产品生命周期统一数据模型研究

任建勋 ，秦修功 ，滕绍东 ，郭 栋 ，杜已超

（1.北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120；2.机械科学研究总院集团有限公司，北京 100044）

0 引言

产品生命周期的数据模型的统一是重要的研究方向，现在的很多产品生命周期管理系统大多是相互独立的，它们大多都在不同的平台运行，使用的数据格式也并不统一，从而导致了系统之间的信息交换和集成十分困难，无法在平台之间进行互动。为了解决以上问题，有必要建立一套产品生命周期各个阶段的统一数据模型，能够让产品在设计、工艺、生产制造、销售、服务以及回收这六个阶段能够进行信息的交换，并能加以管理。

1 产品生命周期概述

生命周期（Life Cycle）是指一个对象从生产出来开始，到最终回收报废的全部过程。对于产品而言，就包括产品的制造过程、设计等生产过程，产品销售出去以后的使用过程、还包扩产品停止使用以后的过程，如报废、回收等，上述整个过程就是一个完整的生命周期。

1.1 产品生命周期

产品生命周期的概念是由就职于哈佛大学的雷蒙德·弗农（Raymond Vernon）教授于1966年首次提出的。产品生命周期是产品从准备生产出来到销售完成之后在市场流通中的寿命，也就是在市场中，由于消费者的需求发生了变化，出现了影响市场的因素，造成了商品流通的不同。从广义上来说，产品生命周期就是指一个产品从需求分析开始，然后经过工程设计、制造装配、包装运输、销售、服务、最终到回收报废的整个产品的全部生命过程。

1.2 产品生命周期管理

产品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM）是伴随着PDM（Product Data Management）的不断实施而发展出来的概念，PLM主要关注产品的全部生命周期。产品生命周期的概念，在上面已经进行过阐述。

产品的生命周期起源于需求，其中需求一部分来自于市场调查，一部分来自于企业自身发展引领市场的需要。由于种种原因，最终有多少需求能够真正反映到企业形成新产品是一个重要问题。

当需求不断细化后，大量的设计方案便会出现。当企业确定了产品将采用的方案后，则进入工艺阶段。

在工艺设计阶段完成之后，一般会安排产品小批量的试制，然后进入生产制造环节，制造完成后则进入销售阶段。

产品流向市场到达客户使用后，需要进行服务，那么如何制定产品的维护维修策略，如通过线上调研线下走访的方式，也是一个需要解决的问题。

最终随着产品的更新换代以及市场的发展需要，部分产品退出市场，需要进行回收报废处理，这类产品的生命周期管理随之结束。

制造企业应用PLM可以有效的解决电子文档管理落后、数据查找困难和业务协同性差等问题，应用PLM具备以下优势：

1）提高企业效率

应用PLM可以实现产品的三维数据可视化协同浏览，而且能够实现异地团队成员直接访问，无需第三方工具即可即可实现同时评审同一个三维模型设计，并及时有效的反馈设计过程出现的问题，简化评审流程，减少评审成本，提高企业效率。

2）提升企业管理

应用PLM可以实现数字化的三维设计，而不是传统的纸质设计，企业需要一个能够管理各阶段数据的通用无差别的平台，来对产品生命周期各个阶段的数据进行管理，并在此数据管理的基础上对产品的生命周期各个阶段进行较好的管理。

3）保障产品质量

应用PLM可以实现从产品规划到设计制造再到服务回收的整个阶段的统一管理，可以实现产品设的计质量监控与管理可追溯，保障产品质量。

本文将产品生命周期划分为以下几个部分，如图1所示。

图1 产品生命周期划分框图

1）设计—设计阶段由开发设计团队完成产品的设计工作。在这一阶段主要完成产品的概念设计、详细设计、工程分析以及EBOM管理等工作。

2）工艺—工艺阶段有产品开发团队完成产品的工艺路线、材料定额、机加工、装配等各种工艺类型的工艺设计。

3）生产制造—生产制造阶段是企业根据之前阶段产出的设计方案，利用相关设备和材料进行生产，通过一些过程控制方法，来检查生产出来的产品能否与设计方案保持一致。

4）销售—销售阶段主要包括销售战略制定、市场推广、客户管理和定单管理等活动。

5）服务—服务阶段主要包括产品运行维护、服务和维修信息管理等活动。该阶段主要实现产品运行维护、服务和维修。相关的设计、生产、制造部门将接收到产品运行状态、健康监测信息、客户服务信息进行处理使用。

6）回收—回收阶段主要包括产品和材料循环利用和处置过程。回收的目的是结束系统元素或系统的存在，并要适当地处理被替代或退出的元素。在产品研发阶段中需要并行考虑回收处置所产生的需求和约束，环境问题驱使设计者需要考虑回收物料或在新系统中循环再利用。

2 数据模型研究

产品生命周期整个阶段中，管理对象分别是虚拟产品和物理产品，这两种产品分别有各不相同的产品结构和数据管理的特点，这就需要面向产品生命周期的不同阶段分别建立设计制造数据模型、使用服务数据模型和中性数据模型。

2.1 设计制造数据模型

设计制造数据模型管理的对象是设计、工艺和生产制造阶段的虚拟的数字化产品，主要包括产品的层次结构、属性和以文档形式体现的设计内容，比如BOM和三维模型、二图纸设计文档和三维模型、二图纸设计文档计算说明书、工艺文件等。这个阶段产品的设计信息、工艺和制造逐渐丰富完善，结构、属性和文档数据都会版本变更升级，因此设计制造数据模型面向的是数字化物料项及其描述数据，可以管理虚拟产品的设计、工艺和生产制造信息。

2.2 使用服务数据模型

使用服务数据模型管理的对象是销售、服务和回收阶段的物理实体的产品，也就是实例产品。实例产品有特定的结构组成、功能和性能，处于特定的物理环境，在特定的工况下工作，产品的性能会随着时间而变化，产品的结构组成和功能会因为维修维护、改装等而出现变更，所以数据模型要跟踪管理实例产品的变化，描述产品最新的结构组成和其他性能参数，管理产品的履历信息。

2.3 中性数据模型

中性数据模型管理产品批次或者规格的精确配置数据，根据服务过程中检修粒度的大小进行删减，并扩充服务过程中需要的允许安装件和供应商子件，管理的维修规程和专用装备，为使用和服务阶段提供数据源，也是产品数据追踪追溯的桥梁。针对相同零部件在不同位置的差异，管理产品的相关位置数据。

2.4 物料清单表（BOM）

在产品设计、制造和服务过程中，不同主体中不同部门的不同人员分别从事不同的业务工作，并利用不同的信息系统管理产品数据。在设计制造数据模型、中性数据模型和使用服务数据模型的基础上，面向各个阶段业务，构建BOM。设计BOM（EBOM）、工艺BOM（PBOM）和制造BOM（MBOM）源自于设计制造数据模型，实例BOM源自于使用服务数据模型，中性BOM和位置BOM均源自中性数据模型。

3 产品生命周期各个阶段的统一数据模型

为了更合理简便地实现数据模型，本文将产品生命周期划分为六个阶段，分别是设计阶段、工艺阶段、生产制造阶段、销售阶段、服务阶段和回收阶段。每个阶段的数据模型如下：

1）设计阶段

设计阶段由开发设计团队来完成产品的设计工作。

设计阶段需要描述的内容包括产品信息和EBOM。其中，产品信息包括产品的概念设计、详细设计、工程分析以及三维实体模型中产品尺寸、公差、制造技术要求等信息。EBOM所包含的信息有物料类型、物料编码、物料名称、规范、毛料尺寸、单件重量、表面处理状态、热处理状态和特检等内容。

2）工艺阶段

工艺阶段产品开发团队完成工艺路线、材料定额以及机加工、装配等各种工艺设计。

该阶段需要描述产品PBOM，PBOM是一种工艺人家，它是工艺部门用来管理和生产某种产品的，根据企业不同产品所具有的不同工艺装配的特点，编制出不同的产品装配件、零部件和相应的制造方法。PBOM的使用可以明确地各个零件之间的制造关系，跟踪零件信息。工艺属性信息包括物料编码、物料名称、版本、装配数量、工艺类型工时、工艺路线等内容。

3）生产制造阶段

生产制造阶段是企业根据之前阶段产出的设计方案，利用相关设备和材料进行生产。

生产制造阶段主要包括工装计划、物料清单的管理和生产测试等，需要描述产品MBOM。MBOM是详细描述产品制造过程的基础数据，也是生产管理系统运行的基础数据，用于显示产品的制造和组装等方式。MBOM的所包含的信息有物料名称、装配数量、材料定额、额定工时、物料编码、工艺规程（装配工艺规程和机加工工艺规程）、制造资源（包括刀具、夹具、量具、工作中心、辅料）等内容。

4）销售阶段

销售阶段主要包括销售战略制定、市场推广、客户管理和定单管理等活动。

销售阶段需要描述产品的中性BOM和位置BOM。中性BOM主要反映产品的共性，包括编码、物料名称、唯一标识、是否为易损件、是否为专用件，物料等级的划分，是总成级，配件级还是零件级，还包括物料特征，是独立配件还是从属配件等。同规格或同批次的多件产品的中性BOM完全相同，共用一个中性BOM。位置BOM在中性BOM的基础上，零部件扩展位置属性。安装在多个位置的相同零部件派生出多个零部件，各自的位置属性不同，区分不同位置的相同零部件，对其进行相应的使用维修服务管理；其余零部件及其结构与中性BOM相同。由于与位置相关的信息并不必然存在，位置BOM可以不存在。

5）服务阶段

服务阶段主要包括产品运行维护、服务和维修信息管理等活动。该阶段主要实现产品运行维护、服务和维修。相关的设计、生产、制造部门接收到服务阶段产生的产品运行状态、客户服务信息和健康监测信息进行处理，并形成相应的处理和解决方案，然后将结果反馈给服务部门和客户，可以实现提高服务质量和效率。

服务阶段需要描述产品的中性BOM、位置BOM和实例BOM。中性BOM和位置BOM与销售阶段基本相同，实例BOM并不是在生产制造过程中产生的，而是在使用服务阶段形成的BOM结构，每一个产品都有一个属于自己的实例BOM，来进行产品使用服务数据管理。实例BOM是将中性BOM和位置BOM进行实例化，用于描述单个产品的实际使用服务过程。实例BOM所关联的产品服务信息包括针对某一类型产品服务知识和某个产品在服务过程中记录的所有数据。

6）回收阶段

回收阶段主要包括产品和材料循环利用和处置过程。回收的目的是结束系统元素或系统的存在，并要适当地处理被替代或退出的元素。在产品研发阶段中需要并行考虑回收处置所产生的需求和约束，环境问题驱使设计者需要考虑回收物料或在新系统中循环再利用。

该阶段需要描述产品的实例BOM。实例BOM管理物理产品和物理零部件的数据，比如序列号、厂家、日期、工作时长、故障信息、使用动态数据等；维修任务管理单次维修的数据，包括故障记录、维修及检修记录、技术加改记录、拆装记录、检修日期、检修单位等信息。

4 结语

本文介绍了产品生命周期及其管理的相关理论，并针对产品生命周期各环节给出了相应的数据模型，可以帮助企业管理不同产品生命周期各个阶段的信息，还可以整合产品生命周期中不同阶段之间产生的不同信息，打通设计阶段、制造阶段和销售阶段等阶段之间的联系，具有较高的应用价值。