制造業的新理念——閉環產品生命周期管理

王 旭 李文川

重慶大學,重慶,400030

0 引言

隨著經濟全球化趨勢的進一步擴大,企業面臨著更加復雜的商業環境,傳統產品開發過程中關注的成本(C)、質量(Q)、上市時間(T)等因素不再是獲取市場份額的唯一競爭優勢。如今市場競爭的焦點是創新和服務,即產品不用增加成本、降低質量、推遲上市時間就能滿足顧客的個性化需求、提供更好的服務,并能實現產品增值。為適應這種需求,企業必須以產品和客戶為中心,從整個生命周期角度來關注產品,通過獲取產品生命周期各階段的相關信息,實現產品生命周期內物流、信息流、資金流的集成、優化,實現企業的可持續發展[1]。

1 產品生命周期管理及其局限

產品生命周期管理(product lifecycle management,PLM)的概念產生于20世紀90年代,是在企業信息化發展到一定階段,為解決“信息孤島”提高企業市場應變能力和競爭能力而形成的一種戰略思想[2]。PLM 作為PDM(product data mangement)系統的擴展,貫穿了產品從市場預測到報廢回收整個過程,其目的是為企業提供更多的與產品生命周期相關的信息,并為企業產品相關知識的創造、組織和分發提供公共平臺[3]。

PLM充分利用企業水平化組織的優勢,通過對企業業務流程、管理信息系統、內外部資源的集成優化,有效地管理產品數據,實現對產品開發、制造、銷售等全生命周期的協同,促進知識的共享并最終推動企業的創新[4]。盡管PLM從戰略的高度提出了以產品為核心的企業價值鏈協同管理基礎框架[5],但國內外PLM的研究和實施過程受現有商業模式和技術條件的制約,還存在以下局限：

(1)受傳統商業模式的影響,大多數企業PLM實施的關注點主要集中在產品設計和生產階段,以期望獲取最直接的經濟利益,其他階段由于長期得不到關注而缺乏詳細的產品相關數據使得PLM的優勢受限。其中,設計和生產階段得到了若干信息系統如 CAD/CAM、CAPP、MES等的支撐,能準確獲取較為全面的產品信息;產品在消費者使用乃至報廢回收過程中的信息由于缺乏相關信息系統支持而不能及時反饋給設計者和生產者使其作出相應的決策,導致產品的開發周期較長、效率較低,不能為顧客提供優質服務。

(2)從產品市場預測到報廢回收的全過程,產生了各類海量數據如：圖紙、手冊、單據等,完善、管理和使用這些產品數據對于新產品的研發提供了豐富的知識庫。由于缺乏有效的數據采集手段和信息處理機制,故不能建立完備的產品信息庫。產品全生命周期產品信息的不精確、不完善導致各階段之間存在著信息差,無法真正實現產品數據、信息、知識的無縫轉換,也不能實現新知識的快速獲取和舊知識的有效復用。

然而以無線通信技術、射頻識別(radio freguency identification,RFID)等為代表的信息技術的出現和推廣彌補了傳統PLM的不足,并逐步應用于供應鏈管理、庫存管理、生產線自動化及過程控制、產品召回等領域,促進了傳統PLM向閉環產品生命周期管理思想的演化[6]。

2 閉環PLM的內涵、運作機制及研究內容

2.1 閉環PLM的內涵

近年來,隨著 RFID、無線傳感器網絡、泛在信息融合與處理等技術在各領域的研究應用,國外學者逐漸認識到這些新技術必將對產品生命周期各個階段產生重要影響,并形成一些新的管理理念：Kova'cs等[7]在研究環境感知智能對PLM和服務工程影響的基礎上提出了AmI PLM的概念,認為環境感知智能技術能更好地分享、獲取和管理產品相關數據。Cassina等[8]在PLM、擴展產品、智能物件等理論和技術的基礎上提出了Ext-PLM的概念,認為通過對產品生命周期各階段數據的集成能提高企業和顧客的交互能力,創造新的技術功能和服務。Lee等[9]提出了泛在PLM的概念,認為通過泛在技術能獲取產品全生命周期的信息并能實現各階段的信息交互。Jun等[10]提出了閉環PLM(closed-loop product lifecycle management)的概念,認為閉環PLM是一種利用智能物件、產品數據與知識管理系統(product data&knowledge management,PDKM)獲取產品數據、信息和知識以便有效管理產品全生命周期活動的商業策略。

盡管不同的學者從不同角度提出了不同的概念,但都強調了對產品全生命周期內產品相關數據的獲取及數據的閉環管理這一思想。因此,筆者認為閉環PLM是一種有效管理產品生命周期活動的信息化戰略,它利用 RFID、智能嵌入技術、無線傳感器網絡、泛在信息融合與處理技術等手段獲取全生命周期內與產品相關的數據,并通過數據的集成、轉化和分享實現全生命周期內跨組織間信息流的閉環管理,其最終目標是綜合協調時間(T)、質量(Q)、成本(C)、服務(S)、環境(E)、資源(R),滿足日益增長的可持續發展需求。

閉環PLM是對傳統PLM相關理論、方法、技術的補充和完善,因此除了具備傳統PLM的特征外,還具有以下幾個方面的新特性：

(1)智能特性。從技術角度來講,智能物件相關技術能自動識別、存儲產品生命周期相關產品信息,進行信息的自我管理、分析決策,還能通過網絡與其他管理系統進行信息的傳遞、交換,由于具備環境自適應性,其決策過程無需外部干涉,體現了充分的智能化。

(2)閉環特性。從信息角度來講,閉環PLM實現了產品全生命周期所有參與主體及其活動的可視化和閉環管理。閉環特性主要體現在兩個方面：首先,實現了產品全生命周期各階段的信息共享(橫向閉環),使得產品全生命周期過程的所有活動參與者不受時間、地點的約束就能管理和控制產品信息;其次,產品生命周期各環節獲取的數據能實現向信息和知識的無縫轉化,而知識和信息又反過來作用于產品的設計、開發和生產過程(縱向閉環),利用知識管理推動業務過程的創新。

(3)社會特性。從商業角度來講,閉環PLM以可持續發展為核心,通過深入挖掘產品生命周期內獲取的現場知識,最大程度滿足用戶需求,提高用戶的舒適度和滿意度,在兼顧產品和服務的同時強調了企業的社會責任,引導企業改變只重產品設計和生產的傳統經營理念。

2.2 閉環PLM的運作機制

閉環PLM實現產品全生命周期的閉環管理取決于三個相互聯系又相互作用的機制：智能物件、PLM Agent和 PDKM 系統[11]。閉環 PLM的運作機制如圖1所示。

智能物件是指一類嵌入了RFID標簽或傳感檢測等信息裝置的物體[12]。由于智能物件集成了數據采集、數據處理及分析、數據存儲、通信、傳感檢測等模塊單元,因而它能夠實時采集、存儲產品及相關環境信息并傳輸給PLM Agent,隨時接收從PLM Agent發送的數據并經過適當處理存儲于自身,并且它伴隨著產品整個流通過程而更新。

每個讀寫裝置(如個人數字助理、閱讀器)都可以看作一個PLM Agent。PLM Agent在各節點把獲取的產品數據進行簡單處理并通過網絡傳遞給PDKM系統實現產品信息的集成和共享。

PDKM系統作為一種分布式知識庫和決策支持系統,主要用于存儲產品設計、生產以及流通使用過程中的所有與產品相關的信息,并將信息轉化為可用的知識[13]。PDKM還需與其他業務層管理信息系統集成,隨時隨地把知識傳遞給相關部門或人員為產品開發全過程提供技術支持和服務。

圖1 閉環PLM的運作機制

2.3 閉環PLM的研究內容

閉環PLM以產品生命周期為主線,通過對產品生命周期信息的閉環管理,實現過程、資源和組織的協調管理,并在適當的階段作出正確的決策。閉環PLM在產品全生命周期各個階段有著不同的關注點。

(1)BOL(beginning of life)階段。本階段主要包括產品設計和生產制造。產品設計過程除涉及市場需求、用戶需求、競爭者的同類產品外,還需綜合考慮成本、功能以及各項技術指標如加工、裝配性能、可維護性、可拆卸性、可重用性、報廢零部件可能對環境的影響等。閉環PLM期望追蹤產品生產制造過程以及后兩階段所有與產品相關的數據,建立完備的產品生命周期數據庫為產品質量的改善和新產品的開發提供豐富的知識和經驗,縮短產品開發周期,降低風險,提升質量,滿足顧客需求。在生產制造過程中,閉環PLM與精益制造這一先進制造模式相融合,利用 RFID實時監控生產現場數據(在制品、物料等狀態),快速響應產品變動過程以進行生產計劃的實時調整和調度,實現生產管理的可視化、柔性化。

(2)MOL(middle of life)階段。本階段主要涉及到產品的包裝運輸、銷售、使用和維護。閉環PLM在包裝運輸過程中實時跟蹤車輛運輸、倉儲庫存等情況,并以此為基礎制訂出合理的銷售策略;產品使用過程中利用智能物件技術為消費者提供詳細的產品信息、精細化產品支持和服務、降低產品維護成本和響應時間;維修服務人員根據產品使用情況進行維修計劃的合理安排,監控、分析和解決產品使用過程中出現的問題并及時反饋給相關人員如設計人員、生產人員以減小產品損失。

(3)EOL(end of life)階段。本階段包括產品的回收和報廢過程。閉環PLM在此階段關注的是為產品回收過程中的所有參與者提供產品(零部件、材料)的精確信息,有效估計零部件的回收價值和回收質量并選擇適當的處理方式,提高產品回收效率、降低回收成本。

閉環PLM 中各階段(BOL、MOL、EOL)信息的聯系機制詳見圖2,其中,閉環PLM中的信息流向按產品生命周期方向視為正向信息流,反之為逆向信息流。

圖2 閉環PLM各階段信息聯系機制[11]

3 閉環PLM的技術體系

閉環PLM技術體系同傳統PLM一樣,包括關鍵技術、核心功能、典型應用及系統解決方案等。

圖3 閉環PLM技術體系

3.1 關鍵技術

閉環PLM關鍵技術是實現閉環PLM核心功能的基礎,主要包括智能物件及相關技術、中間件技術、PDKM 技術、決策支持(decision suppont,DS)技術等。

(1)智能物件及相關技術。對產品靜態、動態數據及其環境參數進行識別、采集、處理和傳輸的一系列技術。主要包括：RFID電子標簽、天線及閱讀器、智能嵌入技術、無線網絡傳感器技術、產品信息識別網絡技術、數據安全技術等。在產品信息網絡識別技術方面,目前有三種典型的實現形式 ：EPC global、ID@URI和 WWAI[14]。

(2)中間件技術。中間件介于閱讀器與應用程序之間,既要實現異構設備(閱讀器、智能物件等)之間的通信,還要與后臺系統、現場數據庫等進行通信。中間件一般具有設備管理、讀/寫數據、事件管理、發現服務等功能,其處理流程大致為：設備管理模塊識別從閱讀器流入的數據,經事件過濾、事件聚合等事件處理環節提取出有用信息并轉化成應用系統所需格式,保存于數據庫中為應用層服務。

(3)PDKM技術。管理產品全生命周期內所有與產品相關的數據。產品數據及知識管理的過程就是將現場數據轉化為信息以及知識的過程。一般來說,現場數據轉化為信息或知識大致要經歷如下環節：根據系統管理目標明確所需現場數據;確立數據采集方式;數據采集;對不同種類、不同來源的數據進行集成;數據確認;數據處理、分析并轉化為可用信息;信息處理、合成并轉化為知識[15]。

(4)DS技術。利用數據挖掘、模式識別或神經網絡等方法對PDKM中的產品技術參數、環境參數、狀態參數等數據進行統計分析,使得不同產品生命周期階段的參與者能根據實際情況作出相應決策。

3.2 核心功能

除了傳統PLM所具備的文檔管理、產品數據管理、配置管理、項目管理、變更管理等基本功能,閉環PLM還須具備以下核心功能：

(1)知識管理。集成和管理產品全生命周期內所有與產品相關的數據并轉化為可用信息及知識,并能對單個產品及其結構的所有數據(靜態數據和動態數據)進行集成、跟蹤、追蹤和動態更新。

(2)現場數據管理。獲取和集成所需現場數據并實現數據的可視化,還能估計現場數據的價值,為決策提供支持。

(3)數據分析及決策。通過對產品相關的所有數據進行診斷和分析,完成生產計劃與調度、產品質量診斷、預防性維護、產品壽命估計等決策過程。

3.3 典型應用

(1)DFX(design for X)。在產品生命周期的早期階段獲取更多關于產品設計的信息來源,從而實現設計目標與顧客需求的協調。具體來說就是利用產品生命周期后期階段的反饋信息以及產品知識庫中積累的可用知識和經驗進行新產品的概念設計(可裝配性、可維護性、可拆卸性、可重用性、環境適應性、質量等)。

(2)實時生產調度。閉環PLM 極大程度上解決了企業生產流程管理中的信息差問題,實現了企業運營過程的可視化和透明化,提升了運作的柔性。通過研究基于實時、動態、完備信息等新條件下的自適應算法及模型,實現生產計劃、生產線的實時調度和優化,真正滿足精益制造。

(3)預防性維修。跟蹤和追蹤產品使用過程中的狀態信息及市場評價情況,利用基于互聯網的產品維修服務平臺和相關工具進行維修服務的統計分析、上報及預測,實現產品的遠程維護和預防性維護[16]。

(4)回收決策支持。產品回收過程經歷收購、登記、挑選分揀、鑒別分類、再制造等眾多環節,受技術、經濟、社會環境等多個目標制約。利用產品回收決策模型提升產品回收過程相關決策者的信息資源質量,合理估計產品的剩余價值和使用壽命,協調經濟收益和社會效益,實現價值增值。

4 閉環PLM的研究應用與發展趨勢

4.1 國內外研究應用現狀

隨著RFID、無線傳感器網絡、智能嵌入等技術的發展和逐步應用,各國政府、企業、科研院校都相繼推出了相關項目和研究計劃以提高企業核心競爭力,并為顧客提供更好產品和服務。這些項目和計劃在一定程度上推動了閉環PLM思想的產生和發展。

劍橋Auto ID中心McFarlane等[17]利用自動識別技術和Agent技術設計了一種分布式智能制造控制系統,并在機器人裝配單元進行了驗證;Harrison等[18]提出利用網絡RFID對產品全生命周期信息進行有效管理以便適時作出決策。Kühnle[19]等在 PADABIS'PROMISE項目的支持下設計了一種新的柔性制造系統并詳細描繪了其體系結構及系統模型。該系統面向訂單綜合考慮資源和產品,使得企業能更快響應市場和加強企業內部協作。

隨著歐盟研究計劃PROMISE(product lifecycle management and information tracking using smart embedded systems)的實施,閉環PLM概念被正式提出[20]。該計劃利用智能物件感知產品所處的環境信息實現整個產品生命周期內信息流的閉環管理,具體研究內容包括：面向全生命周期的信息流模型、智能物件相關技術、數據管理和建模技術、標準體系等。其中,Jun等[21]利用RDF技術研究了產品生命周期元模型建模的方法,定義了RDF數據模型以及描述和管理產品生命周期元模型的機制;Xu等[22]從系統、過程、信息和數據三個層面描繪了閉環 PLM系統模型;日本豐田汽車公司與東京大學、早稻田大學、中央大學協作研究了閉環PLM的原型系統,以便在早期的計算機輔助設計階段考慮整個產品生命周期所有階段的問題,其研究內容包括產品建模以有效估計質量風險、可靠性設計、維修計劃、運作信息實時反饋機制、決策支持系統等[23];Parlikad等[24]研究了基于RFID的產品信息在回收決策中的作用,并建立了貝葉斯產品回收決策支持模型。

除以上研究成果外,歐盟第六框架(FP6)所資助的項目 BRIDGE(building radio frequency ID entification solutions for the global environment)研究在EPCglobal標準基礎上建設適用于全球環境的射頻識別解決方案,構建基于EPCglobal的產品信息網絡[25],其應用領域涉及產品防偽、醫療保健、紡織、食品加工、零售、可復用資產管理、產品使用過程中的服務等方面。此外,歐盟框架計劃、AITPL cluster和CERP-IoT等機構和組織還推出了一攬子計劃如X—CHANGE[26](flexible change management for the factory of the future)、TraSer(identitybased tracking and web-services for SMEs)、CASAGRAS[27](coordination and support action for global RFID-related activities and standardisation)等研究與產品、產品生命周期管理相關的一些理論、技術、方法、解決方案和標準體系等。

相對國外,我國的主要研究重點還集中于RFID技術攻關以及示范性應用方面,并得到了國家相關部門、科研院校、企業的重視和大力支持。國家科技部“十一五”863高技術研究發展計劃于2006年和2008年發布了兩批RFID專項,對RFID共性基礎及前瞻性技術、產業化關鍵技術、應用關鍵技術、標準等方面進行了研究,并取得了一定的成績[28]。典型的有：Auto-ID中國實驗室依托復旦大學專用集成電路與系統國家重點實驗室進行了大量關于RFID的專用集成電路與系統方面核心技術的基礎研究,并在防碰撞算法、標簽芯片電路等方面取得一定成果[29-30];中國科學院自動化研究所設立了專門的RFID測試實驗室,利用面向物流應用的RFID技術分析和模擬測試平臺,確定了測試技術標準體系框架[31],并著手制定具有一定自主知識產權的RFID技術標準、應用標準和測試體系;RFID標準體系方面,郎為民等[32]、張有光等[33]研究了RFID標準體系,并對我國 RFID標準體系框架的目標、原則、內容等提出了若干建議;應用技術方面,國內對RFID體系架構、系統集成、中間件等方面進行了研究并取得一定成果,如香港大學 Huang等[34]將智能識別技術、無線網絡技術與生產資源結合,提出了無線制造系統的概念,并研制出了多種無線制造原型系統;清華大學臧傳真等[35]提出了基于智能物件的實時企業,并描繪了其信息系統的應用場景和系統層次結構;上海交通大學張樂等[36]研究了基于集群技術的可重構RFID中間件技術;重慶大學劉衛寧等[37]在國家863計劃的支持下研究了基于射頻識別的離散制造業制造執行系統并在通用汽油機生產線上得到了驗證。其他科研院所如中國科學院沈陽自動化研究所、合肥工業大學、廣東工業大學等在此領域也取得了一些突破。

4.2 發展趨勢

目前閉環PLM的研究多集中于技術和示范性應用層面。技術方面形成了一套較為完備的技術體系框架,但各項關鍵技術還需不斷成熟和完善;應用方面針對不同行業不同產品生命周期階段或單一應用領域進行了示范性應用,驗證了理論及技術的可行性,但缺乏面向整個產品生命周期閉環管理的應用案例。隨著各項關鍵技術的突破,標準體系、面向企業或行業應用的解決方案等將會成為研究重點。同時,由于閉環PLM實現了產品的智能化識別和管理,其應用領域將面向產品價值鏈構建全球物聯網,理論上可實現所有物品的閉環生命周期管理。

(1)標準體系。包括基礎技術標準體系和應用標準體系兩部分。基礎技術標準體系研究RFID識別標準、空中接口標準、數據標準、性能標準等技術標準;應用標準體系通過結合具體的行業特點為閉環PLM的應用提供系統指導和規范,包括基礎標準(術語、符號、系統安全)、通用性標準(支撐環境、生產環境特性、應用規范、編碼等)、物理層標準、數據采集層標準、集成層標準、應用層標準等內容。

(2)面向企業或行業應用的解決方案。為企業或行業實現閉環PLM提供指導思想、集成信息框架、支撐平臺、實施策略、評價體系等[38]。其中,集成信息框架是在統一閉環PLM數據模型的基礎上利用集成技術構建一個開放、靈活、統一的框架。既要實現與現有信息系統的集成,還需考慮普遍深入和可信賴的網絡以及基礎網絡服務以便能對網絡內的人、設備、基礎設施進行實時控制和管理,支持智能感知環境下企業未來的信息化建設。其主要工作包括業務流程、基礎結構、應用軟件、支撐平臺及技術、管理功能的定義和描述。實施策略方面,閉環PLM系統的建設是一個系統工程,其實施過程涉及技術、經濟和管理問題,使得企業需要審視內外部環境對原有流程進行重組。閉環PLM 的實施應遵循“總體規劃、分步實施”的原則。具體步驟如下：分析閉環PLM相關技術的優勢及不足并識別出關鍵成功因素;根據企業現有業務、組織、信息系統情況進行需求分析并確定系統應用范圍及層次;對擬應用環節進行投資收益分析及風險估計;軟件系統設計、硬件產品選型及測試;系統測試、實施及優化;應用效果分析等。

5 結束語

閉環PLM作為一種新的管理理念,彌補了傳統PLM的不足。本文概括了閉環產品生命周期管理的內涵和運作機制,研究了閉環PLM的技術體系,綜述了國內外研究應用現狀及發展趨勢。作為一種新形勢新技術下的戰略思想,閉環PLM的各項理論、方法和關鍵技術還在不斷深入探討和研究中。

當前 RFID相關技術在我國已應用于供應鏈、生產制造等環節,也逐步開始應用于售后服務環節,盡管這在一定程度上體現了閉環PLM的思想,但同國外相比還有較大差距。因此,對于我國來說閉環PLM的研究應遵循“中國射頻識別(RFID)技術政策白皮書”的總體發展目標,首先進行一系列基礎技術、產業化技術、應用關鍵技術的突破,利用示范應用、國內外協作的機會建立具有自主知識產權的標準體系以掌握產業控制權,其次,閉環PLM還必須與其他先進制造系統理論以及國內制造企業的實際情況相結合,優先解決企業所面臨的現實問題,以提升制造過程及運營管理中的自動化、信息化、可視化、智能化水平。隨著技術的發展,企業經營理念的變化以及閉環PLM相關理論、技術的不斷豐富和完善,閉環PLM必將在社會、經濟領域中發揮出更大的作用。

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