第22卷第2期2010年2月计算机辅助设计与图形学学报Journal of Computer 2Aided Design &Computer GraphicsVol.22No.2Feb.2010收稿日期:2009-02-24;修回日期:2009-05-12.基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA040603).李玉梅(1979—),女,博士研究生,主要研究方向为产品数据管理、产品全生命周期管理等;万 立(1963—),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为产品数据管理、过程建模、协同设计等;熊体凡(1973—),男,博士,讲师,主要研究方向为产品数据管理、企业建模、工作流技术、协同设计等.产品全生命周期数据信息的域建模方法李玉梅,万 立,熊体凡(华中科技大学国家CAD 支撑软件工程技术研究中心 武汉 430074)(liyumei823@ )摘要:针对传统的产品数据模型及其建模方法在描述和管理产品全生命周期数据信息上的不足,提出一种基于域的产品全生命周期数据建模方法.首先介绍了域建模方法的本质及产品全生命周期数据的内涵,并按照统一的划分标准构建了多个可扩展的域;然后以现代复杂产品开发的一般周期为例,建立了基于域的产品全生命周期数据模型;最后研究了基于域的模型映射方法及规则,详细描述了产品数据信息在整个生命周期内的动态演化和基于域的产品双向追溯过程.通过在产品全生命周期管理系统中的应用,证明了该方法的有效性.关键词:产品全生命周期数据;域;数据模型;数据映射;产品追溯中图法分类号:TP31Product Lifecycle Data Modeling B ased on DomainLi Yumei ,Wan Li ,and Xio ng Tifan(N ational CA D S u p port S of t w are Engineering Research Center ,H uaz hong Uni versit y of Science and Technology ,W uhan 430074)Abstract :Conventional p roduct modeling technology is deficient in describing and managing product data t hroughout t he whole lifecycle.This paper int roduces t he concept of t he product lifecycle data information and t he domain modeling met hod.As a result ,a framework of domain 2based product lifecycle data modeling is proposed ,including t he standard of defining domain and exp ression of t he p roduct p hase model in each domain.Also t he mapping rules between t he p roduct models are analyzed ,which achieves t he dynamic evolution and historical t raceability of p roduct data t hroughout t he whole lifecycle.The p ropo sed met hod is proved efficient.K ey w ords :product lifecycle data ;domain ;data model ;data mapping ;p roduct πs t raceability 当前,产品全生命周期管理(p roduct lifecycle management ,PL M )已成为企业新的产品研发策略.PL M 强调的是以流程为中心,用过程协同驱动产品在整个生命周期的数据协同.作为协同的载体,PL M 的产品数据不仅仅包括与产品本身的数据信息,而是涵盖产品全生命周期数据信息,具体包括用户需求信息、产品在各个生命周期阶段内的数据信息、工艺信息、制造信息、销售服务信息,以及产品涉及到的过程信息和环境信息等.它们种类繁多、格式复杂,且动态多变.因此,如何描述和表达产品全生命周期数据信息,是企业成功实施PL M 系统的关键.产品数据建模一直是该领域研究的热点,国内外学者已提出多种建模方法,如基于本体的产品数据建模[123]、基于元模型的集成产品建模[425]、基于特征的产品数据建模[6],以及产品全生命周期建模[728]等.但是,这些产品数据模型及其建模方法在描述和管理产品全生命周期数据信息方面还存在以下不足:1)只是针对产品本身的数据信息而建立的,没有考虑与产品相关的其他资源信息.而在PL M 环境下与产品有关的其他资源数据是非常重要的,必须对其进行有效管理.2)从静态的角度建立这些数据模型,仅管理产品的静态数据,没有关注产品在整个生命周期内的动态数据信息.3)产品全生命周期统一模型试图用一个模型来表达产品在整个生命周期内的所有信息,但建立的产品统一模型或者是静止的,不能全面反映产品动态的数据信息、过程信息;或者是动态、多维的,由于模型构造太复杂,在实现上有很大难度.4)虽然也能保证产品单一数据源,但在产品数据信息完整性、安全性及可追溯性方面存在不足.实际上,在PL M环境下,产品在整个生命周期内的演化是一个分阶段、分层次,且相互交叉协同的立体运行模式.因此,在构建产品全生命周期数据模型时,既要坚持整体性与层次性的原则,又要兼顾阶段性与共享性的需求.而域作为一个独立的单元封闭载体,在管理数据信息方面有着优越性.基于此,本文利用域技术构建基于域的产品全生命周期数据模型,并将其应用到PL M系统中.1 域的描述及定义1.1 域的描述域是指为了实现协同产品开发过程中各种异构数据的管理与共享,将某一知识领域或一个生命周期阶段内的工具、数据、模型、方法等资源对象进行封装,形成的一个封闭的单元管理实体.定义1.作为封装数据信息的载体,域可描述为D=P×M D×R×I.其中,P表示域内的数据操作者;M D表示域管理的数据模型;R表示封装在域内的规则和策略集;I表示域的智能接口;×表示矢量积.1)智能接口.域与外部世界之间的智能代理.通过智能接口,各域之间能实现资源对象的共享.2)数据模型.域封装的与产品数据对象有关的所有信息集,包括产品数据对象、产品元数据对象、域内的过程信息、域环境信息等内容.3)规则和策略.域用来控制产品数据模型所定义的规则集,包括数据访问控制规则、数据结构关系定义规则、元数据映射规则等.4)数据操作者.访问域的用户,其活动空间受域规则的限制.从上述域的描述可知,域是数据模型的安全边界.在域内,数据模型包括3部分:产品数据信息模型、过程信息模型及环境信息.其中,产品数据信息模型描述产品数据在某一个动态变化周期内的完整信息,有完整的结构、属性及生命周期状态;过程信息模型是指产品数据信息在域内变化过程中所涉及到的过程信息;而环境信息是指该域特有的与产品有关的资源信息.在域外,各域内的数据模型相互独立,它们之间可通过域的智能接口建立映射联系,实现数据资源共享.这些关联的域既完整表达并有效管理了产品在整个生命周期内的所有数据信息、过程信息及环境信息,又保证了产品单一的数据源及其安全性.域之间的映射过程是通过过程协同来实现的,如图1所示.图1 基于过程协同的域映射模型1.2 域的定义对产品而言,域可以有多种定义标准,既可以面向生命周期而建立多个生命周期域,也可以按照学科知识领域而建立各个知识域.前者侧重于管理与产品有关的所有数据信息在整个生命周期内的共享与协同控制,而后者侧重于对产品开发过程中所有知识的共享.由于本文的重点是对产品全生命周期数据信息进行动态建模,因此,本文定义的域是基于生命周期阶段而建立的生命周期域.从理论上说,为了准确地描述和管理产品全生命周期数据信息,可以沿着生命周期轴线建立无数个域.但是在实际应用中,考虑到数据管理粒度的大小及实现上的难度,域的个数是有限的.因此,在定义域的初期阶段,必须综合考虑域的广度和深度,以定义最合适个数的域及子域.定义2.域广度.域在生命周期轴线上的横向扩展程度.根据企业对数据管理粒度大小的需求,沿着生命周期阶段定义最优个数的生命周期域.定义3.域深度.域层次划分的纵向扩展程度.为了便于对域内数据信息的操作权限进行有效控制,可以对一个域建立多个下级子域.虽然域内封装的数据模型是与产品有关的阶段模型,其内容和控制规则在不同域内有不同的表达,但是所有的域都是遵循产品生命周期发展规律,并按照统一的定义标准而建立的.例如,我们可以这样定义详细设计域.定义4.详细设计域.面向产品结构而建立的具有规则和智能接口的单元域,它封装了产品在详细设计阶段内的所有资源对象,包括设计工具、设计者、产品数据模型、部件数据模型、零部件结构信息和属性,以及它们之间的关联关系等.在PL M环境下,现代复杂产品一般经历概念设计、结构设计、详细设计、工艺规划、生产制造、销售服务几个基本生命周期阶段.本文以此为例,建立了相应的基本域,如图2所示.733第2期李玉梅,等:产品全生命周期数据信息的域建模方法图2 几个基本的生命周期域图3 复杂产品全生命周期数据模型示例2 基于域的产品全生命周期数据模型由于一个域内封装的数据模型仅表示在某一个动态变化范围内的产品数据对象、产品元数据对象、域环境信息、业务过程信息等内容,因此应按照产品的一般生命周期,针对不同的域构建具体的产品阶段数据模型.本节以图2所示的几个基本域为例构833计算机辅助设计与图形学学报 第22卷建相应的数据模型,如图3所示.这些数据模型在过程协同的支持下,通过域智能接口建立映射联系,构成了PL M环境下的产品全生命周期数据模型.各域内的数据模型具体描述如下:概念设计域封装的数据模型是产品功能数据模型[9],它主要描述了产品应达到的功能和实现功能的物理化学原理、方法和作用,包括功能层次的划分、功能信息定义等内容,功能层次是一种树状结构,可以根据需要划分多级子功能、基本功能,其最终的叶子节点是不能再细分的基本功能.其中对基本功能的定义是构建产品功能数据模型的关键,也是向下游域传递产品功能信息的基本保证.结构设计域是概念设计域的承接者,该域内的数据模型反映的是具体化的产品概念设计结果,即实体化的各基本功能.因此,结构设计域封装的数据模型是指产品的装配结构模型,它包括结构功能特征信息、产品结构层次信息、整体装配约束信息、属性特征信息等.详细设计域具有承上启下的作用,它是概念设计域、结构设计域等上游域与工艺域、制造域等中下游域传递数据信息的关键.详细设计域封装的数据模型主要是零部件数据模型,包括零部件的功能信息、特征信息、属性信息等.工艺域和制造域封装的是面向制造的数据模型.工艺域内的数据模型是指产品零部件数据模型、工艺数据模型.其中,产品零部件数据模型描述零部件装配顺序、工艺件定义、工艺件装配关系等;工艺数据模型则包括产品零部件的工艺信息,以及零部件的制造方法等.制造域内的数据模型主要描述产品零部件的生产制造信息,包括零部件的材料信息、几何特征、加工设备、零部件的批次及编号等信息.销售服务域封装的是产品服务模型,是根据产品销售计划和客户需求而建立的,主要记录最终产品的销售情况、作为配件的具体零部件的销售去向以及用户服务信息.3 产品全生命周期数据模型间的映射在PL M环境中,产品全生命周期数据信息可以在各域间实现共享且相互传递,这表现为基于域的产品阶段数据模型间的映射联系.基于域的数据模型间的映射主要有两方面的作用:实现产品数据信息在整个生命周期的动态演化;通过数据模型间的映射,实现产品的正向预测追溯和逆向产品历史数据追溯.3.1 基于域的产品数据动态演化在过程协同的支持下,当2个域内的数据模型进行映射转换时,产品数据对象将发生质变和量变,即产品数据结构的变化和数据属性的变化.3.1.1 产品数据结构的转换产品数据结构描述产品物料的结构关系.在各个域内产品数据结构的划分标准是不同的,如在详细设计域内,产品数据结构是按照产品的功能结构关系进行划分的,而在制造域内,产品数据则是按照零部件的加工和装配顺序进行划分的.因此,当产品数据模型在域间进行映射转换时,它们的产品数据结构关系必须进行调整.产品数据结构的变化表现为基于域的产品物料类型及其装配数量的变化.在产品开发过程中,从面向产品制造的角度来说,构成产品数据结构的产品物料类型主要分布在详细设计域、工艺域和制造域,具体分为6种类型:1)虚设件[10].在详细设计域内有记录,但在实际生产中并不制造也不储存的部件.虚设件在工艺域内没有相应的记录.2)工艺件.在详细设计域内不出现,而在实际生产中因为工艺要求既要制造又要存储的部件.在制造域内将添加工艺件,同时在工艺域内,产品数据模型中某些零部件会降级成为工艺件的下级子件,这些零部件在产品工艺数据结构中称为工艺子件.通过处理工艺子件可以使制造工作串行化,从而在资源有限的情况下节约利用资源.3)关键件.考虑工艺分离面等原因,在工艺分解过程中,需要对详细设计域内的零部件数据模型中划分过粗的零件进行细化而生成的部件.4)外协件.本身及其所属的所有零部件都需外协加工的部件.由于是外协加工,因此其所属零部件不会出现在制造域内的产品数据模型中.5)外购件.本身及其所属的所有零部件都需外部采购的部件.由于是外部采购,因此其所属零部件不出现在工艺域和制造域内相应的产品数据模型中.6)一般件.除了上面5种情况之外的零部件都称为一般件,一般件在各域内的产品数据模型中是相同的.由于以上6种产品物料类型分布在不同的域内,所以它们有不同的转换流程及转换规则.如当产品数据结构在详细设计域与工艺域间转换时,将处理933第2期李玉梅,等:产品全生命周期数据信息的域建模方法虚设件、关键件及外购件;而工艺件和外协件则发生在产品数据结构在工艺域与制造域间的映射过程中.图4描述了构成产品数据结构的各种物料类型的转换过程及转换规则.图4 产品数据结构在详细设计域、工艺域、制造域间的变化过程3.1.2 产品数据属性的映射产品数据属性是描述产品数据对象的数据信息,称为产品元数据对象.在一个域内,产品数据属性是对该域内所有产品数据信息的完整描述.从面向对象技术的角度看,产品数据属性是由各域内产品数据模型的数据子集集成的.所以当各域间的产品数据模型进行映射转换时,其数据属性间也存在着一定的映射关系.产品数据属性映射既包括属性项的映射,也包括属性值的映射,其映射过程体现了产品开发过程的数据集成性要求.一般来说,产品数据属性的映射类型包括7种:1)遗传映射.指产品数据属性在映射前后不会发生任何改变,如产品物料ID 等公共属性在各域完全相同.2)衍生映射.指目标域内的产品数据属性在源域内相应属性信息的基础上又增加了新的属性信息.3)缩减映射.指目标域内的产品数据属性在源域内相应属性信息的基础上又删减了部分属性信息.4)聚合映射.把其他几个域内的产品数据属性信息经过协同处理合并在一起,构成了该域内描述产品数据信息的一个新属性.5)分离映射.指目标域内几个产品零部件的属性信息都来自源域内一个产品零部件的属性信息.6)导出映射.经过公式计算将其他几个域内的产品数据属性信息推导出目标域内一个新的属性信息.7)域分布映射.根据域对产品数据模型的管理需求,每个域都有独有的数据属性.在实际应用中,产品数据视图的属性映射通常是这几种映射形式的合成映射.例如,产品数据模型在工艺域与制造域之间进行映射转换时,产品的公共属性(如物料ID 、名称等)相同,属于遗传映射;工艺域内的产品材料、重量属性与制造域内的制造资源属性的映射属于衍生映射;制造域内的产品数量属性是根据工艺域内的产品数量及生产计划等属性计算而来的,属于聚合映射;工艺域内的产品生产类型属性决定了制造域内的制造车间属性,属于导出属性等.3.2 基于域的产品追溯当前,随着人们对产品质量的要求越来越高,以及企业实现了基于供应链的经营模型,产品的可追溯性已不仅仅是追溯原材料和零部件的来源,而是43计算机辅助设计与图形学学报 第22卷涉及到产品的整个生命周期.根据需求,追溯的内容可以是过程、产品、批次、具体零部件,这将使追溯过程变得非常复杂[11].本文建立的数据模型实现了对产品全生命周期数据信息的管理,为产品的追溯提供了充分的追溯源.为了详细说明该建模方法可解决产品的追溯需求,本文对产品全生命周期发展过程做了一些简化,建立了如图5所示的产品追溯模型.通过产品追踪、正向预测追溯和逆向质量追溯3种方式的产品追溯,可方便、快速地满足基于供应链的产品追溯需求.图5 基于域的产品追溯 1)产品追踪产品追踪是一种主动意识的追溯,它根据产品物料或过程信息等相关数据,追踪和监控产品的历史轨迹,以控制和优化流程信息,减少产品质量缺陷出现的概率.如图5所示,虽然各域内的数据模型不同,但对同一产品零部件来说,产品的物料号、ID 等遗传属性在各域中都是相同的.因此,以产品物料号作为查询条件,通过各域间产品数据模型的映射查找到产品零部件的关联关系,实现企业不同部门的人员能够查看和监控处于不同形式、不同状态和版本的产品数据对象;并且通过各域记录的过程信息,产品监控人员可以找到产品涉及到的所有信息.2)正向预测追溯正向预测追溯是按照产品的生命周期过程而进行的产品追溯.通过产品标识或过程信息追溯到产品在供应链上的准确位置,以追回问题产品,减少企业损失.如在图5所示的产品追溯模型中,如果设计人员发现零部件版本1存在设计问题,则通过零部件图号查找该版本所涉及到的流程信息.在流程信息的支持下,设计人员能够在工艺域找到该版本的零部件所采用的工艺方式、加工方法、所用的原材料以及所采用的加工设备等;通过查找工艺信息,设计人员能够在制造域追溯到它的生产线、生产时间及批次等.依次下去,直至召回该问题零件.3)逆向质量追溯逆向质量追溯是指通过追踪供应链上的每一个关键点,根据一个或若干标准找出某个产品的源头及质量特征[12].如在最终安装过程或售后服务过程中,当发现问题产品后,可以根据域间的逆向映射关联,通过产品零部件编号逆向追溯其在制造域、工艺域、设计域中的所有信息,包括零部件加工设备、生产批次、使用原材料、工艺方式、设计图号等,如图5所示.通过分析产品不合格原因,找出问题源头,落实责任点,以方便产品的工程变更范围.4 在PLM 系统中的典型应用本文提出的建模方法在PL M 系统中的应用可以表现在多个方面,其中最典型的一个应用就是对物料清单(bill of material ,BOM )多视图的管理.143第2期李玉梅,等:产品全生命周期数据信息的域建模方法目前,武汉天喻软件公司开发的产品全生命周期管理平台IntePL M 利用该方法,已成功地实现了对产品多BOM 视图的管理.1)建立各BOM 域在IntePL M 系统中,根据本文提出的域建立的原则和方法来划分各BOM 域.为了满足企业用户对BOM 多视图的管理,系统建立的BOM 域类型一般分为设计BOM 域、工艺BOM 域、制造BOM 域、装配BOM 域、质量BOM 域、成本BOM 域、销售BOM 域等.2)基于域的用户登录企业所有用户在登录IntePL M 系统时,必须先选择要登录的域,这样用户的活动区间受到域的限制,消除了非法域用户对域内BOM 视图的安全隐患.3)建立设计BOM 视图在设计BOM 域内,域内用户通过IntePL M 的批量录入模块,从CAD 系统中导入产品的设计BOM 视图,并可根据需求对其进行修改,以形成不同版本的设计BOM 视图,而且这些修改不会影响到下游BOM 域内的BOM 视图.4)工艺BOM 等下游BOM 视图的建立及维护在工艺BOM 域,工艺规划人员通过该域的智能接口与设计BOM 域建立映射关联联系,从而获得工艺BOM 视图,如图6所示.首先,工艺规划人员必须获得设计BOM 域的访问权限,然后通过BOM 视图转换功能选择源域为设计BOM 域,根据视图结构转换规则处理一般件、虚设件、关键件、外购件、外协件等零部件类型的结构转换;根据各种视图属性映射规则,获取遗传数据、衍生数据、缩减数据、聚合数据等各种数据信息.最终获得工艺BOM 视图,并根据该产品的工艺安排和生产需要对转换来的工艺BOM 视图进行修改,如细分关键件、定义工艺件等.同样,这些改变不会影响到其他域中的BOM 视图.图6 IntePL M 中BOM 多视图管理的部分界面 采用相似的操作方法,其他BOM 域的用户可以在各自域内建立并维护相应的BOM 视图.由于下游BOM 域内的BOM 视图都来自同一个数据源,并且在转换过程中受到域的保护与约束,因此保证了产品数据自始至终的唯一性、完整性及安全性.5)BOM 数据追溯根据BOM 多视图间的映射关系,利用本文提出的产品历史数据追溯方法,通过产品的物料ID 等遗传属性值,企业不同部门的用户可以实现各BOM 视图间的历史数据的追溯.5 结 论产品全生命周期数据模型是支持PL M 系统的底层内核,是实现数据协同与过程协同的基础.与其他产品数据建模方法相比,本文建模方法具有以下特点:1)完整性.通过各域间的产品阶段数据模型共享,产品数据信息覆盖了从概念设计直至产品消亡的整个生命周期阶段.243计算机辅助设计与图形学学报 第22卷2)一致性.由于各域是按照统一的定义标准建立的,因此对同一产品在不同的生命周期阶段有一致的数据信息描述,并实现了产品开发过程中各活动信息的共享.3)安全性.各域内的产品数据模型相互独立,保证了产品数据的安全性及可控性.4)多样性及共享性.域内的产品数据模型不仅表达和描述了产品在相应生命周期阶段内的所有数据信息,而且通过域间的映射,使得这些数据信息能够在产品整个生命周期内实现资源共享.5)动态性.各域间的映射关联关系支持产品数据信息在产品上下游生命周期阶段内的动态演化过程.6)可追溯性.实现从下游生命周期至上游生命周期阶段的产品数据信息的追溯,以保证产品质量安全控制.参考文献(R eferences):[1]Bellatreche L,Dung N X,Pierra G,et al.Contribution ofontology2based data modeling to automatic integration of electronic catalogues wit hin engineering databases[J].Computer in Industry,2006,57(8Π9):711-724[2]Fu Xiangjun,Li Shanping,Guo Ming.Ontology knowledgerepresentation for product data model[J].Journal of Computer2Aided Design&Computer Graphics,2005,17(3): 570-577(in Chinese)(付相君,李善平,郭 鸣.产品数据模型的本体知识表达[J].计算机辅助设计与图形学学报,2005,17(3):570-577)[3]Gu Qiaoxiang,Qi 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