新一代國產化PLM系統的研發與實現

屈亞寧，李建勛，馬春娜，邱慧慧

（山東山大華天軟件有限公司，山東 濟南 250101）

1 引言

在后全球化競爭格局下，智能制造轉型和自主創新壓力加劇，傳統PLM軟件無法滿足智能制造轉型需求，缺乏對正向設計和系統工程的支持，缺乏對云計算、大數據、人工智能、工業互聯網等高新技術的融合應用。PLM 軟件作為工業知識沉淀管控平臺，其自主可控性是我國工業技術的深化創新和高端制造轉型升級的安全屏障。為此，需要研發自主可控的新一代國產化PLM系統，融合大數據、人工智能、工業互聯網等新技術，應對智能制造背景下產品生命周期管理需求，助力企業提升自主創新研發、智能管控、質量追溯和產業鏈協同能力，推進產品研制模式的變革，既是智能制造技術發展需求，也是國家戰略需求。

2 國內外PLM發展趨勢

國外PLM軟件廠商，達索、西門子、PTC壟斷高端市場，通過并購整合，拓展產品線、探索新領域，在CAD / CAE/ CAM / CAPP / PLM / MOM / SLM等領域占據市場的主導地位。達索系統在3DExperience體驗平臺中將多學科設計協同能力和傳統PDM功能融合，三維建模功能采用數據結構化的方式進行存儲、應用，平臺強調產品全生命周期融合打通，數字連續。西門子工業軟件強調設計、仿真、制造、服務一體化，虛實融合打通，打造Teamcenter數字平臺。PTC通過收購Onshape和ThingWorx等產品，向云和物聯網等方向轉型，打造ThingWorx 物聯網平臺，在ALM軟件生命周期管理、SLM服務生命周期管理方面布局，為智能產品管理應用提供服務。

國內PLM軟件廠商，思普、天喻、開目、CAXA、用友等業務集中在cPDM領域，主要應用為工程數據管理，側重于產品設計、工藝規劃領域，各廠商在產品全生命周期業務覆蓋不全，如圖1所示。索為、神軟等PLM廠商，重點面向航空航天行業提供典型應用。華天軟件產品線全面，擁有三維建模設計CAD、三維可視化設計SView、智能制造管理Inforcenter三大自主可控核心技術，業務覆蓋需求-設計-工藝-制造-服務產品全生命周期，推出了基于三維模型全面貫通的PLM整體解決方案。

整體看PLM發展趨勢，業務向產品全生命周期全面融合，技術向平臺、云端、生態化發展。國內PLM軟件廠商在業務覆蓋的全面性、功能深度、技術架構的先進性等方面都與國外巨頭存在較大差距。多數國產PLM系統，缺少與先進設計模式的融合，難以支撐產品創新正向設計。國外PLM系統占據國防軍工和高端核心裝備行業的絕對優勢，國內企業遭遇“卡脖子”的風險極高。

3 新一代國產化PLM系統的內涵

PLM軟件系統承載著企業智力知識資產，既是支撐產品研制流程的“高速路”，又是企業核心機密的“保險箱”，承載從產品需求、研發、工藝、制造、服務等產品全生命周期的關鍵業務數據和流程數據，可以說是工業軟件的航母。新一代國產化 PLM 系統應該支撐中國特色、中國戰略，支撐雙循環、新基建、雙碳等國家戰略目標。

3.1 全面自主可控

國內大型制造企業普遍采用達索、西門子、PTC等國外廠商的PLM系統，為確保國內重點行業、企業數據的安全，避免“卡脖子”“后門”事件的發生，國內軟件商應研究新一代的國產化PLM系統，在產品全生命周期設計-制造-服務各階段采用全面自主可控的軟件工具及系統（CAx、PLM、MOM、SLM），適配兼容國產操作系統、國產數據庫等底層基礎設施，同時要具備異構工具、異構系統的兼容能力，支持國外PLM異構系統數據的遷移管理，開展國產化替代，解決企業產品數據、智力資產安全自主可控,支撐內循環戰略和自主創新，解決“卡脖子”問題。

3.2 支持正向設計

當前國產PLM系統，在支持系統工程（Model Based System Engineering，MBSE）的正向設計、CAD深度集成、超大規模BOM管理、多學科多專業協同等方面存在較大差距。新一代國產化 PLM 系統，應當支撐系統工程的正向設計研發體系，多學科仿真驗證，多專業跨域協同，虛擬驗證，持續迭代；構建基于模型的智能產品設計、智能制造、智能服務，提高產品創新能力、產品質量、產品極致體驗，實現產品研制模式數字化轉型、提升自主創新研發能力。

3.3 全新技術架構

目前國產PLM產品普遍采用陳舊的軟件架構和技術，系統擴展性和靈活性差，無法滿足復雜多變需求，以及云化、在線化應用需求。新一代國產化PLM系統，需要融入大數據、人工智能、云計算、低代碼等最新技術，全面升級技術架構，具備敏捷、高效、動態、易管理、少代碼的平臺集成能力；支持全棧式服務，高并發、高可用，以平臺化、模塊化、服務化設計思路；采用可擴展、可配置業務建模技術，支撐不同行業業務模式產品全生命周期全面貫通；構建產品全生命周期基于統一數據模型的工業操作系統開放技術平臺，以工業互聯網云平臺-工業APP軟件形態，發展工業軟件生態。

3.4 支撐雙碳戰略

全球氣候變暖、極端天氣、自然災害明顯增多，全球各國紛紛做出碳中和承諾，中國提出“3060”雙碳戰略目標，創造可持續發展環境。新一代國產化PLM系統，應支撐雙碳戰略，面向產品全生命周期各階段引入低碳設計及低碳性能指標要求，在產品規劃設計階段、產品工藝制造階段、產品交付運輸階段、產品使用運維階段、產品回收再利用階段，建立加入產品碳足跡信息模型，低碳性能指標評估，開展產品全生命周期綠色設計、綠色制造、綠色服務。對數字化產品研發制造、交付使用、回收再利用進行全面的碳設計，從源頭降低產品全生命周期、全產業鏈、全供應鏈的能耗、碳排放。

4 新一代國產化PLM系統設計與實現

目前，與國外主流PLM系統相比，國內PLM系統在產品架構設計、功能完備性、系統穩定性、性能等方面存在差距。為響應新一代國產化PLM系統的發展趨勢和內涵要求，華天軟件規劃設計了一款具備1套研發體系、1個數字主線、1個技術底座、N個生態應用的新一代國產化PLM 系統，其整體框架如圖1所示。

圖1 新一代國產化PLM系統整體框架

4.1 建立1套研發體系

新一代國產化PLM系統，要支持產品創新設計、產品正向設計，首先要建立支持MBSE的新一代數字化研發體系，貫穿“需求、功能、邏輯、物理、工藝、制造、服務保障”諸領域，建立覆蓋產品全生命周期的全局統一數據模型，形成產品數字主線、支持全局數據追溯的研發數據管理能力。如圖2所示，構建基于模型的系統工程設計MBSE需求模型、功能模型、邏輯模型、物理模型，建立多專業、多學科綜合仿真的閉環及迭代驗證體系。針對產品工程階段的物理、工藝、制造、服務領域模型，構建基于xBOM的關聯管理體系，實現產品全生命周期各領域技術狀態統一管控，實現產品全生命周期過程數據及產品數據的有效管理、可溯源、可持續發展。

圖2 新一代國產化PLM系統的研發體系

4.2 搭建1個技術底座

新一代國產化PLM系統的技術底座如圖3所示，全面升級底層技術架構，采用微服務、容器化、DevOps、持續交付等全新技術架構，融合大數據、人工智能、物聯網、低代碼等最新技術，構建新一代工業軟件技術底座“產品全生命周期操作系統PLMOS”，具備感知數據接入（IOT物聯平臺）能力、云架構技術平臺集成能力（工業PaaS）、數字中臺（數據中臺、業務中臺）共性服務能力、工業APP應用生態構建能力，遵循業界主流相關標準和技術體制，具有開放性高、可移植性強、兼容性好和可擴展性等特點，支持全棧式服務、高并發、高可用，支持模型驅動和可定制，滿足個性化需求應用，實現服務化應用的快速響應和敏捷交付。支持私有云、公有云、混合云，多云部署策略，基于云端的SaaS應用、工業APP應用，靈活部署以及客戶端多樣化服務擴展。

圖3 新一代國產化PLM系統的技術底座

4.3 貫穿1個數字主線

新一代國產化PLM系統的數字主線如圖4所示，基于 MBD技術、單一數據源，以BOM為核心構建產品全生命周期統一數據模型，通過數字主線及數字孿生技術，以及縱向、橫向集成，端到端集成，實現IT與OT的融合，打通產品全生命周期信息孤島，并結合數字孿生實現數字與物理世界融合，形成產品全生命周期的數字化數據流，如CAD產品模型數據、PLM產品設計數據、MOM產品制造數據，SLM產品服務數據融合打通，面向產品全生命周期 3D 數字孿生表達應用，xBOM與數模關聯映射，實現業務模型與三維模型的深度融合，實現產品全生命周期各個研制階段、各技術狀態清晰記錄和管理，確保產品全生命周期過程中產品各種維度的技術狀態信息的可追溯。

圖4 新一代國產化PLM系統的數字主線

4.4 實現N個應用

新一代國產化PLM系統，以客戶為中心，持續關注產品全生命周期的體驗，關注用戶參與感、交付體驗感、個性化需求等，以客戶為中心能夠實時洞察客戶需求、能夠實時滿足客戶需求。如圖5所示，通過技術底座構建工業 APP生態體系，基于技術底座沉淀業務能力、數據能力、低代碼開發能力，直接對接客戶，提供解決方案，客戶能快速創建業務應用、快速試錯、創新應用、迭代優化。通過技術底座開放能力，針對企業、合作伙伴、社會資源等不同群體，提供不同行業微服務組件、工業APP，形成共享服務，增強平臺能力，以生態催生新模式。構建柔性適配的國產工業軟件生態體系，兼容上下游自主可控軟硬件環境，通過生態的協同共進，縮短與國外工業軟件先進水平的差距，實現中國工業軟件的自主可控，國產化替代，解決“卡脖子”問題。

圖5 以客戶為中心，平臺 + 生態 N 個應用

5 新一代國產化PLM系統的應用藍圖

基于新一代國產化PLM系統，在產品生命周期各個階段，以BOM為核心，基于模型管理和表達，開展創新研發、卓越制造、敏捷服務等業務藍圖應用，通過數字主線連續貫通用戶需求、產品設計、產品制造和產品服務等業務環節，以數字模型為基礎，通過數字化的形式完整記錄整個產品生命周期的狀態變化，實現產品全生命周期數據融合、全局共享、全局優化。

5.1 “創新研發”應用藍圖

新一代國產化PLM系統采用了系統工程、模塊化設計、并行工程等先進方法，可以通過面向市場及客戶定制的需求工程管理，支持客戶在線參與創意設計及3D互動體驗。“創新研發”應用場景如圖6所示，在方案設計階段，開展多方案綜合設計、模擬擇優閉環驗證，實現多學科多專業智能產品協同設計及仿真迭代驗證。在工程設計階段，開展基于MBD的產品工程設計、三維工藝規劃與仿真、虛擬數字樣機設計驗證以及全球跨域跨階段研發設計及協同管理，通過數字主線、數字孿生技術，構建產品全生命周期多領域模型關聯及xBOM管理，支持產品生命周期各階段全過程的業務協同和數據交換，實現產品全生命周期跨域、跨階段業務協同、信息共享、數據連續、工作高效。

圖6 “創新研發”應用場景

5.2 “卓越制造”應用藍圖

“卓越制造”應用場景如圖7所示，采用系統工程、并行工程、模塊化、精益生產等先進理念方法支撐，以xBOM為核心，開展OTD訂單驅動、數字化工廠模擬仿真、3D數字化智能制造、3D可視化運營監控、設備監控與運維等智能化應用。構建基于模型的企業系列應用，從MBD-MBe-MBE，基于模型的工程，基于模型的制造，實現精確和實時的決策能力。探索和驗證基于數字孿生技術、CPS信息物理智能工廠應用，構建狀態感知、實時監控、自主決策、精準執行的生產制造的閉環智能。

圖7 “卓越制造”應用場景

5.3 “敏捷服務”應用藍圖

“敏捷服務”應用場景如圖8所示，以客戶為中心，面向智能產品運營，引入一站式服務、遠程服務等新服務模式，構建敏捷服務規劃及運營環境，形成產品服務規劃、運營、優化的互聯閉環服務體系，以xBOM為核心，建立產品電子履歷實時動態管理，通過SBOM有序傳遞，實物狀態有效全面控制。建立預防性維修、預見性維修等多級服務機制，快速響應主動服務，實現產品高效可靠運營以及盈利模式創新。

圖8 “敏捷服務”應用場景

6 結束語

面對當前嚴峻的國際形勢以及國家政策戰略，結合云計算、大數據、人工智能等新技術發展趨勢以及企業數字化轉型需求，需要全面升級PLM系統的技術架構。為此，華天軟件采用自主可控核心技術，規劃設計了具備1套研發體系、1個數字主線、1個技術底座、N個生態應用的新一代國產化PLM系統，構建PLM工業軟件生態體系，沉淀共性業務、數據服務組件，形成了產品全生命周期的數字中臺，賦能企業不同場景快速創新應用，實現面向產品全生命周期各個階段的創新研發、卓越制造、敏捷服務，打造國產工業軟件精品，逐步實現國產化替代，解決工業軟件“卡脖子”問題，讓中國工業知識用自主國產工業軟件來管理和表達。