重型装备研发型制造企业PLM系统的关键技术

0 引言

       重型装备具有种类多、生命周期长、设计验证难度大、针对性强、运行环境与状态复杂等特点。研发与制造企业经常面临着产品定制设计、产品品种多样化、设计资料版本管理乱、产品资料数据同源性难以保证、协同设计效率低、项目管理失控等现实问题。企业虽然已经有CAD、CAM、ERP等局部信息化工具或系统，但各个系统间缺乏有效衔接，缺乏顶层设计，实施效果不理想。

       PLM(Product Lifecycle Management)系统称之为产品全生命周期管理系统，它是通过信息化管理支持平台，对产品从创建到使用，更新到换代等全生命周期进行管理，能够有效解决重型装备研发与制造企业所面临的问题。PLM的核心是产品数据的有序管理、设计过程的优化和资源的共享，是支持快速研发过程的协同管理的一个集成协同框架，在企业内部(可以是分散在多个地点的企业内部)，支持产品全生命周期的信息的创建、管理、分发和应用，它能够集成与产品相关的人力资源、流程、应用系统和信息。笔者针对重型装备研发制造企业的特点，对PLM系统几个关键集成技术进行探讨。

1 重型装备研发型制造企业的研制与经营特点

       重型装备作为高端装备，广泛应用于能源、交通、船舶、工程机械、冶金、航空航天、军工等重点行业和领域。重型装备研制周期长，阶段复杂，包括前期调研、设计、制造、采购、配套、安装、调试、交付及质量控制与售后服务等，在这些过程中会产生大量的数据。通常重型装备技术含量高，其制造需要较多的专用设备，因此，企业的经营更适合采用重研发、轻制造的经营模式，即企业在掌握和控制核心技术的前提下，主要依赖社会优质资源来实现制造。这种模式虽然有利于成本的控制，但给产品的全生命周期数据管理带来许多问题。其主要特点概括如下。

       (1)个性化定制。重型装备大多数属于专用设备，用户一般都有自己的工艺要求，变型设计类型相对较多，非标与定制特征明显。虽然每个产品都需要重新设计，但设计对象的产品族特点明显。通常变型产品在企业整个产品的设计制造中占有绝对比例，企业需要最大程度地利用定制产品之间在设计和制造工艺上的相似性提高设计效率和生产效率。

       (2)产品生命周期链不完整，但关注点突出。重型装备研发型制造企业通常研发设计能力较强，生产制造能力相对较弱，企业关注的是对核心技术的掌控以及最终完成产品成套，其制造加工过程通过外协、外购来完成。除此之外，企业确实难以完成的某些关键技术还需要外包。因此，企业所掌握的产品全生命周期数据链并不完整。

       (3)高度重视协同设计。为获得市场竞争优势、适应市场需求的快速变化，企业的研发组织结构已经由过去的物理集中向物理分散转变，无论在企业内部或外部，本地或异地，研发、设计、制造需要多家单位、不同机构之间的交流与并行工作，企业需要克服时间、空间等限制，形成一个便于群体相互协同工作的共同工作空间，使异地多部门、多单位人员能够并行协同地完成工作，这种转变只能依靠信息化系统支持才能实现。

2 重型装备研发型制造企业面临的主要问题

       在市场经济环境下，重型装备研发型制造企业是按订单设计制造。产品类型多，项目阶段多，并行项目多，造成研发管理比较复杂，通常面临的主要问题如下。

       (1)难以保证产品数据的一致性：①产品数据版本信息管理不完善，缺乏过程版本，可追溯性差；②技术文件审核过程中，纸质文档与电子文档分离并同时存在，一致性难以保证；③图纸查找困难，设计人员大量的时间花费在数据查找上；④安全保密无法保障，产品全部数据虽说存放在计算机中，但数据易受到非法的调用、复制、修改。

       (2)产品结构依靠手工管理：①需要手工整理产品结构信息，容易出现错误且效率低下；②产品结构没有版本控制；③零部件的替代关系没有有效地管理，不能有效地判断零部件对应的替代件。

       (3)缺乏规范的编码体系，难以保证零件信息的准确性：①同一个零件在不同的项目中可能有多个编码值存在，导致编码需要专门人员进行匹配识别；②编码新增申请过程难以校验，可能出现重复申请，存在一码多物；③编码的创建过程依靠手工操作，易产生导致数据不规范、不一致的情况。

       (4)流程管理费时耗力：最大的问题是管理以纸质为准，流程执行时间过长。

       (5)更改管理难以控制，差错较多：①缺乏信息化系统支持的变更流程，变更请求和变更单多数仍为纸介质，传递、更改过程耗时长，并且经常造成数据错误；②对变更历史缺乏有效的管理，不能有效地对变更进行追溯，缺乏对产品数据关联关系的有效管理；③变更控制不严，导致设计过程和制造过程中频繁出现变更，耗费了大量的时间和人力上的成本。

       (6)项目管理水平较低，计划能力不强，执行效果较差：①项目计划的管控模式无法支撑项目的全周期管控，设计、生产、质量等各种计划数据流之间存在断点；②项目计划难以与最终的交付物进行紧密关联，无法准确监控项目中每一个项目成员或节点的进度和任务执行情况；③现有管理模式无法支撑多项目监控与资源的平衡，多项目的执行情况没有可及时更新的统计图表，无法同时对比分析多项目的执行情况；④缺乏项目组人员工作负荷的统计监控，无法对工作量、工作强度进行平衡；⑤现有管理模式无法支撑项目风险的管控，缺乏项目风险的定义、分类和预警，无法在项目的关键节点、瓶颈资源处对已知风险做出提示。

       上述问题反映了重型装备研发型制造企业对PLM系统的期望，即：统一和规范数据管理，建立完善的数据管理机制；统一变更管理和流程管理，固化业务流程，增强流程的反馈和查询；规范设计方法；加强知识的共享与重用，研发人员可以方便的进行数据查询和应用。

3 重型装备研发型制造企业PLM系统的关键技术

       对重型装备研发型制造企业来说，其关注的核心是企业研发能力的提高和研发管理能力的提升。企业对PLM系统的要求，主要是如何更好地支撑企业的研发业务，帮助企业实现提高交付质量、缩短交付周期、降低交付成本的目标。围绕这一目标，PLM系统的关键技术在以下方面。

       (1)编码管理 对产品设计数据和文档等存在于PLM系统中的所有对象规定具有唯一性、扩充性、简明性、适用性、规范性的编码规则是实施PLM系统的基础，科学合理的编码规则也是企业用好PLM系统的保证，它保证了在研发设计过程中所有输入与输出对象的规范化。

       产品设计数据的编码包括：①企业的信息码。对于项目数据来说，需要区分有多个参与研发的单位的信息；②产品分类码。包括产品分类、产品结构层级分类，以及制造件、外购件、企标件、标准件分类，等等；③细化分类码；④规格识别码；⑤特征码；⑥流水码。企业可根据具体情况予以规划。

       文档的编码可视具体情况分类，一般应至少分为产品设计类文档和普通文档。产品设计类主要是对研发设计过程中各个阶段的输出文档模板进行编码规范；普通文档对除产品设计类之外的其他文档模板进行编码规范。

       (2)系统集成 系统集成包括CAD、CAE、CAPP、CAM、ERP等集成，研发型企业可能更关注PLM系统与CAD、CAE的集成。企业在发展过程中因使用多种设计工具软件积累了大量的历史数据，这些数据是企业的知识与财富，需要通过系统集成、在PLM平台上得到更好的利用，其难点在于：由于难以获得软件的开发信息以及存在技术瓶颈，实现各工具软件与PLM系统之间的深度集成难度很大。解决这些难题，需要PLM系统的实施商家具有强大的技术集成能力。

       (3)产品数据库管理 产品数据库：按项目管理的要求，系统地、规范地管理项目的产品设计数据和文档类数据，包括从项目输入到实物正式交付的整个过程产生的所有资料，保证这些资料的唯一性和正确性。

       模块化数据库：模块化包括标准件、外购件和企标件，标准件和外购件主要针对常用的种类与型号、规格，企标件是设计中经常重复引用、并具有相似特征的系列自制零部件，企标件为快速的变型设计提供了极大方便，缩短了设计时间。

       (4)信息共享 以PLM系统创建产品研发设计的协同工作平台和多种检索机制，解决过去电子设计数据缺乏有效管理、准确性不高、检索困难、信息共享度低、数据存储及利用存在诸多隐患及弊端等问题，使设计人员在系统中能快速、准确、方便的查阅和利用历史数据，提高工作质量和设计效率。

       (5)产品结构管理 企业需要具有面向用户的产品快速配置能力，因此通过PLM系统完成零件、产品结构搭建与快速配置是企业关注的重点。在PLM系统建立统一的BOM数据管理平台，实现对产品以结构化数据方式进行管理，实现通过单一的变量BOM来快速派生同系列的变形产品。

       产品设计过程中，当产品结构搭建与配置完成后，即可自动形成产品的装配关系数据。无论是图面上的明细栏还是综合明细表、外购件汇总表、标准件汇总表都可以自动完成，改变过去手工编制汇总表费时耗力、并且容易出错的问题。

       对市场销售而言，产品结构搭建与快速配置管理为销售人员快速定义用户的个性化需求提供选项。根据用户个性化要求对产品模型进行变型，通过参数化CAD系统的帮助，为用户提前展示该个性产品，并提供报价。用户如果满意，它可以生成可供制造的产品模型并可投入生产；如果用户需求不能得到满足，它向设计人员提供最好的设计实例，使定制设计有较高的起点，缩短工作时间。

       (6)流程管理 在PLM系统中，流程管理重点需要满足：①实时，即数据与决定必须立即传送给相关的人；②完整，即将所有工作必需的相关信息，传给所有必要的人；③记录，即流程之中所发生事件的原因、动作、变化、结果及相关作业者，必须有完全的记录，以便在流程之中及将来均可追踪考查；④加速，即通过并行流程加快整体的研发速度；⑤监控，即对于流程目前的状态、进度，管理者必须能够完全监控，并且在必要的时候，作适当的管理操作，如加速、暂停、中断等。为此，需要理顺和优化设计研发业务流程，明确划分必须的业务阶段、工作要求、输入输出文档，以及相关职责，建立企业标准的研发业务流程规范，并在PLM系统中予以固化。

       (7)变更管理 企业可以根据自身情况设置研发设计变更分级。通常情况下，变更过程可分为一般变更和重要变更，一般变更过程涉及的范围小，影响小，控制要求不严格；重要变更过程涉及范围广，影响大，需要进行变更影响分析。

       在PLM系统中，变更程序主要包括：确认问题；定义/批准变更申请；定义/批准变更通知；执行变更指令；确认变更/自动通知等。系统根据变更分类自动选取相应流程，通过完整的数据模型评估变更的影响范围并记录评估结果。变更过程以电子流程的形式进行管理，变更结果以结构性数据形式进行管理。变更评审在PLM系统中自动通知相关人员(亦可参与评审)，更改完成后系统自动借用新版本(亦可继续引用旧版本)。

       (8)项目管理 项目管理从管理角度为企业研发工作组织提供了解决方案，它主要是对整个产品开发过程的状态进行透明化监控，监控范围包括计划、进度、资源、成本、文档、问题、风险、协同等要素，保证研发项目在可控状态下执行。项目管理的核心是项目计划的制定、执行与跟踪，项目管理的关键则是计划要求下的职责与权限界定、任务与资源分配以及状态评估与风险控制。

4 结语

       研发管理是重型装备研发型制造企业战略经营的核心。PLM系统为企业提供了一个协同、统一的协同研发管理平台，提高了企业对研发数据、过程、结果以及工作质量和效率的管控能力，实现了企业发挥团队优势、加快响应市场信息速度、提高经济效益的管理目标，解决了制约企业持续发展的瓶颈问题。通过对上述关键技术的探讨，对重型装备研发型制造企业规划建设适合企业经营特点、满足自身需要的PLM系统有一定的指导作用。