云曉丹，紀楊建，祁國寧，唐任仲

（浙江大學 現代制造工程研究所，杭州 310027）

0 前言

產品數據管理（product data management，PDM）是對產品全生命周期的數據和過程進行有效管理的方法和技術的總稱[1]，其目標是保證產品數據的完整性、實時性和一致性。產品模型對上述目標的實現具有重大意義。

PDM中的產品模型（product model）是指對產品數據的結構化描述，是實現集成的產品、過程、組織模型的基礎。目前產品模型相關研究主要解決產品設計、制造等階段的問題，圍繞產品特征模型、幾何模型、配置模型、變型設計模型、裝配模型等內容展開[2]。每一個PDM系統(tǒng)都有自己的產品模型，因此現實中的產品模型是多種多樣的，本文第一節(jié)介紹的產品模型（以下稱為“集成產品元模型”）是其中的一種。

本文首先分析了集成產品元模型的特點及其合理性，進而提出了判定一個PDM系統(tǒng)的產品模型是否符合集成產品元模型的判定標準，然后分析了當今主流PDM系統(tǒng)Windchill9.0 PDMlink和Teamcenter Engineering的缺省產品模型的特點及其優(yōu)點，并借鑒集成產品元模型理論、利用兩者提供的定制工具對各自的缺省產品模型進行了改進。緊接著以夾具作為簡單實例進行了應用，最后對全文做了總結和展望。

1 集成產品元模型及其合理性分析

1.1 集成產品元模型簡介

1.1.1 概述

集成產品元模型（integrated product meta model，IPMM）將產品數據分為數據對象（data object）、業(yè)務對象（business object）和聯(lián)系對象（relation object）。集成產品元模型的示意圖如圖1所示。

圖1 集成產品元模型示意圖[3]

1.1.2 數據對象

數據對象是直接控制數據文件或索引表的對象。數據對象包括元數據和物理數據，其中物理數據是指制造企業(yè)中常見的文檔、模型、工程圖等文件本身，元數據用較少的標準字段來描述物理數據，為檢索、快速定位和識別物理數據帶來了方便。元數據與物理數據之間存在一一對應關系。數據對象的特點如下：

特點1 數據對象的處理狀態(tài)（version）構成其版本信息。處理狀態(tài)隨著檢出、檢入操作的發(fā)生而連續(xù)變化，可以通過處理狀態(tài)追溯數據對象的變更進程。

1.1.3 業(yè)務對象

業(yè)務對象是描述某個技術對象（例如項目、顧客、零組件、工程圖等）在管理方面的重要屬性的對象。業(yè)務對象用來對數據對象進行分類和組織，并將產品數據管理和使用的層次由數據對象層次提升到業(yè)務對象層次。業(yè)務對象的主要類型包括：

1）零件主記錄（part master record，PaMR），用來描述零件和組件對象信息。

2）文檔主記錄（document master record，DoMR），用來描述一般文檔對象信息。

3）模型主記錄（model master record，MoMR），用來描述三維模型對象信息。

4）工程圖主記錄（draft master record，DrMR），用來描述二維工程圖對象信息。

業(yè)務對象的特點如下：

特點2 PaMR、DoMR、MoMR、DrMR的種類和屬性與企業(yè)的需求密切相關。

特點3 業(yè)務對象的更改標記（revision）和處理狀態(tài)（version）共同構成其版本信息，前者反映業(yè)務對象的成熟程度，后者反映業(yè)務對象的變更進程。

特點4 文件夾可以視為一種特殊的業(yè)務對象，用來分類和組織數據。文件夾與子文件夾之間存在m:n的對應關系。

特點5 PaMR的編號與對應的DoMR/ MoMR/DrMR的編號相互獨立，PaMR的更改標記與對應的PaMR/ DoMR/ MoMR/ DrMR的更改標記相互獨立變化。

特點6 PaMR與PaMR/ DoMR/ MoMR/ DrMR之間存在m：n的對應關系，文件夾與PaMR/ DoMR/MoMR/ DrMR之間也存在m：n的對應關系。

特點7 DoMR/ MoMR/ DrMR與數據對象之間存在1: n的對應關系。

1.1.4 聯(lián)系對象

聯(lián)系對象描述對象與對象之間的聯(lián)系，包括業(yè)務對象與業(yè)務對象的聯(lián)系、業(yè)務對象與數據對象的聯(lián)系、數據對象與數據對象的聯(lián)系。其中業(yè)務對象與業(yè)務對象的聯(lián)系比較復雜，也最為重要。它又可以分為PaMR與PaMR的聯(lián)系和PaMR與DoMR/MoMR/ DrMR的聯(lián)系。

表1 PDM系統(tǒng)產品模型可能存在的情況及問題描述

表2 集成產品元模型判定標準

1.2 集成產品元模型合理性分析

IPMM的合理性主要體現在該模型可以有效地控制零組件號的數量和每一個零組件的更改標記數量，降低產品數據管理的成本和難度，提高零組件的重用度。

如果PDM系統(tǒng)的產品模型不是按照IPMM設計，在實際應用過程中可能存在的情況及問題描述如表1所示。

其中業(yè)務對象與數據對象元數據集成可能存在兩種表現形式：

1）每一個物理數據都要對應一個業(yè)務對象與數據對象元數據的集成體，這不僅使得業(yè)務對象的數量很多，無法發(fā)揮業(yè)務對象對數據對象的分類和組織功能，而且會出現一份多頁工程圖對應多個編號不同的業(yè)務對象的情況，給產品數據管理帶來不便。

2）一個業(yè)務對象與數據對象元數據的集成體可以對應多個物理數據，但每個物理數據的變更都會導致集成體版本信息的變化，在物理數據多次變更的情況下，不僅使得集成體的版本過多，而且集成體版本信息不能反映出單個物理數據的變更進程，只能反映出所有物理數據的變更進程之和，因而不利于對產品數據的有效追溯和管理。

應當指出，IPMM的缺點在于其本身具有較高的復雜性，相對不易理解，實現成本（包括開發(fā)成本和使用成本）也相對較高。

IPMM適用于產品設計任務較多、所設計產品相對復雜、需要管理的產品數據較多而且設計過程中工程變更比較頻繁的場合。

現在業(yè)界已有按照IPMM開發(fā)的PDM系統(tǒng)，例如由德國Intellivate公司開發(fā)的名為OpenEDM的PDM系統(tǒng)。

2 集成產品元模型判定標準

第一節(jié)分析了IPMM的特點及其合理性，那么怎樣判斷一個PDM系統(tǒng)的產品模型是否符合IPMM的特點呢？本節(jié)針對這個問題提出了IPMM的判定標準，如表2所示。如果一個PDM系統(tǒng)的產品模型符合這些標準，就認為該產品模型符合IPMM的特點。

其中判定DoMR/ MoMR/ DrMR與數據對象之間是否可以實現1：n時，需要考查DoMR是否可以對應不同格式、不同內容、不同語言的文檔，MoMR是否可以對應不同格式、不同顯示方式的模型及其描述文檔，DrMR是否可以對應不同格式、不同視圖、不同內容、多頁的工程圖及其描述文檔。

3 主流PDM系統(tǒng)缺省產品模型分析及改進

上一節(jié)中提出了IPMM的判定標準，本節(jié)主要探討當今主流PDM系統(tǒng)在缺省情況下能否實現IPMM的全部特點，如果不能全部實現，能否通過運用系統(tǒng)提供的定制工具來實現IPMM更多的特點。

當今主流的PDM系統(tǒng)包括美國PTC公司開發(fā)的Windchill PDMLink、德國Siemens公司收購并開發(fā)的Teamcenter、美國達索系統(tǒng)公司收購并開發(fā)的EnterprisePDM等。本節(jié)首先對Windchill9.0 PDMLink和Teamcenter Engineering的缺省產品模型進行分析，然后借鑒IPMM的理論、運用兩者提供的定制工具對各自的缺省產品模型進行改進。

3.1 Windchill9.0 PDMLink缺省產品模型分析及改進

3.1.1 Windchill9.0 PDMLink缺省產品模型分析

Windchill9.0 PDMLink的缺省產品模型由上下文（context）、對象（object）以及關聯(lián)（relationship）構成。Windchill9.0 PDMLink的缺省產品模型示意圖如圖2所示。

圖2 Windchill9.0 PDMLink的缺省產品模型示意圖

1） 上下文

上下文是承載存儲于Windchill9.0 PDMLink中的信息的容器[4]。與產品模型相關的上下文主要是指產品（product）和存儲庫（library）。其中產品是用于定義公司的構建項和銷售項的信息集合，存儲庫是業(yè)務信息（例如與單個產品無關的文檔和其他對象）的存儲及存取位置[4]。

2）對象

Windchill9.0 PDMLink中與產品模型相關的對象主要包括部件（WTPart）、成品（WTProduct）、文檔（WTDocument）和CAD文檔（EPMDocument）。其中部件是在產品結構中使用的物理元件或組件，成品是表示銷售、裝配和交付給客戶的產品功能單元的頂層組件[4]。文檔包括各種格式和類型的文檔、URL（網頁地址）和外部存儲內容，CAD文檔主要包括CAD模型和CAD繪圖（即CAD工程圖）兩種類型。文檔包含屬性信息、零個或一個主要內容文件以及零個或若干個附件，CAD文檔包含屬性信息、 零個或一個主要內容文件以及零個或若干個附件。文檔和CAD文檔的主要內容受版本控制和生命周期狀態(tài)管理，附件不受版本控制和生命周期狀態(tài)管理。

3）關聯(lián)

Windchill9.0 PDMLink中與產品模型相關的關聯(lián)主要包括上下文與對象的關聯(lián)、對象與對象的關聯(lián)。其中上下文（包括產品和存儲庫）與對象（包括部件、成品、文檔和CAD文檔）之間存在1：n的所屬對應關系，對象與對象的關聯(lián)包括部件或成品與部件或成品的關聯(lián)、部件或成品與文檔的關聯(lián)、部件或成品與CAD文檔的關聯(lián)、文檔與文檔的關聯(lián)、CAD文檔與CAD文檔的關聯(lián)。

4）分析

Windchill9.0 PDMLink的缺省產品模型中的部件和成品對應IPMM中零件類型的PaMR和組件類型的PaMR，文檔對應IPMM中DoMR和文檔數據對象元數據的集成，文檔主要內容和文檔附件對應IPMM中文檔數據對象的物理數據。同樣地，CAD文檔對應IPMM中MoMR或DrMR和模型或工程圖數據對象元數據的集成，CAD文檔主要內容和CAD文檔附件對應IPMM中模型或工程圖數據對象的物理數據。因為業(yè)務對象與數據對象元數據的集成，而可能出現本文1.2節(jié)提到的問題。產品文件夾和存儲庫文件夾對應IPMM中的文件夾但不如它靈活方便，關聯(lián)對應IPMM中的部分聯(lián)系對象但不如IPMM中豐富完整。

Windchill9.0 PDMLink缺省產品模型的優(yōu)點是簡單實用，清晰直觀，易于理解，并且充分地考慮了PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)、辦公軟件系統(tǒng)、項目管理系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)的集成。

3.1.2 Windchill9.0 PDMLink缺省產品模型改進

Windchill9.0 PDMLink提供了用來對缺省系統(tǒng)進行更改的定制工具，其中“類型和屬性管理器”允許用戶通過定義軟類型（soft type）和軟屬性（soft attribute）來實現個性化的需求。

通過定義軟類型可以構建IPMM中的DoMR，將系統(tǒng)中原來的文檔作為數據對象的元數據且只對應一個文檔物理數據，就可以實現DoMR與文檔數據對象的分離，并實現DoMR與文檔數據對象之間1：n的對應關系。還可以通過定義軟屬性并修改部件使用關系來定義部件或成品與部件或成品之間的聯(lián)系對象的屬性。但是在現有條件下，由于CAD文檔的唯一入口是CAD系統(tǒng)，而在CAD系統(tǒng)中創(chuàng)建的CAD文檔檢入PDMLink時按照缺省產品模型構建對象，因此無法通過定制工具實現CAD文檔業(yè)務對象與CAD文檔數據對象的分離。

改進后Windchill9.0 PDMLink的產品模型更加接近IPMM，但仍存在一定差距。

3.2 Teamcenter Engineering缺省產品模型分析及改進

3.2.1 Teamcenter Engineering缺省產品模型分析

Teamcenter Engineering的缺省產品模型由文件夾（folder）、零組件（item）、數據集（dataset）、數據文件（data file）及其之間的關系（relation）構成。其中文件夾用來對其他對象進行分類和組織，零組件用來表示產品的零件和組件，數據集是用來管理由第三方應用軟件創(chuàng)建的數據文件的對象[5]。Teamcenter Engineering的缺省產品模型示意圖如圖3所示。

Teamcenter Engineering的缺省產品模型與Windchill9.0 PDMLink的缺省產品模型非常相似，僅介紹兩者的主要區(qū)別如下：

1）Teamcenter Engineering中的數據集按照所使用的第三方應用軟件進行分類，因此有多種數據集類型即對象類型。

2）Teamcenter Engineering中的數據集又可以細分為數據集屬性（即所有數據文件共用的屬性）和某個數據文件特有的屬性，其中前者包含版本信息而后者不包含版本信息，也因此一個數據集對應的多個數據文件中每個數據文件的變更都會引起數據集版次的變化。

圖3 Teamcenter Engineering缺省產品模型示意圖

Teamcenter Engineering缺省產品模型中的零組件對應IPMM中零件類型的PaMR和組件類型的PaMR，數據集對應IPMM中業(yè)務對象和數據對象元數據的集成，數據文件對應IPMM中數據對象的物理數據。因為業(yè)務對象與數據對象元數據的集成，而可能出現本文1.2節(jié)提到的問題。文件夾對應IPMM中的文件夾，關系對應IPMM中的部分聯(lián)系對象但不如IPMM中豐富完整。

Teamcenter Engineering缺省產品模型的優(yōu)點是簡單實用，易于理解，使用方便。文件夾、零組件、數據集和數據文件之間的對應關系非常靈活，并充分考慮了PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)、辦公軟件系統(tǒng)等第三方應用軟件的集成。

3.2.2 Teamcenter Engineering缺省產品模型改進

Teamcenter Engineering提供了用來對缺省系統(tǒng)進行更改的定制工具，允許用戶定義新的零組件類型、數據集類型和屬性表。

通過定義新的零組件類型，可以構建組件類型的PaMR以及DoMR、MoMR、DrMR。將系統(tǒng)中原來的數據集作為數據對象的元數據且只對應一個數據文件，就可以實現業(yè)務對象與數據對象的分離，并實現業(yè)務對象與數據對象之間1：n的對應關系。通過定義新的屬性表，可以將聯(lián)系對象所需屬性填入聯(lián)系中父對象新定義的屬性中。

改進后的Teamcenter Engineering的產品模型基本實現了IPMM的特點，只是在聯(lián)系對象方面還不如IPMM靈活方便。

圖4 集成產品元模型中的夾具虛擬產品結構示意圖

4 應用案例

本節(jié)以一個夾具的產品結構及相關對象作為簡單實例，在Windchill 9.0 PDMLink改進后的產品模型、Teamcenter Engineering改進后的產品模型中進行了實現。

在集成產品元模型中構建出的夾具虛擬產品結構及對象的示意圖如圖4所示。在PDM系統(tǒng)中實現的示意圖如圖5所示。

圖5 夾具的產品結構及對象在PDM系統(tǒng)中的實現圖

5 結束語

本文的分析表明，集成產品元模型具有高度的合理性，主流PDM系統(tǒng)的缺省產品模型比較相似但與集成產品元模型有一定差距。運用PDM系統(tǒng)提供的定制工具可以部分實現集成產品元模型的特點，其中Windchill 9.0 PDMLink改進之后仍然無法實現模型主記錄與模型元數據的分離以及工程圖主記錄與工程圖元數據的分離，Teamcenter Engineering改進之后基本實現了集成產品元模型的特點。

產品數據管理中有很多與產品模型相關的問題有待深入研究，其中比較重要的問題包括聯(lián)系對象、對象的版本方案以及對象的生命周期狀態(tài)方案等。

[1] 祁國寧,Josef Schoettner,顧新建,韓永生.圖解產品數據管理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[2] 李響爍.PLM開發(fā)實施進程與集成產品元模型研究[D].杭州:浙江大學,2007:14.

[3] Josef Schoettner.祁國寧,譯.PDM/ PLM- Seminar in Guilin[R],2009:72.

[4] Windchill PDMLink User's Guide[R].Parametric Technology Corporation,2007:3-2.

[5] Teamcenter 2007 My Teamcenter Guide[R].Siemens Product Lifecycle Management Software Inc,2007:2-5.

[6] Josef Schoettner.祁國寧譯.制造企業(yè)的產品數據管理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.