產(chǎn)品生命周期統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型研究

任建勛 ，秦修功 ，滕紹東 ，郭 棟 ，杜已超

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120；2.機械科學研究總院集團有限公司，北京 100044）

0 引言

產(chǎn)品生命周期的數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一是重要的研究方向，現(xiàn)在的很多產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)大多是相互獨立的，它們大多都在不同的平臺運行，使用的數(shù)據(jù)格式也并不統(tǒng)一，從而導致了系統(tǒng)之間的信息交換和集成十分困難，無法在平臺之間進行互動。為了解決以上問題，有必要建立一套產(chǎn)品生命周期各個階段的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，能夠讓產(chǎn)品在設(shè)計、工藝、生產(chǎn)制造、銷售、服務(wù)以及回收這六個階段能夠進行信息的交換，并能加以管理。

1 產(chǎn)品生命周期概述

生命周期（Life Cycle）是指一個對象從生產(chǎn)出來開始，到最終回收報廢的全部過程。對于產(chǎn)品而言，就包括產(chǎn)品的制造過程、設(shè)計等生產(chǎn)過程，產(chǎn)品銷售出去以后的使用過程、還包擴產(chǎn)品停止使用以后的過程，如報廢、回收等，上述整個過程就是一個完整的生命周期。

1.1 產(chǎn)品生命周期

產(chǎn)品生命周期的概念是由就職于哈佛大學的雷蒙德·弗農(nóng)（Raymond Vernon）教授于1966年首次提出的。產(chǎn)品生命周期是產(chǎn)品從準備生產(chǎn)出來到銷售完成之后在市場流通中的壽命，也就是在市場中，由于消費者的需求發(fā)生了變化，出現(xiàn)了影響市場的因素，造成了商品流通的不同。從廣義上來說，產(chǎn)品生命周期就是指一個產(chǎn)品從需求分析開始，然后經(jīng)過工程設(shè)計、制造裝配、包裝運輸、銷售、服務(wù)、最終到回收報廢的整個產(chǎn)品的全部生命過程。

1.2 產(chǎn)品生命周期管理

產(chǎn)品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM）是伴隨著PDM（Product Data Management）的不斷實施而發(fā)展出來的概念，PLM主要關(guān)注產(chǎn)品的全部生命周期。產(chǎn)品生命周期的概念，在上面已經(jīng)進行過闡述。

產(chǎn)品的生命周期起源于需求，其中需求一部分來自于市場調(diào)查，一部分來自于企業(yè)自身發(fā)展引領(lǐng)市場的需要。由于種種原因，最終有多少需求能夠真正反映到企業(yè)形成新產(chǎn)品是一個重要問題。

當需求不斷細化后，大量的設(shè)計方案便會出現(xiàn)。當企業(yè)確定了產(chǎn)品將采用的方案后，則進入工藝階段。

在工藝設(shè)計階段完成之后，一般會安排產(chǎn)品小批量的試制，然后進入生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，制造完成后則進入銷售階段。

產(chǎn)品流向市場到達客戶使用后，需要進行服務(wù)，那么如何制定產(chǎn)品的維護維修策略，如通過線上調(diào)研線下走訪的方式，也是一個需要解決的問題。

最終隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及市場的發(fā)展需要，部分產(chǎn)品退出市場，需要進行回收報廢處理，這類產(chǎn)品的生命周期管理隨之結(jié)束。

制造企業(yè)應(yīng)用PLM可以有效的解決電子文檔管理落后、數(shù)據(jù)查找困難和業(yè)務(wù)協(xié)同性差等問題，應(yīng)用PLM具備以下優(yōu)勢：

1）提高企業(yè)效率

應(yīng)用PLM可以實現(xiàn)產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)可視化協(xié)同瀏覽，而且能夠?qū)崿F(xiàn)異地團隊成員直接訪問，無需第三方工具即可即可實現(xiàn)同時評審同一個三維模型設(shè)計，并及時有效的反饋設(shè)計過程出現(xiàn)的問題，簡化評審流程，減少評審成本，提高企業(yè)效率。

2）提升企業(yè)管理

應(yīng)用PLM可以實現(xiàn)數(shù)字化的三維設(shè)計，而不是傳統(tǒng)的紙質(zhì)設(shè)計，企業(yè)需要一個能夠管理各階段數(shù)據(jù)的通用無差別的平臺，來對產(chǎn)品生命周期各個階段的數(shù)據(jù)進行管理，并在此數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上對產(chǎn)品的生命周期各個階段進行較好的管理。

3）保障產(chǎn)品質(zhì)量

應(yīng)用PLM可以實現(xiàn)從產(chǎn)品規(guī)劃到設(shè)計制造再到服務(wù)回收的整個階段的統(tǒng)一管理，可以實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)的計質(zhì)量監(jiān)控與管理可追溯，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

本文將產(chǎn)品生命周期劃分為以下幾個部分，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品生命周期劃分框圖

1）設(shè)計—設(shè)計階段由開發(fā)設(shè)計團隊完成產(chǎn)品的設(shè)計工作。在這一階段主要完成產(chǎn)品的概念設(shè)計、詳細設(shè)計、工程分析以及EBOM管理等工作。

2）工藝—工藝階段有產(chǎn)品開發(fā)團隊完成產(chǎn)品的工藝路線、材料定額、機加工、裝配等各種工藝類型的工藝設(shè)計。

3）生產(chǎn)制造—生產(chǎn)制造階段是企業(yè)根據(jù)之前階段產(chǎn)出的設(shè)計方案，利用相關(guān)設(shè)備和材料進行生產(chǎn)，通過一些過程控制方法，來檢查生產(chǎn)出來的產(chǎn)品能否與設(shè)計方案保持一致。

4）銷售—銷售階段主要包括銷售戰(zhàn)略制定、市場推廣、客戶管理和定單管理等活動。

5）服務(wù)—服務(wù)階段主要包括產(chǎn)品運行維護、服務(wù)和維修信息管理等活動。該階段主要實現(xiàn)產(chǎn)品運行維護、服務(wù)和維修。相關(guān)的設(shè)計、生產(chǎn)、制造部門將接收到產(chǎn)品運行狀態(tài)、健康監(jiān)測信息、客戶服務(wù)信息進行處理使用。

6）回收—回收階段主要包括產(chǎn)品和材料循環(huán)利用和處置過程?；厥盏哪康氖墙Y(jié)束系統(tǒng)元素或系統(tǒng)的存在，并要適當?shù)靥幚肀惶娲蛲顺龅脑亍Ｔ诋a(chǎn)品研發(fā)階段中需要并行考慮回收處置所產(chǎn)生的需求和約束，環(huán)境問題驅(qū)使設(shè)計者需要考慮回收物料或在新系統(tǒng)中循環(huán)再利用。

2 數(shù)據(jù)模型研究

產(chǎn)品生命周期整個階段中，管理對象分別是虛擬產(chǎn)品和物理產(chǎn)品，這兩種產(chǎn)品分別有各不相同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理的特點，這就需要面向產(chǎn)品生命周期的不同階段分別建立設(shè)計制造數(shù)據(jù)模型、使用服務(wù)數(shù)據(jù)模型和中性數(shù)據(jù)模型。

2.1 設(shè)計制造數(shù)據(jù)模型

設(shè)計制造數(shù)據(jù)模型管理的對象是設(shè)計、工藝和生產(chǎn)制造階段的虛擬的數(shù)字化產(chǎn)品，主要包括產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)、屬性和以文檔形式體現(xiàn)的設(shè)計內(nèi)容，比如BOM和三維模型、二圖紙設(shè)計文檔和三維模型、二圖紙設(shè)計文檔計算說明書、工藝文件等。這個階段產(chǎn)品的設(shè)計信息、工藝和制造逐漸豐富完善，結(jié)構(gòu)、屬性和文檔數(shù)據(jù)都會版本變更升級，因此設(shè)計制造數(shù)據(jù)模型面向的是數(shù)字化物料項及其描述數(shù)據(jù)，可以管理虛擬產(chǎn)品的設(shè)計、工藝和生產(chǎn)制造信息。

2.2 使用服務(wù)數(shù)據(jù)模型

使用服務(wù)數(shù)據(jù)模型管理的對象是銷售、服務(wù)和回收階段的物理實體的產(chǎn)品，也就是實例產(chǎn)品。實例產(chǎn)品有特定的結(jié)構(gòu)組成、功能和性能，處于特定的物理環(huán)境，在特定的工況下工作，產(chǎn)品的性能會隨著時間而變化，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成和功能會因為維修維護、改裝等而出現(xiàn)變更，所以數(shù)據(jù)模型要跟蹤管理實例產(chǎn)品的變化，描述產(chǎn)品最新的結(jié)構(gòu)組成和其他性能參數(shù)，管理產(chǎn)品的履歷信息。

2.3 中性數(shù)據(jù)模型

中性數(shù)據(jù)模型管理產(chǎn)品批次或者規(guī)格的精確配置數(shù)據(jù)，根據(jù)服務(wù)過程中檢修粒度的大小進行刪減，并擴充服務(wù)過程中需要的允許安裝件和供應(yīng)商子件，管理的維修規(guī)程和專用裝備，為使用和服務(wù)階段提供數(shù)據(jù)源，也是產(chǎn)品數(shù)據(jù)追蹤追溯的橋梁。針對相同零部件在不同位置的差異，管理產(chǎn)品的相關(guān)位置數(shù)據(jù)。

2.4 物料清單表（BOM）

在產(chǎn)品設(shè)計、制造和服務(wù)過程中，不同主體中不同部門的不同人員分別從事不同的業(yè)務(wù)工作，并利用不同的信息系統(tǒng)管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)。在設(shè)計制造數(shù)據(jù)模型、中性數(shù)據(jù)模型和使用服務(wù)數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，面向各個階段業(yè)務(wù)，構(gòu)建BOM。設(shè)計BOM（EBOM）、工藝BOM（PBOM）和制造BOM（MBOM）源自于設(shè)計制造數(shù)據(jù)模型，實例BOM源自于使用服務(wù)數(shù)據(jù)模型，中性BOM和位置BOM均源自中性數(shù)據(jù)模型。

3 產(chǎn)品生命周期各個階段的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型

為了更合理簡便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型，本文將產(chǎn)品生命周期劃分為六個階段，分別是設(shè)計階段、工藝階段、生產(chǎn)制造階段、銷售階段、服務(wù)階段和回收階段。每個階段的數(shù)據(jù)模型如下：

1）設(shè)計階段

設(shè)計階段由開發(fā)設(shè)計團隊來完成產(chǎn)品的設(shè)計工作。

設(shè)計階段需要描述的內(nèi)容包括產(chǎn)品信息和EBOM。其中，產(chǎn)品信息包括產(chǎn)品的概念設(shè)計、詳細設(shè)計、工程分析以及三維實體模型中產(chǎn)品尺寸、公差、制造技術(shù)要求等信息。EBOM所包含的信息有物料類型、物料編碼、物料名稱、規(guī)范、毛料尺寸、單件重量、表面處理狀態(tài)、熱處理狀態(tài)和特檢等內(nèi)容。

2）工藝階段

工藝階段產(chǎn)品開發(fā)團隊完成工藝路線、材料定額以及機加工、裝配等各種工藝設(shè)計。

該階段需要描述產(chǎn)品PBOM，PBOM是一種工藝人家，它是工藝部門用來管理和生產(chǎn)某種產(chǎn)品的，根據(jù)企業(yè)不同產(chǎn)品所具有的不同工藝裝配的特點，編制出不同的產(chǎn)品裝配件、零部件和相應(yīng)的制造方法。PBOM的使用可以明確地各個零件之間的制造關(guān)系，跟蹤零件信息。工藝屬性信息包括物料編碼、物料名稱、版本、裝配數(shù)量、工藝類型工時、工藝路線等內(nèi)容。

3）生產(chǎn)制造階段

生產(chǎn)制造階段是企業(yè)根據(jù)之前階段產(chǎn)出的設(shè)計方案，利用相關(guān)設(shè)備和材料進行生產(chǎn)。

生產(chǎn)制造階段主要包括工裝計劃、物料清單的管理和生產(chǎn)測試等，需要描述產(chǎn)品MBOM。MBOM是詳細描述產(chǎn)品制造過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是生產(chǎn)管理系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于顯示產(chǎn)品的制造和組裝等方式。MBOM的所包含的信息有物料名稱、裝配數(shù)量、材料定額、額定工時、物料編碼、工藝規(guī)程（裝配工藝規(guī)程和機加工工藝規(guī)程）、制造資源（包括刀具、夾具、量具、工作中心、輔料）等內(nèi)容。

4）銷售階段

銷售階段主要包括銷售戰(zhàn)略制定、市場推廣、客戶管理和定單管理等活動。

銷售階段需要描述產(chǎn)品的中性BOM和位置BOM。中性BOM主要反映產(chǎn)品的共性，包括編碼、物料名稱、唯一標識、是否為易損件、是否為專用件，物料等級的劃分，是總成級，配件級還是零件級，還包括物料特征，是獨立配件還是從屬配件等。同規(guī)格或同批次的多件產(chǎn)品的中性BOM完全相同，共用一個中性BOM。位置BOM在中性BOM的基礎(chǔ)上，零部件擴展位置屬性。安裝在多個位置的相同零部件派生出多個零部件，各自的位置屬性不同，區(qū)分不同位置的相同零部件，對其進行相應(yīng)的使用維修服務(wù)管理；其余零部件及其結(jié)構(gòu)與中性BOM相同。由于與位置相關(guān)的信息并不必然存在，位置BOM可以不存在。

5）服務(wù)階段

服務(wù)階段主要包括產(chǎn)品運行維護、服務(wù)和維修信息管理等活動。該階段主要實現(xiàn)產(chǎn)品運行維護、服務(wù)和維修。相關(guān)的設(shè)計、生產(chǎn)、制造部門接收到服務(wù)階段產(chǎn)生的產(chǎn)品運行狀態(tài)、客戶服務(wù)信息和健康監(jiān)測信息進行處理，并形成相應(yīng)的處理和解決方案，然后將結(jié)果反饋給服務(wù)部門和客戶，可以實現(xiàn)提高服務(wù)質(zhì)量和效率。

服務(wù)階段需要描述產(chǎn)品的中性BOM、位置BOM和實例BOM。中性BOM和位置BOM與銷售階段基本相同，實例BOM并不是在生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的，而是在使用服務(wù)階段形成的BOM結(jié)構(gòu)，每一個產(chǎn)品都有一個屬于自己的實例BOM，來進行產(chǎn)品使用服務(wù)數(shù)據(jù)管理。實例BOM是將中性BOM和位置BOM進行實例化，用于描述單個產(chǎn)品的實際使用服務(wù)過程。實例BOM所關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品服務(wù)信息包括針對某一類型產(chǎn)品服務(wù)知識和某個產(chǎn)品在服務(wù)過程中記錄的所有數(shù)據(jù)。

6）回收階段

回收階段主要包括產(chǎn)品和材料循環(huán)利用和處置過程?；厥盏哪康氖墙Y(jié)束系統(tǒng)元素或系統(tǒng)的存在，并要適當?shù)靥幚肀惶娲蛲顺龅脑亍Ｔ诋a(chǎn)品研發(fā)階段中需要并行考慮回收處置所產(chǎn)生的需求和約束，環(huán)境問題驅(qū)使設(shè)計者需要考慮回收物料或在新系統(tǒng)中循環(huán)再利用。

該階段需要描述產(chǎn)品的實例BOM。實例BOM管理物理產(chǎn)品和物理零部件的數(shù)據(jù)，比如序列號、廠家、日期、工作時長、故障信息、使用動態(tài)數(shù)據(jù)等；維修任務(wù)管理單次維修的數(shù)據(jù)，包括故障記錄、維修及檢修記錄、技術(shù)加改記錄、拆裝記錄、檢修日期、檢修單位等信息。

4 結(jié)語

本文介紹了產(chǎn)品生命周期及其管理的相關(guān)理論，并針對產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，可以幫助企業(yè)管理不同產(chǎn)品生命周期各個階段的信息，還可以整合產(chǎn)品生命周期中不同階段之間產(chǎn)生的不同信息，打通設(shè)計階段、制造階段和銷售階段等階段之間的聯(lián)系，具有較高的應(yīng)用價值。