1、星船电子产品全生命周期管理技术研究摘 要 产品全生命周期管理（PLM，Product Lifecycle Management）日益成为航天企业信息化的集成框架平台，本文从技术背景、体系结构与关键技术、实现的技术途径三个方面阐述 PLM 技术，以达到优化星船用电子设备研制流程，降低研制成本和缩短研制周期的目的。本文认为基于模型驱动的产品全生命周期管理技术是解决各应用系统集成的关键技术，着重论述了实现协同工作的技术途径。关键词：统一数据模型 数字样机 数字化设计与制造1 引言近几年来，我所通过自筹资金和高新工程技改引进了很多先进的工程应用软件，建立了若干管理信息系统，但这些工程软件和信息系统基本
2、上是单独使用，形成了一个个信息孤岛。产品全生命周期管理从产品设计入手，关注产品从需求分析到设计、制造、测试、试验验证、使用的整个过程，围绕产品这个核心进行信息管理。PLM 解决方案为产品全生命周期的每一个阶段均提供了强有力的信息协同平台，以将各阶段数字化工具集成使用，促进了各个工作环节之间的信息流通，实现与总体设计的协同。信息技术在企业的应用主要体现在设计与生产两大环节，设计阶段代表性的技术是计算机辅助设计（CAD）和产品数据管理（PDM） ，生产阶段则以企业资源规划（ERP）及相关技术为主导。从星船用电子产品的整个生命周期来看，产品的成本耗费约 80%是在研发阶段决定的，要求我们不仅在研发阶
3、段进行产品创新，还要实现与制造和采购环节的集成应用。 航天企业在产品研制中存在的不足（）产品的生产效率低航天企业在产品开发环节均采用了先进的 CAD/PDM 技术，在管理上也采用了 ERP手段，明显提高了新产品开发的效率，但这样做并没有使企业的生产效率发生质的飞跃。高费用的软件系统大多被用作孤立的解决方案，先进的管理理念(如并行工程、敏捷生产、JIT 等)无法有效付诸实施，企业的竞争力无法真正得到体现。（）产品信息的共享程度低、可追溯性差传统的产品开发过程，是一个产品信息在部门间传递和逐步成型的过程。在这个过程中，传统的手工传递过程往往容易导致信息的失真。比如，设计部门已经对产品进行了更改，但
4、更改的信息在传递过程中出现了问题，导致工艺部门、物资部门、生产部门还是按照原有的设计结构采购和生产产品。设计、工艺、物资之间的不一致，最终导致客户的满意度下降。在产品开发过程中，往往有大量的参考、版本升级等行为的发生，记录下这些行为有助于回溯产品的开发过程，为开发过程的改进打好基础，或者事后在出现问题时有助于查找原因。在传统的开发模式下，我们很难记录、管理这些过程性的信息和数据。（）设计重用程度低、设计变更频繁由于国有企业的研制部门没有很好地按照专业分工，各部门存在大量的重复性设计。在这样的背景下，能否有效地实现设计重用会对开发周期和成本产生重大的影响。在传统的设计模式下，很难对标准的优化设计
5、方案进行有效地管理，没有为设计人员提供便捷的查询工具，导致无法有效应用已有设计成果来缩短开发周期。由于星船用电子产品越来越复杂，开发过程中必然会遇到设计变更，缺乏必要的工具将导致变更的执行效率低下，最终导致开发周期的延长和开发成本的增加。（）没有建立统一的企业级数据模型PLM 系统的运作与执行涉及到产品设计与生产的各个方面，而目前通过集成框架的信息集成方法存在的缺点明显：缺乏信息模型的统一规划，难以做到企业资源的统一调度，只是实现了关联数据在各子系统间的传递与交互。实际运行的企业是一个高度复杂的系统，只有把整个企业作为统一整体进行考虑，才能实现信息最终的有效集成。采用基于模型驱动的 PLM 解
6、决方案，在统一数据模型下实现企业信息模型的整体集成，是实现航天企业协同工作的技术途径。 体系结构及关键技术3.1 体系结构PLM 系统功能由三部分组成： 支持并行设计和协同研制的产品数据管理系统（PDM） ； 协同产品商务支撑平台及辅助工具（CPC） ； 发布企业产品信息的门户。每一部分中包含若干相对独立的功能单元，这些单元可能表现为一种工具，如可视化，也可能表现为相对独立的子系统，如项目管理和工作流管理。功能单元之间的互操作一般基于分布式对象技术，其中 CORBA 因其良好的跨平台性和对异构系统的整合能力而成为主流的集成技术，各种应用通过 IDL 描述其所能提供的服务并实现互操作。在系统互操
7、作方面，Web Services 已成为下一代的集成框架标准。在数据交换方式上，引入 XML 实现应用系统之间的数据传递与解析。通过领域接口，实现与应用系统的集成。电子产品全生命周期管理平台体系结构图如下：图 1 电子产品全生命周期管理平台体系结构3.2 关键技术PLM 中涉及的技术包括： 数字样机技术； 数据集成技术； 企业间产品数据交换技术； 异构环境下应用功能集成技术； 过程集成技术； 统一数据模型技术，包括产品建模、模型交换等。目前的难点有数字样机技术和统一数据模型技术，而后者是实现星船电子产品全生命周期管理的关键技术。数字样机以 CAD 技术为基础，是一种基于计算机仿真模型的数字化设
8、计方法。在虚拟产品开发环境的支持下，通过 CAX/DFX 工具、外观/功能/行为建模工具等产品开发工具或已有产品模型来构造产品的数字样机，并根据需求对模型进行模拟分析，进而根据分析结果，在模型的校验、验证和确认（VV&A）过程支持下，修改产品设计模型和相应的仿真分析模型，以达到产品的一次制造成功。在建模和分析的过程中，可能有多家单位参与研制活动，这些企业采用的 CAD 环境可能不同，如何在统一平台下进行虚拟装配是最大的难题。在 CAD 图形交换标准中，STEP 有很大影响，各种 CAD 系统通过 STEP 文件进行交互，但 STEP 在实际应用中效果并不理想。目前 EDS 的 EAI 平台推出
9、 JT 这种中间文件格式，它能够保留产品模型必要的几何信息和装配信息，过滤与数字样机无关的其它信息，为虚拟装配实现提供了可行的解决方案。 统一数据模型实现的技术途径.1 基于统一数据模型的 PLM 结构产品的设计过程是建立产品模型的过程，必须建立一个能够表达和处理有关产品全生命周期各个阶段所有信息的统一产品数据模型。统一数据模型表示需要解决若干关键问题： 具有规范语义的元模型； 图形化建模环境； 存储模型信息的知识库； 对知识库的访问和管理； 通用模型与应用系统数据模型的映射。其中，知识库及相应的元模型是统一数据模型的核心，元模型与知识库通过各种接口与前、后端应用系统进行交互。应用服务支撑 (
10、 C O R B A / J 2 E E / . N E T )开发设计人员生产制造人员质量管理人员科研管理人员测试试验人员市场开发人员工作界面功能层数据交换网络协同项目管理工作流数字样机配置管理工程变更文档管理产品结构零部件管理质量管理PLM服务控制数据模型元模型 领域知识U M L 建模工具X M L 转换工具设施管理接口描述语言模型数据库XML转换工具C A EC A P PC A ME R PC A DS C MC R M图 2 统一数据模型实现途径.2 元模型与模型数据库统一数据模型的建立需要一套明确语义支持的建模语言，选用主流工具 UML。UML 是一种可视化的建模语言，它是在面向
11、对象思想的形成和发展过程中成熟起来的，具有定义良好、易于表达、功能强大和普遍适用的特点，成为面向对象建模的首选。元模型为 UML 的所有元素在语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使开发者在语义上取得一致。UML 表示法定义了 UML 的表示符号，为建模者和建模支持工具的开发者提供了标准的图形符号和正文语法。这些图形符号和文字所表达的是应用级的模型，在语义上它是UML 元模型的实例。在实际建模过程中，以 UML 语义为基础，根据企业模型的特点，加入领域知识方面的约束。大量的模型最终存放在模型数据库中，表示模型的数据格式采用 XML，因此，UML 建模环境下构造的图形化数据模型需要转换
12、成字节流格式。转换过程中采用数据流交换格式（Stream-based Model Interchange Format, SMIF），目的是建立不同模型数据库、中间件、工具之间的标准交换机制。转换实现需要两方面的支持：XML DTD 生成规则和 XML Document 生成规则，前者针对编码元数据生成 XML DTD，后者把元数据解释成与 XML 兼容的格式。DTD 与 XML 分离的优点在于 DTD 可以存储在本地，数据交换只需传递 XML 文件。.3 模型管理与应用模型管理与应用主要包括两部分内容：1）对模型的访问和调用；2）应用系统模型与元模型的交互。对模型的管理和应用关系到 PLM
13、系统是否能集成在统一的元模型下，因此，各类管理工具和接口转换工具是必不可少的。PLM 在开发时会选择一种具体的开发技术，实际可供选择的开发平台有很多种，主流的包括 J2EE/ CORBA /Web services/.Net 等，这些开发平台体系结构各不相同，在进行模型到接口的转换过程中，需要针对每种开发平台分别提供模型转换服务。另一方面，模型数据库中的模型需要与现有的 CAD/ERP 等系统进行交互，交换的格式同样选择 XML 文件作为中间介质，通过 XML Mapper 完成数据格式的映射，并把外部应用系统中的数据模型信息通过 XML Builder 转换到数据模型的模型数据库中。在 XM
14、L Mapper 实现方面，微软公司的 BizTalk Server 是一个可供选择的产品。它的 Mapper 工具提供一个可视化的操作界面，可以通过关联方式建立 XML 文档到与 XML 模型间的对应关系。结合自身的 Editor、Orchestration Designer 工具，BizTalk 能在企业内部、企业之间对分布式商务活动进行建模、配置和维护。 结束语综合利用 PLM 及其各项技术，完成航天企业信息系统从产品需求到设计、生产等各个层面的覆盖，达到规范产品的研制流程和提高产品设计创新能力的目的。通过建立产品研制和管理的统一数据模型，更好地实现与卫星设计总体和其他单位的协同工作，建立五院卫星产品的全生命周期管理系统，为承担更多的型号任务打下坚实的基础。参考文献1周祖德，李刚炎. 数字化制造的现状与发展 中国机械工程，2002，13（6）：5315332张伯鹏. 数字化制造是先进制造的核心技术 制造业自动化，2000，22（2）：1-53 李善平，刘乃若，郭鸣. 产品数据标准与 PDM. 清华大学出版社，20024 http：/www.e-
