訂單驅動的產品全生命周期管理系統研究

華琰，徐晶，陳新文，謝顯晨，丁亞軍

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225000)

0 引言

2018年首屆中國國際進口博覽會一位參展商指出他們的智能化生產線不生產批量產品，只針對客戶個性化定制。這表明現代制造業生產經營的目標是能夠提供滿足客戶需求的產品，而代表客戶需求的訂單即成為現代制造企業尤其是離散型制造企業一切活動的驅動力。隨著產品全生命周期(product life-cycle, PLC)各階段的推進，客戶訂單在產品研發、采購、生產、銷售、售后等環節都起到非常重要的作用[1]，期間產品還會產生大量復雜的技術和商務信息，這對于企業而言，是一筆十分寶貴的財富。在目前全球化市場競爭愈演愈烈，新產品層出不窮的背景下，以產品PLC活動為主線，結合互聯網技術，構建協同制造平臺，可以有效增加企業效益[2]。

隨著客戶需求越來越多樣化、產品功能結構越來越復雜化，物聯網、云計算、大數據等新興技術的發展，越來越多的學者開始聚焦產品全生命周期管理(product life-cycle management, PLM)[3]，四部門聯合發布的《智能制造工程實施指南解讀(2016-2020)》也將PLM軟件列為智能制造核心支撐軟件的開發重點。在產品需求分析階段，崔劍等[4]運用了以客戶需求為中心的PLM系統需求信息管理理念，提出了面向PLM的需求信息管理模型。在產品方案設計階段，ZHANG J S等[5]應用制造企業產品配置的建模與知識管理技術，建立面向訂單的產品配置模型。在產品生產制造階段，白俊杰等[6]研究了多種不同交貨期訂單并存時可重構制造系統中VMC(虛擬制造單元)的構建問題，構造了面向訂單制造的多目標非線性0-1整數規劃模型。張正文等[7]分析了面向訂單設計型企業的特點，提出了一種適合面向訂單設計型企業的制造執行系統功能模型。這些研究成果對企業訂單管理有一定的指導意義，很大程度上提高了企業訂單執行的效率，但是研究均拘泥于PLC的某一階段，沒有面向PLC整個過程，無法高效整合企業所有信息資源。基于此，本文以真空機組為產品案例，梳理了訂單對真空PLC各階段的驅動關系，描述了真空PLM系統的主要功能，構建了一個更為完善的系統體系架構，并對真空PLM信息進行建模，為真空PLM的建立提供依據，最后開發了真空PLM系統并在真空產品制造企業進行試驗，驗證了研究的可行性。

1 訂單生命與真空PLC的聯系

1.1 訂單生命節點與真空PLC各階段的驅動關系

真空PLC是產品從無到有的全部生命歷程，在相關研究中，PLC通常被學者分為客戶需求分析、產品概念設計、詳細設計、生產制造階段及產品服務5個階段[8]，其中結合真空機組的實例后，具體內容如下。

1)在客戶需求分析階段，企業市場人員需收集客戶對真空泵工作參數(工藝過程產生的氣體、工作介質、背壓容器極限真空度、工藝過程中最大放氣量)、結構等基礎信息及對產品大小、價格、售后服務等重要信息，并運用產品質量屋[9]、質量功能配置、設計手冊等方法將其轉換為統一格式的需求方案[10]，為下一階段的工作打好基礎。

2)在產品概念設計階段，企業技術人員根據需求方案，結合行業工作經驗及專業知識，設計真空機組技術方案，并與客戶對接。

3)在產品詳細設計階段，企業技術人員依據真空機組技術方案，列出詳細的零部件信息并設計出完整的工藝BOM。

4)在產品生產制造階段，企業相關人員將工藝BOM轉化為制造BOM，安排好真空機組準備、采購、加工、裝配、調試等過程，并監控生產全過程，確保產品的可靠性。

5)在產品服務階段，按照客戶需求，為客戶安排物流，企業服務人員進行售后操作。

客戶訂單與真空PLC有著頗大的關系，真空PLC各階段都是隨著客戶訂單狀態的變更逐步推進的，它們的對應關系如圖1所示。

1.2 訂單生命周期的演變流程

真空制造企業的一切活動都是圍繞真空產品訂單展開的，如圖2所示，訂單經過錄入、審核、拆分、配置、調度等一系列操作后，直到客戶確認收貨方可結束生命周期。

圖2 訂單生命周期演變流程

2 真空PLM系統的主要功能及體系架構

真空PLM系統是以數據庫、云計算、無線傳感等計算機網絡技術作為基礎，實現將離散的資源統一管理[11]，可以有效地提高不同訂單需求的產品研發效率，縮短研發周期，實現研發過程的協同工作，并大大縮短產品的上市周期，降低產品成本。

2.1 真空PLM系統的主要功能

通過對真空PLC各階段內容及真空機組制造企業工作人員工作類型的調研和分析，本文提出了如圖3所示的真空PLM系統的主要功能，它們貫穿于真空PLC的各個階段。

圖3 真空機組PLM系統的主要功能

1)訂單管理提供客戶訂單信息的輸入與查詢操作，所述訂單信息包括當前及以往所有客戶個人信息、客戶來源信息、真空訂單信息以及客戶與企業交流中關于產品的所有記錄信息。

2)產品數據管理是對真空機組本身的數據信息、PLC中的研發設計、產品模型、生產裝配、運行調試等各種信息的管理等，它可以提供上述信息的寫入、調用、替換等功能。

3)供應鏈管理包括庫存管理、采購管理、物流管理等，主要用來監控企業倉庫內所有物品的來源、型號、數量及質量等重要信息以及采購計劃的制定、采購訂單的發起、采購件質量的檢驗、供應商的管理等。

4)組織協同管理是對不同部門的工作流管理，根據不同的數據對象可及時觸發相應的工作流，縮短部門間等待時間，保證信息流通的便捷性、高效性和可靠性。

5)資源管理是對客戶、企業技術、生產設備、防故障預案等資源的管理，保證企業生產的可靠性以及企業發展的持續性。

6)系統安全管理實現用戶身份驗證、權限管理、系統日志記錄管理的功能。包括為登陸用戶分配操作權限，監視系統中發生的事件，防止惡意攻擊等。

2.2 真空PLM系統的體系架構

目前，在軟件系統的體系架構設計中，最常用的是1種3層分布式B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器)系統架構，簡化了客戶端計算機的負擔，帶給用戶的操作體驗更好。如圖4所示，B/S的3層體系結構自頂而下分別為界面表示層、業務邏輯層和數據訪問層。

圖4 真空PLM系統的體系架構

界面表示層為客戶提供一種良好的人機交互界面，用于接收用戶輸入的請求并返回用戶需要的數據。

業務邏輯層位于數據訪問層和界面表示層之間，它負責處理與業務相關的部分，包括定義業務中的對象、業務規則、業務流的邏輯關系等內容。

數據訪問層給系統賦予了可通過RFID、二維碼、傳感器技術、視頻網絡、GPS追蹤技術、激光掃描等數據感知技術采集到的數據。

3 訂單驅動的真空PLM信息模型

客戶訂單的差異性，導致真空產品的研發生產具有復雜性，為了及時響應客戶需求，實現真空PLC不同階段信息的交流與共享，需要以真空機組PLM系統的功能為基礎建立PLM信息模型，為PLM系統的開發提供依據。

3.1 全局管理信息模型

以訂單形式，分別保存對應真空PLC信息，不僅方便企業追蹤訂單狀態，還使得客戶信息和產品信息的搜尋更加便捷。根據李有堂等[12]提出的終端建模原理中模塊細分原則，建立的真空PLC信息全局結構模型如圖5所示。

圖5 真空PLC全局信息模型

依據子模塊是對父模塊實現功能細化的原則，以訂單i模塊為例，將其劃分為5個階段，然后將這5個階段再進行劃分。上述的子模塊有些可細分為其他模塊，例如在產品詳細設計階段，工藝BOM設計模塊還可細分為加工工藝BOM、設計和裝配BOM設計2個子模塊；在產品服務階段，維護模塊可細分為客戶交互信息、安裝培訓、產品保養及維修3個子模塊。

3.2 訂單管理信息模型

在真空機組PLM信息中，與客戶訂單相關的信息最為重要，因為客戶訂單是企業寶貴財富，訂單中不論是客戶的個人信息，還是客戶與真空機組的交互信息，都是企業改進產品、開拓市場的助力器。為了幫助企業對訂單資源進行有效管理，本文使用統一建模語言(UML)建立如圖6所示的訂單管理信息模型。

圖6 訂單管理信息模型

4 真空機組PLM系統開發

根據上述提出的真空機組PLM系統的主要功能、更為完善的體系架構及信息模型，借助Java編程語言、MyEclipse編輯器、Oracle關系型數據庫、JavaScript腳本語言、HTML網頁描述語言、Tomcat服務器和Windows操作系統等工具開發基于Web的真空機組PLM系統。該系統開發完成后，于江陰某公司進行試驗，該公司是依據客戶需求對真空機組進行研發、生產的科技型公司，屬于一種基于訂單驅動的經營模式。經試驗，發現本系統能夠完整保存客戶訂單的所有信息和追蹤真空機組PLC信息，為企業積累經驗、發現不足、改善創新提供寶貴資源。其中，真空機組PLM系統登錄界面如圖7所示，已完成訂單信息基本內容如圖8所示。

圖7 PLM系統登錄界面

圖8 已完成訂單信息基本內容界面

5 結語

本文在離散型企業客戶訂單復雜多變的背景下，以真空機組為產品案例進行了研究：

1)梳理了訂單對真空PLC各階段的驅動關系，描述了真空機組PLM系統的主要功能，構建了更為完善的系統體系架構。

2)基于模塊細分原則對系統結構進行了劃分，并對訂單管理信息建立了UML靜態模型，為PLM系統的開發提供了依據。

3)開發了一個真空機組的PLM系統并在真空產品制造企業進行試驗，證明本文研究具有可行性。

在與企業生產實際接洽過程中，發現企業基于訂單驅動的生產情況比較混亂，無法根據訂單優先程度有序安排生產和得出可靠真空產品加工方案，這將作為下一步研究工作的重點。