面向制造业的产品配置器与PDM集成设计方法

　　产品配置器独立应用时，不仅要实现配置建模和配置求解等核心功能，还要考虑零部件标准化、信息化，甚至企业资源管理和计算机辅助设计(CAX)应用集成等功能，而这些功能都已被PDM(Product Data Management，产品数据管理)系统实现。此外，由于产品配置在制造企业中的重要地位，目前已经成为PDM系统研发过程中必须考虑的内容。因此，产品配置器和PDM系统的集成具有较大的实用价值，能够避免企业人力、财力资源的浪费和信息资源的冗余。

　　本文针对产品配置器与PDM集成的传统模式耦合问题进行研究，给出了一种松散耦合的集成设计方法。

1 PDM中的产品配置功能

　　PDM是产品数据管理的简称，是一种对产品全生命周期数据和过程进行有效管理的方法和技术，它的目标是为各种计算机应用系统提供一个集成平台，对数据进行管理，对过程进行协调。

　　第一代基于图书档案管理的PDM主要专注于设计阶段工程信息的管理，还未出现产品结构和产品配置管理等模块；第二代面向过程的PDM后，产品结构和产品配置管理才出现在系统中，并逐渐成为PDM的主要功能。

　　大批量生产方式时，产品的生产目标是低成本、高质量、标准化．在卖方主控的市场环境下，客户很难参与产品的设计过程，产品的生命周期较长。因此，产品配置管理主要满足企业内部信息化管理的要求，统一管理产品生命周期内全部数据的有效性，维护各部门BOM(物料清单)更改的一致性。它采用基于版本配置产品结构的方法，首先依据版本管理建立产品族，然后通过选择产品族中各零部件的不同版本配置不同的产品结构，完成设计任务。

　　随着全球市场格局的变化，用户对产品设计的需求越来越大，因此产品配置仅关注企业内部已经不能满足发展的需要，来自用户的个性化需求也要加人到产品结构设计中。于是，产品配置管理又产生了新的功能，即基于客户的定制要求确定产品物料清单，这恰是面向MC生产方式产品配置的研究内容。

　　这两种配置功能都是将产品模型中不确定的零部件配置为确定的零部件，区别在于前者是基于版本进行产品配置，后者是基于客户定制要求进行产品配置。在PDM系统相关研究和应用中，有的将两者划分开，有的将两者统一称为产品配置管理。本文主要研究基于客户定制的产品配置器与PDM系统的集成，为方便，本文将基于客户定制的产品配置器简称产品配置器。

2　产品配置器的功能模块设计

　　产品配置的主要任务是预先将领域知识转化为产品配置模型，并且可以将模型配置成满足用户定制要求的变型产品。因此，首先要设计产品配置器的工作原理。图1为参考文献《产品配置器的工作机理研究》给出的产品配置器工作原理设计图。

图1 产品配置器的工作原理设计
Fig.1 Work principium diagram of product configuration manager

　　企业首先要准备好产品配置建模所需的领域知识，包括涉及的所有组件和所有约束关系，产品配置器按图1顺序依次进行后继活动。由图1可见：步骤(1)～(3)负责将领域知识转换为指定形式的产品配置模型；步骤(4)～(6)是对产品配置模型的应用，负责接收用户定制要求和配置求解，求解失败时给出必要的解释；步骤(7)负责将求解成功的配置结果注册为产品结构的形式，并持久化保存。产品配置器完成上述工作后，注册获得的变型产品可能还需要提交给设计部门进一步设计，也可直接交给制造部门组装生产。

　　根据上述工作原理，产品配置器从客户应用角度可以被划分为建模器、配置器和注册器3个功能模块，分别完成产品配置的建模、配置和注册任务，维护的业务对象分别是广义产品(即产品配置模型)、变型规范和变型产品。图2给出了产品配置器面向客户应用的功能模块设计，实际应用中，产品配置器多数在PDM／ERP系统的支持下完成。

图2 产品配置器的功能模块设计
Fig.2 Function module design diagram of product configuration manager

　　建模器是为制造业领域专家提供的建模工具，领域专家根据企业能生产的产品系列建立广义产品结构，设计配置逻辑，确定定制界面。广义产品是一组功能和特征相近的产品集合，广义产品结构通常采用GBOM的形式描述，结构中的不确定信息一般用配置参数表示，领域专家基于配置参数和产品规范建立该广义产品结构内部零部件间的约束关系，从而决定了广义产品的配置逻辑。领域专家还需要确定配置器界面的式样，包括设置哪些参数是用户可输入的，如何向用户描述这些参数，以及些参数是以何顺序显示给用户等。

　　配置器是为客户／销售工程师提供的配置工具，主要提供用户数据的采集、推理求解和保存配置解3项功能。配置器根据产品配置模型动态构造一组定制贞面，定制页面上的定制接口即模型中可以由用户赋值的配置参数，用户基于定制页面提交定制要求，每提交一次就触发一次配置推理计算。全部提交后，如果用户的定制要求与约束关系不矛盾，系统则给出配置解。配置解可能有多个，用户可以选择其中一个或几个以文档的形式持久化保存，称为变型规范，如果用户的输入与约束关系矛盾，系统则给出必要的解释。

　　注册器是为设计工程师提供的注册工具，负责将配置解中的广义零部件注册为标准零部件。变型规范形式的配置解虽然能明确广义产品结构中不确定的结构和属性信息，但还没有为其中的广义零部件指定能够取代的标准零部件，因此，无法提供一个真正意义上的产品结构。注册器基于设计工程师输入的注册信息对配置解中广义零部件自下而上逐层注册，广义零部件被逐个替换为标准零部件，配置解从文档形式转换为产品结构形式，成为变型产品。变形产品可以直接交付给企业的设计/制造等后续环节。

3 产品配置与PDM的功能集成

    产品配置器被集成到PDM的应用组件层中，服从版本管理、用户管理和视图管理等核心服务管理，在应用组件零部件管理和产品结构管理的支撑下工作，同时支持项目管理和工作流管理等。产品配置器与PDM集成的设计方案如图3所示。

图3 产品配置器与PDM的功能集成设计
Fig.3 Function integration diagram of product configuration manager and PDM

　　在产品配置器与PDM系统的集成设计中，产品配置器必须支持PDM系统的信息化管理。产品配置器根据实际需要支持持久化管理、版本管理、权限管理、角色管理、用户管理、项目管理和工作流管理等，支持的管理项目越多，与系统集成的程度越高。

　　视图管理是PDM系统进行资源管理的一种方法，不同的视图表示资源管理的不同阶段和目的，如设计视图、制造视图。产品配置器可能需要在特定的视图下进行工作，因此需要创建视图，如图3所示。

　　PDM中的零部件管理模块和产品结构管理模块与产品配置器的关系最密切，它们是产品配置应用的支撑组件。零部件管理负责维护零部件模型的属性信息，产品结构管理负责维护各级零部件的装配关系。只有具备了一定规模的零部件库，才能建立完整的产品结构和广义产品结构，而确定了产品结构的表达形式才能明确广义产品结构和变型产品的表达形式。实际应用时，产品结构和产品配置间还存在信息的交流和互通，产品配置和产品结构库的关系是双向的：一方面，产品配置以企业已有的产品结构为基础原型，衍生出可以提供个性化配置服务的广义产品；另一方面，产品配置设计出的变型产品又扩展了企业的产品结构库。

　　因此，零部件和产品结构是产品配置器建模和注册的数据基础，是实现产品配置器数据集成的基本要素。

4 产品配置与PDM的数据集成

　　本文基于PDM系统常见的零部件设计和产品结构设计给出产品配置模型的UML设计方法。该设计方法将产品配置模型分为结构要素和配置逻辑要素，结构要素主要负责实现产品配置与PDM数据间的无缝集成，配置逻辑要素主要负责描述产品配置的逻辑约束。该设计可以降低集成的耦合度，具有很好的平台移植能力。

　　产品结构作为制造企业的核心资源，具有树形结构的特征。文献《基于协同产品数据管理理念的零部件子系统的设计》给出了一种常见的零部件设计和产品结构设计方法，该方法支持对零部件和产品结构的持久化管理、版本管理和权限管理等，其UML设计如图4所示。

图4 支持版本管理的产品结构UML设计
Fig．4 UML design diagram of product structure supplying version management

　　由图4可见， 记录零部件与版本无关的属性， 记录零部件与版本有关的属性。 和 存在2种关联关系：master与iteration，uses与usedBy。前者实现零部件的版本管理机制，一个(PartMaster)对象可以对应多个(Part)对象，管理当前零部件的各个版本。后者实现产品结构的树形设计，子件角色uses建立到(PartMaster)上，这样无论子件怎样变化(或结构发生变化，或版本发生变化)，当前结构关系都不会丢失。

　　产品配置模型可以采用广义产品结构描述产品族，广义产品结构是基于产品结构添加一些非标准零部件节点而获得的一种树形结构，广义产品结构中可定制的零部件节点称为广义零部件，它实际上表示一组特征相近的零部件集合。因此，产品配置模型可以基于广义产品结构设计结构要素和围绕广义零部件设计配置逻辑要素。下面基于上述产品结构设计提供一种可行的产品配置模型UML设计方法，该方法能够实现产品配置器与PDM数据间的无缝集成，如图5所示。

图5 产品配置模型的UML设计
Fig.5 UML design diagram of product configuration model

　　由图5可见，和和 实现广义零部件设计，同时获得PDM系统的持久化管理、版本管理和权限管理等。继承<产品结构关联>，记录广义产品结构关系，子件角色gUses建立于 上，规定广义零部件的子节点可以是标准零部件和广义零部件，但标准零部件的子节点只能是标准零部件。记录广义零部件各种类型的业务文档，上述类是产品配置模型的结构要素。

　　广义零部件和广义产品结构设计与标准零部件和产品结构设计相比，除子节点类型不同外，广义零部件还有一个类型的属性对象，它负责管理产品配置模型的配置逻辑要素，一个对象从属于唯一的对象，类描述广义零部件中不确定的结构信息和属性信息，称为配置参数类；类描述零部件之问的约束关系，称为配置规则类；类描述配置器的用户定制接口，称为配置接口类，这3个类构成了产品配置模型的配置逻辑要素。

　　类表示配置参数，至少包括以下7个属性：name，value，default，scope，type，mapped和mLogicSet，分别表示配置参数的名称、取值、缺省值、取值范围、取值类型、匹配对象和所属配置逻辑集合。类表示配置规则，至少包含以下5个属性：name，inParams，outParams，logic和mI_ogicSet，分别表示配置规则的名称、输入参数集合、输出参数集合、逻辑约束和所属配置逻辑集合。类表示配置接口，对象的关键属性是param，用户通过配置器界面将数据直接录入到对象的属性param中，即保存在param的属性value中。

　　此外，还存在2个辅助类类和类，类用于表示表达式，可以用在配置参数和配置规则中，从而表示出更丰富的配置逻辑。类用于描述参数的取值范同，可能是连续的，也可能是离散的。

　　总之，产品配置模型的UML设计包括两部分内容：基于PDM系统集成的结构要素设计和基于配置逻辑描述的逻辑要素设计；，，和的设计方式取决于PDM系统中零部件、产品结构和文档的设计方式以及产品配置模型本身关于结构的设计。因此，不同的PDM系统中结构要素的实现也不同。，和的设计方式则只取决于产品配置模型中关于配置逻辑的设计，并且由对象统一管理。因此PDM系统对这3个要素的影响几乎降至最低，在该设计方式下，产品配置器的配置逻辑有较强的独立性和平台移植能力，集成平台更改时，对配置逻辑几乎没有影响；而配置逻辑发生变化时，也基本不会影响PDM系统和结构要素。