產品數據管理（PDM? Product Data Management）是指企業內分布于各種系統和介質中關于產品及產品數據的信息和應用的集成與管理。產品數據管理集成了所有與產品相關的信息。企業的產品開發效益取決于有序和高效地設計、制造和發送產品。產品數據管理有助于達到這些目的。

產品數據管理是幫助企業、工程師和其他有關人員管理數據并支持產品開發過程的有力工具。產品數據管理系統保存和提供產品設計、制造所需要的數據信息，并提供對產品維護的支持，即進行產品的全生命周期的管理。　

1 研究背景

1.1制造業面臨的挑戰

制造業發達是一個國家經濟強盛的標志。隨著科學與技術的進步，電子、信息及自動化技術的廣泛應用，使生產得到了巨大發展，市場競爭亦變得愈來愈激烈，競爭推動著整個社會飛速前進，同時給企業造成了嚴酷的生存環境。

企業要力爭在最短時間(T)內、消耗最少的資金(C)、生產出滿足市場需求(Q)的產品。市場的需求在不斷變化，對產品的結構、性能的需求越來越苛刻，從而使新產品的研制變得越來越復雜。然而，產品的頻繁更新對企業本身來說也帶來一些問題：需要在再設計(Redesign)、企業過程的調整(BPR)等包括設備改造及制造上不斷投資。其中開發費用基本上與時間成正比，即開發周期越長，投資越多。這種因素也促使企業采用各種手段縮短產品開發周期。

因此，世界各國的企業都面臨著嚴重挑戰：如何縮短日趨復雜產品的開發周期以占有市場、并降低成本！如何去適應快速變化的市場需求，對企業進行重組，不斷以高質量、低成本、快速開發新產品等手段，在競爭中求生存和發展，已成為企業共同追求的目標。

為了達到上述目標，企業不斷強化了在產品設計開發過程中采用計算機輔助技術的措施，由此又引發了新的問題。　

1.2企業信息化過程中的問題

如圖1所示（t軸表產品開發周期長度，I代表信息量）隨著各種先進技術的運用，產品開發周期在縮短，但信息量卻在成倍增加，這說明信息在企業中已占據愈來愈重要的位置。　

企業逐漸實現計算機信息化，標志著企業的進步與發展，信息化最有效的應用在于支持企業目標的實現，信息由企業創建，成為一種新的企業資源，其利用程度（信息創建、流動的速度與重用的程度），有效的管理（存取，版本）就成為企業信息化的新的任務：

·信息共享程度。企業的計算機輔助工具大都是一些離散孤立的系統，由于這些互不兼容的軟件產生的數據格式不一致，存儲介質亦是各種各樣，再加上人員組織管理的不同，這一切使得企業無法在管理設計、工藝和制造部門之間以及相關企業間甚至企業與貿易間有效地傳遞數據信息，實現信息共享。企業應采用更為先進的方法來管理和協調整個產品開發直到制造過程。

·提高信息傳遞速度。大部分企業的信息傳遞主要是通過書面文件、報表及電話聯絡方式。設計開發的上游部門無法及時與下游過程進行信息交換與共享，各部門不能及時地了解設計開發過程中的變化，因而產品的研制開發時間長，企業應采用有效手段來跟蹤檢查整個產品的設計和制造的進展。

·有效的信息管理。雖然企業采用計算機輔助工具在一定程度上實現了繪圖和設計的計算機化，但是仍然依賴紙質文檔的管理，由于缺乏有效的文檔管理，不能有效地利用已有的設計資源。

·要求先進的相適應的信息基礎設施（計算機信息系統支撐環境）。在數據管理方面，企業仍然停留在使用大型商用關系數據庫的層次上，由于這些數據庫不能有效地管理圖形、圖像等非結構數據，更無法實現過程管理、配置管理以及對應用工具的集成，從而不能滿足在異構與分布式計算機環境中使企業內各類應用實現信息集成、功能集成和過程集成。

·提高應用集成系統效率。在產品開發設計過程中，幾乎任何兩個不同的應用軟件都不可直接分享或交換產品數據信息，CIMdata公司指出：目前在企業中每天大約有1/3到1/4的設計、管理工程技術人員不是專心于自己的本職工作，而是開會、討論、等待或處理各種信息；美國的調查表明，由于設計制造缺乏產品數據的統一管理，導致產品工時增加20%，成本上升10%。因此提高應用集成系統的效率，其核心為各應用系統間可互操作性。 #p#分頁標題#e#

早在七十年代，美國的Joseph Harrington 博士就根據計算機越來越強大的信息處理能力和計算機網絡技術的發展情況及其在制造業廣泛的應用前景，首先提出了計算機集成制造 (CIM, Computer Integrated Manufacturing) 的概念，其核心思想就是強調在制造業中充分利用計算機的網絡、通訊技術和數據處理技術，實現產品信息的集成。而近年來提出的并行工程 (CE, Concurrent Engineering) 的概念則是強調在CIM信息集成的基礎上，在制造業中采用并行處理的方法進行產品設計及其相關過程的實施，克服了傳統的順序工程在設計時不能及早考慮制造過程、支持環境、質量保證和設計開發周期長等問題，使得企業開發的產品能夠及早地以低成本投放市場，并很好地滿足用戶的需求，以期獲得強大的市場競爭能力；1994年開始的美國NIIIP（National Industry Information Infrastructure Protocol）項目，則把目標定在不同應用系統間跨因特網解決產品信息的共享與交換。為了達到更加有力地支持并行工程的目的，從產品信息角度看必須要有一個更新的概念和方法來滿足這些需求。　

1.3解決的對策

針對上述存在的問題，企業在已有一定的計算機輔助工具的基礎上，需要有一個統一的工具從宏觀上將各種應用軟件集成起來，并對其產生的大量數據統一管理與控制；要用先進的信息管理手段支持團隊的異地協作，保證產品數據的安全、可控，并可以跟蹤產品開發進度及適應數據的頻繁修改等。換句話說，隨著各自動化“孤島”變大變強，它們也就把它們自己置于更大的海洋之中了，相互之間溝通不夠，將大大限制它們能力的發揮，現在已到了將它們連結起來的時候了，如圖2。 

這就是產品數據管理的思想，圖3和4從數據流的角度示出了企業有無產品數據管理（PDM, Product Data Management）系統的區別。

沒有產品數據管理系統時，數據流可能很復雜，一些關鍵的數據可能存儲在好幾個地方，這使得檢索更加繁瑣；特別是當某一處從另一處獲取數據后，該數據發生了改變，比較難以保證數據的一致性。而有產品數據管理系統則將使上述問題簡化并可解決一系列相關問題，為CIMS和并行工程實施奠定良好基礎。

總之，由于計算機技術的全面發展和普遍應用，使得產品開發過程各階段計算機化，要求和推動了產品數據管理的產生和發展。　

2 產品數據管理的基本概念

2.1 產品信息的產生和發展

產品是指人造品，產品進入市場銷售而成為商品，企業通過產品的附加值經營而獲取利潤。信息是用以在通信中對事實、過程、概念、思想的表達或描述。而數據則是信息的符號化表示，這里的符號有自己的特定集合。為了能夠更加明確地說明問題，給定如下關于產品數據和產品定義數據的定義：

產品數據是關于產品的一個或一組事實、概念、相關過程和要求的形式化描述，在產品周期內使之適合于計算機處理。

產品定義數據是產品數據的一個子集。是唯一完整定義、描述產品的數據。在使用CAD/CAM系統時，產品定義數據唯一地由CAD系統產生并提供給產品全生命周期使用。

產品信息由來已久，但在早期工匠制造時代由于：

(1)設計制造過程是統一的，并由個人獨立完成，相互配合協商不重要，因此

有關產品的信息表達和交換不被重視；

(2)由于注重依靠經驗與技能，制做過程和方法的記述不完整，有時關鍵地方故意忽略，因而信息表達也不完整。

但到了近代特別是現代，由于科學進步的促進和社會需要，制造業飛速發展迎來了大工業化時代，產品信息的表達和管理也隨之發生巨大變化如圖4。

從圖中的信息管理狀態和設計制造技術關系可以看出現代制造業發展迅猛，這一切與引入了電子計算機密不可分。在大批量生產時代主要的設計方法還是依靠圖紙傳遞設計信息，設計勞動強度大、工期長，二維平面描述與三維實體之間存在映射轉換。隨著計算機廣泛深入的應用，利用計算機造型的CAD等先進工具被引入制造業，伴隨著CAD等應用的逐步拓展，生產的組織與質量獲得極大提高，各局部信息自動化管理隨之產生。并行工程思想、智能制造技術的發展對信息的要求愈來愈高，信息流已先于其他流在企業內部流動，信息集成化管理時代到來，信息的表達與交換標準凸顯重要。不遠的將來隨著敏捷制造、動態聯盟的發展，大規模網絡化信息分布交換與處理的時代即將到來。 #p#分頁標題#e#

2.2 產品數據管理的形成

產品數據管理技術是從CAD/CAM和工程設計領域產生出來的。自80年代中期以來，人們就已經初步認識到了產品數據管理的作用。最初，是以協調制圖的存儲和檢索的文件管理方式建立系統，來跟蹤由CAD/CAM產生的繪圖；接著，加進修訂功能以便使用者能更好的管理設計變化；其后，又增加了將圖形文件與產品結構中相關信息鏈接起來的能力。由于那時需求尚比較單一及片面，因此人們根據自己的理解、自身特點及所面對的應用問題，有的強調繪圖文件的管理，有的著重與MIS軟件的銜接，有的希望解決一些工作流管理的問題，也有的急于將重要的研發數據納入到數據庫之中。

進入九十年代中后期，人們才逐步認識到產品數據管理的重要性。如果說當時產品數據管理的需求及功能是一頭大象的話，那么人們的對產品數據管理認識就有點兒像“盲人摸象”，各自找到了一些各自的感覺。單從名稱上就可以看出這種特點： DM(Document Management)、EDM(Electronic Document Management、Engineering Data Management)、IM(Image Management)、Work flow、CM(Configuration Management)、TDM (Technical Data Management)、EDL(Engineering Data Lib)、TIM(Technical Information Management)、DMCS(Data Management Control System)等等。目前，由于新的制造模式的發展與應用，如CIMS、并行工程、虛擬制造等，人們已經認識到產品數據管理對企業作為一個集成系統運行的重要性，可以認為產品數據管理是適用于企業過程、組織方式的技術，具有強烈的企業運行模式的背景。

產品數據管理譯自英文Product Data Management直接含義可理解為管理一切與產品相關的數據信息。產品數據管理要包含所有與產品設計相關的設計信息(不僅僅是工程圖紙)，并使它們可被所有參與產品開發的人員(不僅僅是技術人員)訪問。關于產品數據管理的定義尚未有統一的定論，我們認為D.Burdick論述得較為精辟，他給出的PDM定義為：

·PDM是在企業范圍內為設計與制造構筑一個并行化產品協作環境的關鍵使能器。

·一個成熟的PDM系統能夠使所有參與創建、交流、維護設計意圖的人們在整個產品生命周期中自由共享與產品相關的所有異構數據，包括圖紙與數字化文檔，CAD文件和產品結構等。

產品數據管理實際上是企業計算機信息化發展到一定階段的必然結果。企業產品開發的各專業領域計算機化到一定程度，必然要遇到信息集成的問題，一般的系統難以承擔此任。唯有產品數據管理系統才能以前所未有的更大更完整的視圖展示產品、過程與人員的關系。它橫跨企業的產品設計開發全過程直至產品全生命周期，它縱向深入到產品結構的各個層面直至產品零件的各個側面，它從信息共享等方面有力地支持并行工程，它為產品開發團隊（Teamwork）的每一個成員角色提供更加完備的服務；特別是在支持設計重用方面它能發揮明顯的優勢，產品數據管理系統則是按照產品數據管理思想實現的軟件。

企業組織的分散化也使分布式系統成為計算機系統發展的方向。從技術角度講，分布式系統是由多種計算資源，以一定的互聯方式組成的，開放式的，多平臺的，可互操作的，合作的系統，能夠為用戶提供一定范圍的服務。一個分布式系統內部資源的位置對用戶來講是透明的，任何用戶只要具備關于所用系統最基本的知識，就可在任何地點、任何時候訪問并使用系統中的任何資源。

產品數據管理的內涵是集成并管理與產品有關的信息與過程。產品數據管理在企業范圍為設計與制造建立一個并行化產品開發協作環境。它視整個企業為一體，可跨越整個工程技術群體，是加速產品開發的使能器。它也是在分布式企業管理模式的基礎上，與其它應用系統建立直接聯系的重要工具。產品數據管理依據全局產品信息強調共享的觀點，擴大了產品開發建模的含義。它為不同地點、不同部門的人員提供了一個協同工作環境，使其可以在同一數字化的產品模型上一起工作。 #p#分頁標題#e#

產品數據管理如同面向對象一詞一樣，被當做時髦的語言，有被濫用的趨勢。本文將試圖對產品數據管理的模型作出嚴格的描述。產品的定義（模型），產品數據模型，產品數據管理模型，與計算機信息系統提供的基礎設施（環境）所組成的共同模型將在以后章節中加以討論。

今后如無特別說明所討論的產品數據管理適用的對象都是限定在離散化機械制造領域范圍內。

2.3 產品數據管理系統在企業中的地位

可以從以下幾方面來看產品數據管理系統在企業產品設計開發中的作用：

1）．PDM是CAD/CAPP/CAM(3C)的集成平臺。目前已有許多性能優良的獨立CAD、CAPP、CAM系統，它們分別在各自的領域里發揮了重要作用。但是這些各自獨立的系統之間不能相互進行信息的自動傳遞和交換。因為只有當CAD的信息能在后續環節（如CAPP、CAM中）一再被應用，才是最經濟的，所以實現CAD/CAPP/CAM的集成，才能實現設計生產的自動化。

目前，PDM系統是最好的3C集成平臺。它可以把與產品有關的信息統一管理起來，并將信息按不同的用途分門別類地進行有條不紊的管理與提供。各CAD/CAPP/CAM系統都可以從PDM中提取各自所需要的信息，再把結果放回到PDM中，從而真正實現3C的集成。

2）．PDM是產品信息傳遞的橋梁。人、財、物、產、供、銷六大部門是企業的經營管理與決策部門。PDM作為3C的集成平臺，用計算機技術完整地描述了產品整個生命周期的數據和模型，是EPM和ERP中有關產品全部數據的來源。PDM是溝通產品工藝設計部門和管理信息系統及制造資源系統之間信息傳遞的橋梁，如圖5所示。 

3）．PDM支持并行工程。并行工程在優化和重組產品開發過程的同時，不僅要實現多專業領域人員群體協同工作，而且要求把產品開發信息和開發過程有機地集成起來。PDM作為支持并行工程的使能技術，首先能支持異構計算機環境；其次能夠實現產品數據的統一管理與共享，提供單一的產品數據源；PDM能有效地管理應用工具產生的信息，提供應用系統之間的信息傳遞與交換平臺；它還可以提供過程管理與監控，為并行工程中的過程集成提供必要的支持。PDM在突出產品數據管理的基礎上，正逐步完善其作為制造業領域集成框架的功能，為并行工程的實施提供更強有力的自動化環境。

4）．PDM是CIMS的集成框架之一。隨著CIMS技術的不斷深入發展和應用，其規模在不斷擴大，企業集成信息模型越來越復雜，對信息控制和維護的有效性、可靠性和實時性要求越來越高，迫切需要更高層次上的集成技術，能夠提供更好的產品信息集成管理機制，從而提高CIMS的運作效率。PDM系統由于其技術支持產品生命期過程而具有的先進性和合理性，成為新一代信息集成平臺中先進的技術，所以說是企業實現CIMS的集成框架之一。

3 國內外相關領域研究狀況

由于產品數據管理蘊含著巨大的潛在效益，受到許多國家和組織的重視，紛紛投資進行相關領域研究，并推廣實施。有的是系統研究，有的是分項研究。

3.1 DICE計劃

DICE(DRAPA Initiative in CE)計劃是美國國防部先進研究計劃局(DRAPA)投資近1100萬美元，通用電氣公司的飛機發動機部門作為主要承接單位，并有西弗吉尼亞大學等多所大學參與的對并行工程進行較為全面和系統研究和實施的重大計劃。

DICE計劃(如圖5)研究一個雖然用集中數據庫存儲全部設計，但各agent有自己本地數據庫的分布式并行設計環境。它注重解決異構環境下數據共享的問題，通信機制用黑板(blackboards)。DICE計劃認為當今的多功能數據是用專有格式和不同的表達法收集的，因此它只關注怎樣最好地在設計組間共享產品信息。

DICE計劃雖然沒有明確提出產品數據管理的概念，也沒有意識到以產品數據為中心可以給出產品的一個完整的視圖，以解決設計中存在的問題，但它的PPO模型和暢通的信息交流渠道為提高設計效率和加快開發周期提供了必要的基礎，DICE對STEP標準重視不夠。  #p#分頁標題#e#

3.2 CONSENS計劃

歐洲研究計劃ESPRIT EP6896 CONSENS（Concurrent/Simultaneous Engineering System）是由西門子的Fraunhofer技術研究所與德國航空公司及AEG合作研究開發的不同廠家的軟件之間進行數據交互的軟件環境，其中主要內容是PIA（Product Information Archive），該系統具有以下特色：

·用框架集成了平行的工作組間信息流，便于相互之間的交互；

·建立了內部數據模型，并建立工具集成描述語言TIDL（Tool Integration Description Language），用于指導相關的數據庫建模。

該系統借鑒了STEP建模方式進行了系統建模，但并沒有規定產品數據表達用STEP標準；該系統極為重視不同的CAE工具間的信息交流并設計了相互之間的接口，但并未就此給出徹底的解決方案；另外，從其他的歐洲研究計劃如ESPRIT計劃6041 MARITIME（Modeling And Reuse of Information over TIME）可以看出他們僅把產品數據管理看做未來的解決方案。

3.3 關于PDM schema的研究情況

ISO-10303/wg3正在討論制定PDM schema，目前著重在討論覆蓋全生命周期產品的概念與結構的概念，初步認為PDM schema所覆蓋的產品模型包括AP214、AP232、AP206等協議。

PDM schema由ProSTEP和PDES公司合作開發，目的是要在產品數據管理領域提高STEP應用協議AP之間的互操作性。目前發展情況，PDM schema v1.0只涉及AP214 和 AP203的Entity，即把所涉及的Entity全部分組，進行命名和定義的歸納統一，有許多分組需要進一步討論，有些分組僅僅提出名稱來還沒有解決。

3.4 關于OMG的PDM enablers研究情況

OMG在1996年為了建立基于OMG的OMA（Object Management Architecture）上的PDM enablers向PDM開發商提出了需求征詢RFP(Request For Proposal)，目的是要建立CORBA之上的可互操作的PDM統一操作接口。根據OMG的資料已有包括DEC、富士通、IBM、Metaphase等六家廠商提出了他們的建議，但他們不保證在他們建議在他們的產品中實施。OMG尋求建立由PDM提供服務的標準接口，適用于ORB(Object Request Broker)的這些接口將提供所需要的標準以支持分布式產品數據管理環境及對不同的PDM系統提供標準接口。對OMG給出的八個需求，六廠家共給出12個接口描述，該方案的系統研究正在進行中。

3.5 國家863/CIMS關鍵技術攻關項目

1995年，國家科委從戰略的角度將并行工程列為CIMS的進一步發展方向，設立了關鍵技術攻關項目，對并行工程的方法和技術進行系統化的研究，開發與應用（國科高字[1995]049號）。該項目由清華大學，航天工業總公司第二研究院，北京航空航天大學，華中理工大學和上海交通大學共同承擔協作完成。其研究目標為：改進某結構件開發過程，建立相應的多功能產品開發隊伍，利用并行工程的方法和技術縮短產品開發周期30%-40%，降低廢品率50%，同時降低產品成本，提高產品質量。解決一批關鍵技術的研究、開發、驗證和應用工作。為我國企業97年之后實施并行工程提供參考模式，減少風險，培養人才隊伍。

該并行工程環境中工程分系統是用以提供產品并行設計的輔助工具，支持產品的設計過程。工程設計分系統以CIMS信息集成和CAE/CAD/CAPP/CAM為基礎，擴展面向裝配的設計(DFA)和面向制造的設計(DFM)功能，實現基于產品數據管理系統(PDM)的并行設計和產品生命周期的數據定義。工程分系統體系結構如圖7所示。

雖然其中的產品數據管理系統為把PDM概念引入我國做出了貢獻，但在這個項目中僅進行了應用研究。 

3.6 有關的局部領域的研究狀況

有許多文獻雖未就產品數據管理系統全面研究，但就相關問題的研究也有一定的深度，很有借鑒意義。Krishnamurthy等人提出了一種支持多專業領域協同設計的數據管理模型，并給出了版本、裝配、配置三級框架，他們對版本處理也有一定特色。Westfechtel提出一種將產品和過程結合起來的管理方法，基本方法是將產品或零件看做對象，不同時間產生的文檔作為相應的版本，組合各專業領域的版本構成版本組與對象對應，這樣構成的網映射成一個過程網，并進一步把它縮為工作流，Westfechtel強調只管理不控制工作流。Peltonen等人認為由于對基本概念的不同理解，導致出現各種各樣的PDMS，因此應當首先從文檔、版本、生命周期這些基本概念入手進行研究，但他們基本上局限于CAD領域。Pohl等人提出在交叉專業領域之間可跟蹤性問題，以解決不一致性和沖突，加強協同工作。O’Donnell等人認為現代CAD系統以一個較低的抽象層次(與許多設計工作及人類通信相比)表達產品信息，他們認為產品結構非常重要，并提出了產品結構方法學。Cleetus認為傳統的產品結構樹必須改進才能適應當前的發展，在part-of 關系的基礎上還應增加perspective-of和dependent-on關系。Teeuw等人的文章談到一些項目研究PDI(Product Data Interchange)，強調產品數據交換的重要性，并關注STEP標準的應用。Gu等人認為企業應當在產品生命周期的任一階段都要共享一個共同的產品模型，并描述了一個基于STEP的通用產品模型，它不按任何AP協議，直接使用了STEP的集成資源。Yoshikawa認為成功實施CIM應當關注人的因素。 #p#分頁標題#e#

3.7 相關的商品軟件情況

由于企業發展的客觀需要，國內外相繼推出一些帶有產品數據管理思想的PDM商品軟件，比較著名的有美國SDRC公司的Metaphase、CV公司的Optegra、EDS公司的IMAN，以色列BAIN公司的MANTA等。國內的有高華的GHPDMS、同創的PDM等。

這些商品軟件使我國的企業認識并接受產品數據管理的思想，緊跟世界發展潮流起到了積極的促進作用，特別是上述國外公司從軟件的開發到推廣有許多值得借鑒的地方。

但是這其中有的公司原來是CAD開發商，所以有從CAD發展角度考慮問題的傾向，難免有些局限制約；有的開發思路還是基于功能分析方法，難以靈活地適應新的發展變化需求；有的是從工程數據庫發展過來的，過分強調依賴關系數據庫；最值得關注的是它們管理的產品數據的表達沒有采用國際標準，這給產品數據的交換與共享帶來一些麻煩，并將影響其今后的進一步發展。

4 產品數據管理的發展趨勢

產品數據管理的技術發展隨著對產品開發過程技術的發展而日益發展，隨著過程的集成、應用系統之間的可互操作、分布跨網，而大體上有如圖8中橫向所示的幾個發展階段。

產品數據管理的基本要求是對表示產品開發過程狀態的記錄文檔管理，更高的要求是作為產品開發過程自動化的核心支持產品數據交換與共享。

產品數據管理的技術大致可分為四個發展階段。第一個階段是產品數據管理技術的初級階段，從第二個階段開始是產品數據管理技術的快速發展階段，第三個發展階段已顯露端倪，第四個發展階段是預測。體現各階段發展技術的標志在圖8中列出四項，它們在一個階段內相互支持，同時對下一階段相應技術提供支持，這表明各種技術的發展是相互關聯的，由此可以導出一個PDM基本模型與框架，其中“結構件”可模塊化，為適合不同要求而進行組裝。