0 引言
協同設計技術是近年來在先進制造技術發展戰略中最具代表性的關鍵技術，是計算機支持的協同工作在產品設計領域中的應用。計算機支持的協同設計(Computer Supported Cooperative Design，CSCD)是以計算機支持的網絡環境為基礎環境，通過一定的共享、相互協作和信息交換機制，由兩個或兩個以上的設計主體（或稱專家）分別參與不同的設計任務而共同完成同一個設計目標的。
隨著制造企業在不斷的發展壯大，大量企業引入CAX、PDM等軟件應用于企業，這些軟件的應用提高了產品的設計制造效率、提升了設計人員的設計水平。但與此同時，伴隨著計算機網絡技術的廣泛應用，產品在協同設計過程中產生的各種數據信息也在迅速增加。例如一個企業要設計一種產品，從需求文檔、設計圖紙、配置信息到設計人員分配合作以及各種報表和說明書等等，都會產生大量的產品數據，面對如此繁雜的數據該如何高效的進行管理，也是企業面臨的一大難題。鑒于此，產品數據管理(Product Data Management，PDM)技術應運而生，其主要目的就是在產品的協同設計開發環境中高效地管理與產品相關的各類數據、過程和資源信息，PDM技術為企業在應用協同設計系統中提供了強有力的技術支持。
在PDM發展的早期就得到了許多國際上知名企業的認可，如美國的波音公司、福特公司，德國的大眾汽車公司等等都相繼投入巨資購買商品化的PDM產品來建立自己企業的產品數據管理系統。在PDM產品化研究方面，美國Spectra圖形公司推出的一個面向工作組的CSCD工具系統Team-Solutions，包括同步協作支持工具TeamConference和異步協作支持工具TeamExchange。加拿大Toronto大學的Chen等則提出了一種支持在Internet環境中進行實時協同裝配建模的主裝配模型。田凌等提出建立網絡化產品協同設計支持系統。張定華等研究了構建數字化協同平臺的3項關鍵技術一并行工作組織與實施、協同工作平臺建設和型號工程數據中心。
我國在PDM技術方面的發展與發達國家相比，還具有一定的差距。國內許多企業實施PDM系統仍是采用國外廠商開發的。如海爾集團、康佳等使用的PDM產品是來自美國EDS公司的IMAN；航天部二院204所采用的PDM產品是SDRC公司的Metaphase。也有許多國內廠商自己開發的PDM系統，如清華紫光企業開發的清華紫光檔案管理系統(THAMS)、上海斯普信息技術有限公司的SIPM/PDM等。
根據協同設計技術在實際研究中的特點，并結合我國制造業目前的設計現狀及發展趨勢，文中提出一種適合國內企業的基于協同設計環境下的PDM系統模型。
1 產品數據管理系統的體系框架
PDM系統的數據組織和管理具有以下特點：
(1)開放的體系結構，采用組建好的結構相關對象和功能模塊形成獨立功能組件，組裝式系統既滿足了客戶的不同需求，又適應了不同企業的實際應用。這樣不但可以保證數據的安全性和降低系統的復雜性，又可以在需要時方便地進行新對象的增加或刪除等操作，也實現了用戶對該系統中數據操作能力的充分表達。
(2)數據庫的易操作性，所有參與該系統的對象都可通過統一的數據接口完成與數據庫的操作。最大的好處就是保留了數據的安全性和一致性，同時也方便為其他應用程序提供數據接口和程序接口，進而也提高了系統的開放性。
PDM系統的體系架構圖如圖1所示。
圖1 PDM系統架構圖
該系統基于三層B/S模式結構建立：最頂層是用戶訪問層，完成人機交互的界面管理：中間層是邏輯處理層，用以完成系統的各個功能模塊實現和程序接口：位于系統最底層的是數據服務層。主要功能如下：
(1)用戶訪問層：分為瀏覽器、分布式客戶端應用程序、Web服務器（CGI/ASP/Java接口）、協同應用組件與應用工具的集成四部分。用戶訪問層給用戶提供了PDM的功能描述和用戶友好界面，用戶對產品數據的各種輸入輸出操作不涉及到任何業務邏輯，只擁有部分應用邏輯功能。其主要功能有：管理用戶接口、數據的輸入輸出操作、應用邏輯處理、向服務器發送請求和接收結果等。
(2)邏輯處理層：邏輯處理層可進一步分為三部分：系統邏輯處理模塊、應用系統功能集成封裝模塊和各種API接口。系統邏輯處理模塊主要完成產品數據管理系統的核心功能，如產品數據的存取控制、用戶及權限管理、零部件管理、項目管理、過程及其控制管理和系統資源管理等等：應用系統工具集成/封裝是PDM與CAX、MRPII等應用軟件集成的重要開放工具：各種API接口及其協議是連接系統服務層的重要工具。作為PDM系統的核心層次，它包括了異構環境處理、PDM系統邏輯處理模塊、產品數據處理的核心功能、應用系統功能集成封裝和各種數據處理邏輯模塊。這些模塊完成了產品數據管理的大部分工作，邏輯處理層的主要目的是對業務邏輯的處理，同時能夠保證數據的安全性、一致性和高效性。
(3)系統服務層：PDM系統以產品對象為核心，通常以關系型數據庫為基礎，在操作系統、協同環境、數據訪問和網絡通信服務的支持下，采用面向對象的數據存儲和組織方式，通過產品白身組織結構和層次化特點分解產品對象信息，實現了數據的易操作性。
2 產品數據管理系統的功能模型描述
PDM系統是對協同設計環境下的產品數據管理中涉及到的四大模塊：基礎數據管理、產品結構/配置管理、工作流/過程管理和系統資源管理進行網絡化的管理與控制，實現對產品相關數據、過程和資源的有效管理，通過需求分析及業務流程分析得出系統的功能層次結構圖，如圖2所示。
圖2 PDM系統功能層次結構圖
協同設計環境下的產品數據管理系統在功能上要求軟件以產品為中心，對其相關的數據、過程和資源進行管理，并使其具備安全的權限管理功能。同時，在經過對企業協同設計部門調研之后，高度抽取企業最迫切的需求，按照功能和結構相結合的方式對系統進行劃分，并結合產品數據管理的基本業務流程，將產品數據管理系統分為4大功能模塊，其主要功能描述如下：
(1)PDM基礎數據管理。
它作為連接數據庫和文件系統的邏輯單元，支持入庫/出庫(Check-in/Check-out)；對存放在其內部的全部數據的所有變化過程進行監控和記錄：具有將產品相關數據信息的生成、存儲、檢索、查詢、編輯、恢復、和記錄的能力：為用戶和應用程序之間完整性的數據傳遞提供了一種安全有效的管理方法。它的創建和使用對用戶來說是透明的，并且不受用戶和數據地理位置的限制，借助于分布式數據庫技術，允許用戶迅速地訪問企業的產品數據信息。
基礎數據管理子系統可具有以下功能：圖文檔管理功能、掃描和圖像處理功能、瀏覽查詢審核圈閱功能和版本管理功能。基礎數據管理的相關功能體系可描述為：
BDM::=(BDM，SBH，BIVC，VM)
(2)PDM產品結構與配置管理。
產品結構與配置管理是以基礎數據管理為底層支持，以物料清單(BOM)為組織核心，以系列化產品的相關數據作為管理對象，把定義最終產品的所有工程數據和圖文檔數據結合起來，保存設計狀態以便于設計和回溯。實現了產品數據的組織、管理和控制，并在一定的產品設計目標和規則約束下向用戶或應用系統提供產品的不同視圖及其相關描述。
產品結構與配置管理子系統可具有以下功能：產品結構管理功能、產品配置管理功能、BOM視圖管理功能和產品零部件分類與檢索功能。產品結構與配置管理的相關功能體系可描述為：
SACM::=(PSM，PCM，BVM，PPCR)
(3)PDM工作流/過程管理。
工作流/過程管理是用來定義、執行、跟蹤及監控產品開發過程和工程更改過程中的所有事件、活動及用戶創建和修改數據的方法。它是在一個項目的全生命周期內跟蹤所有與產品相關的事物和數據的活動，用于管理不同用戶之間的數據交流，并且同時控制數據變化的過程和數據的流向、幫助改進和優化產品的開發過程。
工作流過程管理子系統可具有以下功能：工作流程管理功能、過程控制管理功能和消息傳遞機制管理功能。工作流/過程管理的相關功能體系可描述為：
WPM::=(WM，PCM，NTM)
(4)PDM系統資源管理。
系統資源管理就是對PDM系統實施過程中涉及到的用戶、項目、合同和全局的訪問控制進行管理，管理涉及到所有資源信息及其資源信息的可操作性。
系統資源管理子系統可具有以下功能：群組管理功能、項目管理功能、合同管理功能、訪問控制管理功能。系統資源管理的相關功能體系可描述為：
SRM::=(GM，PM，CM，ACM)
3 協同設計環境下產品數據管理原型系統的實現
(1)采用面向對象的統一建模語言進行系統的總體需求分析，通過分層設計思想，并采用基于Internet的三層B/S模式給出系統總體框架結構圖；
(2)根據以上需求分析，采用結構化的設計思想對PDM系統進行功能的劃分，通過綜合與分析、抽象與概括提取出系統的對象模型，并給出系統的功能層次結構圖；
(3)給出系統的UseCase用例圖和Sequence時序控制圖分別來直觀地描述系統間的活動者與活動識別和數據及信息流的控制順序；
(4)在PowerDesigner15.0環境中完成數據庫的建模與設計，并在基于J2EE的軟件開發工具Myeclipse9.0的平臺上進行原型系統的開發。
用戶通過身份認證進入該系統，然后通過對界面的直接操作完成系統的具體模塊功能。下面列出幾個主要功能模塊介紹。
(1)基礎數據管理界面。
以基礎數據管理模塊為例，來簡單描述系統的功能實現。點擊左側的基礎數據管理模塊下的圖文檔管理，可以進行圖文檔數據信息的增刪查改操作。
(2)工作流程管理界面。
該模塊主要以系統工作流程定義和工作流程的描述為基礎展開管理，重點在于工作流程的模版設計、創建、審批、更改、執行、在線維護等產品設計過程中涉及到的階段。完善的工作流程管理包括定義、工作流程模型實例化和流程控制三部分。這里可以對工作流程進行增刪查改和停止操作。點擊新增工作流程，可跳出新增工作流程管理界面，進行工作流程模版實例化操作之后，便可進行新的工作流程的執行與控制。
4 結束語
文中對協同設計環境下的PDM系統進行了分析與研究，分析其軟件體系結構、功能層次結構和系統模型的構建等多方面內容，最終實現了協同設計環境下PDM系統的原型系統。這對于提高協同設計效率、提升產品設計質量、縮短產品生命周期具有重要的現實意義和實用價值。雖然取得了一些進步，但是網絡化產品協同設計技術和產品數據管理技術都是一個新興并且發展非常迅速的前沿研究領域，涉及的領域非常廣，包括計算機網絡技術、計算機集成制造、管理科學和并行工程等眾多學科，協同設計理論和實施方法以及產品數據管理方面都需要再進一步的深化與研究。
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本文標題：協同設計環境下的產品數據管理及應用研究
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