面向产品全生命周期的文档管理与重用技术研究

    产品生命周期管理(product lifecycle management，PLM)是一种企业信息化的商业战略。它实施一整套的业务解决方案，将人、过程和信息有效地集成在一起，作用于整个企业，遍历产品从概念到报废的全生命周期，支持与产品相关的协作研发、管理、分发和使用产品定义信息[1]。PLM也是PDM(product data management)的深化和发展，包括了PDM的全部内容，但PLM更强调对产品生命周期内跨越供应链的所有信息进行管理，而生产制造过程中所出现的各种信息绝大多数都是以文档的形式出现。因此，文档信息的集中管理和动态重用将使企业能够很好地配置技术、专家意见、知识和经验，并将这些资源应用到产品生命周期的每一个主要阶段，降低产品成本，缩短产品上市时间，增强企业竞争力。

    文献[2]提出了以文档的组织与存储机制、文档版本控制和基于过程一生命周期松耦合互动模式技术等为核心的文档动态管理技术。它以任务为核心集成过程模型与生命周期模型，采用过程与生命周期的松耦合互动驱动文档生命周期状态的变迁。文献[3]以UML对产品的数据信息和工作流程管理进行了动态建模。在结合前人工作成果的基础上，本文提出了一种基于统一文档数据模型，面向产品全生命周期的文档管理和重用系统的实施方法。

1 系统体系架构

    产品在整个生命周期所包含的数据大致可归纳为六种类型的文档：a)图形文件。由不同CAD系统所产生的描述几何图形的文件。b)文本文件。描述产品或部件、零件性能的文件。c)数据文件。是优化零部件的设计所进行的各种有限元分析、机构运动模拟、实验测试等产生的数据文件。d)表格文件。包括有关产品、部件、零件的产品定义信息和结构关联信息。产品定义信息包括基本属性和特征参数；结构关联信息描述了零件、部件、产品之间的关联信息。e)多媒体文件。描述产品及产品各部位的真实形象。f)订单类文件。包括与供应链上端的供应商与下端的分销商之间的各种合作文档，以及供应链末端的客户反馈文档。其系统框架如图1所示。

2 基于XML的文档数据模型

    有效地进行文档管理固然十分重要，但所管理的对象是静态的，并未因为管理或维护的方法好坏而有所创新或优化。如何在已有的各种文档基础上对生命周期内的各种形式的文档实现统一管理和动态重用，从而为企业提供正确的辅助决策信息和设计开发资源才是企业适应全球经济、满足瞬息万变的市场需求的关键因素[4]。

图1 系统框架图

    XML作为一种高效、简单且具有高度开放性、兼容和跨平台性能的数据存储与数据交换标准，越来越显示出其强大的优越性。在系统开发过程中使用XML技术来统一文档格式，从而为实现对各种形式的文档统一管理和动态重用建立了文件交换的基础。XML的优点主要有：a)可扩展性。XML允许用户创建自己的或者有效地创建可被用于多种应用的可扩展的标志集。b)灵活性。XML提供了一种结构化的数据表示方式，使得用户数据与结构分离。c)自描述性。XML文档一般会包含文档类型声明，因此XML语言是自描述性的独立于具体的操作平台和应用系统，具有很强的可重用性。

    大量的模型最终存放在知识库中，表示模型的数据格式采用XML，因此UML建模环境下构造的图形化数据模型需要转换成字节流格式。转换过程中采用数据流交换格式SMIF，目的是建立不同知识库、中间件、工具之间的标准交换机制。转换实现需要两方面的支持，即XML DTD生成规则和XML Document生成规则。前者针对编码元数据生成XML DTD；后者将元数据解释成与XML兼容的格式。DTD与XML分离的优点在于DTD可以存储在本地，数据交换只需传递XML文件。

3 基于UML的用例分析与类图模型

3.1 系统用例分析

    图档管理及重用系统采用UML进行建模。UMI，语言主要有以下优点：a)统一的标准。UML已被OMG接受为标准的建模语言，越来越多的开发人员开始使用UML进行软件开发，越来越多的开发厂商开始支持UML。b)面向对象。UML是支持面向对象软件开发的建模语言。它支持包括VB、VC、Java等主流软件开发语言。c)可视化、表示能力强。概念明确、建模表示法简洁、图形结构清晰、容易掌握和使用。d)独立于过程。UML不依赖于特定的软件开发过程，这也是UML能被众多软件开发人员接受的一个原因。UML在系统开发的各个阶段都可以得到应用。在分析阶段，用户的需求采用UML用例图来描述；在设计阶段，引入具体的类来处理用户接口、数据库存取、通信和并行性等问题；在实现阶段，用面向对象程序设计语言将来自设计阶段的类转换成实际代码；在测试阶段，UML模型作为生成测试用例的依据，如进行单元测试时使用类图和类规格说明，继承测试时使用构建图和协作图，系统测试时使用用例图来验证系统的行为等。

    用例分析是使用UML开发过程中所用的主要技术。用户在与系统的一次交互过程中所实施的一组行为上相关的动作序列称为一个用例，用户对系统提出的所有功能要求均以用例表达，所有用例的集合描述了完整的系统功能。用例模型(use cflse model)要根据业务流程建立，它包含用例图(use case diagram)和用例说明(use case description)。

    本系统主要面向文档信息的集中管理和动态重用，因此，系统中的参与角色与工作流程如下：

    a)参与角色。系统参与角色是指系统中所涉及到的所有互动对象，在本系统中此类角色可以分为：(a)管理员。他具有系统中的最高权限，可对其他角色进行管理和控制。(b)设计人员。此类角色具有对产品数据库中的信息进行存取操作的权限，关注于图档的动态莺用，从而实现新产品的开发和旧产品的改进与继承。(c)普通操作人员。他可对信息系统中的数据进行查询与下载等操作。通过系统可以实现企业内部的资源共享。(d)定制用户。本类用户是针对企业生产环境的不确定性而构造的，他可以动态分配权限，最高可拥有管理员的权限，最低可以不具有任何权限，这类用户可以被实例化为审核人员、审定人员等。

    b)基本工作流程。系统的用例图如图2所示。对于管理员来说，他的主要任务就是分配角色权限和维护系统稳定。以设计人员为例，工作流程为：(a)使用管理员分配的权限登录系统；(b)生成新项目的文档管理框架；(c)按任务类型决定是采用哪种类型的文档类进行设计；(d)对选定的文档类进行实例化；(e)提交完成后的项目，通过审核或审定后录入数据库系统。

图2系统用例图

3.2 图档重用系统的类图结构

    每个制造企业都有自己的产品系列，每种系列的产品都是由结构、性能大体一致的产品组成的。将产品生命周期内的各种文档进行抽象，从而建立各种不同的面向对象的类。对每一种类定义它们的属性和方法。这样，在企业根据市场作出产品创新或改进时，无须对产品再进行重新的复杂规划，只需要通过文档管理与重用系统就可以迅速地继承并实例化各种文档类。图3显示的是用UML建立的图档重用系统的类图结构模型。

    图3是以齿轮元件为例，说明了如何从继承一个通用文档类，并通过属性参数和特定操作方法进行文档的实例化，从而形成最终的特定文档。图3中的General Document类包含所有文档的基本属性和基本操作。基本属性如名字、注释、文件名、编辑者、浏览器、状态、最终编辑时间；基本操作如创建对象、重命名、拷贝、粘贴、检入、检出等操作。

    下面以其中的状态属性为例，简单地描述文档的四种状态。状态表示了当前任务中的数据或文档在全生命周期中所处的位置。它为数据传送和数据继承提供了一个标准。一个文档有四种可能的状态：a)处理中。这意味着当前数据正在被某项动作修改或使用中。b)共享。这表示数据已验证完毕，可以进行下一个流程的处理。C)发布。这意味着数据已被锁定，不允许再做任何修改。d)废止。这说明该数据不再在系统中使用，具体原因也应在注释中说明。

图3系统类图模型

3.3 图档重用系统的部署图

    部署图是用来描述系统硬件的物理拓扑结构以及在此结构上执行的软件。部署图可以显示计算节点的拓扑结构和通信路径、节点上运行的软件、软件包含的逻辑单元(对象、类等)。特别是分布式系统，布局图可以清晰地描述硬件设置的配置、通信以及在各设备上的软件和对象的配置[5]。部署图是由体系结构师、网络工程师、系统工程师等人员共同描述，它主要由节点和连接构成。本系统的部署图如图4所示。

图4 系统部署图

4 原型系统研制与应用实例

    系统编制过程中，以设计模型为输入，以构件(源文件二进制文件、可执行文件以及其他文件等)的方式实施类和对象，并验证用例能否实现为可运行于这些节点上的构件。通过使用RationalRose工具，采用EJB技术将以上的实体类映射成EntityBean类，控制类映射为SessionBean类，而边界类则映射为客户端的JavaBeans。系统运行后，通过客户端访问应用程序服务器125，请求对信息系统的访问。原型系统的模型功能描述如下：

    a)身份验证。当访问某个应用程序时，应用程序服务器会检查该用户是否被授权。若未被授权，则调用相应的授权机制进行身份验证；应用程序服务器根据权限配置描述中的安全策略，检查用户是否有权访问该应用程序，如果有权访问，则向客户端返回允许访问的页面。

    b)统一企业数据模型。大量的模型最终存放在数据模型库中，模型的数据格式统一采用XML，因此，需要将UML建模环境下构造的图形化数据模型转换成XML格式，从而实现数据模型的统一[6，7]。本系统采用RationalRose建模工具来实现产品结构和工作流的建模。

    c)模型管理与重用。数据模型库中的模型需要与现有的信息系统进行交互，交换的格式同样选择XML文件作为中间介质，通过XML Mapper完成数据格式的映射，并将外部应用系统中的数据模型信息通过XML接口转换到数据模型的知识库中。

    d)接口技术。用户界面与服务应用层通过TCP/IP协议进行连接，服用应用层通过EJB接口与数据模型层连接，数据模型层通过XML接口与其他的信息系统进行统一格式的数据交换。

    e)客户端信息处理。服务应用层将处理结果以ML格式返回应用程序服务器，服务应用层再将处理完毕的信息转换成用户所需的格式，返回客户端。

    图5是本系统的图档管理树状目录。

图5 工程图档重用界面

5 结束语

    本文针对现有的图档管理系统的局限，研究了面向产品全生命周期的图档管理和可重用系统，并建立了系统模型。在讨论系统功能体系结构的基础上，对其实现的关键技术和功能模型进行了分析和建模。构造并提供了一个基于网络的、分布式、可重用的图档管理系统。通过对某企业的初步实施，取得了预期的良好效果，为该企业的信息化建设打下了坚实的基础，并对同类制造型企业也有着借鉴性的作用。

参考文献：

[1] SUDARSAN R.A product information modeling framework for product lifecycle management[J].Computer-aided Design，2005，37(13)：1399-1411
[2] 王莉娟，张旭，宁汝新，等.面向产品开发过程的文档动态管理技术[J].计算机集成制造系统，2005，11(6)：836-840
[3] EYNARD B，CALLET T，NOWAK P.et al.UML based specifications of PDM product structure and workflow[J].Computer in industry，2004，55(3):301-316
[4] 张洁，高亮，李培根.多Agent技术在先进制造中的应用[M].北京：科学出版社，2004
[5] 葛杏卫，段国林，陶利波.基于J2EE/XML的产品生命周期管理系统系统结构研究[J].河北工业大学学报，2004.33(5)：43-47
[6] 张虹，郑会颂.UML中的类模式在关系数据库中的映射及其实现[J].南京邮电学院学报，2005，25(3)：72-77
[7] 胡晓鹏，赵铁山，周以齐等.基于UML的管道虚拟仿真系统设计[J].系统仿真学报，2005，17(9)：2159-2162

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