燕 昊，何淳真，康 瑩，王 瑤，李 超

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

著眼制造業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)和戰(zhàn)略機(jī)遇，中國(guó)制造業(yè)正逐步從“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變。產(chǎn)品研發(fā)的模式正由低集成度產(chǎn)品向高度復(fù)雜、多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)緊密協(xié)同，由個(gè)人能力和經(jīng)驗(yàn)為主向以模型和流程驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)和仿真支持研發(fā)轉(zhuǎn)變。新的時(shí)代背景下，在產(chǎn)品全生命周期管理過(guò)程中，以產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品需求管理、精益研發(fā)、智能制造以及銷(xiāo)售與服務(wù)，已成為當(dāng)今企業(yè)獲取可持續(xù)利潤(rùn)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。因此，如何在PLM過(guò)程中獲取各種產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)并向企業(yè)提供有效的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)服務(wù)，引起了眾多制造企業(yè)的極大關(guān)注[1-2]。文中從產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)對(duì)象分析入手，結(jié)合知識(shí)管理探討如何使大數(shù)據(jù)為產(chǎn)品全生命周期管理進(jìn)行決策。

1 PLM及其系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 面向服務(wù)的產(chǎn)品全生命周期管理

產(chǎn)品全生命周期管理(product lifecycle management，PLM)，是指在設(shè)計(jì)、制造、使用和回收等生命周期中與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)管理[3-4]。其中包括產(chǎn)品需求策劃、立項(xiàng)與計(jì)劃、詳細(xì)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)、仿真與驗(yàn)證、工藝與試制、生產(chǎn)與銷(xiāo)售、使用與維修以及報(bào)廢與回收等主要階段,如圖1所示。

圖1 面向服務(wù)的產(chǎn)品全生命周期管理

PLM是一項(xiàng)對(duì)所有產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的技術(shù)，也是一種面向產(chǎn)品創(chuàng)新的知識(shí)管理和流程優(yōu)化的理念。如圖2所示，先進(jìn)的制造業(yè)早已轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑?wù)為導(dǎo)向的產(chǎn)品全生命周期管理。

圖2 產(chǎn)品全生命周期的轉(zhuǎn)變

1.2 PLM的體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

PLM的典型體系架構(gòu)如圖3所示，主要分為應(yīng)用層、核心層、基礎(chǔ)層和通訊層。通訊層為PLM提供一個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，基礎(chǔ)層為PLM提供公共的基礎(chǔ)服務(wù)，核心層為PLM提供各個(gè)生命周期中對(duì)數(shù)據(jù)管理的基本功能接口，應(yīng)用層主要針對(duì)企業(yè)實(shí)際運(yùn)營(yíng)管理的核心應(yīng)用功能集合。PLM中的關(guān)鍵技術(shù)主要有：PLM的構(gòu)件功能劃分、描述及接口定義；支持產(chǎn)品全生命周期的元模型構(gòu)造技術(shù)；分布式異構(gòu)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的映射策略和自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)；跨階段協(xié)同工作過(guò)程建模技術(shù)；基于XML的開(kāi)放信息集成與動(dòng)態(tài)過(guò)程聯(lián)盟技術(shù)；基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的多維視圖產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織、管理、操作技術(shù)；基于產(chǎn)品全生命周期的協(xié)同工程與項(xiàng)目管理技術(shù)[5-6]。

圖3 PLM的體系架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 PLM中的數(shù)據(jù)分析與處理

2.1.1 PLM中的數(shù)據(jù)分析

如圖4所示，在產(chǎn)品全生命周期管理中的數(shù)據(jù)資源分為基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)、產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)以及模式數(shù)據(jù)。按數(shù)據(jù)性質(zhì)不同進(jìn)行處理，非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)通過(guò)分類(lèi)、聚類(lèi)、摘要、標(biāo)簽、主題化、語(yǔ)義分析等進(jìn)行轉(zhuǎn)化；結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行處理，以提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和再使用性。模式資源通過(guò)自動(dòng)化手段進(jìn)而形成智能特征。

圖4 PLM中的數(shù)據(jù)資源圖

2.1.2 PLM中的核心產(chǎn)品BOM數(shù)據(jù)

產(chǎn)品BOM數(shù)據(jù)是制造企業(yè)研制主價(jià)值鏈的核心數(shù)據(jù)。如圖5所示，BOM管理從需求樹(shù)、方案樹(shù)、產(chǎn)品樹(shù)、工藝樹(shù)到實(shí)例樹(shù)等，覆蓋產(chǎn)品研制全生命周期過(guò)程，并以各階段BOM為主關(guān)聯(lián)企業(yè)產(chǎn)品研制主價(jià)值鏈的業(yè)務(wù)過(guò)程數(shù)據(jù)，形成以BOM為核心視圖的制造業(yè)產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)中心[7]。

圖5 PLM中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)

2.1.3 PLM中的運(yùn)營(yíng)主題數(shù)據(jù)

按照業(yè)務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別及運(yùn)算，根據(jù)業(yè)務(wù)需求統(tǒng)一定義和組織的相關(guān)數(shù)據(jù)，由業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照分析需要抽取后按主題存儲(chǔ)及管理。產(chǎn)品主題數(shù)據(jù)庫(kù)以產(chǎn)品為主線(xiàn)貫穿研發(fā)設(shè)計(jì)、技術(shù)狀態(tài)、制造過(guò)程、質(zhì)量保證、產(chǎn)品交付的全過(guò)程數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品的功能、性能參數(shù)以及價(jià)格、外形尺寸、結(jié)構(gòu)模型等產(chǎn)品全屬性信息庫(kù)，關(guān)聯(lián)大數(shù)據(jù)資源庫(kù)中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)中產(chǎn)品關(guān)鍵信息，對(duì)產(chǎn)品研發(fā)、制造全過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行組織與展現(xiàn)。具體包括：產(chǎn)品主題數(shù)據(jù)、項(xiàng)目主題數(shù)據(jù)、研發(fā)生產(chǎn)主題數(shù)據(jù)、質(zhì)量主題數(shù)據(jù)、物資庫(kù)存主題數(shù)據(jù)、成本主題數(shù)據(jù)等。

2.2 知識(shí)管理技術(shù)

知識(shí)管理技術(shù)是指針對(duì)知識(shí)管理的目標(biāo)所采用的各種技術(shù)，包括知識(shí)管理的信息技術(shù)、知識(shí)管理工具和知識(shí)管理軟件。知識(shí)管理系統(tǒng)應(yīng)具有豐富的自動(dòng)獲取知識(shí)能力，無(wú)縫對(duì)接企業(yè)現(xiàn)有信息化業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，并將其中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、信息與知識(shí)統(tǒng)一、有序地建立在知識(shí)系統(tǒng)中；再通過(guò)智能匹配推動(dòng)給相關(guān)人員，結(jié)合用戶(hù)使用習(xí)慣，以及用戶(hù)在系統(tǒng)內(nèi)的行為活動(dòng)，為用戶(hù)排列推薦內(nèi)容，從而不斷智能化完善系統(tǒng)；企業(yè)也能夠通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)知識(shí)運(yùn)用的檢測(cè)，調(diào)整知識(shí)建設(shè)布局，完善企業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)積累的網(wǎng)絡(luò)[8-12]。

(1)智能知識(shí)識(shí)別與學(xué)習(xí)。

通過(guò)“連接器”對(duì)接各個(gè)信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并整合重組現(xiàn)有的內(nèi)容庫(kù)，智能學(xué)習(xí)不僅可以自動(dòng)拆解出元數(shù)據(jù)、內(nèi)容關(guān)鍵字，更對(duì)段落大意、語(yǔ)境信息進(jìn)行分析，并形成多網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)模型，使得計(jì)算機(jī)對(duì)知識(shí)的認(rèn)知更為準(zhǔn)確，理解更為深刻。

(2)智能知識(shí)萃取與重組。

能夠在學(xué)習(xí)知識(shí)后，將不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的信息，按照系統(tǒng)設(shè)定的組織形式，自動(dòng)歸檔數(shù)據(jù)，形成企業(yè)統(tǒng)一的知識(shí)分類(lèi)與地圖，并可以持續(xù)擴(kuò)展，從而適應(yīng)企業(yè)日益增加的知識(shí)內(nèi)容，達(dá)到知識(shí)的統(tǒng)一化、有序化、集中化管理。用戶(hù)在使用層自動(dòng)生成基于導(dǎo)出元數(shù)據(jù)的內(nèi)容簡(jiǎn)介，如：圖片、主題、段落大意，人或地方的名稱(chēng)，型號(hào)或設(shè)備號(hào)，批次任務(wù)，重要的日期或其他重點(diǎn)信息，等等，即系統(tǒng)將解析的內(nèi)容進(jìn)行封裝，智能創(chuàng)建出可用的或有用的提示信息，讓用戶(hù)能夠一目了然地看出是否是自己需要的知識(shí)內(nèi)容。

(3)智能知識(shí)匹配與推送。

系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)跨業(yè)務(wù)系統(tǒng)的，基于內(nèi)容的檢索，還可以依照用戶(hù)自定義模式建立個(gè)性化的搜索器，從而快速定位用戶(hù)需要的信息與知識(shí)。更重要的是，系統(tǒng)依據(jù)人員的情況(如角色、任務(wù)節(jié)點(diǎn)、權(quán)限等)，智能匹配和自動(dòng)推送給員工相關(guān)知識(shí)與最新的更新內(nèi)容，這些內(nèi)容與員工需求智能化匹配，員工不再被迫搜索，從而節(jié)省了大量尋找知識(shí)的時(shí)間。

(4)智能自學(xué)習(xí)與完善。

用戶(hù)每一次查詢(xún)、搜索、點(diǎn)擊、下載等與系統(tǒng)的互動(dòng)，都是系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)這個(gè)過(guò)程調(diào)整，結(jié)合用戶(hù)使用情況以及在系統(tǒng)內(nèi)的行為活動(dòng)，為用戶(hù)排列推薦的知識(shí)內(nèi)容。同時(shí)用戶(hù)可以針對(duì)推薦知識(shí)內(nèi)容打分，添加評(píng)論等信息。系統(tǒng)通過(guò)這樣的反復(fù)學(xué)習(xí)，不斷完善推動(dòng)機(jī)制，從而越來(lái)越智能化。

(5)智能知識(shí)監(jiān)控與挖掘。

可以監(jiān)測(cè)知識(shí)數(shù)據(jù)的使用情況并進(jìn)行分析(如知識(shí)按照類(lèi)別、區(qū)域、組織等維度的上傳、下載、瀏覽頻次；搜索關(guān)鍵字排名；用戶(hù)活躍度等等)，確保知識(shí)的高效使用，直接提高企業(yè)知識(shí)使用效率。通過(guò)對(duì)知識(shí)使用的監(jiān)測(cè)情況，可對(duì)企業(yè)信息化業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)、企業(yè)流程、制度等方面決策進(jìn)行影響，對(duì)企業(yè)各部門(mén)的業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)起到不可估量的深遠(yuǎn)影響。

3 利用大數(shù)據(jù)為PLM進(jìn)行決策

3.1 基于PLM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)應(yīng)用架構(gòu)

PLM中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)應(yīng)用主要包括PLM過(guò)程中的需求規(guī)劃、研發(fā)設(shè)計(jì)、工藝試制、制造裝配、銷(xiāo)售、維修和回收等。基于PLM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)應(yīng)用架構(gòu)如圖6所示，其主要包括產(chǎn)品知識(shí)資源層、中間件層和應(yīng)用層。產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)資源層主要包括企業(yè)內(nèi)外的產(chǎn)品知識(shí)庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)、模型庫(kù)、實(shí)例庫(kù)、專(zhuān)利庫(kù)、文獻(xiàn)庫(kù)和專(zhuān)家?guī)斓取Ｖ虚g件層主要是利用企業(yè)服務(wù)總線(xiàn)、接口適配器、服務(wù)注冊(cè)管理等整合技術(shù)，構(gòu)建面向SOA的體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)服務(wù)的注冊(cè)、封裝和組合，進(jìn)而在PLM過(guò)程中向企業(yè)內(nèi)外用戶(hù)提供按需服務(wù)的產(chǎn)品知識(shí)。應(yīng)用層主要提供PLM過(guò)程中需求規(guī)劃、研發(fā)設(shè)計(jì)、工藝試制、生產(chǎn)計(jì)劃、制造裝配、產(chǎn)品銷(xiāo)售、維修服務(wù)以及產(chǎn)品回收等各階段所需的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)服務(wù)支持[13-14]。

3.2 基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)的精益研發(fā)業(yè)務(wù)藍(lán)圖

基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)的智能研發(fā)業(yè)務(wù)藍(lán)圖如圖7所示。企業(yè)對(duì)典型項(xiàng)目的研發(fā)流程進(jìn)行梳理，形成基礎(chǔ)工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)框架，并開(kāi)展數(shù)據(jù)、伴隨知識(shí)和工具內(nèi)容的梳理工作，梳理完成后的數(shù)據(jù)、知識(shí)和工具資源導(dǎo)入到平臺(tái)中與研發(fā)流程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成完整的數(shù)字化典型項(xiàng)目研發(fā)流程(企業(yè)WBS)。當(dāng)新項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人基于歷史項(xiàng)目研發(fā)流程進(jìn)行剪裁，快速生成適合項(xiàng)目的WBS樹(shù)，同時(shí)對(duì)工作包進(jìn)行維護(hù)和策劃，定義執(zhí)行人、修訂輸入輸出、伴隨知識(shí)、數(shù)據(jù)管控和執(zhí)行工具等信息，待逐級(jí)完成項(xiàng)目策劃工作后，將工作包分派給任務(wù)執(zhí)行人。

研發(fā)生產(chǎn)人員執(zhí)行任務(wù)：任務(wù)執(zhí)行人在平臺(tái)門(mén)戶(hù)中查看任務(wù)信息并領(lǐng)取任務(wù)，依據(jù)上游任務(wù)傳遞過(guò)來(lái)的輸入信息，使用工作包關(guān)聯(lián)的知識(shí)、工具和數(shù)據(jù)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。完成設(shè)計(jì)工作后，提交輸出物到數(shù)據(jù)中心，結(jié)束此項(xiàng)任務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈的今天，創(chuàng)新是企業(yè)生存與發(fā)展的動(dòng)力源泉，而產(chǎn)品數(shù)據(jù)知識(shí)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)是提高產(chǎn)品全生命周期過(guò)程中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)及管理創(chuàng)新的主要途徑。數(shù)據(jù)是企業(yè)的核心，知識(shí)是智慧化的數(shù)據(jù)。智慧企業(yè)的建設(shè)應(yīng)以數(shù)據(jù)知識(shí)應(yīng)用為核心，構(gòu)建

圖6 基于PLM的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與知識(shí)應(yīng)用架構(gòu)

圖7 精益研發(fā)業(yè)務(wù)藍(lán)圖

完整、高效、安全的應(yīng)用服務(wù)體系。通過(guò)數(shù)據(jù)中心采集存儲(chǔ)企業(yè)科研生產(chǎn)和管理過(guò)程中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)知識(shí)工程平臺(tái)的建設(shè)，針對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，使用相應(yīng)的加工手段和方式，提升數(shù)據(jù)的顯性化、共享化和智慧化程度，形成可利用的知識(shí)，針對(duì)不同用戶(hù)提供個(gè)性化服務(wù)。構(gòu)建一個(gè)從感知—決策—行動(dòng)—優(yōu)化自完善的研發(fā)生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)企業(yè)的自主知識(shí)創(chuàng)新及精益管控，進(jìn)而有效提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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