汪星剛，盛步云，蕭 箏

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

鐵路電氣行業(yè)中三維CAD資源的標(biāo)準(zhǔn)化管理

汪星剛，盛步云，蕭 箏

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

為解決三維CAD資源管理混亂、效率低下的問題，提出一種基于用戶的三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理方法，即材料系列、材料代碼和標(biāo)準(zhǔn)化管理原則。然后在此基礎(chǔ)上，研究了一種由三維CAD資源分類、物料族和物料編碼標(biāo)識等綜合而成的標(biāo)準(zhǔn)化管理。該標(biāo)準(zhǔn)化管理方法能有效地提高三維CAD資源管理的效率。最后，結(jié)合鐵路電氣企業(yè)三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理的業(yè)務(wù)，研發(fā)了一款基于用戶的三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

ERP；PDM；三維CAD資源；標(biāo)準(zhǔn)化管理；物料編碼

當(dāng)前鐵路電氣行業(yè)水平關(guān)系著國家經(jīng)濟(jì)命脈，是國家實(shí)力的重要體現(xiàn)。我國鐵路電氣行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)從生產(chǎn)型向服務(wù)型轉(zhuǎn)變，是我國面臨的重大的戰(zhàn)略問題之一[1]。解決該問題的關(guān)鍵是如何合理地分配和共享鐵路電氣行業(yè)企業(yè)資源，避免過度的投資建設(shè)及盲目的產(chǎn)能過剩。鐵路電氣企業(yè)資源管理是一項(xiàng)綜合規(guī)劃配置，其在配置、利用、發(fā)展過程中加強(qiáng)企業(yè)資源的合理組織、計(jì)劃、協(xié)調(diào)、監(jiān)控和管理[2]。目前，隨著企業(yè)信息化的不斷發(fā)展，各種優(yōu)質(zhì)計(jì)算機(jī)軟件平臺不斷涌現(xiàn)，如企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、供應(yīng)鏈關(guān)系管理(SCM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、電子商務(wù)(E-COMMERCE)等。特別是PDM和ERP，是企業(yè)資源管理中最重要的兩大軟件平臺，對鐵路電氣行業(yè)的發(fā)展起到了舉足輕重的作用。

隨著CAD、CAM、CAPP等技術(shù)的逐步應(yīng)用，各種軟件的信息不共享互換造成信息孤島現(xiàn)象[3]。產(chǎn)品數(shù)據(jù)的信息化管理，將成為鐵路電氣行業(yè)企業(yè)資源管理的熱點(diǎn)之一。PDM技術(shù)是以數(shù)據(jù)管理為基礎(chǔ)，將平臺集成CAD、CAM、CAPP軟件的接口，使其不同的信息化管理系統(tǒng)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了信息的實(shí)時共享和信息溝通需求[4]。該技術(shù)從根本上規(guī)避各應(yīng)用程序獨(dú)立運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，加強(qiáng)各個軟件共用數(shù)據(jù)庫的使用，可以消除數(shù)據(jù)孤島和系統(tǒng)孤島。ERP是建立在信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)化的管理思想，為企業(yè)決策層及員工提供決策運(yùn)行手段的管理平臺[5]。在成本控制上，ERP系統(tǒng)可以對原材料成本、人工與機(jī)器實(shí)際消費(fèi)等信息進(jìn)行采集，再對配置管理提供生產(chǎn)配置模塊，根據(jù)客戶的特殊需求選擇相應(yīng)的模塊，并及時生成相應(yīng)的BOM表，以便引導(dǎo)生產(chǎn)規(guī)劃人員建立合理的生產(chǎn)采購計(jì)劃[6]。同時，ERP也能引導(dǎo)車間生產(chǎn)人員進(jìn)行產(chǎn)品裝配，并通過搜索與匹配相關(guān)尺寸的積壓存貨，來提高企業(yè)的庫存周轉(zhuǎn)率。然而，PDM系統(tǒng)也借助權(quán)限管理、流程管理等功能規(guī)范了企業(yè)的管理制度，保證了用戶對文檔進(jìn)行數(shù)據(jù)冗余，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率，規(guī)范了信息的管理，企業(yè)流程也得以順利進(jìn)行[7]。

筆者重點(diǎn)研究鐵路電氣行業(yè)中三維CAD資源的標(biāo)準(zhǔn)化管理。首先，根據(jù)三維CAD資源的分類，標(biāo)識三維CAD資源，實(shí)現(xiàn)對三維CAD資源進(jìn)行概念界定；其次，通過建立三維CAD資源標(biāo)識，對材料系列、材料代碼和標(biāo)準(zhǔn)化管理原則的三維CAD資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺的標(biāo)準(zhǔn)化；最后，結(jié)合鐵路電氣企業(yè)三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理的業(yè)務(wù)，研發(fā)了一款基于用戶的三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

1 三維CAD資源的概念界定

根據(jù)對鐵路電氣行業(yè)的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)三維CAD資源主要包括由三維CAD模型和材料屬性構(gòu)成的零件、組合體和產(chǎn)品，而這正是物料族的組成要素。因此，三維CAD資源是指在結(jié)構(gòu)或者功能上有相同屬性的零件、組合體和產(chǎn)品。然而，現(xiàn)在企業(yè)內(nèi)部三維CAD資源混亂，缺乏有序的管理，導(dǎo)致基于現(xiàn)有三維CAD資源的設(shè)計(jì)重用技術(shù)仍處于經(jīng)驗(yàn)依賴層面[8]。因此，鐵路電氣企業(yè)要實(shí)現(xiàn)三維CAD資源的標(biāo)準(zhǔn)化管理，首先就應(yīng)該對其進(jìn)行分類，然后確定其一致性，最后將三維CAD資源的標(biāo)準(zhǔn)化管理實(shí)現(xiàn)信息的共享。這樣，企業(yè)不僅可根據(jù)物料分類快速索引所需的物料，還可明確物料編碼的標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 三維CAD資源分類

從結(jié)構(gòu)角度來看，三維CAD資源物料族可分為物料類屬性與物料相似族兩部分，可以用層次分明的樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表述，如圖1所示。一般來說，類屬族則是由具有功能或結(jié)構(gòu)描述性的族成員組成，是位于族的上層。相似族則位于族的最低層，已不能繼續(xù)往下分級。

圖1 物料族分層結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 三維CAD資源標(biāo)識

三維CAD資源的標(biāo)識是指鐵路電氣企業(yè)對物料代碼的標(biāo)識，物料代碼編制流程如圖2所示。三維CAD資源標(biāo)識，一方面可以根據(jù)物料代碼在三維CAD資源平臺搜索所需物料；另一方面可以根據(jù)物料代碼在企業(yè)ERP中查詢物料的屬性標(biāo)志。因此，鐵路電氣企業(yè)將按照唯一性、系統(tǒng)性、簡約性、擴(kuò)展性和時效性等原則進(jìn)行編制物料代碼。

圖2 物料代碼編制流程圖

2 建立物料族編碼

企業(yè)存儲的產(chǎn)品類型名稱和其相對應(yīng)的代碼如表1所示。實(shí)際上，編碼系統(tǒng)需要按照編碼代號的位數(shù)關(guān)系及層級關(guān)系顯示其所有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系。因此，物料族可以由物料族編碼轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行編碼。

表1 產(chǎn)品與對應(yīng)的編碼數(shù)據(jù)表

物料族編碼的轉(zhuǎn)換過程具體如下：

(1)將表1中的編碼代號作為模型對象，將編碼數(shù)據(jù)整合成矩陣形式，在空位中通過添加0來補(bǔ)充，由此可以得出矩陣M：

矩陣M經(jīng)行變換后可得M′:

(2)將矩陣M′按照“階梯式”進(jìn)行分割，可得到如下3個矩陣：

(3)該編碼的產(chǎn)品層結(jié)構(gòu)關(guān)系矩陣為：

A1=4

A2=5

經(jīng)過整理得出該編碼的產(chǎn)品層結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示。物料族成員的產(chǎn)生過程如圖4所示。

圖3 產(chǎn)品層結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

圖4 物料族成員產(chǎn)生過程圖

3 標(biāo)準(zhǔn)化管理原則

以企業(yè)經(jīng)營者的實(shí)際需求與產(chǎn)品開發(fā)為起點(diǎn)，三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理應(yīng)滿足以下原則：

(1)實(shí)用性和先進(jìn)性。企業(yè)三維CAD資源管理應(yīng)與實(shí)際需要相結(jié)合，注重實(shí)用性和有效性原則。以研究和開發(fā)主流產(chǎn)品和組件為載體，將三維模型和產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)分類并入庫，提高內(nèi)部三維CAD資源共享級別[9]。在此基礎(chǔ)上，將先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到三維CAD資源管理平臺的構(gòu)建中。目前三維CAD設(shè)計(jì)平臺發(fā)展快速，技術(shù)更新快，為適應(yīng)這種情況，企業(yè)必須確?；谌SCAD軟件的資源平臺上的各種經(jīng)驗(yàn)與知識能夠在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)滿足企業(yè)實(shí)際需要。

(2)開放性和可拓展性。為了適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求，三維CAD資源庫必須具有良好的開放性和可擴(kuò)展性，以滿足應(yīng)用的擴(kuò)展。隨著業(yè)務(wù)范圍的擴(kuò)大和管理模式的變化，三維CAD資源庫應(yīng)該可以輕松地添加新產(chǎn)品的三維CAD資源，從而提高三維CAD資源庫的利用率。

(3)高可靠性和可伸縮性。實(shí)際企業(yè)的三維CAD資源庫應(yīng)該確保連續(xù)運(yùn)行的高可靠性和高順暢性。因此這需要使用高性能并且值得信賴的技術(shù)裝備。企業(yè)三維CAD資源庫應(yīng)充分考慮設(shè)備的冗余和容錯能力，使資源庫在運(yùn)行出現(xiàn)問題的情況下能夠快速恢復(fù)到正常狀態(tài)。

(4)兼容性和經(jīng)濟(jì)性。所謂兼容性，就是盡最大可能確保企業(yè)現(xiàn)有軟、硬件資源可以被利用，使企業(yè)現(xiàn)有應(yīng)用能夠進(jìn)行升級更新與相互連接，以確保其能在各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用，包括互聯(lián)網(wǎng)小型計(jì)算機(jī)、工作站、服務(wù)器等設(shè)備，充分利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源，發(fā)揮三維CAD資源和數(shù)據(jù)集成的豐富性[10]。所謂經(jīng)濟(jì)性就是充分利用現(xiàn)有資源，最大限度地減少在三維CAD資源管理方面的總體投資，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：①充分利用企業(yè)已有資源，盡量避免已有資源被重新開發(fā)的現(xiàn)象；②對三維CAD資源平臺的開發(fā)應(yīng)堅(jiān)持邊開發(fā)邊使用的原則，這樣能夠降低一次投入過大的成本風(fēng)險(xiǎn)。

(5)安全性和可管理性。安全性和可管理性則是指企業(yè)三維CAD資源庫采用先進(jìn)技術(shù)，可有效防止外部非法入侵、訪問、信息竊取、破壞系統(tǒng)和病毒感染。為解決三維CAD資源庫內(nèi)部等級權(quán)限管理的問題，對職權(quán)的使用進(jìn)行嚴(yán)格要求，以防止對研發(fā)成果的盜竊和違規(guī)操作。同時，三維CAD資源庫必須易于管理。整個系統(tǒng)的水平和功能清晰，易于統(tǒng)一管理、監(jiān)控、維護(hù)和跟蹤、診斷及故障排除。明確后臺管理人員的崗位職責(zé)，增強(qiáng)責(zé)任感和忠誠度，為三維CAD資源庫的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供足夠的保護(hù)，并通過各種培訓(xùn)方式提高開發(fā)人員使用該平臺用以縮短研發(fā)周期的能力。

4 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

4.1 案例背景

以某鐵路電氣的標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺為研究對象，重點(diǎn)研究了三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化時對業(yè)務(wù)的指導(dǎo)。在對三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理進(jìn)行研究的過程中，引入了集成接口，即在保證三維CAD資源管理的前提下，通過對集成接口API函數(shù)的調(diào)用進(jìn)行信息統(tǒng)一化與共享化的方法來實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)化管理方法，通過對三維CAD資源分類與三維CAD資源標(biāo)識，同時制定了一套能對鐵路電氣企業(yè)三維CAD資源進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理的原則，降低了數(shù)字鴻溝問題所帶來的信息孤島現(xiàn)象。在上述研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種基于鐵路電氣行業(yè)的三維CAD資源的標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺，對三維CAD模型與二維圖紙等企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)資源進(jìn)行收集與分類，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件模型調(diào)用與參數(shù)驅(qū)動下的零件建模提供基礎(chǔ)與支撐。標(biāo)準(zhǔn)化管理實(shí)現(xiàn)界面如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)化管理實(shí)現(xiàn)界面

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺

基于用戶的標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺是用戶的三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理的具體應(yīng)用。依據(jù)內(nèi)外API函數(shù)集成的運(yùn)作模型和特點(diǎn)，構(gòu)建基于用戶的標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺，如圖6所示。該標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺主要分為4個層次：用戶層、功能層、數(shù)據(jù)層和網(wǎng)絡(luò)層。該標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺的作用：①概括三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺系統(tǒng)的構(gòu)成，描述各個部分的功能、目的與特點(diǎn)；②闡述三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理過程中各個組成層次之間的關(guān)系，從而確保標(biāo)準(zhǔn)化管理有效執(zhí)行和完成。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺的體系結(jié)構(gòu)

(1)用戶層。該層直接面向用戶，為企業(yè)三維CAD資源的應(yīng)用提供一種有效的支持手段。其中普通用戶系統(tǒng)的使用對象沒有權(quán)限限制，只要企業(yè)員工個人電腦上安裝有專用客戶端軟件均可訪問該資源平臺[11]，經(jīng)常使用該平臺的包括結(jié)構(gòu)工程師、電氣工程師、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、采購人員及車間工人等。

(2)功能層。三維CAD資源平臺提供的主要功能有三維CAD模型快速構(gòu)建與提取、BOM表自動生成與物料信息查詢等。而且平臺基于并行工程思想，提供不同的接口，實(shí)現(xiàn)了與企業(yè)ERP、PDM和CAD的集成[12]。其中，ERP系統(tǒng)本身是以供應(yīng)鏈自動化管理為指導(dǎo)思想而被開發(fā)的，包含采購、生產(chǎn)、銷售、財(cái)務(wù)及人力資源等多個功能模塊，而且其背后有數(shù)據(jù)量龐大的SQLServer數(shù)據(jù)庫的支撐。

(3)數(shù)據(jù)層。主要用來在后臺存儲全息三維CAD模型的各種信息，包括模型庫(包含標(biāo)準(zhǔn)件庫的固化三維模型、二維工程圖與參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的基礎(chǔ)模型)與數(shù)據(jù)庫(包括標(biāo)準(zhǔn)件庫的數(shù)據(jù)庫與參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的數(shù)據(jù)庫)等。這些信息以數(shù)據(jù)庫與文件夾等形式存放在計(jì)算機(jī)硬盤上。以設(shè)計(jì)人員為例，說明整個平臺的數(shù)據(jù)流向：首先，企業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)客戶訂單或市場需求，利用三維CAD資源平臺查詢物料信息；其次，后臺程序與上述各個信息庫建立連接以響應(yīng)用戶需求；最后，設(shè)計(jì)人員在三維CAD虛擬環(huán)境中完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，可將模型存放于PDM中，同時平臺可自動生成產(chǎn)品BOM表。

(4)網(wǎng)絡(luò)層?；贑S結(jié)構(gòu)的三維CAD資源平臺在企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)環(huán)境中使用，保護(hù)了數(shù)據(jù)安全與平臺升級的權(quán)利。同時，通過通訊手段將客戶端與服務(wù)器端進(jìn)行了連接，為平臺的使用奠定了基礎(chǔ)，并支持多個Windows系統(tǒng)。

5 結(jié)論

鐵路電氣行業(yè)的三維CAD資源管理依賴于設(shè)計(jì)工程師通過人工復(fù)制進(jìn)行共享，忽略了三維CAD資源的分類，從而導(dǎo)致了三維模型格式的不一致、模型材料基本性質(zhì)編碼的不規(guī)范等問題。與傳統(tǒng)的三維CAD資源標(biāo)準(zhǔn)化管理做法相比，筆者建立了一種基于用戶的三維CAD資源的標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺，其不僅能提高企業(yè)內(nèi)部的三維CAD資源共享水平，還可以保證企業(yè)內(nèi)部三維CAD模型格式與API函數(shù)的一致性。此外，其也將促進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)和管理的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化。

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WANG Xinggang:Lect.; School of Mechanical Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

Standardized Management of 3D CAD Resources in Railway Electrical Industry

WANGXinggang,SHENGBuyun,XIAOZheng

In order to solve the problem of confusion and inefficiency of 3D CAD resource management, a three-dimensional CAD resource standardization management method based on user is proposed, namely material series, material code and standardized management principle. On this basis, it has introduced a standardized management which is composed of three-dimensional CAD resource classification, material family and material coding identification. The standardized management method can improve the efficiency of 3D CAD resource management effectively . Finally, combined with the business management of 3D CAD resource standardization in electric railway enterprise, a user-based 3D CAD resource standardization management platform system was put forward, and the system architecture and functional structure of the system were studied.

enterprise resource planning; product data management; 3D CAD resources; standardized management; material coding

2095-3852(2017)04-0488-05

A

2017-02-04.

汪星剛(1978-)，男，湖北襄陽人，武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字制造、企業(yè)信息化等.

湖北省科技支撐計(jì)劃基金項(xiàng)目(2015BAA058)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFA115).

TP391;TH166

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.04.022