1 引言
隨著各種商用PDM(Product Data Management,PDM)軟件在飛機制造企業(yè)的廣泛使用,產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)已成為飛機設計、生產(chǎn)制造等行業(yè)門類中不可或缺的軟件應用系統(tǒng),并成為其它信息化系統(tǒng)的基礎平臺。PDM系統(tǒng)主要管理與產(chǎn)品相關的數(shù)據(jù),例如外購件、自制件、設計圖紙、電路板原理圖、工藝圖紙、BOM等相關數(shù)據(jù),按照這些數(shù)據(jù)的來源可歸結為產(chǎn)品設計數(shù)據(jù),但實際上一個產(chǎn)品從最初的設計到交付給用戶方使用的這個過程中,與產(chǎn)品相關的數(shù)據(jù)不僅僅是設計數(shù)據(jù),還有大量的仿真數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)(仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)可歸結為產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)),特別是對于飛機生產(chǎn)制造企業(yè),這些產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)與產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)一樣,重要性程度相當。
產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)是相對于產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)而言的,指的是產(chǎn)品生命周期中各種的仿真實驗、物理試驗、或其它技術分析手段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。與產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)的主要區(qū)別在于,產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)通常是通過技術手段(主要是指采集數(shù)據(jù)的設備和儀器)得到的,而不像產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)是由設計人員設計出來的,因此技術數(shù)據(jù)管理(Technical Data Management,TDM)關注的是如何對這些技術數(shù)據(jù)進行有效的歸檔和使用。
但另一方面,目前PLM(Product Lifecycle Management,PLM)相關的理論和產(chǎn)品都普遍側(cè)重于產(chǎn)品設計數(shù)據(jù),而忽視了對產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)的管理。企業(yè)中的產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)基本上都以文件的形式分散管理,缺乏統(tǒng)一的維護機制,而且由于產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)種類繁多,且格式不統(tǒng)一,存儲和使用都非常困難,數(shù)據(jù)的完整性、一致性、安全性和可用性也難以保障。很明顯,這種混亂的技術數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀無法滿足當前產(chǎn)品研發(fā)制造敏捷化和協(xié)同化的趨勢,正在成為影響企業(yè)業(yè)務效率的新的瓶頸,嚴重阻礙了企業(yè)的信息化水平。
2 國內(nèi)航空業(yè)TDM應用現(xiàn)狀
目前,國內(nèi)許多航空制造企業(yè)都已經(jīng)實施了PDM,實現(xiàn)了對企業(yè)在研的產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)的管理,而對研制過程中針對產(chǎn)品大量試驗和仿真數(shù)據(jù)未進行分類、組織和管理,造成了產(chǎn)品研制過程技術數(shù)據(jù)管理上的空白,為以后新品的研制帶來了大量的隱患。
在仿真領域,較早就提出了仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Simulation Data Management,SDM)的概念,也出現(xiàn)了一些軟件產(chǎn)品和應用案例。目前仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要可以分為兩種類型:一種是企業(yè)或科研單位針對白身業(yè)務需求所開發(fā)的定制化系統(tǒng),這種系統(tǒng)通常綁定在特定的仿真應用上,通用性還不是很好,難以在其他業(yè)務背景下使用;另一種是較大的仿真公司針對自己的仿真軟件提供的配套工具,這種系統(tǒng)通常只能與特定的仿真軟件配合工作,還未能成為獨立的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)?偟膩碚f,目前仿真數(shù)據(jù)管理領域還沒有出現(xiàn)具有較強通用性的軟件系統(tǒng),定制化或?qū)S没那闆r較為嚴重,通用性不強,只可以進行工程定制。
在試驗領域,對應的是試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Test Data Management,TDM)。試驗數(shù)據(jù)管理最近幾年才為國內(nèi)企業(yè)所注意,但發(fā)展和應用非常迅速,目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了商品化的試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),典型的如Newtera TDM和App TDM等。由于試驗數(shù)據(jù)的來源通常是試驗設備,某種程度上屬于黑箱系統(tǒng),使得試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以盡量避免同其他軟件之間的緊密耦合,更有可能成為一個通用性的系統(tǒng),而且由于試驗數(shù)據(jù)同仿真數(shù)據(jù)之間具有很多相似性,一些企業(yè)選擇用試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來管理仿真數(shù)據(jù),也取得了很好的效果。
值得注意的是,目前人們對技術數(shù)據(jù)管理的復雜性和特殊性通常認識不夠深刻。普遍的觀點是,技術數(shù)據(jù)管理就是在數(shù)據(jù)庫之上開發(fā)一些與技術分析活動相關的應用模塊。但很快人們就發(fā)現(xiàn),基于這種想法開發(fā)出來的技術數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在軟件成熟度、實用性、易用性、靈活性和擴展性等方面存在著諸多問題。實際上,正如產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)需要由成熟的PDM系統(tǒng)進行管理一樣,產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)管理也是一個復雜的系統(tǒng)性問題,是一個貫穿信息化理念和具體業(yè)務實現(xiàn)的復雜過程,而這個過程僅靠簡單的數(shù)據(jù)庫應用程序是難以勝任的,必須在成熟的TDM系統(tǒng)的支持下,其效果才能得到充分的展現(xiàn)。
3 基于TDM系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)
3.1 TDM系統(tǒng)特點分析
①豐富的表現(xiàn)形式
技術數(shù)據(jù)(如仿真結果、試驗結果等等)大多以物理文件的形式存在,從簡單的文本文件到各種復雜的二進制文件,具有多種多樣的表現(xiàn)形式,不同的項目、人員、儀器、軟件所產(chǎn)生的技術數(shù)據(jù)都互不相同。
技術數(shù)據(jù)是技術分析活動的直接結果,而技術分析活動是隨著企業(yè)業(yè)務的發(fā)展和技術的進步而不斷變化的,這直接導致了相應的技術數(shù)據(jù)的信息結構也隨之發(fā)生變化。這個特點決定了技術數(shù)據(jù)不能簡單的同靜態(tài)的數(shù)據(jù)庫模型相綁定,而要提供靈活的數(shù)據(jù)映射機制,以及強大的數(shù)據(jù)模型定義工具,可以幫助用戶根據(jù)業(yè)務的進展動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)模型。
大部分仿真或試驗所產(chǎn)生的結果數(shù)據(jù)通常都比較大,例如,一個每10毫秒采樣一次的采樣系統(tǒng),持續(xù)工作30分鐘,所產(chǎn)生的記錄就有180000條。其他一些更加特殊的試驗,如飛機試飛試驗、艦艇噪聲試驗等等,每次產(chǎn)生的試驗數(shù)據(jù)文件達到幾百兆甚至幾個G的容量。而TDM系統(tǒng)所需要管理的又不僅僅是一次試驗所產(chǎn)生的數(shù)據(jù),還包括大量的歷史數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)容量是持續(xù)快速增加的。
②較細的控制粒度
對產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)的管理粒度通常停留在文件級,這是由于設計數(shù)據(jù)通常都是由計算機輔助工具所生成的二進制文件,文件的信息結構不公開,只能通過專用工具進行訪問和修改,用戶或其他系統(tǒng)無法直接觸及文件內(nèi)部的信息,所以其訪問、修改、和權限控制等等都是針對整個文件的。而產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)的情況有所不同。由于產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)的生成者通常都不是數(shù)據(jù)的使用者,為了讓其他系統(tǒng)能夠訪問和使用數(shù)據(jù),技術數(shù)據(jù)的信息結構通常是公開的,這使得對數(shù)據(jù)進行細粒度的控制成為可能。產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)和產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)的應用對比如圖1所示。
圖1 產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)和產(chǎn)品技術數(shù)據(jù)的應用對比
由于信息結構公開,對技術數(shù)據(jù)的訪問、修改和權限控制可以深入到每條記錄甚至每個字段。例如,用戶可能需要直接查看指定采樣時刻的技術指標,或設定某些指標為秘密指標,未經(jīng)授權的用戶不得查看。細粒度的控制提高了技術數(shù)據(jù)的應用靈活性,但同時也增加了TDM系統(tǒng)的開發(fā)技術難度。
③復雜的關聯(lián)關系
技術數(shù)據(jù)之間通常并不是彼此獨立的,而是相互關聯(lián)、互為補充的。例如,某次試驗結果需要同相應的設備、產(chǎn)品、場地、工況、人員、以及其他信息關聯(lián)起來,才能夠構成一個完整的試驗場景。用戶在瀏覽某個技術分析數(shù)據(jù)的時候,常常需要快速導航到其他關聯(lián)數(shù)據(jù)。因此,如何建立并維護試驗數(shù)據(jù)之間復雜的關聯(lián)關系也是TDM必須要考慮的內(nèi)容之一。
④開放的應用模式
技術數(shù)據(jù)需要為多個不同的應用系統(tǒng)所使用,如各種統(tǒng)計分析軟件、指標評估軟件、場景回放軟件等等。這其中除了商用軟件之外,還包括大量的白行研制的算法和白行研制的工具,而且這樣的軟件工具未來還可能越來越多。這些應用系統(tǒng)是企業(yè)現(xiàn)有業(yè)務流程的重要組成部分,如果不能在新的系統(tǒng)中得到很好的集成,將會嚴重影響現(xiàn)有業(yè)務模式的順利進行。因此,TDM系統(tǒng)中對技術數(shù)據(jù)的管理和使用必須采用開放的模式,必須能夠有效集成商用軟件和白研工具,實現(xiàn)同用戶現(xiàn)有業(yè)務模式之間的平滑過渡,使得技術數(shù)據(jù)可以真正在產(chǎn)品研發(fā)和制造過程中發(fā)揮重要作用,F(xiàn)有的實施的TDM中可以對數(shù)據(jù)類型和流程可以按照企業(yè)的要求進行定制。
3.2 TDM系統(tǒng)關鍵技術分析
由于技術數(shù)據(jù)的諸多特點,決定了TDM系統(tǒng)的設計和開發(fā)是一個復雜的系統(tǒng)T程,需要解決以下關鍵技術,包括結構化數(shù)據(jù)的管理、非結構化數(shù)據(jù)的管理、系統(tǒng)可擴展性三個方面。
①結構化數(shù)據(jù)管理
結構化數(shù)據(jù)是技術數(shù)據(jù)的主要表現(xiàn)形式。所謂結構化數(shù)據(jù)不是指已經(jīng)保存到關系化數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),實際上,這些數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式還是文件,只是這些文件的格式比較規(guī)范,可以很容易的轉(zhuǎn)換為二元關系化數(shù)據(jù)。常見的采樣數(shù)據(jù)文件就是一個典型的例子:每個文件由多行數(shù)據(jù)行組成,而每行數(shù)據(jù)又分為多個指標,從而形成一個二維矩陣的形式。在實際應用中,數(shù)據(jù)可能并不是從文件的第一行開始,前面可能還有一些非結構化的信息,如試驗時間、試驗說明等等。
概括來說,對這些結構化數(shù)據(jù)的管理可以采用兩種方式:①保留數(shù)據(jù)的文件形式;②將數(shù)據(jù)通過解析后保存到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。第一種方式在一些比較簡單的信息化系統(tǒng)中或一些特殊的應用中(如數(shù)據(jù)量過大,用戶希望按文件方式保存)可能會采用。大部分情況下,TDM系統(tǒng)應該采用第二種方式來管理結構化數(shù)據(jù)。這是因為相對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)而言,文件系統(tǒng)缺乏高效的和細粒度的數(shù)據(jù)處理機制,也缺乏對并發(fā)控制、事務處理等高級特性的支持,對文件中的數(shù)據(jù)進行讀取、查詢、統(tǒng)計、修改、權限控制等等都將非常困難。只有將技術數(shù)據(jù)以結構化記錄的方式保存在數(shù)據(jù)庫中,才能夠有效利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所提供的各種高效的數(shù)據(jù)處理功能,充分發(fā)揮出技術數(shù)據(jù)的價值。
②非結構化數(shù)據(jù)管理
除了結構化數(shù)據(jù)之外,非結構化數(shù)據(jù)也是技術數(shù)據(jù)的重要表現(xiàn)形式,如各種試驗文檔、音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等等,很多試驗儀器輸出的原始數(shù)據(jù)也采用非結構化文件形式。非結構化數(shù)據(jù)的重要特點是:內(nèi)部結構不公開或結構復雜,難以轉(zhuǎn)換為二維關系化結構。對于非結構化數(shù)據(jù)的管理通常采用文件加索引的方式,即仍然將非結構化數(shù)據(jù)以文件形式保存到文件系統(tǒng)中,但是將相關的路徑和說明信息等保存在TDM數(shù)據(jù)庫中,兩者之間實現(xiàn)同步更新。
相對于結構化數(shù)據(jù)而言,非結構化數(shù)據(jù)雖然不需要進行復雜的解析和導人操作,但并不代表非結構化數(shù)據(jù)的管理比較簡單。實際上,對非結構化數(shù)據(jù)的管理也需要解決很多關鍵問題。例如,如何從大量的非結構化試驗文檔中查詢出用戶所需要的文檔,這要求TDM可以實現(xiàn)對非結構化數(shù)據(jù)的快速全文搜索,而且搜索結果必須符合相關的權限設置。
③系統(tǒng)框架及可擴展性
隨著Web技術的不斷發(fā)展,B/S架構已經(jīng)成為企業(yè)信息化系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。相對于傳統(tǒng)的C/S架構而言,B/S架構在易部署性、易維護性、易擴展性上都有著非常明顯的優(yōu)勢。由于TDM系統(tǒng)需要面向大量的網(wǎng)絡用戶,采用B/S模式是較好的選擇。
可擴展性是TDM系統(tǒng)必須考慮的另一個重要問題。如果TDM系統(tǒng)只是根據(jù)特定的業(yè)務需求進行設計和開發(fā)的,未能充分考慮到未來的發(fā)展,系統(tǒng)剛性過強,那么在應用場景發(fā)生變化的時候,將會由于難以適應新的需求而被淘汰,甚至會導致很多珍貴的歷史數(shù)據(jù)由于不能平滑遷移而被丟棄掉。為了避免這種情況,TDM系統(tǒng)必須具有足夠的可擴展性,能夠根據(jù)業(yè)務需求的變化動態(tài)地調(diào)整數(shù)據(jù)結構和功能,實現(xiàn)與企業(yè)業(yè)務的同步發(fā)展,減少企業(yè)在信息化建設上的重復投資。
3.3 TDM系統(tǒng)架構及典型應用場景
一個完善的TDM系統(tǒng)應具有以下基本功能模塊,試驗儀器設備數(shù)據(jù)采集,試驗項目管理、試驗數(shù)據(jù)管理、試驗流程管理、試驗資源管理、計量管理、試驗數(shù)據(jù)后處理、第三方集成接口(與其它應用系統(tǒng)的接口)。其中,試驗項目管理、試驗數(shù)據(jù)管理和試驗資源管理是TDM的重要組成模塊,是系統(tǒng)的關鍵,而試驗儀器設備數(shù)據(jù)采集需要根據(jù)具體的儀器設備進行定制開發(fā),因此該部分是該項目的難點。
3.4 TDM系統(tǒng)關鍵應用場景
①校驗、篩選試驗數(shù)據(jù):
在試驗數(shù)據(jù)的顯示頁面,系統(tǒng)能自動校驗并用紅色圖標標注出異常的數(shù)據(jù)值。您能根據(jù)繪圖或計算的需要對試驗數(shù)據(jù)進行橫向和縱向選擇,并可將篩選的數(shù)據(jù)導出為Excel文件,繪制曲線,或保存到系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)筐”中以便進行數(shù)據(jù)對比。
②繪圖、計算、導出:
系統(tǒng)提供了豐富的試驗數(shù)據(jù)后置處理功能,能對試驗數(shù)據(jù)進行在線繪圖,或自動調(diào)用繪圖工具(Origin,Matlab或TecPlot等)進行離線繪圖。提供了各種計算公式(包括方差、標準差、插值、擬合等),并可根據(jù)需要擴展算法;提供了將試驗數(shù)據(jù)導出為包含表頭的文本或Excel文件。
③一鍵生成試驗報表:
系統(tǒng)提供了“一鍵生成”基于Word或Excel模板的試驗報告、試驗數(shù)據(jù)表格、試驗日志報表和其它相關報表的功能。
4 結束語
TDM是PLM的重要環(huán)節(jié),是對PDM重要補充。通過對技術數(shù)據(jù)進行有效的管理和使用,企業(yè)可以更加完整準確地了解產(chǎn)品相關信息,為研發(fā)制造和相關業(yè)務決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。另一方面,由于技術數(shù)據(jù)的復雜特點,決定了TDM也是一項復雜的系統(tǒng)工程,需要解決諸多關鍵技術,是簡單的基于數(shù)據(jù)庫的應用系統(tǒng)所無法勝任的,必須基于成熟的TDM軟件來實現(xiàn)。
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