魏軼彬， 田 凌， 武園浩

（清華大學(xué)精密儀器與機械學(xué)系，北京 100084）

產(chǎn)品全生命周期管理是一項企業(yè)信息化戰(zhàn)略，它描述和規(guī)定了產(chǎn)品生命周期過程中產(chǎn)品信息的創(chuàng)建、管理、分發(fā)和使用的過程與方法，給出了一個信息基礎(chǔ)框架集成和管理相關(guān)的技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)，使用戶可以在產(chǎn)品生命周期過程中協(xié)同開發(fā)、制造和管理產(chǎn)品[1]。對于制造業(yè)企業(yè)，產(chǎn)品全生命周期信息管理是企業(yè)的核心。大數(shù)據(jù)時代的到來決定了企業(yè)信息管理由文檔電子化、網(wǎng)絡(luò)化走向智能化。隨著企業(yè)規(guī)模的增長與產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高，大部分制造企業(yè)已經(jīng)積累了大量的產(chǎn)品設(shè)計、制造等全生命周期數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是企業(yè)的知識積累、隱形的財富，應(yīng)當(dāng)加以挖掘、利用。以往的設(shè)計方法與管理模式對已有數(shù)據(jù)有一定程度的利用，比如可重用設(shè)計就是利用已有的設(shè)計成果，減少了產(chǎn)品設(shè)計階段的工作量。然而，傳統(tǒng)的產(chǎn)品信息管理方式“重藏輕用”，注重數(shù)據(jù)的保存，忽視利用數(shù)據(jù)積極主動地為企業(yè)的現(xiàn)實工作服務(wù)[2]。此外，現(xiàn)代產(chǎn)品具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計流程復(fù)雜、管理復(fù)雜等特點，這也決定了需要一些新的方法對大量的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行管理、分析，挖掘產(chǎn)品數(shù)據(jù)的價值。

1 基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用模式

傳統(tǒng)的產(chǎn)品全生命周期管理模式致力于構(gòu)建統(tǒng)一的全生命周期模型，利用該模型存儲生命周期所有階段的數(shù)據(jù)和知識。隨著市場和技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代產(chǎn)品管理中涌現(xiàn)了許多新的需求，比如知識的管理、檢索，設(shè)計、決策方案的評價推薦等。要滿足這些需求，往往需要應(yīng)用新的信息處理技術(shù)，這要求能夠靈活的獲取、應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)據(jù)，同時定義、抽取能夠表達產(chǎn)品深層次信息的描述方法。信息模型的本質(zhì)是為了有效地連結(jié)產(chǎn)品全生命周期過程中的數(shù)據(jù)，其參數(shù)并不能很好的表達產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的深層次信息，而產(chǎn)品模型所連結(jié)的產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)表達形式多樣、蘊含信息復(fù)雜，不能直接利用。

產(chǎn)品的特征是產(chǎn)品全生命周期信息或相關(guān)數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的顯著特點，采用一定的算法從產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)中抽取。與產(chǎn)品模型中的參數(shù)和信息系統(tǒng)內(nèi)的原始數(shù)據(jù)不同，產(chǎn)品特征具備明確含義，能夠較準(zhǔn)確的針對性描述產(chǎn)品某一方面的內(nèi)在特性。在現(xiàn)有的產(chǎn)品信息管理系統(tǒng)中，特征已經(jīng)得到了的應(yīng)用。比如：基于產(chǎn)品特征的檢索、基于產(chǎn)品特征的動態(tài)權(quán)限管理、應(yīng)用集成的參數(shù)驅(qū)動等[3]。這種類型的應(yīng)用通常將一定的規(guī)則作用于特征之上，通過對特征信息進行處理以實現(xiàn)預(yù)定的功能。為了更好地利用產(chǎn)品特征信息，定義基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式如圖1所示。

圖1 基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式

實現(xiàn)基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用模式的信息系統(tǒng)應(yīng)由以下功能部分組成：

1）產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)庫：保存產(chǎn)品全生命周期過程中各種形式的原始數(shù)據(jù)。例如數(shù)據(jù)庫條目、文本、三維模型、圖片等。為了便于數(shù)據(jù)的處理，要求原始數(shù)據(jù)能夠快速定位和獲取。企業(yè)信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲方式主要有分散式存儲和集中式存儲兩種[4]。無論采用哪種方式，為了快速定位獲取數(shù)據(jù)，均需要在產(chǎn)品信息模型的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)索引。一種成熟的方式是建立多維度的產(chǎn)品信息模型，如表1所示。這種模型有良好的擴展性，并且能夠利用維度信息快速定位產(chǎn)品原始數(shù)據(jù)，方便后續(xù)特征抽取工作[5]。

表1 產(chǎn)品信息模型維度

2）特征本體庫：保存針對不同需求建立的特征本體。本體可以理解為共享概念模型的明確形式化說明[6]。特征能夠表達產(chǎn)品某一方面所表現(xiàn)的特點，本身具有明確的含義。利用產(chǎn)品特征本體能夠?qū)μ卣鬟M行精確的定義和描述，指導(dǎo)特征抽取器的抽取工作，同時為特征處理器提供語義參照。

3）特征抽取器：依照產(chǎn)品特征本體所定義的算法規(guī)則，獲取原始數(shù)據(jù)并進行運算處理，提取相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)，保存在特征信息庫。

4）特征信息庫：保存產(chǎn)特征抽取器獲得的特征信息供特征處理器利用。

5）特征處理器：利用產(chǎn)品特征數(shù)據(jù)進行推理、運算以滿足具體的應(yīng)用需求。在某些情況下，特征處理器需要參照特征本體的定義，利用特征語義層面的信息完成推理運算過程。

6）結(jié)果展現(xiàn)：采用多種形式向用戶展示特征處理結(jié)果，滿足管理需求、提供管理決策支持。通常情況下，結(jié)果展現(xiàn)可以集成在現(xiàn)有系統(tǒng)界面當(dāng)中，也可以建立相對獨立的結(jié)果展示界面。

在基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式中，特征的定義、抽取和使用是特征應(yīng)用的3個重要階段。根據(jù)以上描述，基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用模式有如下特點：

（1）基于產(chǎn)品特征的信息應(yīng)用模式注重產(chǎn)品數(shù)據(jù)的深層次應(yīng)用，通過特征描述產(chǎn)品信息，挖掘產(chǎn)品數(shù)據(jù)的內(nèi)在價值。

（2）該模式的成功應(yīng)用往往建立在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。數(shù)據(jù)規(guī)模較小時基于產(chǎn)品特征的信息應(yīng)用模式往往無法得到收益。

（3）該信息應(yīng)用模式與企業(yè)現(xiàn)行產(chǎn)品管理模式相輔相成：現(xiàn)有管理模式注重產(chǎn)品基本信息的管理，同時可以為基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式提供大量的數(shù)據(jù)；基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式通過較復(fù)雜的方式就特定的需求提供針對性的解決方案，是對現(xiàn)有管理模式是很好的補充。

2 基于本體的產(chǎn)品特征定義

特征定義是特征抽取、應(yīng)用的基礎(chǔ)。雖然現(xiàn)代產(chǎn)品的全生命周期特征形式多樣，種類繁多，但是由于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的高度結(jié)構(gòu)化，大部分產(chǎn)品特征語義清晰、便于抽取，這非常有利于特征的應(yīng)用。根據(jù) PTC對于產(chǎn)品全生命周期階段的定義[7]，產(chǎn)品特征可以按圖2所示進行分類。

圖2 產(chǎn)品全生命周期特征

1）概念特征。在產(chǎn)品概念產(chǎn)生階段，需要基于市場和客戶需求信息獲取產(chǎn)品設(shè)計的概念。概念特征表達了該階段中產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)的顯著特點。例如某一特定產(chǎn)品概念對于用戶需求的滿意程度、對于市場趨勢的匹配程度等。

2）設(shè)計特征。產(chǎn)品設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計階段完成概念設(shè)計、詳細設(shè)計、工程分析等工作。該階段的工作內(nèi)容會產(chǎn)生大量的設(shè)計數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)中能夠定義多種特征，包括：產(chǎn)品管理特征、產(chǎn)品技術(shù)特征、精度特征等。

3）采購特征。設(shè)計人員需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計方案確定外協(xié)外購、自制計劃。該活動涉及許多決策過程，為了制定最優(yōu)的方案，需要利用許多支持決策的特征，比如供應(yīng)商的評價特征、零部件的可替代性等。

4）制造特征。包括零部件本身的制造特征與制造流程管理特征，如材料特征、公差特征[8]，制造計劃的時間評價、資源利用率等。

5）銷售和服務(wù)特征。涉及物流、營銷、產(chǎn)品維修性等特征。

在基于特征的信息應(yīng)用模式中，采用本體定義特征。本體能夠明確表達特征語義，同時支持特征抽取工作。通過本體的復(fù)用，能夠?qū)崿F(xiàn)特征在不同特征處理器中的重復(fù)應(yīng)用，減少不必要工作。在某些情況下，特征處理器需要利用特征的語義，比如基于特征的推理與基于本體的檢索，而特征本體能夠提供為特征處理器提供語義參考。采用統(tǒng)一的形式定義特征也便于特征的管理與應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)。本體的描述方法有很多種，大體分為4類：非形式化、半非形式化、半形式化、形式化語言[9]，在實際系統(tǒng)當(dāng)中為了方便解析、共享，可以采用XML的形式進行保存。

依據(jù)本體的定義，在基于特征的產(chǎn)品信息管理系統(tǒng)中，一個特征本體的描述應(yīng)包括如圖3所示內(nèi)容。

圖3 產(chǎn)品特征本體內(nèi)容

特征的定義，包括特征名稱標(biāo)識的描述、特征的抽取方式以及特征的表達方式3個部分。在特征的抽取方式中需要描述原始數(shù)據(jù)的位置、抽取算法兩個方面。由于特征較為獨立，特征之間的關(guān)系往往比較簡單，一般包括繼承關(guān)系，組合關(guān)系，關(guān)聯(lián)關(guān)系等[10]。特征的相關(guān)公理描述特征所應(yīng)遵循的基本規(guī)則，如特征的取值范圍。同時，特征公理可以用來進行特征抽取、應(yīng)用階段中特征正確性的校驗。

3 特征的抽取及應(yīng)用

特征抽取是信息抽取的一種形式。為了應(yīng)對信息爆炸帶來的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，迫切需要一些自動化的工具幫助人們在海量的信息源中迅速找到真正需要的信息。信息抽取正是在這樣的背景下產(chǎn)生的[11]。特征抽取是后續(xù)工作的基礎(chǔ)，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。與文本特征抽取不同，產(chǎn)品特征抽取所面對的信息源多種多樣，特征抽取方法非常豐富，特征抽取過程中對領(lǐng)域知識的依賴很強。

產(chǎn)品特征可以從以下幾種信息源中抽?。?/p>

1）信息系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)化的信息數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)本身是對產(chǎn)品某方面信息的描述，通常以關(guān)系數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)化文件的形式保存在信息系統(tǒng)中，獲取方式簡單、成本相對較低。

2）非結(jié)構(gòu)化文本描述。產(chǎn)品全生命周期過程中產(chǎn)生大量文本文件，這些文件的內(nèi)容對產(chǎn)品的某些信息進行了詳細的描述。目前基于文本的特征抽取有大量的研究成果，不論是抽取效果還是抽取成本都能夠達到令人滿意的狀態(tài)。

3）模型實體。從描述產(chǎn)品的模型實體文件中抽取特征，包括兩個方面：三維模型特征的抽取，例如幾何特征、拓?fù)涮卣鞯萚12]；加工制造特征的抽取，如材料特征、精度特征等[13]。這些特征能夠精細的描述產(chǎn)品，但是目前階段抽取成本較大，抽取方法不夠成熟。

4）產(chǎn)品現(xiàn)場。從產(chǎn)品的實際加工、使用、回收過程中抽取特征，如產(chǎn)品診斷中工況特征的抽取。這類信息獲得成本較高，專業(yè)性很強，在產(chǎn)品全生命周期信息中所占比重相對較少。

基于以上幾種信息源的特征抽取方法如表2所示。

表2 特征信息源及抽取方法對比

在產(chǎn)品數(shù)據(jù)的獲取和特征的處理階段，需要應(yīng)用一些關(guān)鍵技術(shù)。通過目錄服務(wù)進行數(shù)據(jù)位置的索引，可以待獲取數(shù)據(jù)的快速定位。在特征抽取的過程中，系統(tǒng)需要解析多種形式的數(shù)據(jù)，其中大部分以文檔的形式保存，所以文檔解析技術(shù)是特征抽取過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。文檔解析技術(shù)主要包括格式化、非格式化的文本文檔解析、模型文件、圖像文件的解析。同時，本體技術(shù)、抽取算法動態(tài)加載技術(shù)也是特征抽取系統(tǒng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

特征處理器針對具體需求進行特征推理、運算，在不同的應(yīng)用場景下，特征處理器具有不同的形式。比如，在三維模型檢索系統(tǒng)中，特征處理器是一個檢索引擎，包括索引器、搜索器、倒排特征庫等部分；權(quán)限控制系統(tǒng)當(dāng)中，特征處理器需要將控制規(guī)則作用于特征之上并返回推理結(jié)果。在實際應(yīng)用當(dāng)中，有時需要對特征進行處理：利用特征歸一化技術(shù)可以解決特征之間的不可比問題；特征的線性縮放、對數(shù)縮放能夠改變特征的影響效果；特征之間的運算可以表達特征的互相作用。例如，在供應(yīng)商推薦系統(tǒng)當(dāng)中，由于質(zhì)量、信譽方面的原因，用戶一般傾向于選擇大型的知名公司，這樣在進行特征計算時可以將某些特征乘以公司的權(quán)威性特征。類似的特征處理方式還有許多種，在具體的應(yīng)用中需要根據(jù)實際情況采用合適的處理方法。

4 應(yīng)用驗證

在某裝備設(shè)計中心的產(chǎn)品信息管理平臺中實現(xiàn)基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式，主要解決三維模型檢索、外協(xié)外購?fù)扑]和權(quán)限動態(tài)管理3個方面的問題。

該設(shè)計中心長期的設(shè)計實踐中積累了大量的產(chǎn)品設(shè)計模型，這些模型是寶貴的知識財富；同時，在互聯(lián)網(wǎng)上有許多開放的三維模型數(shù)據(jù)。通過三維模型檢索功能利用這些數(shù)據(jù)輔助設(shè)計人員工作，一方面可以減少重復(fù)設(shè)計，另外一方面在產(chǎn)品的概念設(shè)計階段能夠為設(shè)計人員提供更多的靈感。在現(xiàn)有信息管理系統(tǒng)當(dāng)中，只能利用三維模型的名稱、關(guān)鍵字、編號等信息進行索引。這種索引極大地限制了返回給設(shè)計人員的結(jié)果數(shù)量。通過三維模型檢索系統(tǒng)，可以有效的解決以上問題。然而，現(xiàn)有信息管理系統(tǒng)中并沒有包含三維模型的模型特征，需要從模型以及相應(yīng)的文本描述中抽取。在模型特征數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立倒排詞典，構(gòu)建基于文字和模型的三維模型檢索功能模塊。

由于該裝備設(shè)計中心只關(guān)注產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)，不具備零部件的加工能力，所以外協(xié)外購管理是該裝備中心信息系統(tǒng)的主要功能。在外協(xié)外購過程中，面臨著供應(yīng)商的選擇評價問題。為了解決這些問題，建立外協(xié)外購供應(yīng)商推薦系統(tǒng)。通過供應(yīng)商數(shù)據(jù)抽取相應(yīng)的特征對其進行描述，針對具體零部件的外協(xié)外購需求推薦供應(yīng)商。獲取供應(yīng)商信息的方式有3種。利用網(wǎng)絡(luò)爬蟲在特定網(wǎng)站進行垂直抓取，這種方式成本低，獲取的數(shù)據(jù)可讀性較差；有合作意向的供應(yīng)商通過系統(tǒng)相應(yīng)接口推送數(shù)據(jù)，該方式成本高，但數(shù)據(jù)的可讀性較好；對歷史合作記錄的分析可以抽取供應(yīng)商的某些特征，如信用記錄、供應(yīng)質(zhì)量等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可信度很高，但是數(shù)據(jù)量相對較少。

該裝備設(shè)計中心設(shè)計保密性要求高，同時產(chǎn)品復(fù)雜、用戶角色較多、在設(shè)計過程中存在大量的協(xié)同工作，簡單的基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的權(quán)限控制不能滿足需求。采用基于特征的管理方式有利于權(quán)限的動態(tài)劃分和設(shè)置[6]。

在本系統(tǒng)中，基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式在以上3種需求中應(yīng)用情況如表3所示。圖4以三維模型檢索為例描述了該模式在系統(tǒng)中的應(yīng)用方式。

整個系統(tǒng)的架構(gòu)如圖5所示，相應(yīng)的模塊有機集成在信息管理平臺的各層當(dāng)中。圖6為三維模型檢索系統(tǒng)的用戶界面。

5 結(jié) 束 語

在現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)活動中，積累了大量的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)信息系統(tǒng)對于產(chǎn)品數(shù)據(jù)“重藏輕用”，沒有有效地挖掘出其中的價值。針對企業(yè)信息系統(tǒng)內(nèi)大量產(chǎn)品數(shù)據(jù)的利用問題，本文提出基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用模式，實現(xiàn)了一種在較深層次挖掘企業(yè)現(xiàn)有數(shù)據(jù)價值的方法。結(jié)合某裝備設(shè)計中心具體的需求，將該模式應(yīng)用于其信息管理平臺之上，有效地解決三維模型檢索、外協(xié)外購?fù)扑]以及動態(tài)權(quán)限控制問題。該模式可以推廣到企業(yè)信息管理的各個方面。隨著信息的膨脹與新技術(shù)在產(chǎn)品信息管理中的進一步應(yīng)用，企業(yè)大數(shù)據(jù)的價值會得到進一步的體現(xiàn)。

表3 基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式在不同需求中的應(yīng)用

圖4 基于特征的產(chǎn)品信息應(yīng)用模式在三維模型檢索系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖5 產(chǎn)品信息管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 三維模型檢索系統(tǒng)用戶界面

[1] 黃雙喜,范玉順. 產(chǎn)品全生命周期管理研究綜述[J].計算機集成制造系統(tǒng),2004,10(1): 1032-1034.

[2] 張 濤. 知識管理背景下企業(yè)檔案管理模式[D]. 南寧: 廣西民族大學(xué),2008.

[3] 李東波,竇萬春,李坤宇. 基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)的研究[J]. 機械科學(xué)與技術(shù),1998,17(6):1032-1034.

[4] 虞燕花,薛啟明,李國義. 企業(yè)信息系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)存儲模式研究[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,31(2): 113-115.

[5] 陳新度,楊煜俊,陳 新. 面向聯(lián)機分析處理的多維產(chǎn)品模型研究[J]. 機電工程技術(shù),2007,36(8):21-23.

[6] 金國興,方水良,喻思成. 面向 CAD/CAM 集成的產(chǎn)品特征模型研究[J]. 機械工業(yè)自動化,1996,18(2):9-11.

[7] PTC Inc. . Product lifecycle management for product first manufacturing companies [EB/OL].http://www.ptc.com,2002-1-04.

[8] 鄧志鴻,唐世渭,張 銘,等. Ontology研究綜述[J].北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1998,17(6): 1032-1034.

[9] Uschold M. Building ontologies: towards a unified methodology [C]//Expert Systems,1996: 3-5.

[10] 徐嘯峰,周儒榮,周來水. 產(chǎn)品特征間關(guān)系的表達和算法研究[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2002,34(6): 535-539.

[11] 李保利,陳玉忠,俞士汶. 信息抽取研究綜述[J].計算機工程與應(yīng)用,2003,(10): 1-5.

[12] Tangelder J W H,Veltkamp R C. A survey of content based 3D shape retrieval methods [C]//Shape Modeling Applications,2004: 145-156.

[13] 安魯陵,葛友華,周來水,等. 基于實體模型的加工特征提取與識別[J]. 機械科學(xué)與技術(shù),2000,19(4): 665-667.

[14] 代六玲,黃河燕,陳肇雄. 中文文本分類中特征抽取方法的比較研究[J]. 中文信息學(xué)報,2003,18(1):26-32.

[15] 李成剛. 基于內(nèi)容的三維模型搜索引擎技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)[D]. 北京: 清華大學(xué),2011.