PDM产品数据管理发展的背景
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PDM(Product Data Management)产品数据管理是当今计算机应用领域的重要技术之一。它正在以其前所未有的来势冲击着计算机集成制造业,并给制造业带来自CAD/CAM技术以来最非凡的成就。
近几年来,PDM是产品制造工业中增长最快的一种技术。据美国CIMdata公司调查,全球的PDM软件和服务市场年增长率以30%的速度增长。在它们调查的公司企业中有48%都要实施PDM，而且有50个公司已准备出售其PDM解决方案，其中包括硬件公司、文件/图象管理供应商、系统集成商、独立咨询公司和CAD/CAM供应商。 PDM市场之所以这样快速的增长,是因为市场需求的急剧上升。目前已经有越来越多的企业认识到使用PDM来组织、存取和管理设计、开发及制造数据的重要性。使用PDM技术可以缩短产品上市时间，降低产品的成本，提高产品的质量。这项技术在当今竞争的时代,增加产品的应变能力,为企业在市场竞争中产生巨大的效益。PDM的相应功能和快速发展，是与其产生和发展的背景相适应的。企业的需求，促成了PDM的产生和发展。
2.2.2 PDM产生和发展的背景
1.制造业面临的挑战
制造业发达是一个国家经济强盛的标志。随着科学与技术的进步，电子、信息及自动化技术的广泛应用，使生产得到了巨大发展，市场竞争亦变得愈来愈激烈，竞争推动着整个社会飞速前进，同时给企业造成了严酷的生存环境。 企业要力争在最短时间(T)内、消耗最少的资金(C)、生产出满足市场需求(Q)的产品。市场的需求在不断变化，对产品的结构、性能的需求越来越苛刻，从而使新产品的研制变得越来越复杂。然而，产品的频繁更新对企业本身来说也带来一些问题：需要在再设计(Redesign)、企业业务流程再造(BPR)等包括设备改造及制造上不断投资。其中开发费用基本上与时间成正比，即开发周期越长，投资越多。这种因素也促使企业采用各种手段缩短产品开发周期。 因此，世界各国的企业都面临着严重挑战：如何缩短日趋复杂产品的开发周期以占有市场、并降低成本！如何去适应快速变化的市场需求，对企业进行重组，不断以高质量、低成本、快速开发新产品等手段，在竞争中求生存和发展，已成为企业共同追求的目标。 为了达到上述目标，企业不断强化了在产品设计开发过程中采用计算机辅助技术的措施，由此又引发了新的问题。
2.企业信息化过程中的问题
随着制造业的不断发展，随着各种先进技术的运用，企业产品开发周期在缩短，但信息量却在成倍增加，这说明信息在企业中已占据愈来愈重要的位置。
企业逐渐实现计算机信息化，标志着企业的进步与发展，信息化最有效的应用在于支持企业目标的实现，信息由企业创建，成为一种新的企业资源，其利用程度（信息创建、流动的速度与重用的程度），有效的管理（存取，版本）就成为企业信息化的新任务：
·信息共享程度。(续致信网上一页内容)企业的计算机辅助工具大都是一些离散孤立的系统，由于这些互不兼容的软件产生的数据格式不一致，存储介质亦是各种各样，再加上人员组织管理的不同，这一切使得企业无法在管理设计、工艺和制造部门之间以及相关企业间甚至企业与贸易间有效地传递数据信息，实现信息共享。企业应采用更为先进的方法来管理和协调整个产品开发直到制造过程。
·提高信息传递速度。大部分企业的信息传递主要是通过书面文件、报表及电话联络方式。设计开发的上游部门无法及时与下游过程进行信息交换与共享，各部门不能及时地了解设计开发过程中的变化，因而产品的研制开发时间长，企业应采用有效手段来跟踪检查整个产品的设计和制造的进展。
·有效的信息管理。虽然企业采用计算机辅助工具在一定程度上实现了绘图和设计的计算机化，但是仍然依赖纸质文档的管理，由于缺乏有效的文档管理，不能有效地利用已有的设计资源。
·要求先进的相适应的信息基础设施（计算机信息系统支撑环境）。在数据管理方面，企业仍然停留在使用大型商用关系数据库的层次上，由于这些数据库不能有效地管理图形、图像等非结构数据，更无法实现过程管理、配置管理以及对应用工具的集成，从而不能满足在异构与分布式计算机环境中使企业内各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成。
·提高应用集成系统效率。在产品开发设计过程中，几乎任何两个不同的应用软件都不可直接分享或交换产品数据信息，CIMdata公司指出：目前在企业中每天大约有1/3到1/4的设计、管理工程技术人员不是专心于自己的本职工作，而是开会、讨论、等待或处理各种信息；美国的调查表明，由于设计制造缺乏产品数据的统一管理，导致产品工时增加20%，成本上升10%。因此提高应用集成系统的效率，其核心为各应用系统间可互操作性。
早在七十年代，美国的Joseph Harrington 博士就根据计算机越来越强大的信息处理能力和计算机网络技术的发展情况及其在制造业广泛的应用前景，首先提出了计算机集成制造 (CIM, Computer Integrated Manufacturing) 的概念，其核心思想就是强调在制造业中充分利用计算机的网络、通讯技术和数据处理技术，实现产品信息的集成。而近年来提出的并行工程 (CE, Concurrent Engineering) 的概念则是强调在CIM信息集成的基础上，在制造业中采用并行处理的方法进行产品设计及其相关过程的实施，克服了传统的顺序工程在设计时不能及早考虑制造过程、支持环境、质量保证和设计开发周期长等问题，使得企业开发的产品能够及早地以低成本投放市场，并很好地满足用户的需求，以期获得强大的市场竞争能力；1994年开始的美国NIIIP（National Industry Information Infrastructure Protocol）项目，则把目标定在不同应用系统间跨因特网解决产品信息的共享与交换。为了达到更加有力地支持并行工程的目的，从产品信息角度看必须要有一个更新的概念和方法来满足这些需求。
3.问题解决的途径
针对上述存在的问题，企业在已有一定的计算机辅助工具的基础上，需要有一个统一的工具从宏观上将各种应用软件集成起来，并对其产生的大量数据统一管理与控制；要用先进的信息管理手段支持团队的异地协作，保证产品数据的安全、可控，并可以跟踪产品开发进度及适应数据的频繁修改等。换句话说，随着各自动化“孤岛”变大变强，它们也就把它们自己置于更大的海洋之中了，相互之间沟通不够，将大大限制它们能力的发挥，现在已到了将它们连结起来的时候了。
这就是产品数据管理的思想。
没有产品数据管理系统时，数据流可能很复杂，一些关键的数据可能存储在好几个地方，这使得检索更加繁琐；特别是当某一处从另一处获取数据后，该数据发生了改变，比较难以保证数据的一致性。而有产品数据管理系统则将使上述问题简化并可解决一系列相关问题，为CIMS和并行工程实施奠定良好基础。
总之，由于计算机技术的全面发展和普遍应用，使得产品开发过程各阶段计算机化，要求和推动了产品数据管理的产生和发展。
4.产品信息的产生和发展
产品是指人造品，产品进入市场销售而成为商品，企业通过产品的附加值经营而获取利润。信息是用以在通信中对事实、过程、概念、思想的表达或描述。而数据则是信息的符号化表示，这里的符号有自己的特定集合。为了能够更加明确地说明问题，给定如下关于产品数据和产品定义数据的定义： 产品数据是关于产品的一个或一组事实、概念、相关过程和要求的形式化描述，在产品周期内使之适合于计算机处理。 产品定义数据是产品数据的一个子集。是唯一完整定义、描述产品的数据。在使用CAD/CAM系统时，产品定义数据唯一地由CAD系统产生并提供给产品全生命周期使用。
产品信息由来已久，但在早期工匠制造时代由于： (1)设计制造过程是统一的，并由个人独立完成，相互配合协商不重要，因此有关产品的信息表达和交换不被重视； (2)由于注重依靠经验与技能，制作过程和方法的记述不完整，有时关键地方故意忽略，因而信息表达也不完整。 但到了近代特别是现代，由于科学进步的促进和社会需要，制造业飞速发展迎来了大工业化时代，产品信息的表达和管理也随之发生巨大变化。 现代制造业发展迅猛，这一切与引入了电子计算机密不可分。在大批量生产时代主要的设计方法还是依靠图纸传递设计信息，设计劳动强度大、工期长，二维平面描述与三维实体之间存在映射转换。随着计算机广泛深入的应用，利用计算机造型的CAD等先进工具被引入制造业，伴随着CAD等应用的逐步拓展，生产的组织与质量获得极大提高，各局部信息自动化管理随之产生。并行工程思想、智能制造技术的发展对信息的要求愈来愈高，信息流已先于其他流在企业内部流动，信息集成化管理时代到来，信息的表达与交换标准凸显重要。不远的将来随着敏捷制造、动态联盟的发展，大规模网络化信息分布交换与处理的时代即将到来。
5.产品数据管理的形成
产品数据管理技术是从CAD/CAM和工程设计领域产生出来的。自80年代中期以来，人们就已经初步认识到了产品数据管理的作用。最初，是以协调制图的存储和检索的文件管理方式建立系统，来跟踪由CAD/CAM产生的绘图；接着，加进修订功能以便使用者能更好的管理设计变化；其后，又增加了将图形文件与产品结构中相关信息链接起来的能力。由于那时需求尚比较单一及片面，因此人们根据自己的理解、自身特点及所面对的应用问题，有的强调绘图文件的管理，有的着重与MIS软件的衔接，有的希望解决一些工作流管理的问题，也有的急于将重要的研发数据纳入到数据库之中。
进入九十年代中后期，人们才逐步认识到产品数据管理的重要性。如果说当时产品数据管理的需求及功能是一头大象的话，那么人们的对产品数据管理认识就有点儿像“盲人摸象”，各自找到了一些各自的感觉。单从名称上就可以看出这种特点： 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发展与应用，如CIMS、并行工程、虚拟制造等，人们已经认识到产品数据管理对企业作为一个集成系统运行的重要性，可以认为产品数据管理是适用于企业过程、组织方式的技术，具有强烈的企业运行模式的背景。
产品数据管理译自英文Product Data Management直接含义可理解为管理一切与产品相关的数据信息。产品数据管理要包含所有与产品设计相关的设计信息(不仅仅是工程图纸)，并使它们可被所有参与产品开发的人员(不仅仅是技术人员)访问。关于产品数据管理的定义尚未有统一的定论，我们认为D.Burdick论述得较为精辟，他给出的PDM定义为：
·PDM是在企业范围内为设计与制造构筑一个并行化产品协作环境的关键使能器。
·一个成熟的PDM系统能够使所有参与创建、交流、维护设计意图的人们在整个产品生命周期中自由共享与产品相关的所有异构数据，包括图纸与数字化文档，CAD文件和产品结构等。
产品数据管理实际上是企业计算机信息化发展到一定阶段的必然结果。企业产品开发的各专业领域计算机化到一定程度，必然要遇到信息集成的问题，一般的系统难以承担此任。唯有产品数据管理系统才能以前所未有的更大更完整的视图展示产品、过程与人员的关系。它横跨企业的产品设计开发全过程直至产品全生命周期，它纵向深入到产品结构的各个层面直至产品零件的各个侧面，它从信息共享等方面有力地支持并行工程，它为产品开发团队（Teamwork）的每一个成员角色提供更加完备的服务；特别是在支持设计重用方面它能发挥明显的优势，产品数据管理系统则是按照产品数据管理思想实现的软件。
企业组织的分散化也使分布式系统成为计算机系统发展的方向。从技术角度讲，分布式系统是由多种计算资源，以一定的互联方式组成的，开放式、多平台、可互操作、合作的系统，能够为用户提供一定范围的服务。一个分布式系统内部资源的位置对用户来讲是透明的，任何用户只要具备关于所用系统最基本的知识，就可在任何地点、任何时候访问并使用系统中的任何资源。
产品数据管理的内涵是集成并管理与产品有关的信息与过程。产品数据管理在企业范围为设计与制造建立一个并行化产品开发协作环境。它视整个企业为一体，可跨越整个工程技术群体，是加速产品开发的使能器。它也是在分布式企业管理模式的基础上，与其它应用系统建立直接联系的重要工具。产品数据管理依据全局产品信息强调共享的观点，扩大了产品开发建模的含义。它为不同地点、不同部门的人员提供了一个协同工作环境，使其可以在同一数字化的产品模型上一起工作。
产品数据管理如同面向对象等词一样，被当作时髦的语言，有被滥用的趋势。产品的定义（模型），产品数据模型、产品数据管理模型、与计算机信息系统提供的基础设施（环境）所组成的共同模型将在以后章节中加以讨论。
今后如无特别说明所讨论的产品数据管理适用的对象都是限定在离散化机械制造领域范围内。 作为20世纪末出现的技术，PDM继承并发展了CIM等技术的核心思想，在系统工程思想的指导下，用整体优化的观念对产品设计数据和设计过程进行描述，规范产品生命周期管理，保持产品数据的一致性和可跟踪性。PDM的核心思想是设计数据的有序、设计过程的优化和资源的共享。 经过近年来的发展，PDM技术已经取得了长足的进步，在机械、电子、航空、航天等领域获得了较为广泛的应用。PDM技术正逐渐成为支持企业过程重组（BPR）、实施并行工程(CE)、CIMS工程和ISO9000质量认证等系统工程的使能技术。
6.产品数据管理在CAD、CAM和CAE应用上的重要性
在CAD和CAM软件从2D不断升级到3D，以及CAE软件逐步集成到CAD软件环境的趋势导引下，负责设计、制造和分析的工程师与生产部门，已经逐步地由各司其职到转向集成发展。因此，工程部门的信息集成已经成为目前国际上同步工程发展的最热门课题。由于最新信息管理技术的发展，使得过去常常动辄上百万元的信息管理软件已经降到了较低的水平。反观国内在工程部门的信息管理软件，仍停留在图档管理的最基础的阶段，这将严重地阻碍工程部门的长远发展和效率的提高。
随着计算机技术在企业应用中不断深入发展，CAD、CAPP、CAM、CAE、MRPII及ERP在企业中也得到了广泛应用。但就总体上来说，由于这些技术的应用多为分散孤立的单项应用，在数据的交换和管理上存在很多问题，发挥不出计算机技术应用的综合效力。因此，企业所取得的效益还不够明显。
众所周知，企业的竞争靠产品的竞争，在产品的整个生命周期中，包括产品的设计、制造、销售、维护、报废和回收等过程，对这些过程中的产品数据、信息的处理和控制是极为重要的，它直接关系到企业产品的设计、制造和竞争能力。因此，对产品数据的处理和控制引起了人们的极大关注，并一直在进行研究和开发。
7.STEP标准
在产品模型数据交换方面已出现了如IGES、VDAIS、VDAFS、SET等多种标准或规范。但是，它们只是适合于在计算机集成生产中的各子系统领域传送信息以形成技术绘图或简单的几何模型。更为详细的信息如公差标注、材料特性、零件明细表或工作计划等信息它们就不能完整地传送。因此，已有的标准和规范存在以下的问题：中间格式只限于几何数据和图形数据；这些标准或规范只反映了70年代末80年代初的技术状态；软件的开发只是软件开发商而没有让用户参与，软件实用性差；用户不可能在市场上得到完整的解决方案；结果导致高重复工作和高投资的维护。
针对以上这些问题，必须要制订独立的产品模型数据交换和管理的标准。在90年代初，国际标准化组织（ISO）公布了STEP标准。
STEP是一套一系列的国际标准，其目的是在产品生存期内能够为产品数据的表示与通信提供一种中性数字格式。这种数字格式应能完整地表达产品信息，并独立于可能要处理这种数字格式的应用软件。
产品数据的表达和描述采用EXPRESS形式语言，它可以对产品模型进行一致的、无岐义的描述，并允许用产品数据表达的数据与约束进行更加完整的描述。EXPRESS是一种面向对象结构的特殊语言，在信息模型的组成上给出STEP产品模型以清楚地描述。在STEP中的集成资源和应用协议均采用这种语言。
集成资源是STEP的核心。它提供一套资源单元（即资源的构成）作为定义产品数据表达的基础。集成资源独立于应用环境和应用文本，但经过解决后可以支持应用水平的信息需求。
集成资源包括应用资源和通用资源。应用资源如绘图、有限元分析、运动学等等。通用资源如产品描述和支撑的基本原理、几何及拓朴表达、产品结构配置、可视化表示、材料、形变公差等。EXPRESS语言对集成资源进行完整地描述。
应用协议包括应用领域的资源、文本和功能需求定义。STEP能完全实现工业领域的应用是不现实的。一方面不是所有的特殊应用都在集成资源中定义了相关的资源单元；另一方面完全实现STEP适于所有领域的投入开发费用是无限的。因此，应用协议由ISO标准化了。目前有27个应用协议在标准中制定，有几个已达到国际标准。应用协议如：AP201为显示绘图应用协议；AP202为相关绘图应用协议；以及AP210为印刷电路装配产品设计数据应用协议；AP213为机加工零件的数控工艺规划应用协议；AP214为汽车设计应用协议等等。STEP提供不同的实现方法。由EXPRESS描述的模型转变为特定的实现形式，各种实现方法都可以使用。目前STEP提供以下几种实现方法：物理文件交换、应用编程接口、数据库实现。
虽然资源模型定义得非常完善，但经过应用协议在具体的应用程序中的数据交换是否还符合原来的意图，这就需经过一致性测试。STEP标准制订了一致性测试方法与框架，包括一般概念、对测试实验室及客户的要求、抽象测试的结构和使用、对各部分的抽象测试方法和抽象测试等标准。
STEP这个国际标准一提出，就受到企业的广泛关注，虽然它的一些标准还在制订中，一些已制订的标准已在CAD/CAM、企业数据模型的建立、数据交换中得到了应用。事实证明STEP标准在产品的整个生命期内为产品的数据表示与通信提供了一种中性格式，这种格式能完整准确地表达产品信息，并独立于要处理这种格式信息的软件。STEP为产品模型的规范化和高质量数据交换处理的实现提供了一种先进的方法。STEP提供了先进的数据交换的方法，但在数据交换中会出现大量的数据重复的问题，这就提出了数据管理的问题，PDM技术有效地解决了这一问题。