成了产品设计中的变化不能及时反馈到生产领域中去以缩短产品开发的时间的情况，因此提供从支持从设计到生产的整个过程一致性数据变得非常重要。把PDM系统和工作流管理系统集成起来提供连续一致的产品数据的软件是很必要的。在制造业中使用PDM系统管理产品和工作流的定义数据，使用工作流管理软件满足数据和工作流定义的实例化、动态规划和执行要求。然而到现在为止，这种集成仅仅局限于捕捉产品开发过程中的设计数据。本文提出了如何将PDM系统和工作流管理系统集成起来用于管理产品从设计一直到产品在生产线上进行生产的全生命周期，本问题的研究是基于CERN（欧洲粒子物理研究所）的一个大型高能物理探测器Geneva的研制，在研制过程中，使用了CRISTAL(CERN的一个进行产品协作设计与数据管理的系统)来实现包括生产和装配的全生命周期的产品数据支持。

    2产品分解结构（PBS）和PDM

    大型高能物理探测器的开发周期和其它任何一个大型设备的开发一样，都遵循如下的设计——原形——制造的周期（如图1）。因为探测器的制造高度依赖于最新的材料和技术，因此它的开发过程不断反复，需要动态变化执行。开发的开始阶段是进行研究（基于仿真模型），通过这个模型评定探测器制造的可行性。仿真研究可以提供在工作环境下探测器材料的可能行为特征，这些行为特征依赖于在仿真时探测器所能采用的技术。同样，探测器的机械设计也决定于材料选择和它的工作条件。探测器的整体性能高度的依赖于其设计，因此任何设计上的改动都要尽快地反映到物理结构的实现中去。把设计阶段的变化快速映射到生产活动中的现象在生产制造工程中是很常见的。

图1包含CAD/CAM工具、PDM系统和工作流管理系统的典型的探测器的产品开发生命周期

    毫无疑问，机械设计工程师利用CAD/CAM系统详细地设计探测器的零部件（比如使用CERN的Euclid）。设计结果往往是面向部件的产品结构表达视图。在设计阶段，设计者在一定的产品配置规则下检入检出文档和图表并进行协作，PDM系统的数据库（以及电子仓库）为这些活动提供了良好的支持（见图1）。对每个部件以及子部件都可以在形式和属性上进行严格层次的产品结构分解（在工业上也通常被称为物料清单）。处于产品不同层次结构上的零部件对象能够可能存在于产品开发的多个阶段，因此可以把“状态”属性赋予零部件，并且可以用PDM来管理。
    关于使用PDM的好处的文章到处可见，PDM数据可以对数据进行集中管理、版本控制，可以对协作和创造式的开发设计进行设计历史的跟踪。PDM系统还提供工程更改的管理功能，可以对发生在复杂开发过程中由于材料、产品以及过程改变所造成影响进行估计、控制并将更改产生的影响降到最低。
    产品结构分解（PSB）方法是由Bachy和Hamery在设计CERN的大强子碰撞加速仪（CERNLargeHadronCollideraccelerator）时提出的。根据文献[9]的描述，单件生产的大型仪器的设计使用PDM系统时，除了使用ABS（也就是所谓的assemblybreakdownstructure，装配分解结构）方法外，还必须同时使用PSB方法和应用WBS（工作分解结构）方法进行描述。PSB方法存储属于项目、子项目、文档、条目等方面的信息；WBS方法用于存储那些完成某项任务的组织以及各任务的所需要的资源信息。ABS方法则用于存储如何将零件（包含部件）组装成最后的完整产品的信息；WBS方法还可以定义活动，使工程师能够设计生产流程并将生产流程看作工作流的集合。
    在工业生产中，PDM软件引入PBS/ABS方法的目的是更方便地获得产品的层次结构设计。这种方法可以用于设计整个产品中的单独的组成部件，也可以方便的跟踪定单和成本的变化。随着产品结构变得越来越复杂，零部件数量会爆炸增长，PDM系统的管理功能可能会出现问题。如果这时在PDM系统中只管理单独的零部件，则会变得简单可行。一种可选方案是：使用元数据管理（metadatamanagement）的概念来减轻零部件数量会爆炸的问题。这时，通过PDM系统捕捉部件的定义，而这些定义的实例则被用来（或重新用来）组成PBS/ABS。图2表明了一个PBS的OMT对象模型。
    对于所有用来进行生产、制造和表征部件特性的信息来说，部件定义是这些信息的入口点，因此被注册进PDM系统中。部件定义可以是基本零件，也可以是组合件。图2中的“部件组成成员”对象就反映了一个作为组合件的部件成员信息。
    在实现元数据管理时，装配分解的树形结构被转换为图表表示。单独的部件（或者这种类型的）的定义和部件通用定义联系起来，部件通用定义提供了数据管理的简易方式；装配体的完全的树形结构可以从图表表示中得到。

 
    图2CRISTAL数据模型中产品/装配的分解结构

    3集成PDM系统和工作流管理系统

    为了支持在产品生命周期中的原型阶段、制造阶段以及维护阶段的各活动的数据收集，以及方便地进行质量控制和生产管理，软件是必须的（见图1）。一个工作流管理系统完全可以定义、管理和执行通过计算机表示的工作流逻辑顺序。工作流是一个基于人的和基于机器的活动（任务）的集合，为了使各个小组的人更好地完成工作，必须对这些活动（任务）进行协调。工作流管理系统把不同的组织、操作人员、过程以及数据“粘结”在一起，并形成单一的协调和管理的生产目标。
    工作流管理系统中的主要的组成部分是工作流应用程序界面和工作流执行服务。工作流应用程序界面允许对工作流活动（包括复合活动）和活动所需要的资源（人、机器等）进行详细的定义。工作流执行服务包括执行界面和工作流引擎提供的执行服务。工作流引擎负责执行在程序界面上定义好的静态的工作流（生产），并提供执行时对工作流实例的运行和管理。
    为实现PDM和工作流组件之间的集成，需要PDM来存储既包括零部件的定义又包括实现这些零部件所需要的工作活动的定义的集合，然后把工作流定义和WBS/ABS进行映射，工作流的实例可以从存储在PDM中的工作流定义转化得到。PDM既担当工作流系统又担当其它系统（如机械工程）的参考数据库，并管理PBS、ABS和WBS（包括它们的版本）。
    在CERN内，CRISTAL和PDM系统共同作用使定义在零部件上的任务得以执行。CRISTAL系统管理任务的执行并收集相关的测量和试验结果。实际上是CRISTAL提供了对PDM中定义的零部件的WBS和ABS的工作流实例的执行服务。所有的工程绘图、蓝图、制造工艺、零部件定义、零部件名义尺寸、工作流定义及其组件都被存储在产品数据管理系统中。因此，CRISTAL把产品数据管理和工作流集成起来，并控制和跟踪从基于PDM的设计到最后的探测器装配制造的整个生命周期的零部件数据。
    用同样的方法，用PBS/ABS也可以在CRISTAL数据模型中为它们进行建模，并可以定义PBS/AB的工作流定义模型。图4是整个CRISTAL内部的PDM数据模型。每个零部件的定义至少有一个工作流定义和它相关联。一个零部件定义是PBS/ABS中的一项，定义在零部件上的工作流是工作流的元对象（WBS），工作流程在一个零部件定义被注册到CRISTAL系统后就必须执行。每个工作流活动的模型也可以用下级的工作流元对象定义，在这种情况下，是下级工作流的执行满足流程定义的要求。
     从设计到制造的映射 PDM：CREN设计的工程数据管理系统 PBS 产品分解结构（部件规格） ABS 装配分解结构（层次参数） WBS 工作分解结构（任务说明） Wfms：CRISTAL生产管理工具制造流程定义（工作流模型）制造流程实例（工作流执行） 存储模型的集中式数据库 存储生产数据的分布式数据库 

图3CRISTAl和PDM系统的关系

    （PDM系统包含一个集中的产品描述，工作流系统包含生产最终产品所需要的过程）
    对作用在每个零部件上的工作流定义，都需要一系列所谓的初始条件和存储位置。初始条件和存储位置实际上是每个零部件的工作流实例初始化时所需要的一些零部件对象和存储位置，定义存储位置可以支持在分布环境下的制造。工作流（活动）的定义可以是基本工作流，也可以是组合工作流。组合的工作流活动可以由几个其它的工作流组成，构成组合工作流的成员的工作流定义也要建模。特性元素定义（例如零部件的尺寸）是基本工作流定义的执行结果。

图4CRISTAL中的PDM数据模型

    这种通过定义通用模型定义把PDM和工作流集成起来的方法也允许在工作流模型和产品数据模型间建立其它的连接。例如，可以建立允许不同产品数据模型的版本管理（如文献[4]中提到的）或者建立跟踪零部件维护的工作流。

    4处理制造过程中的版本

    在制造业中，生产线的运行参数往往需要随着时间的推移进行更新。相应的，为完成生产进行的流程（工作流活动）需要在顺序和参数方面进行调整。可能需要在现有的生产流程中加入新的活动，也可能修改、或者删除现有的活动。除此之外，新的产品零部件也可能使用一条现有的生产线，也可能需要建立生产线新的运行参数。
    CRISTAL中的生产流程（探测器的制造流程）是制造组成探测器的所有零部件需要的活动的集合。整个生产线的管理者监控探测器制造的流程，并且，如果需要的话，可以通过PDM修改流程。修改流程不可避免地导致任务的重新分配，因此产生一个新的探测器的生产版本。所以说，CRISTAL和PDM必须能够处理复杂的零部件版本定义、任务分配和产品生产流程，并且允许在这些零部件和流程间无缝地导航。CRISTAL采取的策略是基于在PDM中进行了定义的对象的版本管理，它们能够随着工作流的修改自动变动，并能够调整分配到零部件上的流程。
    探测器的制造过程（DPP）可以用探测器制造规划（DPS，见图5）的当前版本来描述。对制造过程DPP的修改会产生一个新版本的DPS。当它们生效时，新版本的DPS变成当前版本，原来的当前版本变成历史版本。在线的DPP不做版本纪录，它仅仅被附加在新的DPS的版本中。版本历史中的任何版本均可以被浏览。这些策略保证生产流程中的任何对流程和参数的改动都可以在探测器制造中进行纪录。

图5探测器制造计划的版本策略

    5结论和项目现状

    CRISTAL开发于1996年初在CERN启动，项目初期开发了一个原型工具。原型和技术发展的第二个阶段在1996年夏天开始，原型的发展基于一个商用PDM系统。Cadim因为其优越的任务功能被选中，在CERN内满足对PDM的功能要求。在CRISTAL中使用PDM来储存探测器生产的所有数据参数，它们包含对每一个零部件是什么样子以及零部件如何制作的定义。这些PDM数据参数都被定义并存放在CERN内部，工作流定义从PDM的数据参数（PBS/ABS/WBS）得到，工作流定义零部件（可以分布在世界各地）的生产流程和从单个零件到探测器整机的装配过程。在本质上，PDM作为工作流元对象的规范和标准。
    CRISTAL项目显示出采用面向对象的方法开发在快速变化应用环境中的复杂软件系统的强大生命力和重要性。从项目一开始，相当的注意力就放到了元模型和元对象描述语言上。工作的进展是随着OMG的元对象模型功能发展的，OMG的元对象模型是希望用来管理所有OMG框架相关的各种元模型的。CRISTAL项目的两个重要资料是PDMEnablers和WorkflowFacility元模型。项目的第二个阶段的目标是采用一个更加开放的框架方法，如此可以开发一个在未来时间内能和多个软件进行互操作的系统。元模型对象方法有利于产品数据管理和工作流进一步的集成，因此提供了在设计和制造之间的一致性，以加速设计更改在制造系统中的相应实施。