產(chǎn)品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM) 是指對產(chǎn)品規(guī)劃、概念設計、工程化設計、生產(chǎn)、營銷、維修與售后服務的全生命周期中的信息與過程的管理，既是一門設計制造技術(shù)，又是一種設計制造理念。PLM支持并行設計、敏捷制造、協(xié)同設計和制造，以及網(wǎng)絡化制造等先進設計制造技術(shù)手段。在企業(yè)實施PLM過程中，積累了大量知識源數(shù)據(jù)，目前如何根據(jù)已有的PLM系統(tǒng)，對企業(yè)的知識進行有效管理，正受到越來越多人的關(guān)注。當前對企業(yè)知識管理方面，眾多學者進行了大量研究。Hanley指出“知識管理是一組能夠展現(xiàn)組織設計與經(jīng)營原則、流程、組織架構(gòu)和應用技術(shù)的集合，它能幫助知識工作者以驚人的效率展現(xiàn)他們的創(chuàng)新能力，為企業(yè)創(chuàng)造價值。Eppler等認為，知識可視化是一種通過提供比信息可視化更加豐富的表達用戶所知道內(nèi)容的方式，以提高人們之間的知識傳播和創(chuàng)新。由此可見，知識可視化可以提高知識管理的效率，而在如何實現(xiàn)知識的可視化管理方面，國內(nèi)外也進行了一些研究。Alla Anohina 等認為，基于概念圖的知識管理系統(tǒng)能幫助初學者降低任務的難度。Sigmar 等認為，使用概念圖能實現(xiàn)知識管理的可視化，能對知識進行組織、分發(fā)等。
在企業(yè)的各種活動中，新產(chǎn)品研發(fā)對提高企業(yè)的競爭力有著至關(guān)重要的作用，相應地在PLM系統(tǒng)中，企業(yè)核心的知識都是基于新產(chǎn)品開發(fā)的，如何對新產(chǎn)品開發(fā)過程進行知識管理，是具有現(xiàn)實意義的�，F(xiàn)有的PLM系統(tǒng)在產(chǎn)品開發(fā)中主要起著文檔倉庫作用，當某種類型產(chǎn)品研發(fā)成功后，再次研發(fā)類似產(chǎn)品時，PLM系統(tǒng)中只是保存著以前產(chǎn)品的最終設計結(jié)果，由這些數(shù)據(jù)了解原來產(chǎn)品的設計過程比較困難，特別是以項目開發(fā)為中心的企業(yè)，人員隨項目的建立而組織，人員流動性比較大，產(chǎn)品開發(fā)知識庫比較難以建立。在PLM的知識管理研究中，有幾個問題有待解決: 首先，設計人員本身都很難分清知識，由于整個設計過程就是一個知識演變過程，相關(guān)知識提取應該是邊設計邊提取; 其次，PLM能夠管理設計的文檔和流程，它能將設計結(jié)果文檔化和流程化，但是設計思維過程和知識如何與文檔相關(guān)聯(lián)無法體現(xiàn)。從現(xiàn)有PLM系統(tǒng)數(shù)據(jù)是不能得到或很難恢復原來設計過程全貌，而這部分知識恰恰是整個設計中比較重要的一部分。對于設計過程中的知識管理，Amrit Tiwana 等通過概念圖應用于新產(chǎn)品開發(fā)知識可視化管理中發(fā)現(xiàn)，在復雜產(chǎn)品開發(fā)中，用概念圖進行知識管理可以降低設計復雜性，增加設計過程柔性。
綜上所述，本文通過建立產(chǎn)品全生命周期概念圖定義，設計該概念圖與PLM系統(tǒng)中各種設計文檔關(guān)聯(lián)規(guī)則，明確產(chǎn)品全生命周期概念圖的存儲格式，探索新產(chǎn)品開發(fā)知識可視化管理的新方法。
1 PLM中知識管理的對象
企業(yè)的所有數(shù)據(jù)，如設計、加工制造以及企業(yè)流程活動等數(shù)據(jù)都已經(jīng)儲存在PLM系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)是知識的載體，要獲得可以利用的知識，還要對這些數(shù)據(jù)進行加工整理。由目前主流PLM系統(tǒng)( 如UGSTeamcenter、Aras Innovator 等) 特點可知，PLM系統(tǒng)基本上是依據(jù)Item或類似功能的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織相關(guān)CAX(CAD、CAE、CAM、CAPP 等) 文檔和企業(yè)流程等信息。Item之間包含著多種關(guān)系，如部件和零件之間的父子裝配關(guān)系、零/部件使用的條件約束關(guān)系、圖樣和零件之間描述和被描述的關(guān)系，以及功能類似的零件之間可替換關(guān)系等。首先，PLM系統(tǒng)知識管理的目的之一是要建立這些文檔之間的關(guān)聯(lián)，因為這些數(shù)據(jù)都不是孤立存在的，建立其聯(lián)系有助于了解整個設計過程。其次，PLM中知識管理對象還包括設計過程中尚未信息化的知識，即將設計過程中的隱性知識表示出來。PLM知識管理的對象如圖1 所示。
圖1 中PLM管理功能所對應的這些文件數(shù)據(jù)中，都直接或間接地包含產(chǎn)品設計中的顯性知識和隱性知識，如CAX 數(shù)據(jù)中包含設計原理、裝配、制造相關(guān)知識; 文檔類數(shù)據(jù)集中隱含概念設計、功能設計知識; 工程變更申請(Engineer Change Request，ECR) 、工程變更通知(Engineer Change Notice，ECN) 等文件中包含重要企業(yè)活動，即包含企業(yè)的變更知識; Project 文件中包含與產(chǎn)品設計相關(guān)的項目知識; 物料清單(Bill ofMaterial，BOM) 包含設計BOM、制造BOM 和裝配BOM等，這些BOM文件中包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置的相關(guān)知識。因此，PLM系統(tǒng)進行知識管理的主要對象就是系統(tǒng)中這些已經(jīng)信息化的數(shù)據(jù)。
圖1 PLM知識管理的對象
2 PLM概念圖設計
本文提出的“PLM概念圖”觀點，可以綜合利用概念圖可視化特性和PLM系統(tǒng)特性，對設計知識進行可視化管理。
2. 1 PLM概念圖與PLM系統(tǒng)關(guān)系
目前的主流PLM系統(tǒng)基本上是根據(jù)以前PDM 系統(tǒng)發(fā)展過來的，其主要功能包括: 文檔管理、零/部件管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置管理、工程變更管理和項目管理等。本文提出的“PLM概念圖”是一種用于PLM系統(tǒng)的概念圖設計方案，目的是在產(chǎn)品開發(fā)過程中記錄開發(fā)過程和相關(guān)知識，使設計人員能迅速、直觀地了解整個開發(fā)過程，加快產(chǎn)品開發(fā)效率和提高設計質(zhì)量。目前的PLM系統(tǒng)文件組織都是基于Item，所以PLM概念圖的Item類型已被定義，將概念圖文件存儲于該Item之下。在該Item下還可以附帶相應的、對Item說明的Form、CAX 文件等。該概念圖Item采用如圖2 所示的組織形式。
圖2 中表單Form 屬性記錄概念圖Item的相關(guān)屬性，如ID、版本、創(chuàng)建者和日期等; 概念圖文件保存概念圖的拓撲信息; CAX 文件是與此概念圖Item直接關(guān)聯(lián)的CAX 數(shù)據(jù)。采用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有兩個優(yōu)點:首先是比較容易建立這種數(shù)據(jù)類型，對于目前大多數(shù)的PLM系統(tǒng)，基本都采用相應的Item結(jié)構(gòu); 其次，用Item來實現(xiàn)對概念圖的不同版本控制比較容易。
2. 2 PLM概念圖的節(jié)點與關(guān)系設計
概念圖是一種用節(jié)點代表概念，連線表示概念間關(guān)系的圖示法。本文所提出的PLM概念圖節(jié)點功能如圖3a 所示。
圖2 概念圖在PLM中儲存結(jié)構(gòu)
圖3 概念圖節(jié)點功能和關(guān)系
PLM概念圖中，節(jié)點名稱處顯示節(jié)點名稱; 文件鏈接處顯現(xiàn)與此概念相關(guān)聯(lián)的PLM系統(tǒng)中主要文件鏈接; 圖片顯示處可以顯示相關(guān)CAX 數(shù)據(jù)圖形以及相應Item組織結(jié)構(gòu)等，以方便設計人員能迅速查找到相關(guān)文檔。
概念圖中各個概念之間都可能有一些關(guān)聯(lián)，一般用節(jié)點與節(jié)點之間的連線來表示這種關(guān)聯(lián)，節(jié)點之間連線如圖3b所示。
根據(jù)產(chǎn)品設計中概念之間關(guān)系，常見表達關(guān)系的關(guān)鍵詞有: 依賴，原因，結(jié)果，解釋，公理，理論，程序，經(jīng)驗，圖樣等，在實現(xiàn)概念圖連線設計時，可以進行線型、顏色等屬性設置。
總之，PLM概念圖可以將產(chǎn)品設計中的知識點集中起來，形成清晰知識體系，達到提高設計效率和設計質(zhì)量的目的。
2. 3 存儲問題
可擴展標記語言(Extensible Markup Language，XML) 是一種元語言，可用于定義任何一種新標識語言，用于表達各種類型數(shù)據(jù)，使構(gòu)成文件的每一個元素都可以有自己的名稱、屬性以及和其他元素之間的關(guān)系。采用半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型來描述數(shù)據(jù)，它描述數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息，而不是對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行強制性約束，可以做動態(tài)的更新。PLM概念圖使用XML來描述概念圖有以下幾個方面的優(yōu)勢。
1) 層次化結(jié)構(gòu)。XML文件使用層次化結(jié)構(gòu)關(guān)系來描述數(shù)據(jù)，容易建立概念圖到XML之間的映射關(guān)系，所得到的文件也容易理解。
2) 可擴展性。XML的可擴展性保證了它的靈活性，很容易自定義其他數(shù)據(jù)類型。
3) 可操作性。XML文件的層次化結(jié)構(gòu)以及元素之間緊密相關(guān)的關(guān)系，使得XML文件容易讀寫，可以快速、準確地定位以及操作有關(guān)的數(shù)據(jù)信息。
4) 可傳輸性。XML文件容易在網(wǎng)絡中傳輸。
5) 應用范圍廣。XML支持跨語言、跨平臺使用，一種平臺上產(chǎn)生的XML文件可以直接被另一種平臺使用，主流的編程語言都支持XML文件。
基于XML的這些優(yōu)點，本文采用XML對PLM概念圖進行表示和儲存。在用XML對PLM概念圖進行描述時，需要解決節(jié)點基本屬性描述和約束屬性描述問題。
2. 3. 1 節(jié)點基本屬性描述
節(jié)點基本屬性描述指對PLM概念圖節(jié)點表現(xiàn)形式的描述，包括概念圖節(jié)點的顏色、邊框等內(nèi)容。PLM概念圖節(jié)點基本屬性描述示例如下:
2. 3. 2 節(jié)點約束描述
約束定義其實是變量的擴展，也具有名稱和值兩個屬性，所不同的是其值可以是變量的函數(shù)式。PLM概念圖節(jié)點約束的部分描述示例如下:
3 案例分析
某公司以生產(chǎn)工業(yè)縫紉機和多功能家用縫紉機為主，共有31 個系列200 多個品種，年生產(chǎn)能力達200 萬臺。由于市場要求，需要開發(fā)一種自動高速工業(yè)縫紉機，該縫紉機由上百個零/部件組成，并且需要高速運行( 縫紉機轉(zhuǎn)速最高達6000r /min) 。它要在1s內(nèi)完成近100 個線跡，而每個線跡的形成又包含3 個階段9 個過程的復雜動作。因此，該縫紉機各部分動作需要密切配合、協(xié)調(diào)。從縫紉機完成一個線跡的過程來看，主要由機針、梭( 擺梭或旋梭) 、挑線桿和送料牙等4 個主要部件，按一定順序進行工作來完成的。
該公司的PLM系統(tǒng)是UGS 公司的Teamcenter2005，系統(tǒng)已集成CAD 模塊，準備通過以概念圖方式記錄整個開發(fā)過程，便于設計過程中知識庫建立和以后相關(guān)產(chǎn)品知識重用。
在該縫紉機概念設計階段，首先，按從上到下的方式對設計任務進行分解。設計小組負責人制定產(chǎn)品研發(fā)目標后，按照各個功能部件的關(guān)系，把任務分解到各個子組或人員，子組負責人再分解到各個子組或人員，層層分解直至人員，概念設計階段的概念圖如圖4 所示。
在該縫紉機詳細設計階段，繼續(xù)用PLM概念圖進行設計，建立縫紉機送料機構(gòu)的機構(gòu)模型，并進行運動學分析、有限元分析和載荷計算等。圖5所示是送料機構(gòu)的詳細設計，概念圖中包括送料機構(gòu)的運動學分析、載荷計算等相關(guān)信息，所有的文檔、資料均保存于PLM系統(tǒng)中。
圖4 縫紉機概念設計
在該縫紉機樣機調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，縫紉機高速旋轉(zhuǎn)時，引起比較大的振動并產(chǎn)生強噪聲。為此，必須增加動平衡分析，降低振動和噪聲。在原送料機構(gòu)概念圖中加入動平衡設計，如圖5 中虛線部分所示。針對該縫紉機的整個開發(fā)過程，進行采用概念圖知識可視化管理前后的對比，如表1所示。
通過該案例可以看出，在對PLM系統(tǒng)進行知識可視化管理后，以概念圖的方式記錄設計過程中大量存在的知識點，支持設計的全過程，容易把握整個設計過程的關(guān)鍵，并可以對原設計進行快速的修改和重用，從而提高企業(yè)的創(chuàng)新能力。
圖5 送料機構(gòu)詳細設計和動平衡分析
表1 使用PLM概念圖前后效果對比
4 結(jié)語
本文圍繞著基于PLM系統(tǒng)的新產(chǎn)品開發(fā)中，對知識表達、知識獲取、知識存儲和知識重用等方面的需求以及設計過程中存在的問題，提出以“PLM概念圖”為核心的新產(chǎn)品設計知識可視化管理方案。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，傳統(tǒng)設計方式只能在PLM系統(tǒng)中看到最終設計結(jié)果，而采用本文提出的“PLM概念圖”可以記錄設計中各個階段，經(jīng)過重新組織相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品設計知識后，設計人員可以掌握整個設計過程全貌，這有利于新產(chǎn)品開發(fā)過程中知識重用，從而提高企業(yè)核心創(chuàng)造力。本項目還要進一步對PLM概念圖的語義和檢索、知識的冗余和效率等問題進行研究，并加強集成性的研究。
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本文標題：一種新產(chǎn)品開發(fā)知識可視化管理方法
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