产品全生命周期的产品结构和配置管理构架

摘要：详细叙述了产品全生命周期产品结构和配置管理的概念、产品结构和配置管理系统的对象关系逻辑模型及其物理实现构架。

 

现代社会是一个崇尚个性化消费的社会，人们在选购产品时，除了注重产品基本功能、性能外，往往还会提出一些个性化要求。全世界许多大型制造业企业正面临大规模的产品制造与提供个性化的产品和服务之间的矛盾。

 

显然，基于互联网的信息系统为解决这样的矛盾提供了可能，电子商务可以在企业和消费者之间建立起一种信息的桥梁，然而，产品的信息贯穿于整个产品的设计、工艺规划、生产制造、采购与销售、售后服务过程，而且在这一过程中，产品又是处在不断改进和适应市场的变化之中，所以，如何保证产品信息传递的及时、可靠是实现真正意义上的电子商务的基础。于是，信息领域的专家提出面向产品全生命周期的产品信息管理(Product Information Overall Lifecycle Management，PLM)的概念，将以前面向产品设计部门的产品数据管理系统提升为为整个企业的生产经营服务的信息系统。

 

贯穿于产品全生命周期的产品结构与配置管理系统是PLM完整解决方案的关键技术之一，同时也是其他许多系统(如ERP，CRM)需要的基本信息服务。本文将系统描述产品结构和配置管理系统的概念以及该系统核心部分的逻辑设计，然后结合当今一些热门的开发技术提出该系统在构架上的选择方案。

 

1 产品结构和配置管理系统的概念设计

结构和配置是对产品信息进行组织和管理的一种形式，它以网络数据库为底层支持，以物料明细表(Bill of Material，BOM)为其组织核心，将用于描述产品的设计、工艺、制造的工程数据和文档联系起来，实现对产品信息的组织、管理和控制，并在一定目标或规则的约束下，向不同的用户或应用系统提*品结构的不同视图和描述。

 

1.1 产品结构的管理

产品结构是对产品构成的描述。企业的许多信息资源中均显式或隐式地包含产品结构信息，如设计工程图中的装配图、装配明细表；工艺文件中的装配工艺规程；产品维护文档及用户手册中的产品装配爆炸图(形象地表达产品的装配过程或检修过程)等。

 

管理产品结构具有两个方面的目的：一方面，以产品结构为组织框架，可以很方便地对所有产品相关信息进行管理，有利于产品信息的组织和查询；另一方面，基于产品结构能提供统一的有关产品构成的信息描述，同时可以根据产品生命周期不同阶段的需要，提供有侧重点的信息服务。

 

为了达到上述目的，产品结构管理一般采用视图控制法，在某个产品结构的不同使用场景中，通过各种不同划分方法进行管理和描述。每个视图是一个管理对象，视图对象间可以根据一定的规则进行构件信息和结构信息的传递。每个构件可以与多个视图相关联，这样便能从同一个产品结构产生不同的视图。

 

例如，在产品设计时，设计人员产生了面向功能模块的设计视图；在进行工艺过程规划时，工艺人员在设计视图的基础上，加入工艺方面的相关信息，可以产生一个面向制造和装配的工艺视图；生产制造部门又可以在工艺视图的信息基础上，结合生产的实际情况，通过资源的优化组合，产生一个面向制造的视图；采购人员根据需要，在制造视图的基础上，可以产生关于外购件的采购视图；售后服务人员根据需要，可以产生面向技术支持和服务的维护视图。图1是产品结构多视图转换示意图。

图1产品结构的多视图转换

 

1.2产品配置的管理

产品配置是同产品结构紧密相关的概念。按照国际标准ISO10007对配置管理的基本定义，配置是指对被描述在技术文档中或者体现在产品实际使用过程中的产品功能特性和物理特性所作的表示。这是从产品特性的角度对产品配置进行定义，相当于客户和销售部门使用的配置概念。例如某PC电脑的配置是PⅢ800，256M内存，40G硬盘，我们称之为配置需求。

 

由于对产品的特性需求最终是通过实际的产品结构来实现的，因此产品配置的结果是具体的产品结构视图。例如PC电脑最终的配件清单，我们称之为配置结果。

 

另外，配置也被看成是一个选择一组构件并维护其关系以形成一个设计解决方案来解决客户需求的过程，这时配置的概念相当于配置过程。配置的以上3种概念，是对配置这一概念从不同角度的理解，同时也是本管理系统进行逻辑设计的出发点之一，见图2。

图2产品配置的使用示意

 

2 产品结构和配置管理系统的逻辑模型

产品结构管理模型和产品配置管理模型之间有着紧密的联系。从产品结构角度看，涉及零部件的层次关系、零部件的版本以及零部件对象与描述零部件对象的产品数据的关联问题；从产品配置角度考虑，会涉及有关有效性、配置项及其多视图管理的问题。

 

2.1 产品制造单元的层次化结构关系

层次式的产品结构划分方法指出了一个产品的零部件在设计方面和功能方面的联系。零件和部件是产品结构中的两个基本的构成对象，是产品设计工作的基础数据，其中包括产品开发过程中所需要的关于某个物品的重要信息。对于零件，产品结构表示了该零件所使用的制造资源或半成品。

 

制造资源既包括制造产品所需的材料，也包括制造产品所需的设备，甚至包含制造产品所需的工时等信息。利用制造资源和半成品对象，可以将工艺过程规划和采购方面的信息加入到产品结构中，使得产品结构信息更加完整，其应用范围也会更广，这样才能使产品结构信息在整个产品生命周期内都具有指导价值。

 

零件和部件对象间存在n：m的关系；同时，零件和原材料、半成品对象间也存在n：m的关系。这类关系为结构关系，见图3。

图3结构关系描述模型

 

2.2.2 产品制造单元的版本信息

一个零件或部件可以有多个版本，这些版本是随着时间的推移，因排除问题或进行产品改进而形成的。零部件对象采用版本标记对零部件的版本进行区分。与版本无关的属性，如物品编号或名称等，在所有的零部件对象中始终不变。为了支持产品结构与配置管理中的版本管理，将零部件的属性分成与版本有关和与版本无关两种属性，即完整描述一个零部件的信息需用到两类数据，称之为零部件类和零部件唯一标识类。零部件唯一标识对象将与版本无关的各种属性动态地传送给相应的与版本有关的零部件对象。

 

一个零件、部件、制造资源或半成品都可以有多个版本，所以各自的唯一标识类和与版本有关的各类间存在1：n的关系。图4为唯一标识关系类模型。

图4唯一标识类模型

 

制造单元的版本的组织有3种形式：

·链式版本关系。对于对象各版本通过生成的先后顺序进行管理和维护，能反映版本之间的时间先后关系。

·树状版本关系。通过版本对象的继承、派生关系来组织对象各版本，能追溯每个版本的产生来源。在树状版本关系中，我们假定每个版本只能从一个父对象上派生。

·网状版本关系。如果考虑每个版本能从多个父对象上派生，那么该版本关系将在树状版本的基础上生成网状的版本关系。

 

2.3 产品制造单元的互换关系

产品结构分解中出现的产品零部件唯一标识对象之间存在着替换和互换的关系，这种关系称之为替换关联信息和互换关联信息，表征了企业中经常用到的互换件和替换件的关系。制造资源、半成品唯一标识对象间存在的关系类为替换关联类和互换关联类，描述了零件生产中出现的制造资源或半成品唯一标识类之间存在替换和互换的关系，在企业中通常表现为可以互换的材料或可以互换的制造设备等关系。对象之间的这种可替换关系往往被一些条件约束。图5为互换关联模型。

图5互换关联模型

 

2.4 产品制造单元的配置

为了快速、自动地实现在众多的、复杂的互换或替换关系中选择合适的产品制造单元，从而形成完备且必要的产品结构信息，必须提供配置过程处理和配置信息的管理。可以在系统中添加配置条件对象、配置规则对象和配置处理对象。配置条件对象是对配置需求的一种抽象，它将用户对产品可能提出的配置需求分类，不同的分类又可有不同的取值。在不同的分类变量之间，用户可以定义与、或、非的关系。图6为配置条件模型。

图6配置条件模型

 

配置规则对象是对产品结构配置规则集的抽象。首先，配置规则对象是建立在具体的可互换标识对象之上的，实际上是对可互换标识对象的互换规则说明。每个配置规则对象是一些配置规则项对象的集合，每个配置规则项对象包含所引用的配置变量对象在某个取值状态下可选的唯一标识对象集合。图7为配置规则对象模型。

图7配置规则对象模型

 

配置处理对象是对配置过程的一种抽象，配置处理对象接受某个可互换标识对象作为输入条件，以某个配置规则对象集作为支持条件，受到某个配置条件对象和产品结构视图类型的控制，最后产生一个产品结构的视图对象为配置结果。图8为配置处理功能图(IDEF0)。

图8配置处理功能图

 

图8所示配置处理功能图的表示形式最初出现在美国空军ICAM(Integrated Computer Aided Manufac-turing)工程在结构化分析方法的基础上发展的一套系统分析和设计方法中，称为IDEF方法(ICAM defini-tion method的缩写)。IDEF0是IDEF的第一部分，用于描述功能模型。

 

3 产品结构与配置管理系统的物理构架

(1)从系统的可用性角度考虑。

由于该系统所解决的问题贯穿于产品的全生命周期，系统的使用可能是跨地域的，所以该系统必须构架在一种分布式的互联网体系平台上。

系统的某些功能集中在一个部门中使用，如产品结构视图的维护，一般在企业的设计和工艺部门使用；有些功能又需要跨地域使用，例如产品结构的查询，可能被各种不同的用户或与之集成的其他信息系统使用。所以该系统必须能同时支持同步处理和异步处理功能，能适应连接数据环境和非连接数据环境的使用状况，并支持大事务的处理。

由于系统的使用终端平台可能是不同的，如何支持跨平台的程序部件调用是一个值得注意的问题。

 

(2)从系统的性能角度考虑。

由于产品结构数据的伸缩性比较大，有些产品可能只由几个零部件组成，有些产品则由成千上万个零部件组成，加上制造资源和半成品数据，一个完整的产品结构数据可能是海量的。所以系统对底层的数据库支撑平台的伸缩性要求比较强，最好能从数据库底层解决数据库的分布式问题，同时系统的运行部件在部署时也可能是分布的。

 

(3)从系统的可维护性角度考虑。

由于系统可能比较庞大，所以系统必须使用统一的容错、报错处理机制，特别是对于一些服务部件必须提供必要的错误恢复机制。在选择开发技术时，有必要对该技术对于上述机制的支持能力加以分析。此外，系统的升级应该是容易和快速的。

 

(4)从信息集成的角度考虑。

从两个方面来考虑集成：第一，要对本系统提供的服务进行粗粒度的、组件化的封装，便于以较少的工作量实现动态集成；第二，与其他系统的集成应该是松耦合的。

 

为了满足以上要求，我们选择了两种技术方案作为该系统的构架。

a.J2EE(Java(tm)2Platform，Enterprise Edi-tion)的解决方案

J2EE是一个以Java技术为基础的多层应用程序构架，也是被众多厂商支持的一种技术规范和平台。J2EE的体系结构见图9。

图9J2EE的体系结构

 

从图9可以看出，组件化的系统实现方案的优势几乎在J2EE都有体现，J2EE中的EJB组件(Enter-prise Java Beans(tm)Components)是用来处理业务逻辑的关键；数据访问部件JDBC(Java Database Connec-tion)用于访问数据库；事务处理部件JTA(Java Trans-action Management Application)用于处理大的事务，并保证事务的原子性；消息处理部件JMS(Java Message Server)用于处理消息，以支持异步的信息处理，满足在不持续的网络连接环境中的信息处理。

 

由于J2EE采用Java技术作为基础技术，所以能很好地支持跨平台，对系统的安全有比较全面的考虑，这是J2EE的优势，同时J2EE是一种开放的体系结构，所有的底层技术都可对外公开，这对于注重信息安全的金融系统和航空、航天以及其他国防部门而言是一个好的选择。

 

b..Net Framework的解决方案

.Net Framework是微软最新的解决分布式网络应用的一种构架(图10)，可以认为是对WinDnA(Windows Distributed Network Application)的全面改造和升级。.Net Framework与J2EE比较类似。

图10.NetFramework的应用解决方案

 

.Net Framework的显著特点是提出了一种CLR(Common Language Runtime)的概念，它提供了一套更可靠的代码执行管理机制和运行环境，同时从理论上解决了.Net Framework跨平台的问题。同J2EE相比，.Net Framework还可以保持一种编程语言的中立，换句话说，.Net Framework支持多种编程语言，只要编译器将源代码翻译为Microsoft中间语言(MSIL)即可，MSIL是一组可以有效地转换为本机代码且独立于CPU的指令。微软推荐使用C#语言作为.Net Framework的开发语言。.Net Framework的优势在于开发工具的多样性和开发效率比较高。

 

同J2EE一样，.Net Framework支持Web服务，Web服务是一种分布式的计算模式，它是粗粒度的，又是松耦合的，见图11。Web服务由于使用超级文本传输协议HTTP(s)，所以可以穿过防火墙；Web服务通过使用扩展标记语言(XML)的元数据(Meta data)描述内容，并通过通用的目录服务来查找。

图11Web服务的工作示意图

 

这样的一个Web服务技术方案，满足了解决本系统要考虑的所有基本技术问题。可以认为，面向产品全生命周期的产品结构和配置系统不仅能作为一个软件产品来为某些大企业、大集团服务，甚至可以作为一种Web形式的信息服务平台来向大多数中小企业提供。

 

4 结束语

在用信息化来改造传统工业的过程中，信息化产业本身面临一种挑战，即信息化产业的工业化。目前，有些信息化企业片面追求大而全的发展思路，这阻碍了信息化产业的进一步细分，不能充分发挥各企业在各自领域的专业优势。我们相信，在一种整体集成方案构架下的专业服务系统，是信息化带动工业化的发展过程中的新生力量，它将带动信息化产业向更为合理的专业细分的方向发展。