產(chǎn)品的全壽命周期數(shù)據(jù)管理

一 起緣

產(chǎn)品全生命周期的概念最早出現(xiàn)在經(jīng)濟管理領(lǐng)域，1950年Dean為了研究產(chǎn)品在出現(xiàn)、成長、成熟、衰亡幾個時期的價格變化，利用產(chǎn)品全生命周期來描述整個過程。

1965年Levirt又專門討論了產(chǎn)品全生命周期的概念，分為市場開發(fā)、市場成長、市場成熟和市場衰退四個階段。

美國國防部于1985年提出一項戰(zhàn)略性計劃“計算機輔助后勤保障”（Computer Aided Logistic Support，CALS），經(jīng)歷了“計算機輔助采辦與后勤保障（Computer-Aided Acquisition and Logistic Support）”到“持續(xù)采辦與壽命同期保障（Continuous Acquisition and Lifecycle Support）”，開始涉及產(chǎn)品全生命周期管理這一概念，包括武器系統(tǒng)的設(shè)計、研制、制造和保障過程等階段。

此后，產(chǎn)品全生命周期開始被制造業(yè)廣泛接受，并于20世紀(jì)90年代得到迅猛發(fā)展的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）技術(shù)結(jié)合，產(chǎn)生了產(chǎn)品全生命周期管理（Product Lifecycle Management， PLM）。

權(quán)威的CIMdata公司給出的定義：“PLM是一種戰(zhàn)略商業(yè)方法，它應(yīng)用一整套的商業(yè)解決方案來支持產(chǎn)品定義信息的協(xié)同創(chuàng)造、管理、分發(fā)和使用；支持擴展企業(yè)（包括顧客、設(shè)計伙伴和供應(yīng)伙伴等）的業(yè)務(wù)；覆蓋從產(chǎn)品或裝置生命中的概念（階段）到結(jié)束（階段）的（產(chǎn)品）生命周期；集成了人、過程、商業(yè)系統(tǒng)和信息”。隨著互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作的發(fā)展，PLM重點從單純的設(shè)計階段的數(shù)據(jù)和過程管理擴展到從需求到概念、定義，再到采購、生產(chǎn)、服務(wù)、維護和報廢各個生命周期階段的相關(guān)數(shù)據(jù)、過程、資源分配、使用工具等信息以及這些信息之間的有機關(guān)聯(lián)。

PLM的創(chuàng)新在于定義了產(chǎn)品作為企業(yè)內(nèi)部和跨企業(yè)的信息中心，并且全生命周期作為信息集成分析的時間尺度，解決的最核心問題還是產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)的管理，是企業(yè)解決產(chǎn)品全生命周期“信息孤島”的戰(zhàn)略思想、提高自身競爭力的強有力工具。通過集成CAX工具，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、銷售、使用和維護維修中數(shù)據(jù)的獲取和管理，進而在全生命周期內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。但是在PLM的應(yīng)用中，存在著以下問題。

1）受傳統(tǒng)商業(yè)模式的影響，大多數(shù)企業(yè)PLM實施的關(guān)注點主要集中在產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)階段，以期望獲取最直接的經(jīng)濟利益，其他階段由于長期得不到關(guān)注而缺乏詳細的產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)使得PLM的優(yōu)勢受限。企業(yè)利潤由苦笑曲線向微笑曲線的轉(zhuǎn)變（見圖1），揭示出制造企業(yè)單純地依靠降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，不足以獲取市場優(yōu)勢，需要關(guān)注產(chǎn)品上游的設(shè)計和下游的服務(wù)、回收再利用等階段，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新，提高人性化的服務(wù)，盡量重用廢棄產(chǎn)品及其零部件、原材料。產(chǎn)品設(shè)計將客戶需求轉(zhuǎn)化為一套合理的解決方案，僅占產(chǎn)品總成本的6%，卻決定了最終產(chǎn)品70%的質(zhì)量和成本既要響應(yīng)客戶的多樣化、復(fù)雜化需求，又要為產(chǎn)品的制造、銷售、維護等后續(xù)階段提供必不可少的技術(shù)支持。因此增強產(chǎn)品設(shè)計能力，是企業(yè)快速響應(yīng)市場的先決條件，也是企業(yè)提高競爭力的主要手段。部分企業(yè)圍繞產(chǎn)品服務(wù)過程和回收再利用所產(chǎn)生的利潤遠遠超過制造產(chǎn)品，現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)已成為企業(yè)新的業(yè)務(wù)增長點和利潤的來源。例如，在航空工業(yè)里，企業(yè)的獲利能力不是來自于飛機的銷售，而是飛機在三十多年的預(yù)期壽命里的維護、維修收入。同樣在船舶行業(yè)里，船東每年支付的船舶修理費用占到了船舶固定成本的15%還多，將近運輸總成本的8%。1997年，施樂歐洲公司開始廢棄產(chǎn)品回收和重新加工計劃，全年回收約16萬臺機器，通過重新加工從中產(chǎn)出380萬件零部件，利用廢棄產(chǎn)品的回收和再加工節(jié)約了8000萬美元?？梢娭圃炱髽I(yè)不但需要關(guān)注產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)，還要管理產(chǎn)品的使用維修和報廢回收，為產(chǎn)品提供完善的支持，從而提升競爭力。

圖1 企業(yè)的利潤曲線

2）產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)缺乏有效的數(shù)據(jù)獲取和信息處理機制。從產(chǎn)品市場預(yù)測到報廢回收的全過程，產(chǎn)生了各類海量數(shù)據(jù)，如圖樣、手冊、單據(jù)等，完善、管理和使用這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)為新產(chǎn)品的研發(fā)提供了豐富的知識庫。但是由于缺乏有效的數(shù)據(jù)采集手段和信息處理機制，故不能建立完備的產(chǎn)品信息庫。產(chǎn)品離開制造企業(yè)后，因為時間和空間的限制及獲取手段的落后，產(chǎn)品數(shù)據(jù)變得模糊、不完整，嚴重地制約了產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)的獲取和信息處理，使得這部分產(chǎn)品信息不精確、不完善。所以各階段之間存在著信息差，無法真正實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、信息、知識的無縫轉(zhuǎn)換，也不能實現(xiàn)新知識的快速獲取和舊知識的有效復(fù)用。

這種情況下，產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)閉環(huán)管理的研究就顯得尤為迫切。其思想源于產(chǎn)品全生命周期閉環(huán)管理，數(shù)據(jù)管理范圍從產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)到概念設(shè)計、使用服務(wù)和報廢回收，支持數(shù)據(jù)的獲取、統(tǒng)一管理和有效供給。

二 范圍

從PDM開始，到現(xiàn)在的PLM系統(tǒng)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理功能主要圍繞產(chǎn)品研發(fā)階段進行，管理的數(shù)據(jù)主要是產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品信息、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息（各種BOM、配置、約束信息、裝配信息等）、文檔數(shù)據(jù)（二維圖樣、三維模型、計算書、說明書、有限元分析報告、NC代碼等）。

隨著研究的深入和市場需求的提升，PLM的涵蓋范圍開始向產(chǎn)品研發(fā)的上游和下游擴展，覆蓋了產(chǎn)品全生命周期的更多階段，集成了產(chǎn)品更多階段的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，有效地提高了數(shù)據(jù)的利用效率，提升了企業(yè)的創(chuàng)新能力。

三 模型

PLM是企業(yè)智力資產(chǎn)管理的主要工具，產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)模型是PLM的基石，是信息交換傳遞的中心，是一個全局的、統(tǒng)一的、全生命周期的模型。

合理有效的數(shù)據(jù)模型是能否成功實施PLM的關(guān)鍵因素，也是PLM研究中的熱點和難點?，F(xiàn)在的研究重點主要集中在以下幾方面。

1.從產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述的角度研究

很多學(xué)者側(cè)重于產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述和數(shù)據(jù)表達，通過分析數(shù)據(jù)的內(nèi)容、類型、屬性、相互之間的約束關(guān)系等，利用不同的理論、技術(shù)和方案來描述產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

（1）基于元數(shù)據(jù)和元模型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達

元數(shù)據(jù)（meta-data）是管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，其內(nèi)容包括數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)所有者及數(shù)據(jù)序列（數(shù)據(jù)生產(chǎn)歷史）等的說明，數(shù)據(jù)質(zhì)量描述，數(shù)據(jù)處理信息說明，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法描述等。元數(shù)據(jù)可以用來管理復(fù)雜的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集成、共享、查詢、閱讀和交換。如圖2所示，元數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)一起組成數(shù)據(jù)對象，表示數(shù)據(jù)的邏輯整體。

圖2 元數(shù)據(jù)

元模型是描述數(shù)據(jù)模型的模型，是關(guān)于數(shù)據(jù)模型的基本概念、基本關(guān)系和基本約束的語義，這樣通過一定的映射關(guān)系，就很容易實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)模型間的互操作。

為了保持數(shù)據(jù)的完整性、集成性、共享性、一致性以及支持變型設(shè)計等，許多學(xué)者分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的研究現(xiàn)狀，指出面向全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型必須能夠涵蓋和管理產(chǎn)品全生命周期的各種幾何信息和非幾何信息，包括模型數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)以及資源數(shù)據(jù)等，在元數(shù)據(jù)、元模型的基礎(chǔ)上建立了產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)模型，進而支持具體的應(yīng)用。

（2）基于本體的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達

本體是現(xiàn)在熱門的研究領(lǐng)域，許多學(xué)者都在研究基于本體的知識管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等理論。本體是“共享概念模型明確的、形式化的規(guī)范描述”，其實質(zhì)是一種復(fù)雜的語義模型。

本體在管理概念性的數(shù)據(jù)方面具有獨特的優(yōu)勢，因此可以用來管理產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、使用、維護等數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的獲取、存儲和共享管理，還可以用來管理產(chǎn)品相關(guān)的知識。

（3）基于事物特性表特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達

事物特性表（Tabular Layouts of Article Characteristics，SML；SML為德語的簡寫）定義了從對象組中表征和區(qū)分某個對象的決定性特性，規(guī)定了特性數(shù)據(jù)的表示格式，使零部件的特性數(shù)據(jù)能夠方便地在不同的系統(tǒng)之間交換。事物特性表技術(shù)1948年源于德國，1981年德國頒布了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN4000-1—2012《事物特性表概念和原則》，我國等效采用了DIN4000標(biāo)準(zhǔn)，公布了GB/T10091.1—1995《事物特性表定義和原理》國家標(biāo)準(zhǔn)。

以浙江大學(xué)的學(xué)者為主，提出了基于事物特性表的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達方式，并基于此實現(xiàn)了產(chǎn)品的變型設(shè)計等應(yīng)用。

（4）基于XML、STEP、EXPRESS、UML等的數(shù)據(jù)表達

作為最常用的數(shù)據(jù)交換格式和數(shù)據(jù)建模工具，可擴展標(biāo)記語言（ eXtensible Markup Language，XML）、產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（Standard for the Exchange of Product Model Data， STEP）及其EXPRESS建模語言、統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）在產(chǎn)品數(shù)據(jù)建模中獲得了廣泛的應(yīng)用。

為了解決面向文檔的、不支持客戶化的數(shù)據(jù)模型和企業(yè)間集成的困難，許多學(xué)者用XML表示不同的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在協(xié)同設(shè)計平臺中共享信息，增強了PLM的功能。有的學(xué)者提出了以STEP作為中性機制，來解決異構(gòu)信息的集成問題。許多學(xué)者利用EXPRESS建模語言和UML建立產(chǎn)品模型，集成產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)。

2.從產(chǎn)品全生命周期階段數(shù)據(jù)集成的角度研究

在產(chǎn)品全生命周期的各個階段，都會產(chǎn)生大量與產(chǎn)品有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，這些信息在各個階段中發(fā)生交換，并且因其所處的階段不同而具有不同的特點。在進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理時，需要將各個階段的數(shù)據(jù)集成在一起，通過一定的模式實現(xiàn)不同階段數(shù)據(jù)的交互。

童秉樞將產(chǎn)品定義模型分為概念模型、設(shè)計模型、制造模型、維護模型、市場模型、評價模型以及管理模型進行管理；Sudarsan基于核心產(chǎn)品模型（Core Product Model，CPM）和它的擴展——開放式裝配模型（ Open Assembly Model ， OAM）、設(shè)計分析集成模型（Design-Analysis Integration Model，DAIM）和產(chǎn)品族進化模型（Product Family Evolution Model，PFEM）實現(xiàn)異構(gòu)的產(chǎn)品、部件、零件之間的數(shù)據(jù)集成和交互；Cui通過產(chǎn)品規(guī)劃BOM、設(shè)計BOM、工藝BOM、庫存BOM、制造BOM、財務(wù)BOM、客戶BOM、售后BOM等來集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)；Kovacs、高琦提出了按照產(chǎn)品生命周期不同階段建立產(chǎn)品信息模型的方法；李玉梅等人提出了一種基于域的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)建模方法，建立了基于域的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)模型，研究了基于域的模型映射方法及規(guī)則，詳細描述了產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息在整個生命周期內(nèi)的動態(tài)演化和基于域的產(chǎn)品雙向追溯過程。

3.從產(chǎn)品族數(shù)據(jù)集成的角度研究

國內(nèi)外有不少關(guān)于產(chǎn)品族建模的研究，其中基于類物料清單（Generic Bill-Of-Materials， GBOM）的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)建模方法和基于事物特性表的主文檔技術(shù)表示法在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和配置設(shè)計等方面得到了較好的應(yīng)用；樊蓓蓓將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)建模中，提出了產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)的模塊關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型；紀(jì)楊建提出了由產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)維、產(chǎn)品組維和視圖維構(gòu)成的產(chǎn)品族全生命周期的三維模型。

綜上所述，目前學(xué)者們側(cè)重于數(shù)據(jù)模型的描述方法、階段數(shù)據(jù)模型集成和產(chǎn)品族數(shù)據(jù)集成等，取得了豐碩的研究成果。但仍存在以下不足：

1）數(shù)據(jù)描述的研究中，沒有從更深層次研究設(shè)計產(chǎn)品和物理產(chǎn)品的不同演化特點及其規(guī)律，無法建立有針對性的管理模式，很難實現(xiàn)全生命周期所有數(shù)據(jù)的演化管理。

2）階段數(shù)據(jù)集成的研究中，在不同的階段BOM、模型和域間有大量的數(shù)據(jù)冗余和復(fù)雜映射關(guān)系，保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性非常困難，并使版本向上蔓延問題放大，易出現(xiàn)不可控的局面。

3）產(chǎn)品族數(shù)據(jù)集成中，要么是研究產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)以及配置管理的，要么是基于多個BOM的映射管理，因此沒有覆蓋產(chǎn)品全生命周期，或無法保證數(shù)據(jù)的一致性、完整性和可控性。

四 獲取

PDM/PLM管理的主要對象是產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)和過程。起初PDM/PLM系統(tǒng)主要管理產(chǎn)品研發(fā)階段的數(shù)據(jù)，所以這些數(shù)據(jù)主要來自研發(fā)人員，由研發(fā)人員通過PDM/PLM的客戶端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的簽入簽出。當(dāng)管理的范圍擴大后，數(shù)據(jù)的源頭發(fā)生了變化，不僅僅來源于研發(fā)人員，而是來自市場、用戶、研發(fā)人員、產(chǎn)品、生產(chǎn)設(shè)備、檢測設(shè)備、維護維修人員等，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時間和地點的跨度也非常大，因此產(chǎn)品數(shù)據(jù)的源頭及其獲取方式又成了研究重點。

在產(chǎn)品識別技術(shù)、智能產(chǎn)品、通信技術(shù)和中間件技術(shù)的支持下，很多學(xué)者開始研究產(chǎn)品數(shù)據(jù)的獲取和管理工作，實現(xiàn)了產(chǎn)品MOL（Middle Of Life，使用維護階段）部分數(shù)據(jù)的可獲取、可管理和可使用。產(chǎn)品識別技術(shù)是獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)的先決條件，隨著這些技術(shù)的成熟，獲取物理產(chǎn)品的數(shù)據(jù)在技術(shù)和經(jīng)濟上成為可能。智能產(chǎn)品（Intelligent Product）能實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的自動獲取、存儲、傳送和必要的數(shù)據(jù)處理工作，為后臺的PLM提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù)是實現(xiàn)跨地域傳送產(chǎn)品數(shù)據(jù)的基本手段，這些通信技術(shù)的發(fā)展，為MOL階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理提供了數(shù)據(jù)通道。

上述研究是基于產(chǎn)品識別和感知技術(shù)，利用硬件和中間件技術(shù)，實現(xiàn)了產(chǎn)品MOL階段部分數(shù)據(jù)的獲取。但是研究重點是產(chǎn)品識別及數(shù)據(jù)獲取的硬件、標(biāo)準(zhǔn)、接口和規(guī)范等，沒有形成全生命周期所有數(shù)據(jù)獲取管理的方法論。

本文摘錄于<基于大數(shù)據(jù)的起重裝備服役健康管理>