随着并行工程和面向产品设计思想的深入展开，要求从宏观上对产品概念进行把握，面向产品的全生命周期，以信息集成为基础，改变传统的串行工作模式，实现传统串行单元之间的迭代和重叠，形成一种并行的工作模式。在产品形成过程中，通过局部的迭代和循环，避免整个方案的更改，通过局部的过程优化，实现产品全生命周期的全局优化，形成一种螺旋上升的工作过程，最终达到设计制造的一次成功。
    并行工程利用集成的思想和方法，从系统优化的角度出发，通过对产品生命周期中所涉及的各个阶段和环节逻辑关系的分析及研究，在保证信息科学合理的继承和共享的基础上，实现各部门、各阶段之间的优势互补。并行工程得以实施的基础是各类技术、过程和信息的集成。并行工程的这种“集成”的思想，保证了各并行单元之间的通讯和协调，而正是在这种思想的指导下，计算机集成制造、CAD/CAPP/CAM一体化等理论和生产实践在制造领域迅速开展起来［1，2］。
    产品数据管理(Product Data Management，PDM)技术的出现更是将这种集成的思想应用到设计、工艺、制造和装配等各个环节。PDM技术作为一门新兴的技术，我们认为它是一种基于网络环境面向并行工程有效实现CAD、CAE、CAPP、CAM等单项技术集成的使能技术。在宏观上，PDM是一个软件框架(或数据平台)，包括如下三大集成：①信息集成。包括与产品相关的所有信息，即：部件信息、结构配置、CAD档案、文件、审批信息、工艺信息及其它相关的电子数据等；②功能集成。在PDM系统中高度集成各种应用软件，PDM系统提供各种软件接口，以“封装”的形式将其纳入PDM整体框架，在PDM环境中实现“即插即用”；③过程集成。通过信息集成和功能集成，面向产品对象，最终实现产品全生命周期中的各种过程集成，实现并行工程的技术要求。
    而CAD、CAE、CAPP、CAM、CAQ等各类单项计算机辅助技术虽然涉及产品生命周期中的不同环节，看似自成体系，实则其内部有着极其密切的逻辑和数据信息等方面的联系，那就是以产品功能模型和数据模型的形成、完善为主线，从不同侧面实现产品功能模型和数据模型某个或某几个方面的技术要求，通过各个过程之间的相互继承、相互补充和相互验证，最终从整体上实现产品的概念设计和制造装配等方面的技术要求［3～5］。
    基于以上认识，为了从集成的角度对产品数据信息和产品开发过程进行系统研究，美国Ford汽车公司于1996年首次提出C3P(CAD/CAM/CAE和PIM，PIM为产品信息管理)集成系统，并于1997年4月11日在上海交通大学建立了我国第1个C3P实验室［6］。而随着Internet、Intranet网络通讯和大型工程数据库技术的完善，随着虚拟制造和敏捷制造等先进制造思想的提出，使将产品设计、仿真分析、测试、加工等计算机辅助单项技术集成于一个统一的软件系统之中成为可能。
    当前国际上对PDM技术的研究方兴未艾，PDM这一概念已逐渐被大家接受和消化，它已涵盖了PIM系统的各项要求。正是基于以上认识，我们力图从数据逻辑的联系和过程空间的展开来寻求各类单项计算机辅助技术和PDM技术，即广义CnP集成系统(其中Cn表示各种单项计算机辅助技术，如CAD、CAE、CAPP、CAM、CAQ等协调技术群，P代表PDM技术)之间的内在联系，建立以PDM技术为支撑的CAx等单项计算机辅助技术集成的软件框架和集成环境。利用PDM技术形成统一的操作平台。构造广义CnP集成系统的运作、监控模型，这对定量或定性地分析CnP集成系统各单项技术及其之间的相互关系，从而更好地实现各单项技术之间的信息通讯和优势互补，最终实现并行工程的全局优化具有很强的理论指导和工程实践意义。之所以称之为“广义”，是因为我们认为计算机技术的发展和应用是不可限量的，而作为支撑框架的PDM技术应具有将其封装于其中的能力，即CnP系统具有开放性、涵盖性和继承性。国际互联网的开通和应用，更是为该集成系统的“广义”内涵赋予了新的涵义。

    1　CnP集成系统产品状态变化数学模型的建立

    在产品形成过程中，无论是概念设计中各参数的确定，还是具体设计过程中各类约束关系的建立，抑或实际生产、装配中产品零部件的形成，究其实质是改变产品在其生命周期中不同阶段所处的状态，而各种设计、工艺、制造等信息的提取、跟踪、管理，都是对产品在其生命周期中不同阶段所处状态及状态变化的描述。根据以上分析，为了深入研究产品所处状态及其变化，首先建立产品状态空间方程。
    如果以xs=［x1,x2,…，xn］T表示产品在其生命周期中某阶段初始状态矢量，xe=［x′1,x′2,…，x′n］T表示产品该阶段目标状态矢量，u=［u1,u2,…，um］T表示控制矢量，F(u)表示产品在该阶段的状态转移操作，那么，利用状态矢量和控制矢量，构成产品状态空间模型三元组
　　　　　　　　　　　　　　　　　　＜xs,F(u),xe＞　　　　　　　　　　　　　　　(1)
    它描述系统从初始状态xs转移到目标状态xe的过程。
    产品整个生命周期中，根据产品所处的状态，可以分为许多阶段。该状态方程不仅可以表征产品在其生命周期中某阶段的状态变化，在宏观上也可以将整个生命周期作为一个大阶段。例如，将设计、工艺、制造和装配等操作看作对状态的控制矢量u，经过这些控制作用改变产品初始状态x，最终形成具体的产品。产品某阶段状态的改变不仅仅是设计、工艺、制造及装配等部门和环节单独控制或干预的结果，有时目标状态的形成是各个部门和环节相互作用、相互补充而最终形成的结果。而在广义CnP集成系统中，如何有效地跟踪、表达产品状态及其状态变化，并将这些状态及状态变化信息在各子系统中及时、准确地传输是广义CnP集成系统成功运行的基础。
　　
    2　CnP集成系统变粒度多层状态空间模型的建立

    广义CnP集成系统由若干个子系统组成，每个子系统又由许多小系统组成，各个子系统或子系统内部的小系统之间的信息需求所能提供和传输信息的详细程度，即信息“粒度”，各不相同。而PDM子系统对数据的管理也需要限制不同部门或人员对信息的存取、修改权限以保证信息查询检索的“粒度”范围。
    根据以上分析可知，在广义CnP系统中，存在不同状态阶段，不同状态阶段之间又存在联系，这就构成了不同层次、不同级别的状态空间，不同状态空间需要和传输的信息“粒度”又各不相同。在CnP集成系统产品状态数学模型的建立过程中，也包含了一种动态的控制关系，即各状态空间的各个阶段相互交叉、相互补充，整个状态空间构成了一种螺旋上升的进化系统。为了描述这种多层状态空间之间的相互关系，寻求各状态空间中的变粒度信息模型之间的联系，需要建立广义关系模型，即广义CnP集成系统各状态空间及其状态信息的联结模型。
    MⅠ为CnP系统第Ⅰ层状态空间模型(粗粒度、宏观状态分析)；MⅡp为CnP系统第Ⅱ层状态空间模型(中粒度、中间状态分析)，第p个子空间模型；MⅡq为CnP系统第Ⅱ层状态空间模型(中粒度、中间状态分析)，第q个子空间模型；MⅢpp′、MⅢqp′为CnP系统第Ⅲ层状态空间模型(细粒度、微观状态分析)，第p′个子空间模型；MⅢqq′、MⅢpq′为CnP系统第Ⅲ层状态空间模型(细粒度、微观状态分析)，第q′个子空间模型；R1、R2、R3、R4、R5、R6为联结CnP系统状态空间的纵向关系模型；rⅡpq、rⅢ、r′Ⅲ、r″Ⅲ为联结CnP系统状态空间的横向关系模型。
    “粗粒度、中粒度、细粒度的选取是灵活的，宏观、中观、微观的划分是相对的，可以根据实际系统的具体情况而灵活运用”［7］。例如在产品概念设计阶段，有关技术要求的信息是宏观的、粗粒度的，随着设计过程的深入和产品数据模型、功能模型、装配模型的细化和完善，数据详细程度逐渐精确和详实全面。而在过程展开中，各个部门在接收、处理和产生的数据信息是对有关产品各个模型逐渐完善、补充、协调和细化的过程，这一过程是动态的［8］，各个阶段的划分是针对不同项目和产品的，所以图1中的粗粒度、宏观状态，中粒度、中观状态，细粒度、微观状态是相对它的上一阶段、下一阶段和它在模型指导下的不同阶段而言的。以上仅为一典型三层状态空间示意图，实际系统中信息粒度的划分可能还要更为复杂，层次还会更多。

    3　CnP集成系统变粒度多层状态空间递阶控制模型的建立［7］

    作为广义CnP集成系统控制部分的PDM子系统，不仅要对过程进行描述和控制，而且要对各状态空间的相对静态过程进行优化，并将优化后系统运行产生的信息在各个状态空间之间进行传输，即状态空间信息的输出和处理。
    在一个大系统中，随着各阶段、各层次状态空间的细化和展开，各种“粒度”级别信息的产生，如何跟踪、管理这些过程和信息，就成了保证该系统正常运行的关键，否则，整个系统就成了一个无序的混沌空间。因此，在广义CnP集成系统信息控制流程中必须根据实际情况，在信息集成和过程并行的基础上，实施多级、多层、多段等不同类型的控制模式，而在PDM子系统的过程优化功能中，也要根据实际情况，实施集中、分散、递阶等不同类型的优化模式，通过对产品各阶段状态目标函数最优值的“析取”与“合取”运算，实现产品最终目标状态的最优结果，也就是通过局部空间和过程的优化，最终实现整个系统的全局优化，这是广义CnP集成系统最终要达到的目标。
    根据多层状态空间的特点和相应状态空间信息粒度不同的特点，为了有效地对CnP系统进行信息跟踪、传输和管理，CnP系统中的PDM子系统采用图2所示的递阶控制模式，在系统不同的状态空间中设置不同的局部网络事物管理器，对该阶段产生的不同的状态信息进行处理。PDM系统集中控制器通过各管理器，间接地实施全局控制和优化，从总体上控制和处理整个CnP集成系统的信息流和各子过程的优化。
    这一递阶控制模式根据状态空间的不同，有针对性地设置监控系统，既有宏观的协调和管理，又有微观的跟踪和传输，保证了状态空间信息跟踪和管理的适时性。
    根据“状态输出控制方程”和广义CnP集成系统多层状态空间递阶控制过程的要求，构造广义CnP集成系统某状态空间中某一阶段状态变化和监控示意图。
    由于实际系统的状态不一定都是可观测的输出，所以控制系统方框图中的监控、协调、跟踪、管理模块中既有定性的分析，又有定量的运算，它不仅对本阶段的状态变化进行信息跟踪、分析、内部反馈，还将该阶段所管理的信息根据功能需要和“粒度”要求向其它处理器传递，并接受其它处理器提供的信息资源。
    在工程实际中，PDM系统在信息的采集、传输和处理上主要围绕各种模型要求(如概念模型中的参数要求，功能模型中的功能要求，装配模型中的技术要求)而开展，以面向对象(即面向产品)的技术来保证CAD、CAPP和CAM等领域的信息需求［8］，所以PDM系统运作的质量是保证计算机辅助技术集成的关键。
   
作者简介
李东波　男，1957年生。南京理工大学(南京市　210094)制造工程学院副教授、博士。主要研究方向为计算机辅助技术、并行工程及产品数据管理技术。曾参与多项省、部和国家级科研项目。发表论文20余篇。

作者单位
李东波　南京市　210094　南京理工大学制造工程学院
窦万春　王益祥　王栓虎　张世琪　南京市　210094　南京理工大学

参考文献
1.孙正兴，杨军，丁秋林.计算机工程与科学，1996，18(4)：23～28
2.熊光楞，吴诈宝，张玉云.计算机集成制造系统(CIMS)，1997(2)：7～10
3.吴英，何小朝，彭维.机械科学与技术，1996，15(6)：1011～1014
4.李建明，李和良，许隆文.机械科学与技术，1997，16(3)：157～162
5.李和良，童秉枢，李建明等.SDRC中国通讯，1997(2)：29～32
6.福特汽车(中国)有限公司.SDRC中国通讯，1997(1)：19
7.涂序彦.大系统控制论.北京：国防工业出版社，1994：64
8.肖祥芷.冲压工艺与模具计算机辅助设计.北京：国防工业出版社，1996.