1 重型裝備制造企業(yè)PDM系統(tǒng)的需求分析
1.1 重型裝備制造企業(yè)的基本特點
重型裝備制造企業(yè)屬于典型的多品種、小批量離散制造業(yè)，與流程型行業(yè)及批量生產(chǎn)的離散制造業(yè)相比，具有自身鮮明的特點，這些特點也造成了其企業(yè)信息化建設(shè)路線上的不同。
重型裝備制造企業(yè)通常都是面向訂單組織生產(chǎn)的機械制造企業(yè)，產(chǎn)品主要是大型成臺套設(shè)備。成臺套產(chǎn)品都是由成千上萬個零件組成，相關(guān)性強，重復(fù)性低。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，專用程度高。產(chǎn)品類型非常多，而每種產(chǎn)品的批量較小。產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計涉及多組織，業(yè)務(wù)交叉，流程復(fù)雜且準(zhǔn)并行，物料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)龐大且換發(fā)頻次高，數(shù)據(jù)傳遞批次多，業(yè)務(wù)協(xié)同和數(shù)據(jù)同步難度大。產(chǎn)品生產(chǎn)工序周期長，技術(shù)復(fù)雜，涉及冶煉、鑄造、鍛造、焊接、熱處理、機械加工、裝配等幾大專業(yè)領(lǐng)域。企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的布置不是按產(chǎn)品布置而是按照工藝職能進行布置的。例如機械加工是按車、磨、刨、銑等專業(yè)設(shè)備來安排機床的位置。在組織生產(chǎn)時，每個零件的工藝流程都可能不一樣，而且可以進行同種加工工藝的機床有多臺。每個零件的加工路線靈活多變，即使同一種零件的加IT路線，加工機床，加工方法都不一定一樣。零件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率很大程度依賴于加工工人的技術(shù)水平、工藝方法及裝備精度，自動化主要集中在單元級，例如數(shù)控機床等。
基于重型裝備制造企業(yè)的特點，其PDM系統(tǒng)的需求與傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)相比有其自身特點，具體體現(xiàn)在：
(1)傳統(tǒng)PDM核心數(shù)據(jù)模型架構(gòu)存在缺陷，不具備定義完整制造過程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和圖文檔數(shù)據(jù)之間的事務(wù)一致性較難保證：BOM數(shù)據(jù)的變更處理非常困難，難以管理各種變更及變更的后續(xù)處理：與CAD軟件集成方式別扭等等。
(2)重型裝備行業(yè)的業(yè)務(wù)運作的主要信息載體是物料，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)都是圍繞著物料不斷添加表達制造過程的數(shù)據(jù)。
1.2 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)
重型裝備行業(yè)的PDM系統(tǒng)應(yīng)從技術(shù)支撐能力和功能實現(xiàn)上滿足企業(yè)內(nèi)部技術(shù)準(zhǔn)備業(yè)務(wù)相關(guān)的信息化總體需求，為企業(yè)構(gòu)造數(shù)字化技術(shù)準(zhǔn)備業(yè)務(wù)體系支撐平臺和企業(yè)級協(xié)同化產(chǎn)品研發(fā)平臺。其主要目標(biāo)如下：
(1)改變重型裝備行業(yè)現(xiàn)有基于訂貨代號的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理模式，在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)以物料為數(shù)據(jù)組織核心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)全面管理模式。奠定面向制造的種、項、件管理基礎(chǔ)，能夠構(gòu)造并輸出全面的BOM數(shù)據(jù)，確保產(chǎn)品數(shù)據(jù)有序、統(tǒng)一、準(zhǔn)確、單源。逐步實現(xiàn)產(chǎn)品工程研發(fā)知識的自然沉淀。
(2)強化任務(wù)管理功能，從目前較為獨立的任務(wù)管理和工作流管理過渡到面向項目、基于流程、任務(wù)驅(qū)動的業(yè)務(wù)過程管理。從而實現(xiàn)技術(shù)準(zhǔn)備業(yè)務(wù)管理過程、執(zhí)行過程、變更過程的協(xié)同，控制進度計劃，確保準(zhǔn)時交付。
(3)打破傳統(tǒng)PDM與CAD集成的方式，重構(gòu)二維CAD軟件與PDM系統(tǒng)集成方式，實現(xiàn)工程圖形數(shù)據(jù)與工程管理數(shù)據(jù)分立維護、集成展示，并初步建立起3D CAD軟件與PDM系統(tǒng)集成模式。通過CAD設(shè)計工具與PDM管理過程的深度集成，杜絕設(shè)計源頭數(shù)據(jù)的冗余與錯亂，確保設(shè)計數(shù)據(jù)源頭單源、準(zhǔn)確，避免錯誤放大擴散。
(4)實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)庫平臺的工藝設(shè)計數(shù)據(jù)編制和管理、工藝文件圖形版展示的雙軌制的工藝處理方式。
(5)強化信息生命周期的有效性控制，細(xì)化系統(tǒng)權(quán)限控制的力度和范圍，優(yōu)化系統(tǒng)容錯方式和錯誤跟蹤與追溯機制，實現(xiàn)對系統(tǒng)安全的全面、精確控制。保證各種訪問許可之間的一致性，確保設(shè)計數(shù)據(jù)不被有意或無意的破壞。
(6)增強產(chǎn)品數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析能力，統(tǒng)一考慮產(chǎn)品數(shù)據(jù)技術(shù)狀態(tài)、相關(guān)人員工作負(fù)荷、產(chǎn)品數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系等內(nèi)容。對產(chǎn)品、過程、用戶進行可視化查詢與分析，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)運行的狀態(tài)管理可視可控，數(shù)據(jù)關(guān)系梳理關(guān)聯(lián)有序，為管理者提供決策輔助支持。
(7)通過規(guī)范系統(tǒng)業(yè)務(wù)操作、細(xì)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、強化變更過程控制，使產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有效性控制從事后和事中校驗，轉(zhuǎn)化為事前控制。任何“備注”信息均不能作為系統(tǒng)處理依據(jù)，確保產(chǎn)品數(shù)據(jù)在設(shè)計過程和變更過程中的有效性得到嚴(yán)格控制。消除電子數(shù)據(jù)與紙質(zhì)數(shù)據(jù)可能會發(fā)生的不一致問題。
2 數(shù)據(jù)框架設(shè)計
PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)框架既包含業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，也包含業(yè)務(wù)過程以及控制過程，因此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)框架應(yīng)該是全關(guān)聯(lián)的全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)框架。全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)框架包含物料框架用于描述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，項目框架用于描述工作分解，任務(wù)框架用于描述業(yè)務(wù)過程，安全框架用于描述訪問管控。
(1)物料框架
重型裝備企業(yè)的核心業(yè)務(wù)運作的主要載體是物料，技術(shù)準(zhǔn)備所生成的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)制造所需要的數(shù)據(jù)包括：組成最終產(chǎn)品的所有物料及其相互裝配關(guān)系；制造過程中消耗（使用）的所有物料及其相互裝配關(guān)系；每項物料的制造方法、加工過程，以及關(guān)聯(lián)物料之間的漸次加工的相互邏輯關(guān)系與形態(tài)變化，組合加工、工裝匹配、開坯、焊縫等特定物料變化的完整的數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)：物料所關(guān)聯(lián)的技術(shù)文件。
(2)項目框架
項目框架按照產(chǎn)品的組織形式，針對特定的項目要求，對產(chǎn)品的技術(shù)準(zhǔn)備業(yè)務(wù)過程進行任務(wù)分解，分解后形成項目的WBS分解結(jié)構(gòu)。項目的分解過程一方面是對產(chǎn)品大框架的分解過程，另一方面也是對工作任務(wù)的分解過程。分解后形成相應(yīng)的任務(wù)包（即WBS節(jié)點），在任務(wù)包之下即可以展開具體的產(chǎn)品技術(shù)準(zhǔn)備業(yè)務(wù)過程。
(3)任務(wù)框架
任務(wù)框架以WBS所形成的任務(wù)包作為輸入，以形成的零件、圖紙、路線等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)作為輸出。通過工作流程將任務(wù)對象組織起來，并對任務(wù)的執(zhí)行過程進行控制和管理，從而和WBS結(jié)合起來對整個業(yè)務(wù)過程進行管控。
(4)安全框架
安全框架核心在于用戶、角色、部門的權(quán)限如何分配和控制。建立由“行政組織+產(chǎn)品組織+角色+時效性+流程任務(wù)+任務(wù)狀態(tài)”等要素組合控制的權(quán)限管理。即，以“行政組織+產(chǎn)品組織+角色”配置用戶的基本權(quán)限（組），以“流程任務(wù)”節(jié)點的任務(wù)鎖定用戶的當(dāng)前執(zhí)行權(quán)限（行政組織節(jié)點、WBS/BOM節(jié)點、當(dāng)前執(zhí)行角色），以時效性和任務(wù)狀態(tài)進一步針對性地約束和限制用戶的當(dāng)前執(zhí)行權(quán)限。
對應(yīng)一項流程的任何一個節(jié)點的工作任務(wù)（或工作對象），已經(jīng)包含了其隸屬的產(chǎn)品組織節(jié)點、行政組織節(jié)點、任務(wù)狀態(tài)、用戶的當(dāng)前執(zhí)行角色等確定權(quán)限的充分必要條件，其權(quán)限是確定的。
PDM系統(tǒng)主程序框架采用動態(tài)插件的方式進行實現(xiàn)。系統(tǒng)主體分為業(yè)務(wù)功能和系統(tǒng)功能兩大部分，另外還有和外部應(yīng)用系統(tǒng)的集成接口。在系統(tǒng)功能中，主要完成權(quán)限管理、流程模板管理等支系統(tǒng)正常運行的、面向系統(tǒng)管理人員使用的功能。業(yè)務(wù)功能主要包括任務(wù)管理、變更管理以及各專業(yè)的業(yè)務(wù)操作等功能，主要面向?qū)I(yè)技術(shù)人員的具體日常業(yè)務(wù)應(yīng)用。對于設(shè)計工作和工藝工作來講，通過重構(gòu)二維CAD軟件與PDM系統(tǒng)集成方式，實現(xiàn)工程圖形數(shù)據(jù)與工程管理數(shù)據(jù)分立維護、集成展示。其圖紙設(shè)計與維護過程在系統(tǒng)中得到控制，將原來的批量導(dǎo)人方式轉(zhuǎn)化為每件處理的方式。同時，優(yōu)化現(xiàn)有的圖形版的工藝編制方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆跀?shù)據(jù)庫平臺的工藝設(shè)計數(shù)據(jù)編制、管理（數(shù)據(jù)版）和工藝文件動態(tài)可視化生成展示的方式。
3 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計
3.1 物料結(jié)構(gòu)變遷與管理
物料結(jié)構(gòu)的變遷與管理實際上就是對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)形成過程的控制和形成結(jié)果的管理。對其管控的目的是保證數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的正確性，以及其與業(yè)務(wù)過程的符合性。既要保證基礎(chǔ)物料在業(yè)務(wù)處理過程中能夠進行正確的組織和關(guān)聯(lián)，還要保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在不同視角下能以不同的方式展示。
物料結(jié)構(gòu)變遷與管理的基本思路是用種項件的方式和概念來組織物料的基本結(jié)構(gòu)，用物料變遷約束來關(guān)聯(lián)物料的邏輯變化結(jié)果，用多視圖方式來管理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同視角。
種項件方式分層次對物料進行結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，種獨立于產(chǎn)品，項為結(jié)構(gòu)關(guān)系，件為訂貨代號，并記錄裝配路徑。
物料變遷約束主要是通過關(guān)系來記錄物料的前驅(qū)和后繼，且區(qū)分前后的關(guān)系類型，如開坯關(guān)系、加工關(guān)系、裝配關(guān)系等。
物料結(jié)構(gòu)及其變遷主要分為四部分來進行管控，即從設(shè)計的角度來看所構(gòu)造的物料及其結(jié)構(gòu)，從工藝的角度來看體現(xiàn)物料的形成過程及其結(jié)構(gòu)，從過程管理的角度來看其與過程的關(guān)系，以及從其他視角看所需要的結(jié)構(gòu)。這里，根據(jù)現(xiàn)有的情況，假定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)指的是具有裝配關(guān)系的完整產(chǎn)品，BOM指各種和物料相關(guān)的清單。
(1)種項件構(gòu)成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
種——要素和基本屬性相同的零件，即物料。它是產(chǎn)品的基本組成又超越產(chǎn)品，在物料表（零件庫）內(nèi)，擁有唯一的標(biāo)識代碼(Item ID)。
項——組成產(chǎn)品的零件實例，針對特定產(chǎn)品，是“種”零件的引用。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，每一個實際的節(jié)點就對應(yīng)著一項零件，或者認(rèn)為項就是訂貨代號，擁有自己唯一的標(biāo)識代碼(Part ID)。
件——是生產(chǎn)中的實物，不在PDM系統(tǒng)中進行管理。
物料是產(chǎn)品的源頭，項引用物料，它既表達了物料相互之間的裝配結(jié)構(gòu)，又反映了客戶需要的訂貨代號的格式。
訂貨代號通過記錄零件、裝配以及BOM路徑唯一確定物料結(jié)構(gòu)展示。BOM路徑是通過物料ID所形成的具有上下級父子關(guān)系的結(jié)構(gòu)。通過“訂貨代號+BOM路徑”的組合來唯一確定物料結(jié)構(gòu)展示。種項結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。
圖1 種項結(jié)構(gòu)示意圖
(2)工藝過程驅(qū)動的物料結(jié)構(gòu)
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的物料是制造的最終結(jié)果，但是物料本身的形態(tài)也在制造過程中發(fā)生變化。因此，需要有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄其變化過程中的階段結(jié)果。
一個物料形成的完整過程見圖2。
圖2 物料形成過程
從最初的原材料到最終的成品，經(jīng)歷一個逐步變化的過程。每一步也會生成相應(yīng)的物料，這些物料也具有自己的描述性數(shù)據(jù)，靠工藝過程驅(qū)動，靠制造過程實現(xiàn)。為了記錄其變化過程，可以設(shè)定如下的記錄方式：為物料分類，物料記錄其分類形式（主要是為了相關(guān)邏輯處理），并記錄其源物料。其數(shù)據(jù)關(guān)系見圖3。
圖3 物料形成過程關(guān)系
比較特殊的是開坯、焊接和合鑄，他們的物料關(guān)系比較復(fù)雜。但是，從物料形成和物料裝配的角度來嚴(yán)格區(qū)分的話，只有開坯屬于物料自身形態(tài)的變化，而焊接和合鑄嚴(yán)格上都是裝配關(guān)系，因此他們之間的關(guān)系按照裝配結(jié)構(gòu)來處理，見圖4。記錄源物料這樣一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠滿足開坯過程的要求。
圖4 物料關(guān)系分析
(3)業(yè)務(wù)過程與物料的關(guān)系
業(yè)務(wù)過程和物料的關(guān)系是指在業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中，任務(wù)以及依據(jù)任務(wù)而生成的物料之間的關(guān)系�；旧峡梢苑纸鉃槿齻�方面：項目任務(wù)WBS與頂層物料的關(guān)系，設(shè)計任務(wù)與物料的關(guān)系，以及工藝任務(wù)與工藝物料的關(guān)系。
業(yè)務(wù)過程是可以和物料分離存在的，在業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中產(chǎn)生了物料數(shù)據(jù)，但是物料數(shù)據(jù)不是依附于業(yè)務(wù)過程而存在。
在WBS分解的同時，即生成對應(yīng)的頂層物料，而且這些物料自動構(gòu)建起對應(yīng)的頂層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。執(zhí)行流程任務(wù)時，如果是設(shè)計任務(wù)，則其任務(wù)的產(chǎn)出為物料。物料根據(jù)裝配關(guān)系搭建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，每個設(shè)計任務(wù)對應(yīng)一個物料。如果是執(zhí)行工藝任務(wù)，若有工藝物料則生成對應(yīng)的物料，同時將生成的工藝文檔掛接在物料上。
(4)和報表相關(guān)的BOM及多視圖
如果我們把BOM定義為一種產(chǎn)品構(gòu)成信息以不同形式抽取而生成的輸出性的結(jié)果，那么其本身就是一種報表。是結(jié)果而沒有過程，因此不需要管理其過程，只需要按照需求輸出即可。如果產(chǎn)品有變化則再次輸出。
3.2 圖形分離存儲與動態(tài)拼接處理
圖形的動態(tài)拼接主要是為了實現(xiàn)圖紙的結(jié)構(gòu)化信息與圖紙的非結(jié)構(gòu)化信息的分離管理與集成展示，從而徹底解決CAD的深度集成問題。
圖形的動態(tài)拼接主要思路為結(jié)構(gòu)化信息在圖形的可視化輸出、圖形與圖框和圖塊的動態(tài)組合。其核心在于各種圖形要素的位置定位以及動態(tài)插入。
結(jié)構(gòu)化信息主要包括圖紙本身的描述信息和裝配圖中的參裝件信息以及技術(shù)要求、變更等信息。這些信息在動態(tài)輸出時根據(jù)繪制規(guī)則，自動將其映射為標(biāo)題欄塊、明細(xì)欄塊以及技術(shù)要求塊和變更塊，并將其自動插入圖形的約定位置或者保存時記憶的位置。
然后將圖形插入圖框的特定位置，進而形成一個完整的CAD圖形。
圖形的分離存儲和動態(tài)拼接的基本實現(xiàn)原理是將圖紙各要素分離，記錄他們之間的邏輯關(guān)系和位置關(guān)系，然后分離存儲。在顯示圖形時，將這些分離的數(shù)據(jù)取出，按照邏輯關(guān)系和位置關(guān)系進行拼接，然后顯示。
需要分離的數(shù)據(jù)可以分解為：圖框、圖形、技術(shù)要求、變更區(qū)域。其中，圖框容納圖形，技術(shù)要求和變更區(qū)域在圖形中繪制。為了實現(xiàn)其能夠分離存儲，將技術(shù)要求和變更區(qū)域以及明細(xì)欄和標(biāo)題欄作為塊輸入。圖形結(jié)構(gòu)化分解示意圖見圖5。
圖5 圖形結(jié)構(gòu)化分解
在存儲時，首先根據(jù)系統(tǒng)預(yù)定義的圖框信息，從規(guī)定坐標(biāo)范圍內(nèi)取圖形數(shù)據(jù)，然后過濾掉技術(shù)要求、變更區(qū)域等塊，剝離出來圖形信息。
然后再把技術(shù)要求塊、變更區(qū)域塊等信息提取出來。最后把圖形、技術(shù)要求、變更區(qū)域等數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱餍畔�，這些信息內(nèi)置了位置信息，存儲為物理文件。圖形結(jié)構(gòu)化對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。
圖6 圖形結(jié)構(gòu)化對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在拼接圖形時，根據(jù)圖紙對象，獲取所關(guān)聯(lián)的圖框、圖形、變更區(qū)域、技術(shù)要求等，將這些數(shù)據(jù)以流的方式合并在一起，并從結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)，填充到相應(yīng)的標(biāo)題欄和明細(xì)欄，從而形成一個完整的圖形文件。
4 結(jié)語
傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)在重型裝備行業(yè)的推行一直是企業(yè)信息化領(lǐng)域的難點，其根本原因就是數(shù)據(jù)量大，變化多。本文探討了這兩個現(xiàn)象背后的實質(zhì)，并給出了基于工藝過程的全新物料模型。解決了傳統(tǒng)PDM數(shù)據(jù)模型架構(gòu)存在的缺陷，具備定義完整制造過程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)都是圍繞著物料不斷添加表達制造過程的數(shù)據(jù)，并重構(gòu)了CAD與PDM的集成關(guān)系，解決了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和圖文檔數(shù)據(jù)之間的事務(wù)一致性。
該理論和架構(gòu)模型已經(jīng)在某大型重型裝備制造業(yè)的PDM升級改造項目中得以實施，體現(xiàn)與傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)模型相比，新系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢，為重型裝備制造企業(yè)實施PDM系統(tǒng)探索了一條新的可行方案。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：PDM系統(tǒng)在重型裝備制造業(yè)的應(yīng)用研究
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