罗炜 (luow00@mails.tsinghua.edu.cn)
清华大学精密仪器与机械学系
2001 年 8 月随着互连网时代的到来,产品设计模式发生了很大的变化。过去顺序、垂直的企业结构现在朝着并行、水平的方向发展。产品设计管理变成了企业信息管理和电子商务的核心。本文首先提出了几种敏捷设计管理的模式，并分析了本体和XML、KCs之间的关系；然后，作者通过PKML(Product Knowledge Markup Language)语言给出了敏捷设计中产品知识的表达；最后初步设计和开发了原型系统AgilePDM。前言
产品设计管理(Product Design Management)是产品信息管理的重要组成部分。其核心可以概括成进行设计相关信息的管理以确保正确的信息在正确的时间、以正确的格式传递到正确的部门。随着企业由内部向外部的扩展（外部企业是指和一个产品族生命周期相关的OEM企业、供应商以及合作伙伴），设计过程的协同、设计对象的知识表达和企业间系统的异构使得产品设计管理变得日益复杂。同时在企业内部的信息系统中，设计管理系统需要和客户关系管理系统（CRM）、供应链管理系统（SCM）以及企业资源规划系统（ERP）进行集成，因此有需要建立开放的、基于知识的敏捷设计管理系统以便能够和其它信息管理系统通过有意义的方式进行通信。由于WEB技术的开放性和易用性，它是一个被普遍接受的产品设计管理的使能工具。此外，将客户需求捕捉和转换成设计规范以及将设计规范向下分散到供应商，都需要客户、OEM企业、供应商和合作伙伴都能理解的信息协议。在敏捷的产品设计中，协议既是指电子协议，也包括面向人的协议。WEB技术已经定义了电子协议（如CORBA/RMI/DCOM等），但是面向人的协议并没有很好的定义仍需要进一步研究。本文的目的主要集中在定义基于知识的产品设计管理系统的信息协议以实现产品的敏捷设计。我们采用KC作为定义面向人的通讯字典，使用XML作为应用该字典的使能工具。KC和XML一起为产品生命周期所涉及的企业提供了可行的本体（Ontology）和通讯机制.敏捷的产品设计管理
1.1 敏捷设计的模式
| 设计模式 | 设计需求 | 管理系统 | 应用集成 |
| 设计-客户 | 个性化 | 产品结构管理产品配置管理 | PDM-CRM |
| 设计-设计 | 协同设计协同装配 | 产品协同管理 | PDM-CAD-DFX |
| 设计-供应商 | 零部件重用 | 产品商务管理 | PDM-Emarket |
| 设计-制造商 | 面向制造和后勤 | 产品协同管理 | PDM-ERP |
根据产品设计模式，我们将从三个角度给出敏捷的产品设计管理模式，即逻辑模式、物理模式和集成模式。通过使用基于产品设计模式的PDM系统，我们可以获得产品设计的敏捷性。如图1 所示的逻辑模式，产品设计管理包含产品定义管理、产品配置管理、产品协同管理和产品商务管理。产品定义管理主要是支持设计人员进行产品族模型的建立。定义和管理产品对象及产品结构。产品配置管理是支持B2C的电子商务，满足个性化的需求。产品协同管理是提供一个平台支持工程部门、采购部门和供应商之间的更改管理，确保产品在生命周期任何环节出现问题都能得以及时响应和更正，保证设计的敏捷性。产品商务管理通过B2B的电子商务，进行产品对象制造、购买还是外包的决策。并将结果输入ERP系统的制造部门和采购部门。
图1 产品设计管理的逻辑模式如图2 所示，PDM系统需要和其它很多管理系统进行集成。CRM系统的用户需求信息，CAD系统的产品模型信息是PDM系统的主要输入信息。DFX工具需要PDM提供的产品设计信息进行分析，包括面向需求的设计DFR以确保设计满足用户需要，面向装配的设计DFA以确保产品设计规范得到实现，面向成本的设计DFC以保证得到产品商务的作用能在设计阶段得到评价。产品设计管理系统还要和电子市场集成，以求在设计期间和供应商以及合作伙伴进行B2B的商务或设计协同。PDM必须和ERP进行集成，一方面是将PDM产生的BOM（Bill of Material），AML（Approved Manufacture List）以及设计文档传送到制造部门，另一方面是要求ERP系统提供与供应商相关的配送信息以便进行供应商的选择和评价。
图2 产品设计管理的集成模式从物理模式讲（见图3），OEM企业的PDM系统由产品定义服务器、产品协同服务器和产品商务服务器构成。它们要和分销商CRM服务器、电子市场服务器以及制造商ERP服务器进行同步和异步的通讯。XML定义了通讯字典，HTTP、FTP、MSMQ、SMTP等协议可用于传送XML。
图3 产品设计管理的物理模式2 KCs，XML和本体的关系
传统的产品数据管理系统（如IMAN、PM）是以数据为中心的封闭系统，不同系统间的数据交换需要进行专门的二次开发，这种系统主要应用于内部企业；敏捷设计模式下的管理系统涉及到多个外部企业，多个产品设计管理系统要进行交互。但是，不同的系统使用不同的术语和概念描述设计管理领域的相同事物。随着数据库中数据单元的积累，处理、提取和交换数据变得很困难。因此需要一种机制能规范产品设计管理系统的描述，知识工程中本体的概念就是为了解决这一问题的。新一代敏捷的PDM系统将是能够表达和管理产品的功能、行为和结构等知识，有利于知识共享、知识交换和知识提取的智能系统。本体(Ontology)
本体是指一个特定领域某个概念的清晰规范，它体现了在这个领域人们的共同的观点[1]。本体的主要目的是使计算机信息系统之间以一种独立于具体系统技术、信息架构和应用领域的方式进行通讯。本体在人工智能和知识表达领域应用了多年，但是现在的应用变得更加广泛，特别是在对象建模和XML方面，本体已经成为不可缺少的标准术语。可扩展的标记语言(XML)
XML是网络上一种结构化的文档和数据交换标准。XML能用于数据交换并解决互操作问题；它在B2C、B2B、EAI（企业应用集成）等领域有广泛应用。XML能够自己定义标记，这对于基于知识的系统具有重要意义。有了XML，网络上的智能搜索、知识推理、数据交换、适应性的内容显示和个性化定制等就有了标准。利用DTD(Document Type Declaration)，相同工业领域能够根据他们一致同意的词汇和语法进行通信。关键产品特性(Key Characteristics)
产品BOM中的每个对象，是指一个装配体、子装配体、或者零件，它是以一组属性为特征的。关键产品特性指一个属性或参数，其很大程度地影响产品如下几个方面：（1）强度、可靠性、外观和人机等特性；（2）生命周期如设计、原型、发布、报价、测试、服务、及报废等阶段；（3）竞争性度量如质量、成本、配送和生产率等。从正的方面来讲，许多OEM厂商认为，产品关键特性是一个使能器，能够将离散、互不联系的知识结合起来。但是没有任何行业组织能够清晰地定义相关产品的关键特性。使用它的目的是更好的管理产品生命周期的信息，通过识别关键信息同客户和供应商有效地进行交互。但是负的方面讲，使用KCs会产生以下问题：一是KCs不容易标准化，且很难进行控制。二是相同的KCs在不同的领域可能有着不同的属性和意义，在很多时候需要进行重新定义。因此需要一种系统的方法在语法层对KCs进行定义，并用PDM和ERP系统进行管理。我们需要能够用规范的方法将KCs从一个领域映射到另外一个领域，并保持起最初的结构,从而能将正确的信息以正确的格式传递到其它应用系统。本体、关键产品特性KCs和XML的关系
XML被广泛预言能够提高PDM系统之间的互操作的程度。但XML并没有提到本体并提供知识的唯一的语法表示。基于这个原因,许多互连网的商业发起者正在开发分类法以支持基于XML的互操作。开发主要集中在标准标记的识别上，而不是其背后的本体。互操作因此依赖于每个贸易伙伴同意使用特殊的标记集。KCs可以理解成能够支持产品设计规范的客户需求和供应商信息。尽管很多大的制造企业采用KCs 的方法，但是这种方法并没有规范化和结构化。在实践中还存在很多变化因素。因此我们可以考虑利用本体的方法。我们认为XML和KCs一起提供了广义企业有关产品设计管理本体的解决方案。XML给出了本体基于Web的语法表达方法，而KCs则定义了本体的通信字典或词汇表。3 产品设计管理中的KCS AND XML
3.1 采用KCs and XML的PDM系统的优势
我们将要具体分析XML和KCs在产品定义管理，产品协同管理、产品商务管理以及企业应用集成（Enterprise Application Integration）中所起到的作用。在产品定义管理中，XML和XSL的结合很好的匹配这样一个概念：一个产品结构树,针对客户、销售、设计和制造可以有不同的视图，如功能视图、行为视图和结构视图；产品BOM表结构通常都是树状的，使用XML可以方便的建立、修改、维护、查询BOM树；不同的产品设计管理系统对同一产品结构树的表达不同，在企业应用集成的时候，可以用XML作为中性格式。这样可以使不同的系统交换产品结构树，开放了系统数据，减少了开发专用接口的成本；产品配置管理，这里指变量配置，是建立在关键特征KCs的基础上进行的。用户通过对关键特征尤其是功能特征的定制，配置器产生个性化的产品实例。在产品协同管理中，产品的变更过程涉及到广义企业的很多部门的参与。考虑到系统的互操作问题，跨企业的工作流和WEB服务都是建立在XML之上的；通过识别协同过程的KCs，产品更改的发起者和审批者能够对更改事宜有着共同的理解；广义企业的没有成员在协同的时候需要准确及时地找到产品的关键信息，XML的标记语言通过利用产品的关键特征KCs能够进行产品知识的智能搜索。在产品商务管理中，XML能够起到很大的作用。在供应链系统中存在大量商业对象如定单、招投标书等，同一个对象可能在多个应用模块间流转，使用XML可以简单的对单据进行校验、转化、显示及同步；供应商的选择，零部件的招投标过程，文档的交换，商业过程的互操作需要用XML来进行规范。通过商业过程的标准化降低成本，提高商业系统的互操作水平；当OEMs和供应商交换知识对象时，他们不必将整个XML文档发送给对方。通过XSLT技术，能够将专门的产品对象发送给OEMs或供应商，这样防止了企业知识的流失。为了能和CAD、DFX、ERP和E-Market等应用系统进行集成，我们可以将PDM系统的DTD映射成这些系统的DTD（通过XSL Transformation），XML数据至XML数据的转换较传统的结构化数据转换要便捷得多；XML能够使系统内部的数据格式规范，通过定义统一的数据集，无需中间件的翻译，可以简化数据流程，节约系统资源。3.2 产品知识标记语言PKML (Product Knowledge Markup Language)
基于KC的产品知识标记语言是本文讨论的核心。XML可以作为当前产品数据交换标准（如STEP）的补充。因为它能管理大量的动态内容，支持基于WEB的分布式应用，是良好的结构化的文档。当然，仅有标记语言不能解决数据的拥有权限、数据的一致性、访问权限和用户接口等问题。标记语言必须和基于知识的产品设计管理系统一起使用才更为有效。由此可见，产品数据交换的合理定义是敏捷的产品设计管理系统开发的前提。从知识工程的观点看，产品数据交换实际上是要建立共享的、可理解的产品知识的表示。产品知识标记语言PKML是XML的一个应用子集，知识表达是通过进行DTD的定义来实现的。具体定义要充分考虑敏捷的设计模式，反映出敏捷设计管理的要求。首先，产品知识模型一定是基于产品族的模型，能够进行配置，体现用户个性化的需求；其次，产品知识模型是能够反映产品的功能、行为和结构的模型。这样有利于知识交换和知识挖掘。能够更好的服务于产品设计；接着，产品知识模型是一个产品生命周期的模型。用户、工程部门、采购和供应商都能按照一定的权限提出、审批更改，及时反馈信息以减少返工。可见，产品知识模型也是一个协同的模型；最后，产品知识模型是一个商务的模型。在设计阶段通过商务过程，对零部件进行分类管理，进行是否购买和外包的决策。这个商务模型也要体现一定的供应链模型。根据这些对产品建模的需求，我们使用DTD来表达产品知识的模型，敏捷的产品设计管理就是建立这个产品知识模型基础上的。图4是产品知识标记DTD的树结构。
图4 使用DTD的产品知识表达
| 产品知识交换包<!ELEMENT ProductKnowledgeXchangePackage (AdditionalAttribute*, AdditionalAttributes*,Items?, Changes?, ManufacturerParts?,SupplierParts?, History?, Attachments?,Contacts?, AsBuiltProduct*)>产品定义管理<!ELEMENT Items (Item+)><!ELEMENT Item (AdditionalAttribute*, AdditionalAttributes*, BillOfMaterial?,ApprovedManufacturerList?, History?,Attachments?, ChangeHistory?, Characteristics?, AlternateItems?, SerialNumbers?)><!ELEMENT Characteristics (Characteristic+)><!ELEMENT Characteristic (AdditionalAttribute*, AdditionalAttributes*, Function?, Behavior?, Structure?)>产品协同管理<!ELEMENT Changes (Change+)><!ELEMENT Change (AdditionalAttribute*, AdditionalAttributes*, History?, Attachments?,Signoffs?, AffectedItems?)>产品商务管理<!ELEMENT ManufacturerParts (ManufacturerPart+)><!ELEMENT ManufacturerPart (AdditionalAttribute*, AdditionalAttributes*,ApprovedSupplierList?, History?, Attachments?)><!ELEMENT SupplierParts (SupplierPart+)><!ELEMENT SupplierPart (AdditionalAttribute*, AdditionalAttributes*, History?,Attachments?)>产品族管理<!ELEMENT AsBuiltProduct (ProductInstance*)><!ELEMENT ProductInstance (Configuration*, Lot*, WorkOrder*, Packaging*, Process*,Optional*)> |
4.1 建模方法
系统建模的目的是采用一组模型来定义系统层的细节。系统建模主要有两种方法，一是充分采用和遵循工业标准的对象模型和体系结构，以便和其它产品设计管理系统以及应用系统能进行互操作。二是开发过程中使用在工业中已经有很成功的应用的建模技术，以有利于复杂系统的管理。统一建模语言(Unified Modeling Language)技术现在是系统建模的工业标准，他是一种面向对象的建模方法，并吸收综合了其它方法的优势。使用标准的建模方法通过共同的概念、符号和支持工具（如Rational Rose）能使开发过程标准化，增加和其它软件系统的兼容性。系统建模包括用例建模、静态建模(类和对象的建立)和动态建模等。其中类的模型可以映射成DTD文档类型。限于篇幅，在这里就不再叙述。4.2 .软件实现
XML作为现实世界数据对象的表示，是一种和具体系统无关的中性结构。JAVA能够处理数据，是一种与平台无关的程序语言。JAVA和XML是网络编程的最佳组合。我们的敏捷产品设计管理系统将采用Web-Centric的软件实现结构和文档、视、控制（MVC）的编程模型：
Model: JavaBean
View: XSL stylesheet
Controller: Servlet, Java Server Page
图5 WEB-centric 软件实现结构我们使用建模工具Rational ROSE2000，集成开发环境VisalAge3.5，Web服务器IBM HTTP SERVER，应用服务器Websphere3.5，数据库服务器DB2 7.0，IBM XML解析器，IBM Lotus XSL 解析器，DB2 XML Extender等开发工具。下面是我们正在开发的产品设计管理原型系统AgilePDM的用户界面：
图6 敏捷的产品设计管理系统AgilePDM5 结论
由于企业组织由垂直方式向水平方式的变迁，产品设计管理系统不仅要涉及企业内部不同部门，而且也要管理广义企业所包括的客户和供应商。人们渴求的不再是产品数据，而是产品知识。本文在给出了三种设计管理模式后，仔细分析了使用XML和KCs技术后设计管理系统是怎样变得知识敏感的，并给出了产品知识的DTD表达。原型系统AgilePDM正处于开发阶段。今后的工作将集中在过程本体和组织本体的研究上，以使基于知识的设计管理系统更加完整。参考文献
- Gundong Francis Pahng. Design Knowledge Management Framework For Active Design Support. Proceedings of DETC'99: 1999 ASME Design Engineering Technical Conferences September 12-15,1999,Las Vegas, Nevada.
- G.Q. Huang*. Web-based product and process data modeling in concurrent "design for X". Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 15(1999) 53-63.
- M. Rezayat. Knowledge-based product development using XML and KCs. Computer-Aided Design, 32(2000): 299-309.
| 作者介绍 罗炜, 清华大学精密仪器系2000级博士研究生,曾就职于某航空企业数控工艺员,熟悉CAD/CAM/PDM/ERP软件,目前研究方向有基于INTERNET的产品开发，协同产品商务，产品知识管理，企业应用集成，协同商务的互操作协议等。您可以通过E-mail:luow00@mails.tsinghua.edu.cn跟他联系。 |
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