魏軼彬， 田 凌， 武園浩

（清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084）

產(chǎn)品全生命周期管理是一項(xiàng)企業(yè)信息化戰(zhàn)略，它描述和規(guī)定了產(chǎn)品生命周期過程中產(chǎn)品信息的創(chuàng)建、管理、分發(fā)和使用的過程與方法，給出了一個(gè)信息基礎(chǔ)框架集成和管理相關(guān)的技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)，使用戶可以在產(chǎn)品生命周期過程中協(xié)同開發(fā)、制造和管理產(chǎn)品[1]。對(duì)于制造業(yè)企業(yè)，產(chǎn)品全生命周期信息管理是企業(yè)的核心。大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來決定了企業(yè)信息管理由文檔電子化、網(wǎng)絡(luò)化走向智能化。隨著企業(yè)規(guī)模的增長(zhǎng)與產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高，大部分制造企業(yè)已經(jīng)積累了大量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等全生命周期數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是企業(yè)的知識(shí)積累、隱形的財(cái)富，應(yīng)當(dāng)加以挖掘、利用。以往的設(shè)計(jì)方法與管理模式對(duì)已有數(shù)據(jù)有一定程度的利用，比如可重用設(shè)計(jì)就是利用已有的設(shè)計(jì)成果，減少了產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的工作量。然而，傳統(tǒng)的產(chǎn)品信息管理方式“重藏輕用”，注重?cái)?shù)據(jù)的保存，忽視利用數(shù)據(jù)積極主動(dòng)地為企業(yè)的現(xiàn)實(shí)工作服務(wù)[2]。此外，現(xiàn)代產(chǎn)品具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)流程復(fù)雜、管理復(fù)雜等特點(diǎn)，這也決定了需要一些新的方法對(duì)大量的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析，挖掘產(chǎn)品數(shù)據(jù)的價(jià)值。

1 基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用模式

傳統(tǒng)的產(chǎn)品全生命周期管理模式致力于構(gòu)建統(tǒng)一的全生命周期模型，利用該模型存儲(chǔ)生命周期所有階段的數(shù)據(jù)和知識(shí)。隨著市場(chǎng)和技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代產(chǎn)品管理中涌現(xiàn)了許多新的需求，比如知識(shí)的管理、檢索，設(shè)計(jì)、決策方案的評(píng)價(jià)推薦等。要滿足這些需求，往往需要應(yīng)用新的信息處理技術(shù)，這要求能夠靈活的獲取、應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)據(jù)，同時(shí)定義、抽取能夠表達(dá)產(chǎn)品深層次信息的描述方法。信息模型的本質(zhì)是為了有效地連結(jié)產(chǎn)品全生命周期過程中的數(shù)據(jù)，其參數(shù)并不能很好的表達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的深層次信息，而產(chǎn)品模型所連結(jié)的產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)表達(dá)形式多樣、蘊(yùn)含信息復(fù)雜，不能直接利用。

產(chǎn)品的特征是產(chǎn)品全生命周期信息或相關(guān)數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的顯著特點(diǎn)，采用一定的算法從產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)中抽取。與產(chǎn)品模型中的參數(shù)和信息系統(tǒng)內(nèi)的原始數(shù)據(jù)不同，產(chǎn)品特征具備明確含義，能夠較準(zhǔn)確的針對(duì)性描述產(chǎn)品某一方面的內(nèi)在特性。在現(xiàn)有的產(chǎn)品信息管理系統(tǒng)中，特征已經(jīng)得到了的應(yīng)用。比如：基于產(chǎn)品特征的檢索、基于產(chǎn)品特征的動(dòng)態(tài)權(quán)限管理、應(yīng)用集成的參數(shù)驅(qū)動(dòng)等[3]。這種類型的應(yīng)用通常將一定的規(guī)則作用于特征之上，通過對(duì)特征信息進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。為了更好地利用產(chǎn)品特征信息，定義基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式如圖1所示。

圖1 基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式

實(shí)現(xiàn)基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用模式的信息系統(tǒng)應(yīng)由以下功能部分組成：

1）產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)庫：保存產(chǎn)品全生命周期過程中各種形式的原始數(shù)據(jù)。例如數(shù)據(jù)庫條目、文本、三維模型、圖片等。為了便于數(shù)據(jù)的處理，要求原始數(shù)據(jù)能夠快速定位和獲取。企業(yè)信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式主要有分散式存儲(chǔ)和集中式存儲(chǔ)兩種[4]。無論采用哪種方式，為了快速定位獲取數(shù)據(jù)，均需要在產(chǎn)品信息模型的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)索引。一種成熟的方式是建立多維度的產(chǎn)品信息模型，如表1所示。這種模型有良好的擴(kuò)展性，并且能夠利用維度信息快速定位產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)，方便后續(xù)特征抽取工作[5]。

表1 產(chǎn)品信息模型維度

2）特征本體庫：保存針對(duì)不同需求建立的特征本體。本體可以理解為共享概念模型的明確形式化說明[6]。特征能夠表達(dá)產(chǎn)品某一方面所表現(xiàn)的特點(diǎn)，本身具有明確的含義。利用產(chǎn)品特征本體能夠?qū)μ卣鬟M(jìn)行精確的定義和描述，指導(dǎo)特征抽取器的抽取工作，同時(shí)為特征處理器提供語義參照。

3）特征抽取器：依照產(chǎn)品特征本體所定義的算法規(guī)則，獲取原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算處理，提取相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)，保存在特征信息庫。

4）特征信息庫：保存產(chǎn)特征抽取器獲得的特征信息供特征處理器利用。

5）特征處理器：利用產(chǎn)品特征數(shù)據(jù)進(jìn)行推理、運(yùn)算以滿足具體的應(yīng)用需求。在某些情況下，特征處理器需要參照特征本體的定義，利用特征語義層面的信息完成推理運(yùn)算過程。

6）結(jié)果展現(xiàn)：采用多種形式向用戶展示特征處理結(jié)果，滿足管理需求、提供管理決策支持。通常情況下，結(jié)果展現(xiàn)可以集成在現(xiàn)有系統(tǒng)界面當(dāng)中，也可以建立相對(duì)獨(dú)立的結(jié)果展示界面。

在基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式中，特征的定義、抽取和使用是特征應(yīng)用的3個(gè)重要階段。根據(jù)以上描述，基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用模式有如下特點(diǎn)：

（1）基于產(chǎn)品特征的信息應(yīng)用模式注重產(chǎn)品數(shù)據(jù)的深層次應(yīng)用，通過特征描述產(chǎn)品信息，挖掘產(chǎn)品數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)值。

（2）該模式的成功應(yīng)用往往建立在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。數(shù)據(jù)規(guī)模較小時(shí)基于產(chǎn)品特征的信息應(yīng)用模式往往無法得到收益。

（3）該信息應(yīng)用模式與企業(yè)現(xiàn)行產(chǎn)品管理模式相輔相成：現(xiàn)有管理模式注重產(chǎn)品基本信息的管理，同時(shí)可以為基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式提供大量的數(shù)據(jù)；基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式通過較復(fù)雜的方式就特定的需求提供針對(duì)性的解決方案，是對(duì)現(xiàn)有管理模式是很好的補(bǔ)充。

2 基于本體的產(chǎn)品特征定義

特征定義是特征抽取、應(yīng)用的基礎(chǔ)。雖然現(xiàn)代產(chǎn)品的全生命周期特征形式多樣，種類繁多，但是由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的高度結(jié)構(gòu)化，大部分產(chǎn)品特征語義清晰、便于抽取，這非常有利于特征的應(yīng)用。根據(jù) PTC對(duì)于產(chǎn)品全生命周期階段的定義[7]，產(chǎn)品特征可以按圖2所示進(jìn)行分類。

圖2 產(chǎn)品全生命周期特征

1）概念特征。在產(chǎn)品概念產(chǎn)生階段，需要基于市場(chǎng)和客戶需求信息獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念。概念特征表達(dá)了該階段中產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)的顯著特點(diǎn)。例如某一特定產(chǎn)品概念對(duì)于用戶需求的滿意程度、對(duì)于市場(chǎng)趨勢(shì)的匹配程度等。

2）設(shè)計(jì)特征。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段完成概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程分析等工作。該階段的工作內(nèi)容會(huì)產(chǎn)生大量的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)中能夠定義多種特征，包括：產(chǎn)品管理特征、產(chǎn)品技術(shù)特征、精度特征等。

3）采購特征。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案確定外協(xié)外購、自制計(jì)劃。該活動(dòng)涉及許多決策過程，為了制定最優(yōu)的方案，需要利用許多支持決策的特征，比如供應(yīng)商的評(píng)價(jià)特征、零部件的可替代性等。

4）制造特征。包括零部件本身的制造特征與制造流程管理特征，如材料特征、公差特征[8]，制造計(jì)劃的時(shí)間評(píng)價(jià)、資源利用率等。

5）銷售和服務(wù)特征。涉及物流、營(yíng)銷、產(chǎn)品維修性等特征。

在基于特征的信息應(yīng)用模式中，采用本體定義特征。本體能夠明確表達(dá)特征語義，同時(shí)支持特征抽取工作。通過本體的復(fù)用，能夠?qū)崿F(xiàn)特征在不同特征處理器中的重復(fù)應(yīng)用，減少不必要工作。在某些情況下，特征處理器需要利用特征的語義，比如基于特征的推理與基于本體的檢索，而特征本體能夠提供為特征處理器提供語義參考。采用統(tǒng)一的形式定義特征也便于特征的管理與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)。本體的描述方法有很多種，大體分為4類：非形式化、半非形式化、半形式化、形式化語言[9]，在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中為了方便解析、共享，可以采用XML的形式進(jìn)行保存。

依據(jù)本體的定義，在基于特征的產(chǎn)品信息管理系統(tǒng)中，一個(gè)特征本體的描述應(yīng)包括如圖3所示內(nèi)容。

圖3 產(chǎn)品特征本體內(nèi)容

特征的定義，包括特征名稱標(biāo)識(shí)的描述、特征的抽取方式以及特征的表達(dá)方式3個(gè)部分。在特征的抽取方式中需要描述原始數(shù)據(jù)的位置、抽取算法兩個(gè)方面。由于特征較為獨(dú)立，特征之間的關(guān)系往往比較簡(jiǎn)單，一般包括繼承關(guān)系，組合關(guān)系，關(guān)聯(lián)關(guān)系等[10]。特征的相關(guān)公理描述特征所應(yīng)遵循的基本規(guī)則，如特征的取值范圍。同時(shí)，特征公理可以用來進(jìn)行特征抽取、應(yīng)用階段中特征正確性的校驗(yàn)。

3 特征的抽取及應(yīng)用

特征抽取是信息抽取的一種形式。為了應(yīng)對(duì)信息爆炸帶來的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，迫切需要一些自動(dòng)化的工具幫助人們?cè)诤Ａ康男畔⒃粗醒杆僬业秸嬲枰男畔?。信息抽取正是在這樣的背景下產(chǎn)生的[11]。特征抽取是后續(xù)工作的基礎(chǔ)，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。與文本特征抽取不同，產(chǎn)品特征抽取所面對(duì)的信息源多種多樣，特征抽取方法非常豐富，特征抽取過程中對(duì)領(lǐng)域知識(shí)的依賴很強(qiáng)。

產(chǎn)品特征可以從以下幾種信息源中抽取：

1）信息系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)化的信息數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)本身是對(duì)產(chǎn)品某方面信息的描述，通常以關(guān)系數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)化文件的形式保存在信息系統(tǒng)中，獲取方式簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低。

2）非結(jié)構(gòu)化文本描述。產(chǎn)品全生命周期過程中產(chǎn)生大量文本文件，這些文件的內(nèi)容對(duì)產(chǎn)品的某些信息進(jìn)行了詳細(xì)的描述。目前基于文本的特征抽取有大量的研究成果，不論是抽取效果還是抽取成本都能夠達(dá)到令人滿意的狀態(tài)。

3）模型實(shí)體。從描述產(chǎn)品的模型實(shí)體文件中抽取特征，包括兩個(gè)方面：三維模型特征的抽取，例如幾何特征、拓?fù)涮卣鞯萚12]；加工制造特征的抽取，如材料特征、精度特征等[13]。這些特征能夠精細(xì)的描述產(chǎn)品，但是目前階段抽取成本較大，抽取方法不夠成熟。

4）產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)。從產(chǎn)品的實(shí)際加工、使用、回收過程中抽取特征，如產(chǎn)品診斷中工況特征的抽取。這類信息獲得成本較高，專業(yè)性很強(qiáng)，在產(chǎn)品全生命周期信息中所占比重相對(duì)較少。

基于以上幾種信息源的特征抽取方法如表2所示。

表2 特征信息源及抽取方法對(duì)比

在產(chǎn)品數(shù)據(jù)的獲取和特征的處理階段，需要應(yīng)用一些關(guān)鍵技術(shù)。通過目錄服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)位置的索引，可以待獲取數(shù)據(jù)的快速定位。在特征抽取的過程中，系統(tǒng)需要解析多種形式的數(shù)據(jù)，其中大部分以文檔的形式保存，所以文檔解析技術(shù)是特征抽取過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。文檔解析技術(shù)主要包括格式化、非格式化的文本文檔解析、模型文件、圖像文件的解析。同時(shí)，本體技術(shù)、抽取算法動(dòng)態(tài)加載技術(shù)也是特征抽取系統(tǒng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

特征處理器針對(duì)具體需求進(jìn)行特征推理、運(yùn)算，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，特征處理器具有不同的形式。比如，在三維模型檢索系統(tǒng)中，特征處理器是一個(gè)檢索引擎，包括索引器、搜索器、倒排特征庫等部分；權(quán)限控制系統(tǒng)當(dāng)中，特征處理器需要將控制規(guī)則作用于特征之上并返回推理結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，有時(shí)需要對(duì)特征進(jìn)行處理：利用特征歸一化技術(shù)可以解決特征之間的不可比問題；特征的線性縮放、對(duì)數(shù)縮放能夠改變特征的影響效果；特征之間的運(yùn)算可以表達(dá)特征的互相作用。例如，在供應(yīng)商推薦系統(tǒng)當(dāng)中，由于質(zhì)量、信譽(yù)方面的原因，用戶一般傾向于選擇大型的知名公司，這樣在進(jìn)行特征計(jì)算時(shí)可以將某些特征乘以公司的權(quán)威性特征。類似的特征處理方式還有許多種，在具體的應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況采用合適的處理方法。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

在某裝備設(shè)計(jì)中心的產(chǎn)品信息管理平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式，主要解決三維模型檢索、外協(xié)外購?fù)扑]和權(quán)限動(dòng)態(tài)管理3個(gè)方面的問題。

該設(shè)計(jì)中心長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)實(shí)踐中積累了大量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，這些模型是寶貴的知識(shí)財(cái)富；同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)上有許多開放的三維模型數(shù)據(jù)。通過三維模型檢索功能利用這些數(shù)據(jù)輔助設(shè)計(jì)人員工作，一方面可以減少重復(fù)設(shè)計(jì)，另外一方面在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供更多的靈感。在現(xiàn)有信息管理系統(tǒng)當(dāng)中，只能利用三維模型的名稱、關(guān)鍵字、編號(hào)等信息進(jìn)行索引。這種索引極大地限制了返回給設(shè)計(jì)人員的結(jié)果數(shù)量。通過三維模型檢索系統(tǒng)，可以有效的解決以上問題。然而，現(xiàn)有信息管理系統(tǒng)中并沒有包含三維模型的模型特征，需要從模型以及相應(yīng)的文本描述中抽取。在模型特征數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立倒排詞典，構(gòu)建基于文字和模型的三維模型檢索功能模塊。

由于該裝備設(shè)計(jì)中心只關(guān)注產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)，不具備零部件的加工能力，所以外協(xié)外購管理是該裝備中心信息系統(tǒng)的主要功能。在外協(xié)外購過程中，面臨著供應(yīng)商的選擇評(píng)價(jià)問題。為了解決這些問題，建立外協(xié)外購供應(yīng)商推薦系統(tǒng)。通過供應(yīng)商數(shù)據(jù)抽取相應(yīng)的特征對(duì)其進(jìn)行描述，針對(duì)具體零部件的外協(xié)外購需求推薦供應(yīng)商。獲取供應(yīng)商信息的方式有3種。利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲在特定網(wǎng)站進(jìn)行垂直抓取，這種方式成本低，獲取的數(shù)據(jù)可讀性較差；有合作意向的供應(yīng)商通過系統(tǒng)相應(yīng)接口推送數(shù)據(jù)，該方式成本高，但數(shù)據(jù)的可讀性較好；對(duì)歷史合作記錄的分析可以抽取供應(yīng)商的某些特征，如信用記錄、供應(yīng)質(zhì)量等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可信度很高，但是數(shù)據(jù)量相對(duì)較少。

該裝備設(shè)計(jì)中心設(shè)計(jì)保密性要求高，同時(shí)產(chǎn)品復(fù)雜、用戶角色較多、在設(shè)計(jì)過程中存在大量的協(xié)同工作，簡(jiǎn)單的基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的權(quán)限控制不能滿足需求。采用基于特征的管理方式有利于權(quán)限的動(dòng)態(tài)劃分和設(shè)置[6]。

在本系統(tǒng)中，基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式在以上3種需求中應(yīng)用情況如表3所示。圖4以三維模型檢索為例描述了該模式在系統(tǒng)中的應(yīng)用方式。

整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖5所示，相應(yīng)的模塊有機(jī)集成在信息管理平臺(tái)的各層當(dāng)中。圖6為三維模型檢索系統(tǒng)的用戶界面。

5 結(jié) 束 語

在現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)中，積累了大量的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)信息系統(tǒng)對(duì)于產(chǎn)品數(shù)據(jù)“重藏輕用”，沒有有效地挖掘出其中的價(jià)值。針對(duì)企業(yè)信息系統(tǒng)內(nèi)大量產(chǎn)品數(shù)據(jù)的利用問題，本文提出基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)了一種在較深層次挖掘企業(yè)現(xiàn)有數(shù)據(jù)價(jià)值的方法。結(jié)合某裝備設(shè)計(jì)中心具體的需求，將該模式應(yīng)用于其信息管理平臺(tái)之上，有效地解決三維模型檢索、外協(xié)外購?fù)扑]以及動(dòng)態(tài)權(quán)限控制問題。該模式可以推廣到企業(yè)信息管理的各個(gè)方面。隨著信息的膨脹與新技術(shù)在產(chǎn)品信息管理中的進(jìn)一步應(yīng)用，企業(yè)大數(shù)據(jù)的價(jià)值會(huì)得到進(jìn)一步的體現(xiàn)。

表3 基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式在不同需求中的應(yīng)用

圖4 基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式在三維模型檢索系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖5 產(chǎn)品信息管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 三維模型檢索系統(tǒng)用戶界面

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