集成产品元模型分析及其应用研究

云晓丹，纪杨建，祁国宁，唐任仲

（浙江大学 现代制造工程研究所，杭州 310027）

0 前言

产品数据管理（product data management，PDM）是对产品全生命周期的数据和过程进行有效管理的方法和技术的总称[1]，其目标是保证产品数据的完整性、实时性和一致性。产品模型对上述目标的实现具有重大意义。

PDM中的产品模型（product model）是指对产品数据的结构化描述，是实现集成的产品、过程、组织模型的基础。目前产品模型相关研究主要解决产品设计、制造等阶段的问题，围绕产品特征模型、几何模型、配置模型、变型设计模型、装配模型等内容展开[2]。每一个PDM系统都有自己的产品模型，因此现实中的产品模型是多种多样的，本文第一节介绍的产品模型（以下称为“集成产品元模型”）是其中的一种。

本文首先分析了集成产品元模型的特点及其合理性，进而提出了判定一个PDM系统的产品模型是否符合集成产品元模型的判定标准，然后分析了当今主流PDM系统Windchill9.0 PDMlink和Teamcenter Engineering的缺省产品模型的特点及其优点，并借鉴集成产品元模型理论、利用两者提供的定制工具对各自的缺省产品模型进行了改进。紧接着以夹具作为简单实例进行了应用，最后对全文做了总结和展望。

1 集成产品元模型及其合理性分析

1.1 集成产品元模型简介

1.1.1 概述

集成产品元模型（integrated product meta model，IPMM）将产品数据分为数据对象（data object）、业务对象（business object）和联系对象（relation object）。集成产品元模型的示意图如图1所示。

图1 集成产品元模型示意图[3]

1.1.2 数据对象

数据对象是直接控制数据文件或索引表的对象。数据对象包括元数据和物理数据，其中物理数据是指制造企业中常见的文档、模型、工程图等文件本身，元数据用较少的标准字段来描述物理数据，为检索、快速定位和识别物理数据带来了方便。元数据与物理数据之间存在一一对应关系。数据对象的特点如下：

特点1 数据对象的处理状态（version）构成其版本信息。处理状态随着检出、检入操作的发生而连续变化，可以通过处理状态追溯数据对象的变更进程。

1.1.3 业务对象

业务对象是描述某个技术对象（例如项目、顾客、零组件、工程图等）在管理方面的重要属性的对象。业务对象用来对数据对象进行分类和组织，并将产品数据管理和使用的层次由数据对象层次提升到业务对象层次。业务对象的主要类型包括：

1）零件主记录（part master record，PaMR），用来描述零件和组件对象信息。

2）文档主记录（document master record，DoMR），用来描述一般文档对象信息。

3）模型主记录（model master record，MoMR），用来描述三维模型对象信息。

4）工程图主记录（draft master record，DrMR），用来描述二维工程图对象信息。

业务对象的特点如下：

特点2 PaMR、DoMR、MoMR、DrMR的种类和属性与企业的需求密切相关。

特点3 业务对象的更改标记（revision）和处理状态（version）共同构成其版本信息，前者反映业务对象的成熟程度，后者反映业务对象的变更进程。

特点4 文件夹可以视为一种特殊的业务对象，用来分类和组织数据。文件夹与子文件夹之间存在m:n的对应关系。

特点5 PaMR的编号与对应的DoMR/ MoMR/DrMR的编号相互独立，PaMR的更改标记与对应的PaMR/ DoMR/ MoMR/ DrMR的更改标记相互独立变化。

特点6 PaMR与PaMR/ DoMR/ MoMR/ DrMR之间存在m：n的对应关系，文件夹与PaMR/ DoMR/MoMR/ DrMR之间也存在m：n的对应关系。

特点7 DoMR/ MoMR/ DrMR与数据对象之间存在1: n的对应关系。

1.1.4 联系对象

联系对象描述对象与对象之间的联系，包括业务对象与业务对象的联系、业务对象与数据对象的联系、数据对象与数据对象的联系。其中业务对象与业务对象的联系比较复杂，也最为重要。它又可以分为PaMR与PaMR的联系和PaMR与DoMR/MoMR/ DrMR的联系。

表1 PDM系统产品模型可能存在的情况及问题描述

表2 集成产品元模型判定标准

1.2 集成产品元模型合理性分析

IPMM的合理性主要体现在该模型可以有效地控制零组件号的数量和每一个零组件的更改标记数量，降低产品数据管理的成本和难度，提高零组件的重用度。

如果PDM系统的产品模型不是按照IPMM设计，在实际应用过程中可能存在的情况及问题描述如表1所示。

其中业务对象与数据对象元数据集成可能存在两种表现形式：

1）每一个物理数据都要对应一个业务对象与数据对象元数据的集成体，这不仅使得业务对象的数量很多，无法发挥业务对象对数据对象的分类和组织功能，而且会出现一份多页工程图对应多个编号不同的业务对象的情况，给产品数据管理带来不便。

2）一个业务对象与数据对象元数据的集成体可以对应多个物理数据，但每个物理数据的变更都会导致集成体版本信息的变化，在物理数据多次变更的情况下，不仅使得集成体的版本过多，而且集成体版本信息不能反映出单个物理数据的变更进程，只能反映出所有物理数据的变更进程之和，因而不利于对产品数据的有效追溯和管理。

应当指出，IPMM的缺点在于其本身具有较高的复杂性，相对不易理解，实现成本（包括开发成本和使用成本）也相对较高。

IPMM适用于产品设计任务较多、所设计产品相对复杂、需要管理的产品数据较多而且设计过程中工程变更比较频繁的场合。

现在业界已有按照IPMM开发的PDM系统，例如由德国Intellivate公司开发的名为OpenEDM的PDM系统。

2 集成产品元模型判定标准

第一节分析了IPMM的特点及其合理性，那么怎样判断一个PDM系统的产品模型是否符合IPMM的特点呢？本节针对这个问题提出了IPMM的判定标准，如表2所示。如果一个PDM系统的产品模型符合这些标准，就认为该产品模型符合IPMM的特点。

其中判定DoMR/ MoMR/ DrMR与数据对象之间是否可以实现1：n时，需要考查DoMR是否可以对应不同格式、不同内容、不同语言的文档，MoMR是否可以对应不同格式、不同显示方式的模型及其描述文档，DrMR是否可以对应不同格式、不同视图、不同内容、多页的工程图及其描述文档。

3 主流PDM系统缺省产品模型分析及改进

上一节中提出了IPMM的判定标准，本节主要探讨当今主流PDM系统在缺省情况下能否实现IPMM的全部特点，如果不能全部实现，能否通过运用系统提供的定制工具来实现IPMM更多的特点。

当今主流的PDM系统包括美国PTC公司开发的Windchill PDMLink、德国Siemens公司收购并开发的Teamcenter、美国达索系统公司收购并开发的EnterprisePDM等。本节首先对Windchill9.0 PDMLink和Teamcenter Engineering的缺省产品模型进行分析，然后借鉴IPMM的理论、运用两者提供的定制工具对各自的缺省产品模型进行改进。

3.1 Windchill9.0 PDMLink缺省产品模型分析及改进

3.1.1 Windchill9.0 PDMLink缺省产品模型分析

Windchill9.0 PDMLink的缺省产品模型由上下文（context）、对象（object）以及关联（relationship）构成。Windchill9.0 PDMLink的缺省产品模型示意图如图2所示。

图2 Windchill9.0 PDMLink的缺省产品模型示意图

1） 上下文

上下文是承载存储于Windchill9.0 PDMLink中的信息的容器[4]。与产品模型相关的上下文主要是指产品（product）和存储库（library）。其中产品是用于定义公司的构建项和销售项的信息集合，存储库是业务信息（例如与单个产品无关的文档和其他对象）的存储及存取位置[4]。

2）对象

Windchill9.0 PDMLink中与产品模型相关的对象主要包括部件（WTPart）、成品（WTProduct）、文档（WTDocument）和CAD文档（EPMDocument）。其中部件是在产品结构中使用的物理元件或组件，成品是表示销售、装配和交付给客户的产品功能单元的顶层组件[4]。文档包括各种格式和类型的文档、URL（网页地址）和外部存储内容，CAD文档主要包括CAD模型和CAD绘图（即CAD工程图）两种类型。文档包含属性信息、零个或一个主要内容文件以及零个或若干个附件，CAD文档包含属性信息、 零个或一个主要内容文件以及零个或若干个附件。文档和CAD文档的主要内容受版本控制和生命周期状态管理，附件不受版本控制和生命周期状态管理。

3）关联

Windchill9.0 PDMLink中与产品模型相关的关联主要包括上下文与对象的关联、对象与对象的关联。其中上下文（包括产品和存储库）与对象（包括部件、成品、文档和CAD文档）之间存在1：n的所属对应关系，对象与对象的关联包括部件或成品与部件或成品的关联、部件或成品与文档的关联、部件或成品与CAD文档的关联、文档与文档的关联、CAD文档与CAD文档的关联。

4）分析

Windchill9.0 PDMLink的缺省产品模型中的部件和成品对应IPMM中零件类型的PaMR和组件类型的PaMR，文档对应IPMM中DoMR和文档数据对象元数据的集成，文档主要内容和文档附件对应IPMM中文档数据对象的物理数据。同样地，CAD文档对应IPMM中MoMR或DrMR和模型或工程图数据对象元数据的集成，CAD文档主要内容和CAD文档附件对应IPMM中模型或工程图数据对象的物理数据。因为业务对象与数据对象元数据的集成，而可能出现本文1.2节提到的问题。产品文件夹和存储库文件夹对应IPMM中的文件夹但不如它灵活方便，关联对应IPMM中的部分联系对象但不如IPMM中丰富完整。

Windchill9.0 PDMLink缺省产品模型的优点是简单实用，清晰直观，易于理解，并且充分地考虑了PDM系统与CAD系统、办公软件系统、项目管理系统、ERP系统的集成。

3.1.2 Windchill9.0 PDMLink缺省产品模型改进

Windchill9.0 PDMLink提供了用来对缺省系统进行更改的定制工具，其中“类型和属性管理器”允许用户通过定义软类型（soft type）和软属性（soft attribute）来实现个性化的需求。

通过定义软类型可以构建IPMM中的DoMR，将系统中原来的文档作为数据对象的元数据且只对应一个文档物理数据，就可以实现DoMR与文档数据对象的分离，并实现DoMR与文档数据对象之间1：n的对应关系。还可以通过定义软属性并修改部件使用关系来定义部件或成品与部件或成品之间的联系对象的属性。但是在现有条件下，由于CAD文档的唯一入口是CAD系统，而在CAD系统中创建的CAD文档检入PDMLink时按照缺省产品模型构建对象，因此无法通过定制工具实现CAD文档业务对象与CAD文档数据对象的分离。

改进后Windchill9.0 PDMLink的产品模型更加接近IPMM，但仍存在一定差距。

3.2 Teamcenter Engineering缺省产品模型分析及改进

3.2.1 Teamcenter Engineering缺省产品模型分析

Teamcenter Engineering的缺省产品模型由文件夹（folder）、零组件（item）、数据集（dataset）、数据文件（data file）及其之间的关系（relation）构成。其中文件夹用来对其他对象进行分类和组织，零组件用来表示产品的零件和组件，数据集是用来管理由第三方应用软件创建的数据文件的对象[5]。Teamcenter Engineering的缺省产品模型示意图如图3所示。

Teamcenter Engineering的缺省产品模型与Windchill9.0 PDMLink的缺省产品模型非常相似，仅介绍两者的主要区别如下：

1）Teamcenter Engineering中的数据集按照所使用的第三方应用软件进行分类，因此有多种数据集类型即对象类型。

2）Teamcenter Engineering中的数据集又可以细分为数据集属性（即所有数据文件共用的属性）和某个数据文件特有的属性，其中前者包含版本信息而后者不包含版本信息，也因此一个数据集对应的多个数据文件中每个数据文件的变更都会引起数据集版次的变化。

图3 Teamcenter Engineering缺省产品模型示意图

Teamcenter Engineering缺省产品模型中的零组件对应IPMM中零件类型的PaMR和组件类型的PaMR，数据集对应IPMM中业务对象和数据对象元数据的集成，数据文件对应IPMM中数据对象的物理数据。因为业务对象与数据对象元数据的集成，而可能出现本文1.2节提到的问题。文件夹对应IPMM中的文件夹，关系对应IPMM中的部分联系对象但不如IPMM中丰富完整。

Teamcenter Engineering缺省产品模型的优点是简单实用，易于理解，使用方便。文件夹、零组件、数据集和数据文件之间的对应关系非常灵活，并充分考虑了PDM系统与CAD系统、办公软件系统等第三方应用软件的集成。

3.2.2 Teamcenter Engineering缺省产品模型改进

Teamcenter Engineering提供了用来对缺省系统进行更改的定制工具，允许用户定义新的零组件类型、数据集类型和属性表。

通过定义新的零组件类型，可以构建组件类型的PaMR以及DoMR、MoMR、DrMR。将系统中原来的数据集作为数据对象的元数据且只对应一个数据文件，就可以实现业务对象与数据对象的分离，并实现业务对象与数据对象之间1：n的对应关系。通过定义新的属性表，可以将联系对象所需属性填入联系中父对象新定义的属性中。

改进后的Teamcenter Engineering的产品模型基本实现了IPMM的特点，只是在联系对象方面还不如IPMM灵活方便。

图4 集成产品元模型中的夹具虚拟产品结构示意图

4 应用案例

本节以一个夹具的产品结构及相关对象作为简单实例，在Windchill 9.0 PDMLink改进后的产品模型、Teamcenter Engineering改进后的产品模型中进行了实现。

在集成产品元模型中构建出的夹具虚拟产品结构及对象的示意图如图4所示。在PDM系统中实现的示意图如图5所示。

图5 夹具的产品结构及对象在PDM系统中的实现图

5 结束语

本文的分析表明，集成产品元模型具有高度的合理性，主流PDM系统的缺省产品模型比较相似但与集成产品元模型有一定差距。运用PDM系统提供的定制工具可以部分实现集成产品元模型的特点，其中Windchill 9.0 PDMLink改进之后仍然无法实现模型主记录与模型元数据的分离以及工程图主记录与工程图元数据的分离，Teamcenter Engineering改进之后基本实现了集成产品元模型的特点。

产品数据管理中有很多与产品模型相关的问题有待深入研究，其中比较重要的问题包括联系对象、对象的版本方案以及对象的生命周期状态方案等。

[1] 祁国宁,Josef Schoettner,顾新建,韩永生.图解产品数据管理[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2] 李响烁.PLM开发实施进程与集成产品元模型研究[D].杭州:浙江大学,2007:14.

[3] Josef Schoettner.祁国宁,译.PDM/ PLM- Seminar in Guilin[R],2009:72.

[4] Windchill PDMLink User's Guide[R].Parametric Technology Corporation,2007:3-2.

[5] Teamcenter 2007 My Teamcenter Guide[R].Siemens Product Lifecycle Management Software Inc,2007:2-5.

[6] Josef Schoettner.祁国宁译.制造企业的产品数据管理[M].北京:机械工业出版社,2000.