產(chǎn)品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM) 是指對(duì)產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、工程化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、營(yíng)銷、維修與售后服務(wù)的全生命周期中的信息與過程的管理，既是一門設(shè)計(jì)制造技術(shù)，又是一種設(shè)計(jì)制造理念。PLM支持并行設(shè)計(jì)、敏捷制造、協(xié)同設(shè)計(jì)和制造，以及網(wǎng)絡(luò)化制造等先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)手段。在企業(yè)實(shí)施PLM過程中，積累了大量知識(shí)源數(shù)據(jù)，目前如何根據(jù)已有的PLM系統(tǒng)，對(duì)企業(yè)的知識(shí)進(jìn)行有效管理，正受到越來越多人的關(guān)注。當(dāng)前對(duì)企業(yè)知識(shí)管理方面，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Hanley指出“知識(shí)管理是一組能夠展現(xiàn)組織設(shè)計(jì)與經(jīng)營(yíng)原則、流程、組織架構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)的集合，它能幫助知識(shí)工作者以驚人的效率展現(xiàn)他們的創(chuàng)新能力，為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。Eppler等認(rèn)為，知識(shí)可視化是一種通過提供比信息可視化更加豐富的表達(dá)用戶所知道內(nèi)容的方式，以提高人們之間的知識(shí)傳播和創(chuàng)新。由此可見，知識(shí)可視化可以提高知識(shí)管理的效率，而在如何實(shí)現(xiàn)知識(shí)的可視化管理方面，國內(nèi)外也進(jìn)行了一些研究。Alla Anohina 等認(rèn)為，基于概念圖的知識(shí)管理系統(tǒng)能幫助初學(xué)者降低任務(wù)的難度。Sigmar 等認(rèn)為，使用概念圖能實(shí)現(xiàn)知識(shí)管理的可視化，能對(duì)知識(shí)進(jìn)行組織、分發(fā)等。
在企業(yè)的各種活動(dòng)中，新產(chǎn)品研發(fā)對(duì)提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力有著至關(guān)重要的作用，相應(yīng)地在PLM系統(tǒng)中，企業(yè)核心的知識(shí)都是基于新產(chǎn)品開發(fā)的，如何對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)過程進(jìn)行知識(shí)管理，是具有現(xiàn)實(shí)意義的。現(xiàn)有的PLM系統(tǒng)在產(chǎn)品開發(fā)中主要起著文檔倉庫作用，當(dāng)某種類型產(chǎn)品研發(fā)成功后，再次研發(fā)類似產(chǎn)品時(shí)，PLM系統(tǒng)中只是保存著以前產(chǎn)品的最終設(shè)計(jì)結(jié)果，由這些數(shù)據(jù)了解原來產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程比較困難，特別是以項(xiàng)目開發(fā)為中心的企業(yè)，人員隨項(xiàng)目的建立而組織，人員流動(dòng)性比較大，產(chǎn)品開發(fā)知識(shí)庫比較難以建立。在PLM的知識(shí)管理研究中，有幾個(gè)問題有待解決: 首先，設(shè)計(jì)人員本身都很難分清知識(shí)，由于整個(gè)設(shè)計(jì)過程就是一個(gè)知識(shí)演變過程，相關(guān)知識(shí)提取應(yīng)該是邊設(shè)計(jì)邊提取; 其次，PLM能夠管理設(shè)計(jì)的文檔和流程，它能將設(shè)計(jì)結(jié)果文檔化和流程化，但是設(shè)計(jì)思維過程和知識(shí)如何與文檔相關(guān)聯(lián)無法體現(xiàn)。從現(xiàn)有PLM系統(tǒng)數(shù)據(jù)是不能得到或很難恢復(fù)原來設(shè)計(jì)過程全貌，而這部分知識(shí)恰恰是整個(gè)設(shè)計(jì)中比較重要的一部分。對(duì)于設(shè)計(jì)過程中的知識(shí)管理，Amrit Tiwana 等通過概念圖應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)知識(shí)可視化管理中發(fā)現(xiàn)，在復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)中，用概念圖進(jìn)行知識(shí)管理可以降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，增加設(shè)計(jì)過程柔性。
綜上所述，本文通過建立產(chǎn)品全生命周期概念圖定義，設(shè)計(jì)該概念圖與PLM系統(tǒng)中各種設(shè)計(jì)文檔關(guān)聯(lián)規(guī)則，明確產(chǎn)品全生命周期概念圖的存儲(chǔ)格式，探索新產(chǎn)品開發(fā)知識(shí)可視化管理的新方法。
1 PLM中知識(shí)管理的對(duì)象
企業(yè)的所有數(shù)據(jù)，如設(shè)計(jì)、加工制造以及企業(yè)流程活動(dòng)等數(shù)據(jù)都已經(jīng)儲(chǔ)存在PLM系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)是知識(shí)的載體，要獲得可以利用的知識(shí)，還要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理。由目前主流PLM系統(tǒng)( 如UGSTeamcenter、Aras Innovator 等) 特點(diǎn)可知，PLM系統(tǒng)基本上是依據(jù)Item或類似功能的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織相關(guān)CAX(CAD、CAE、CAM、CAPP 等) 文檔和企業(yè)流程等信息。Item之間包含著多種關(guān)系，如部件和零件之間的父子裝配關(guān)系、零/部件使用的條件約束關(guān)系、圖樣和零件之間描述和被描述的關(guān)系，以及功能類似的零件之間可替換關(guān)系等。首先，PLM系統(tǒng)知識(shí)管理的目的之一是要建立這些文檔之間的關(guān)聯(lián)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)都不是孤立存在的，建立其聯(lián)系有助于了解整個(gè)設(shè)計(jì)過程。其次，PLM中知識(shí)管理對(duì)象還包括設(shè)計(jì)過程中尚未信息化的知識(shí)，即將設(shè)計(jì)過程中的隱性知識(shí)表示出來。PLM知識(shí)管理的對(duì)象如圖1 所示。
圖1 中PLM管理功能所對(duì)應(yīng)的這些文件數(shù)據(jù)中，都直接或間接地包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的顯性知識(shí)和隱性知識(shí)，如CAX 數(shù)據(jù)中包含設(shè)計(jì)原理、裝配、制造相關(guān)知識(shí); 文檔類數(shù)據(jù)集中隱含概念設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)知識(shí); 工程變更申請(qǐng)(Engineer Change Request，ECR) 、工程變更通知(Engineer Change Notice，ECN) 等文件中包含重要企業(yè)活動(dòng)，即包含企業(yè)的變更知識(shí); Project 文件中包含與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的項(xiàng)目知識(shí); 物料清單(Bill ofMaterial，BOM) 包含設(shè)計(jì)BOM、制造BOM 和裝配BOM等，這些BOM文件中包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置的相關(guān)知識(shí)。因此，PLM系統(tǒng)進(jìn)行知識(shí)管理的主要對(duì)象就是系統(tǒng)中這些已經(jīng)信息化的數(shù)據(jù)。
圖1 PLM知識(shí)管理的對(duì)象
2 PLM概念圖設(shè)計(jì)
本文提出的“PLM概念圖”觀點(diǎn)，可以綜合利用概念圖可視化特性和PLM系統(tǒng)特性，對(duì)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行可視化管理。
2. 1 PLM概念圖與PLM系統(tǒng)關(guān)系
目前的主流PLM系統(tǒng)基本上是根據(jù)以前PDM 系統(tǒng)發(fā)展過來的，其主要功能包括: 文檔管理、零/部件管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置管理、工程變更管理和項(xiàng)目管理等。本文提出的“PLM概念圖”是一種用于PLM系統(tǒng)的概念圖設(shè)計(jì)方案，目的是在產(chǎn)品開發(fā)過程中記錄開發(fā)過程和相關(guān)知識(shí)，使設(shè)計(jì)人員能迅速、直觀地了解整個(gè)開發(fā)過程，加快產(chǎn)品開發(fā)效率和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。目前的PLM系統(tǒng)文件組織都是基于Item，所以PLM概念圖的Item類型已被定義，將概念圖文件存儲(chǔ)于該Item之下。在該Item下還可以附帶相應(yīng)的、對(duì)Item說明的Form、CAX 文件等。該概念圖Item采用如圖2 所示的組織形式。
圖2 中表單Form 屬性記錄概念圖Item的相關(guān)屬性，如ID、版本、創(chuàng)建者和日期等; 概念圖文件保存概念圖的拓?fù)湫畔? CAX 文件是與此概念圖Item直接關(guān)聯(lián)的CAX 數(shù)據(jù)。采用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):首先是比較容易建立這種數(shù)據(jù)類型，對(duì)于目前大多數(shù)的PLM系統(tǒng)，基本都采用相應(yīng)的Item結(jié)構(gòu); 其次，用Item來實(shí)現(xiàn)對(duì)概念圖的不同版本控制比較容易。
2. 2 PLM概念圖的節(jié)點(diǎn)與關(guān)系設(shè)計(jì)
概念圖是一種用節(jié)點(diǎn)代表概念，連線表示概念間關(guān)系的圖示法。本文所提出的PLM概念圖節(jié)點(diǎn)功能如圖3a 所示。
圖2 概念圖在PLM中儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)
圖3 概念圖節(jié)點(diǎn)功能和關(guān)系
PLM概念圖中，節(jié)點(diǎn)名稱處顯示節(jié)點(diǎn)名稱; 文件鏈接處顯現(xiàn)與此概念相關(guān)聯(lián)的PLM系統(tǒng)中主要文件鏈接; 圖片顯示處可以顯示相關(guān)CAX 數(shù)據(jù)圖形以及相應(yīng)Item組織結(jié)構(gòu)等，以方便設(shè)計(jì)人員能迅速查找到相關(guān)文檔。
概念圖中各個(gè)概念之間都可能有一些關(guān)聯(lián)，一般用節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連線來表示這種關(guān)聯(lián)，節(jié)點(diǎn)之間連線如圖3b所示。
根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中概念之間關(guān)系，常見表達(dá)關(guān)系的關(guān)鍵詞有: 依賴，原因，結(jié)果，解釋，公理，理論，程序，經(jīng)驗(yàn)，圖樣等，在實(shí)現(xiàn)概念圖連線設(shè)計(jì)時(shí)，可以進(jìn)行線型、顏色等屬性設(shè)置。
總之，PLM概念圖可以將產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的知識(shí)點(diǎn)集中起來，形成清晰知識(shí)體系，達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。
2. 3 存儲(chǔ)問題
可擴(kuò)展標(biāo)記語言(Extensible Markup Language，XML) 是一種元語言，可用于定義任何一種新標(biāo)識(shí)語言，用于表達(dá)各種類型數(shù)據(jù)，使構(gòu)成文件的每一個(gè)元素都可以有自己的名稱、屬性以及和其他元素之間的關(guān)系。采用半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型來描述數(shù)據(jù)，它描述數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)信息，而不是對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)制性約束，可以做動(dòng)態(tài)的更新。PLM概念圖使用XML來描述概念圖有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。
1) 層次化結(jié)構(gòu)。XML文件使用層次化結(jié)構(gòu)關(guān)系來描述數(shù)據(jù)，容易建立概念圖到XML之間的映射關(guān)系，所得到的文件也容易理解。
2) 可擴(kuò)展性。XML的可擴(kuò)展性保證了它的靈活性，很容易自定義其他數(shù)據(jù)類型。
3) 可操作性。XML文件的層次化結(jié)構(gòu)以及元素之間緊密相關(guān)的關(guān)系，使得XML文件容易讀寫，可以快速、準(zhǔn)確地定位以及操作有關(guān)的數(shù)據(jù)信息。
4) 可傳輸性。XML文件容易在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。
5) 應(yīng)用范圍廣。XML支持跨語言、跨平臺(tái)使用，一種平臺(tái)上產(chǎn)生的XML文件可以直接被另一種平臺(tái)使用，主流的編程語言都支持XML文件。
基于XML的這些優(yōu)點(diǎn)，本文采用XML對(duì)PLM概念圖進(jìn)行表示和儲(chǔ)存。在用XML對(duì)PLM概念圖進(jìn)行描述時(shí)，需要解決節(jié)點(diǎn)基本屬性描述和約束屬性描述問題。
2. 3. 1 節(jié)點(diǎn)基本屬性描述
節(jié)點(diǎn)基本屬性描述指對(duì)PLM概念圖節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式的描述，包括概念圖節(jié)點(diǎn)的顏色、邊框等內(nèi)容。PLM概念圖節(jié)點(diǎn)基本屬性描述示例如下:
2. 3. 2 節(jié)點(diǎn)約束描述
約束定義其實(shí)是變量的擴(kuò)展，也具有名稱和值兩個(gè)屬性，所不同的是其值可以是變量的函數(shù)式。PLM概念圖節(jié)點(diǎn)約束的部分描述示例如下:
3 案例分析
某公司以生產(chǎn)工業(yè)縫紉機(jī)和多功能家用縫紉機(jī)為主，共有31 個(gè)系列200 多個(gè)品種，年生產(chǎn)能力達(dá)200 萬臺(tái)。由于市場(chǎng)要求，需要開發(fā)一種自動(dòng)高速工業(yè)縫紉機(jī)，該縫紉機(jī)由上百個(gè)零/部件組成，并且需要高速運(yùn)行( 縫紉機(jī)轉(zhuǎn)速最高達(dá)6000r /min) 。它要在1s內(nèi)完成近100 個(gè)線跡，而每個(gè)線跡的形成又包含3 個(gè)階段9 個(gè)過程的復(fù)雜動(dòng)作。因此，該縫紉機(jī)各部分動(dòng)作需要密切配合、協(xié)調(diào)。從縫紉機(jī)完成一個(gè)線跡的過程來看，主要由機(jī)針、梭( 擺梭或旋梭) 、挑線桿和送料牙等4 個(gè)主要部件，按一定順序進(jìn)行工作來完成的。
該公司的PLM系統(tǒng)是UGS 公司的Teamcenter2005，系統(tǒng)已集成CAD 模塊，準(zhǔn)備通過以概念圖方式記錄整個(gè)開發(fā)過程，便于設(shè)計(jì)過程中知識(shí)庫建立和以后相關(guān)產(chǎn)品知識(shí)重用。
在該縫紉機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，首先，按從上到下的方式對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分解。設(shè)計(jì)小組負(fù)責(zé)人制定產(chǎn)品研發(fā)目標(biāo)后，按照各個(gè)功能部件的關(guān)系，把任務(wù)分解到各個(gè)子組或人員，子組負(fù)責(zé)人再分解到各個(gè)子組或人員，層層分解直至人員，概念設(shè)計(jì)階段的概念圖如圖4 所示。
在該縫紉機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，繼續(xù)用PLM概念圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立縫紉機(jī)送料機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、有限元分析和載荷計(jì)算等。圖5所示是送料機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，概念圖中包括送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、載荷計(jì)算等相關(guān)信息，所有的文檔、資料均保存于PLM系統(tǒng)中。
圖4 縫紉機(jī)概念設(shè)計(jì)
在該縫紉機(jī)樣機(jī)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，縫紉機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，引起比較大的振動(dòng)并產(chǎn)生強(qiáng)噪聲。為此，必須增加動(dòng)平衡分析，降低振動(dòng)和噪聲。在原送料機(jī)構(gòu)概念圖中加入動(dòng)平衡設(shè)計(jì)，如圖5 中虛線部分所示。針對(duì)該縫紉機(jī)的整個(gè)開發(fā)過程，進(jìn)行采用概念圖知識(shí)可視化管理前后的對(duì)比，如表1所示。
通過該案例可以看出，在對(duì)PLM系統(tǒng)進(jìn)行知識(shí)可視化管理后，以概念圖的方式記錄設(shè)計(jì)過程中大量存在的知識(shí)點(diǎn)，支持設(shè)計(jì)的全過程，容易把握整個(gè)設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵，并可以對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行快速的修改和重用，從而提高企業(yè)的創(chuàng)新能力。
圖5 送料機(jī)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)和動(dòng)平衡分析
表1 使用PLM概念圖前后效果對(duì)比
4 結(jié)語
本文圍繞著基于PLM系統(tǒng)的新產(chǎn)品開發(fā)中，對(duì)知識(shí)表達(dá)、知識(shí)獲取、知識(shí)存儲(chǔ)和知識(shí)重用等方面的需求以及設(shè)計(jì)過程中存在的問題，提出以“PLM概念圖”為核心的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)可視化管理方案。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式只能在PLM系統(tǒng)中看到最終設(shè)計(jì)結(jié)果，而采用本文提出的“PLM概念圖”可以記錄設(shè)計(jì)中各個(gè)階段，經(jīng)過重新組織相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)后，設(shè)計(jì)人員可以掌握整個(gè)設(shè)計(jì)過程全貌，這有利于新產(chǎn)品開發(fā)過程中知識(shí)重用，從而提高企業(yè)核心創(chuàng)造力。本項(xiàng)目還要進(jìn)一步對(duì)PLM概念圖的語義和檢索、知識(shí)的冗余和效率等問題進(jìn)行研究，并加強(qiáng)集成性的研究。
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本文標(biāo)題：一種新產(chǎn)品開發(fā)知識(shí)可視化管理方法
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