0 引言

    目前，產(chǎn)品全生命周期管理(Product Lifecycle Management system，PLM)系統(tǒng)吸引了全世界的廣泛關(guān)注，相對于比較成熟的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)系統(tǒng)和企業(yè)資源計劃(EntERPrise Resource Planning，ERP)系統(tǒng)而言，PLM系統(tǒng)對產(chǎn)品的管理在時間、空間和深度方面都有了擴展：在時間上覆蓋了從設(shè)計到處理等階段；在空間上橫跨職能的、地理的和組織的邊界；在深度上涵蓋全生命周期的產(chǎn)品定義，包括所有與產(chǎn)品相關(guān)的資料和過程。表1闡述了ERP系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)和PLM系統(tǒng)管理對象和軟件系統(tǒng)的特性。

表1 ERP系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)、PLM系統(tǒng)的特性

    PLM系統(tǒng)的實現(xiàn)功能復(fù)雜，且每個企業(yè)實現(xiàn)PLM的需求不同，目前市場上所提供的解決方案，無法以明晰的方式使企業(yè)順利導入PLM系統(tǒng)。由此可見，傳統(tǒng)的ERP，PDM等系統(tǒng)開發(fā)實施方法，如二次開發(fā)、功能模塊、組件的參數(shù)化配置，已不能滿足PLM系統(tǒng)客戶化程度高，并支持持續(xù)改進的需求；同時，傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)實施都是從凍結(jié)某一階段的業(yè)務(wù)需求開始，經(jīng)過分析、設(shè)計、編碼和測試，最后提交針對先前凍結(jié)了的業(yè)務(wù)需求的信息系統(tǒng)，這種方法拉大了業(yè)務(wù)需求與信息系統(tǒng)之間的距離，使得信息系統(tǒng)的演進遠落后于業(yè)務(wù)需求的變更。本文根據(jù)聚合理論和PLM系統(tǒng)的特性，提出了基于集成產(chǎn)品元模型(Integrated Product Meta Model，IPMM)的增量式聚合PLM系統(tǒng)開發(fā)實施方法，它以客戶需求為主導，使PLM系統(tǒng)漸進滿足客戶的業(yè)務(wù)需求。

1 增量式聚合

    本文提出的增量式聚合中的“增量式”是指開發(fā)實施是一個階段化、螺旋上升的過程，因為穩(wěn)定清晰的業(yè)務(wù)流程實際上是不存在的，同時在實際開發(fā)實施過程中也不可能一次全部了解客戶需求，所以整個系統(tǒng)的開發(fā)實施在部分需求清楚的情況下就開始進行開發(fā)實施，在行進的過程中逐步挖掘新需求，逐步增加和完善系統(tǒng)功能。因為系統(tǒng)功能是通過IPMM驅(qū)動實現(xiàn)的，所以在開發(fā)實施過程中，模型也存在逐步增加、完善的增量式過程。

    “聚合”的核心思想就是充分利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，在業(yè)務(wù)系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間建立靈活的對應(yīng)關(guān)系，把業(yè)務(wù)系統(tǒng)和信息系統(tǒng)融為一體，從而實現(xiàn)兩者的同步演化，開發(fā)出真正能支持業(yè)務(wù)營運的信息系統(tǒng)。本文提出的“聚合”是基于IPMM的聚合，IPMM是一個整體模型，而企業(yè)業(yè)務(wù)和軟件是該模型的兩個層面，在“Build Time”階段，主要體現(xiàn)業(yè)務(wù)特性到軟件模型的過渡，在“Run Time”階段，是軟件特性逐步實現(xiàn)業(yè)務(wù)需要，即在模型的設(shè)計構(gòu)建、使用階段，IPMM指導和驅(qū)動系統(tǒng)的生成，而在運行階段，系統(tǒng)通過IPMM實現(xiàn)PLM，同時在運行過程中可以發(fā)現(xiàn)問題，指導IPMM重構(gòu)，如圖1所示。在具體的開發(fā)實施過程中，本文通過IPMM兩方面特性的融合，結(jié)合模型驅(qū)動架構(gòu)(Model Driven Architecture，MDA)理念和工具，實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求和軟件系統(tǒng)的同步。

圖1 集成產(chǎn)品元模型的二維特征

2 集成產(chǎn)品元模型

    IPMM面向企業(yè)需求，是產(chǎn)品元模型、過程元模型、組織元模型和資源元模型的集成。其中，產(chǎn)品元模型是企業(yè)所有幾何、技術(shù)、生產(chǎn)、銷售、維護等方面產(chǎn)品信息元素的集成；而過程元模型是產(chǎn)品形成過程中所有活動元素的集成，它定義了產(chǎn)品各階段元模型的形成過程，以及與組織元模型、資源元模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系，它按并行化和集成化的思想來組織業(yè)務(wù)過程。IPMM是生命周期內(nèi)產(chǎn)品相關(guān)的所有信息和過程的載體，其宗旨是確定產(chǎn)品各階段相關(guān)數(shù)據(jù)、過程、使用工具等信息，以及這些信息之間的有機關(guān)聯(lián)，可以把IPMM作為增量式聚合PLM系統(tǒng)開發(fā)實施的指導模型，圖2描述了集成產(chǎn)品元模型局部，主要描述了企業(yè)物料(這里主要指零部件)的信息組織結(jié)構(gòu)，以及物料的加工制造過程，同時還包括使用的人員、工具等信息的組織情況，其中Manu Process表示加工制造過程，Manu Activity表示加工制造過程中的各個活動節(jié)點，PMR，DoMR和DrMR等的具體含義將在下文中進一步詳細描述。

圖2 集成產(chǎn)品元模型局部

3 基于集成產(chǎn)品元模型的增量式聚合開發(fā)實施方法

    3.1 增量式聚合開發(fā)實施過程模型

    增量式聚合開發(fā)實施是一個循環(huán)、迭代、持續(xù)優(yōu)化的過程。圖3描述了增量式聚合PLM系統(tǒng)開發(fā)實施過程模型，其中圖3a描述了增量式聚合開發(fā)實施周期T的宏觀過程，表示PLM系統(tǒng)和IPMM的增量式完善過程；圖3b描述了開發(fā)實施的過程片段，表示某一時間段△tn內(nèi)IPMM(△tn)模型驅(qū)動的PLM系統(tǒng)的聚合開發(fā)實施過程，其中內(nèi)圓描述的是元模型驅(qū)動的原型系統(tǒng)開發(fā)，外圓描述的是原型系統(tǒng)的實施過程。當有新業(yè)務(wù)需求時，可先對IPMM(△tn)進行完善，包括新業(yè)務(wù)對象構(gòu)建，新業(yè)務(wù)對象屬性、行為構(gòu)建，以及對象之間的聯(lián)系建立(包括新對象之間，以及新對象與原有對象之間)，再通過元模型驅(qū)動的聚合方式實現(xiàn)軟件系統(tǒng)與業(yè)務(wù)需求的同步。改進優(yōu)化部分首先在開發(fā)階段進行測試，原型系統(tǒng)穩(wěn)定后，進入實施階段的測試和運行，在實施運行過程中采集需求，再不斷改進和優(yōu)化驅(qū)動模型IPMM(△tn)，生成原型系統(tǒng)，在一個時間片段內(nèi)循環(huán)迭代，從而達到反映企業(yè)特征的業(yè)務(wù)需求模型IPMM(△tn)和軟件系統(tǒng)的完全同步，最終△tn這一階段提交的IPMM(△tn)作為后續(xù)階段△tn+1功能模塊聚合開發(fā)實施的基礎(chǔ)。

圖3 增量式聚合PLM系統(tǒng)開發(fā)實施過程模型

    3.2 增量式聚合開發(fā)實施過程形式化描述

    可用形式化語言描述增量式聚合PLM系統(tǒng)開發(fā)實施過程，定義

ACP=<T，IPMM(△tn)，PLMS(△tn)>。 (1)

    式中：ACP表示增量式聚合PLM系統(tǒng)開發(fā)實施，是一個三元組；T為項目的開發(fā)實施周期，T={△t1，△t2，△t3，…，△tn-1，△tn，△tn+1，…}，表示開發(fā)實施周期由各個時間片段組成；IPMM(△tn)為某一時間片段的集成產(chǎn)品元模型。

IPMM(△tn)=<ProM(0，△tn)，PreM(0，△tn)，ResM(0，△tn)，OrgM(0，△tn)>，△tn∈T。 (2)

    式中：ProM(0，△tn)表示在開發(fā)實施周期某個時間片段，由各種對象元素構(gòu)成的產(chǎn)品元模型視圖；PreM(0，△tn)，RegM(0，△tn)，OrgM(0，△tn)分別表示相應(yīng)的時間片段，由各種不同對象元素構(gòu)成的過程模型元視圖、組織元模型視圖和資源元模型視圖。PLMS(△tn)表示某一時間片段的軟件系統(tǒng)，則

PLMS(△tn)=C(IPMM(△tn))。 (3)

    式中：C表示某一時間段基于IPMM(△tn)驅(qū)動的PLMS(△tn)的開發(fā)實施，經(jīng)過一定周期T的增量式聚合，最終，PLM系統(tǒng)對IPMM實例-具體產(chǎn)品的全生命周期管理，可用矩陣A表示：

    式中：Pro×Phasei表示在生命周期Phasei階段PLM系統(tǒng)對具體產(chǎn)品的產(chǎn)品模型視圖元素的管理關(guān)系。同理，其他矩陣元素分別描述不同階段PLM系統(tǒng)對具體產(chǎn)品不同視圖相應(yīng)階段的管理。因此，矩陣列描述了在生命周期特定階段PLM系統(tǒng)對具體產(chǎn)品不同視圖的管理，矩陣行描述了PLM系統(tǒng)對具體產(chǎn)品的某一視圖的全生命周期管理。

4 模型層次結(jié)構(gòu)

    IPMM作為系統(tǒng)實現(xiàn)的驅(qū)動模型，不僅要滿足一定的語義規(guī)范，還要滿足一定的業(yè)務(wù)規(guī)范。使用基于統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)的元建模機制，不僅能滿足語義規(guī)范要求，還能滿足PLM系統(tǒng)的業(yè)務(wù)規(guī)范。即使用這種建模機制建立的反映企業(yè)特征的IPMM可以根據(jù)客戶需求而相異，但描述PLM業(yè)務(wù)規(guī)范的元模型是一致的。結(jié)合PLM業(yè)務(wù)特性和IPMM的建模需求，本文在對象管理組織(Object Management Group，OMG)四個建模層次的基礎(chǔ)上進行了修改，建立了的面向PLM系統(tǒng)的四層模型層次結(jié)構(gòu)，如表2所示。

表2 四層模型層次結(jié)構(gòu)

    其中，PLM元模型(Pro duct Lifecycle Management Meta-Model，PLMM)使用的每種元素是通過UML元模型定義的，UML元模型由元對象機制(Meta Object Facility，MOF)構(gòu)造的實例構(gòu)成，PLMM是比IPMM更高層次的抽象，它定義了面向PLM的企業(yè)業(yè)務(wù)對象和數(shù)據(jù)對象的描述元素，以及元素之間的關(guān)系和交互行為等，為其實例IPMM在語法和語義上提供了簡單、一致、通用的定義性說明。使用PLMM能避免直接建模的復(fù)雜性，同時保證IPMM的正確性和建模的效率。以下對PLMM的部分元素進行說明。

    零件主記錄(Part Master Record，PMR)在產(chǎn)品模型中，部件和零件分別具有各自的PMR；模型主記錄(Model Master Record，MMR)記載與零部件有關(guān)的二維、三維模型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；文檔主記錄(Document Master Record，DoMR)描述與零部件有關(guān)的資料文件如訂單、需求說明、NC文檔，生產(chǎn)信息，采購信息等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；工程圖主記錄(Draft Master Record，DrMR)描述與零部件有關(guān)的工程圖業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。模型元數(shù)據(jù)(Model Meta-Data，MMD)描述與零件有關(guān)的模型屬性；文檔元數(shù)據(jù)(Document Meta-Data，DoMD)描述與零部件有關(guān)的文檔屬性；工程圖元數(shù)據(jù)(Draft Meta-Data，DrMD)描述與零部件有關(guān)的工程圖屬性。

    集成產(chǎn)品模型(Integrated Product Model，IPM)是IPMM的實例，是受PLM系統(tǒng)管理的具體產(chǎn)品的所有相關(guān)信息。圖4描述了各種模型的建立和使用過程，IPMM的建立受UML語義和PLMM業(yè)務(wù)規(guī)范的指導，通過模型轉(zhuǎn)化導入MDA工具，由MDA工具實現(xiàn)PLM系統(tǒng)，同時IPMM又受PLM系統(tǒng)的管理，系統(tǒng)通過IPMM在產(chǎn)品形成過程中實例化出IPM，PLM系統(tǒng)在運行過程中的需求可以直接返回IPMM，對IPMM進行改進。

圖4 元模型驅(qū)動的PLM系統(tǒng)實現(xiàn)過程

5 增量式聚合開發(fā)實施應(yīng)用實例

    在上海某重型機器廠的PLM系統(tǒng)開發(fā)實施項目中，本課題組設(shè)計了四種角色(用戶、咨詢顧問、系統(tǒng)分析員和開發(fā)人員)參與該項目，以下描述其增量式開發(fā)實施過程：

    步驟1  根據(jù)已有經(jīng)驗和知識，利用UML創(chuàng)建了PLMM，同時對其他軟件資源模型進行擴展，以滿足系統(tǒng)集成的語義需求。

    步驟2  咨詢顧問負責與用戶交流，逐步了解企業(yè)的業(yè)務(wù)需求。

    步驟3  系統(tǒng)分析員將咨詢顧問對企業(yè)的描述求精，使用UML，在PLMM業(yè)務(wù)規(guī)范約束下對PLMM具體化建立IPMM，如圖5a和圖5b所示，根據(jù)PLMM的PMR，MMR，DoMR，DrMR和MMD，DoMD，DrMD等語義，進行屬性、行為的添加和配置，實例化出滿足企業(yè)需求的零部件模型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型等；根據(jù)Process，Activity，Rule，Resources，Role，Organizations，User等，實例化出企業(yè)不同的過程、資源、角色、人員組織情況，如零部件的設(shè)計過程、零部件的加工制造過程，以及相應(yīng)的資源、角色、人員的使用模型。

圖5 PLMM，IPMM和IPM轉(zhuǎn)換實現(xiàn)過程

    步驟4  根據(jù)初步得到的IPMM，開發(fā)人員把UML圖形化描述的IPMM模型轉(zhuǎn)換成可擴展標記語言(eXtensibleMarkup Language，XML)語言描述的模型。為支持模型驅(qū)動的增量式開發(fā)實施，課題組使用了MDA開發(fā)工具GeneXus，通過模型轉(zhuǎn)換器在GeneXus中導入XML描述的IPMM，生成系統(tǒng)實現(xiàn)模型，得到原型系統(tǒng)，并在開發(fā)階段進行初步測試。

    步驟5  用戶進行大量測試數(shù)據(jù)錄入，從IPMM實例化出IPM，如圖5c所示，描述了系統(tǒng)對部件-入口活套的信息管理。此時，可以測試系統(tǒng)對IPMM和IPM的管理能力，以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性、使用的方便性等指標和業(yè)務(wù)管理上存在的問題。

    五個步驟在開發(fā)實施周期中不斷循環(huán)，系統(tǒng)運行情況和客戶新需求可以豐富經(jīng)驗和知識，優(yōu)化PLMM，同時不斷改進和完善IPMM及軟件系統(tǒng)，體現(xiàn)出增量式開發(fā)的特性。而在一個循環(huán)內(nèi)部，步驟2～步驟4主要描述了IPMM的構(gòu)建和使用，步驟5描述了IPMM的運行，體現(xiàn)出IPMM的聚合特性。

    在具體開發(fā)實施過程中，項目組在制定零部件屬性時，開始只考慮了企業(yè)的內(nèi)部情況，建立的零部件模型如圖5b所示，這個模型通過MDA工具生成了原型系統(tǒng)中零部件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的管理功能。但在實施應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，企業(yè)存在大量的外購件，而每種外購件因為供應(yīng)商的差異，編碼規(guī)則基本不一樣。在此情況下，通常采用兩種解決方案：直接采用外部供應(yīng)商的編碼；外部供應(yīng)商的編碼作為一個屬性加入到PMR中，企業(yè)根據(jù)自己的編碼規(guī)則再進行編碼。項目組采用第二種方案，以便于企業(yè)內(nèi)部零部件的分類、重用和檢索。項目組建立了如圖6所示的UML模型，通過MDA工具生成新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和管理功能，對系統(tǒng)其他部分沒有影響，同時對企業(yè)原來測試和錄入的零部件數(shù)據(jù)也沒有影響，在此只需要在建模系統(tǒng)中建立相應(yīng)的模型，經(jīng)過一定的模型變換，導入到MDA工具中，就能100%生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和代碼，通過模型實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求和軟件系統(tǒng)的快速聚合。

圖6 業(yè)務(wù)需求改變IPMM

    目前，課題組在企業(yè)開發(fā)實施的物料清單(Bill of Material，BOM)管理功能模塊已經(jīng)通過最終測試在企業(yè)運行，而這一階段提交的IPMM局部是后續(xù)采購、生產(chǎn)管理模塊聚合開發(fā)實施的基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

    本文提出了面向PLM系統(tǒng)的增量式聚合開發(fā)實施方法，認為增量式聚合PLM系統(tǒng)開發(fā)實施的關(guān)鍵是IPMM。IPMM的構(gòu)建不僅要滿足業(yè)務(wù)規(guī)范約束，同時要成為系統(tǒng)實現(xiàn)的驅(qū)動模型，還要滿足一定的語義規(guī)范。結(jié)合UML標準，提出了面向PLM環(huán)境下的四層元模型體系結(jié)構(gòu)，使得IPMM不僅能滿足UML語義和PLM業(yè)務(wù)規(guī)范，還能體現(xiàn)企業(yè)的個性化特征。增量式聚合開發(fā)實施方法是一種以客戶需求為主導，注重用戶參與度，功能模塊逐步完善的方法。該方法能迅速獲得企業(yè)的認可，提高客戶滿意度；同時，該方法遵循PLM業(yè)務(wù)規(guī)范原則和特性，能逐步實現(xiàn)PLM的效益。

    本文主要從實現(xiàn)方法層對開發(fā)實施過程進行了描述，因為當前的標準建模語言UML語義尚未完備，同時現(xiàn)有的MDA工具還不足以支持增量式開發(fā)實施方法的一系列觀念，所以在實際的開發(fā)實施過程中，還需要一部分的手工編碼，隨著UML的完善和MDA工具功能的增強，聚合開發(fā)實施效率將會顯著提高。

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本文標題：面向產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)的增量式聚合開發(fā)實施方法研究

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