產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)是管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息和過程的技術(shù)，其主要功能包括產(chǎn)品文檔管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理和工作流管理等。PDM能使產(chǎn)品數(shù)據(jù)在其生命周期內(nèi)保持一致、最新和安全，能夠縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低成本、提高質(zhì)量，并為企業(yè)贏得競(jìng)爭(zhēng)等優(yōu)勢(shì)。PDM為機(jī)械制造企業(yè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心系統(tǒng)之一，也是數(shù)字化制造的實(shí)現(xiàn)奠定基本物質(zhì)基礎(chǔ)之一，但現(xiàn)代PDM也面臨著挑戰(zhàn)，如PDM一般采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，而傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)很難克服數(shù)據(jù)庫(kù)高并發(fā)讀寫、海量數(shù)據(jù)的高效率存儲(chǔ)和訪問、數(shù)據(jù)庫(kù)的高可擴(kuò)展性和高可用性的問題。說明隨著MBE全三維信息化技術(shù)逐步成熟，裝備制造業(yè)PDM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)越來越弱——企業(yè)能夠不需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而充分使用三維模型，則企業(yè)獲得的數(shù)據(jù)將是原始CAD數(shù)據(jù)。

    關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)往往需要極高的精確度，一般須遵守ACID特征，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)NoSQL則打破了長(zhǎng)久以來關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與ACID理論大一統(tǒng)的局面。相對(duì)于傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，NoSQL數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)有很多優(yōu)勢(shì)特征：高擴(kuò)展性、高容錯(cuò)性、高性價(jià)比等，這些特性使得NoSQL數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)更利于管理大規(guī)模海量數(shù)據(jù)，且能有效地處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，例如文件、電子郵件、多媒體和社會(huì)媒體。

    產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理作為PDM的核心內(nèi)容之一，它以創(chuàng)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹為中心，從PDM集成應(yīng)用系統(tǒng)中自動(dòng)捕捉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。基于此，本文著重研究以非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)NoSQL來存儲(chǔ)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹形式展示給用戶的問題。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

    產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹用于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行逐層分解，第一層將產(chǎn)品分解成多個(gè)部件（在樹中，零件為葉子結(jié)點(diǎn)，部件為非葉子結(jié)點(diǎn)），而部件則再進(jìn)一步分解成子部件和零件，此過程以此類推，直到將此產(chǎn)品的全部組成成分分解成零件為止，由此形成的分層的樹狀結(jié)構(gòu)便是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，故產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹反映了產(chǎn)品與零部件之間的層次關(guān)系。產(chǎn)品A的分解過程如圖1所示：

圖1 產(chǎn)品分解過程示例圖

    如圖1所示的產(chǎn)品A是由多個(gè)零部件組成，其中部件又由多個(gè)零件或子部件組成。由圖1可知，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹為多叉樹，而多叉樹中非葉子結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)數(shù)是沒有限制的，且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中的零部件可能會(huì)被多個(gè)部件重復(fù)使用（如圖2所示），樹中每個(gè)部件都有，n(n>=0)個(gè)子部件和零件組成，每個(gè)零件又被n(n>=0)部件使用，則樹的內(nèi)部為多對(duì)多的關(guān)系。

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中零部件被重用示例圖

    則由圖1和圖2可知，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹主要有兩個(gè)特點(diǎn)：樹中非葉子結(jié)點(diǎn)的子結(jié)點(diǎn)數(shù)不固定；樹內(nèi)部結(jié)點(diǎn)之間為多對(duì)多關(guān)系。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有兩種：雙親表示法和孩子表示法。由于RDB（關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)）的表中的列數(shù)是固定的，不允許列數(shù)動(dòng)態(tài)地變化，因而在基于RDB的傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中，主要建有基本信息表：產(chǎn)品、部件及零件表，和一個(gè)關(guān)系表以記錄產(chǎn)品的配置關(guān)系，在關(guān)系表中以一條記錄來記錄一對(duì)直系的父子關(guān)系，即將多對(duì)多的關(guān)系拆分成多個(gè)一對(duì)一的關(guān)系，并且基于此關(guān)系表記錄產(chǎn)品的更新信息。對(duì)于成型產(chǎn)品，其配置結(jié)構(gòu)是固定的，故可在基本信息中直接記錄其結(jié)構(gòu)關(guān)系，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹及RDB的特點(diǎn)，本文以文檔型NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)(MongoDB)作為其底層數(shù)據(jù)支撐環(huán)境來研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的數(shù)據(jù)組織，由于NoSQL具有嵌入文檔、模式自由等特點(diǎn)，因而較RDB能更好地記錄產(chǎn)品的基本屬性與配置關(guān)系信息。

2 基于NoSQL的PDM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹生成算法

    根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹創(chuàng)建原理，利用NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)，摒棄PDM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)模式，以更靈活的方式構(gòu)建PDM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，便于用戶更好地理解和操作。

    2.1 基于NoSQL的PDM基本信息的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

    NoSQL打破RDB的一行只記錄一對(duì)關(guān)系規(guī)則，利用NoSQL的數(shù)組和內(nèi)嵌文檔功能，一條記錄便可以記錄多組關(guān)系對(duì)的功能，且關(guān)系對(duì)的數(shù)目無限制，故可在產(chǎn)品基本信息的集合中設(shè)定一個(gè)Children[]數(shù)組字段，即將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中的多對(duì)多關(guān)系拆分成一對(duì)多的關(guān)系，且在Children[]數(shù)組字段中記錄該產(chǎn)品（或部件）的所有直系孩子結(jié)點(diǎn)的編碼_id，并在Children[]字段中再插入一個(gè)num字段以記錄被包含的相應(yīng)孩子結(jié)點(diǎn)的數(shù)量，而在零件集合中則沒有Children[]數(shù)組字段。

    在NoSQL中，PDM基本信息主要由產(chǎn)品product集合、部件component集合、零件parts集合組成，產(chǎn)品product的屬性主要有產(chǎn)品編碼Product_id、產(chǎn)品名稱Name、類型Type、子結(jié)點(diǎn)Children[]、自制／外購(gòu)Make/Buy、凈重Weight、創(chuàng)建者Creator、設(shè)計(jì)者Designer和創(chuàng)建日期CreateDate，字段子結(jié)點(diǎn)Children[]是一個(gè)數(shù)組，在Children[]中設(shè)有_id字段、Type字段和num字段，分別記錄此產(chǎn)品的所有直系孩子結(jié)點(diǎn)的編碼、相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的類型及此結(jié)點(diǎn)被包含的數(shù)量。該結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)RDB需要多條行記錄才能完成的存儲(chǔ)方式而言，更便于數(shù)據(jù)庫(kù)管理員直觀地看到某父結(jié)點(diǎn)的直系子結(jié)點(diǎn)。產(chǎn)品product集合在數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下所示。

    部件component集合中的主要屬性為部件編碼Component_id、部件名稱Name、類型Type、子結(jié)點(diǎn)Children[]、自制/外購(gòu)Make/Buy、凈重Weight、創(chuàng)建者Creator、設(shè)計(jì)者Designer和創(chuàng)建日期CreateDate，部件component集合在數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下所示：

    零件parts集合的主要屬性為Parts_id、部件名稱Name、類型Type、材質(zhì)Material、圖紙Picture、自制/外購(gòu)Make/Buy、凈重Weight、數(shù)量quantity、創(chuàng)建者Creator、設(shè)計(jì)者Designer和創(chuàng)建日期CreateDate，零件已是最小的產(chǎn)品單位，它在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中處于最底層的，故其零件parts集合在數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下所示：

    2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹生成算法

    基于上述存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，采用層次遍歷方法生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，算法如下：

    (1)以某一產(chǎn)品為根結(jié)點(diǎn)，即為樹的第一層結(jié)點(diǎn)；

    (2)在產(chǎn)品集合中查找此產(chǎn)品記錄中的Children[]字段，記下其所有的孩子結(jié)點(diǎn)以及它們的類型Type，即為樹的第二層結(jié)點(diǎn)；

    (3)第二層的所有結(jié)點(diǎn)中，若有類型為零件的直接定為葉子結(jié)點(diǎn)，若為部件類型則定為非葉子結(jié)點(diǎn)并查找其在部件集合記錄中的Children[]字段中的所有孩子結(jié)點(diǎn)的編碼及類型，這些孩子結(jié)點(diǎn)組成了樹的第三層；

    (4)對(duì)第三層的結(jié)點(diǎn)的處理方法同第三步對(duì)第二層結(jié)點(diǎn)所做的處理，以此類推，直到樹的最底層中的各個(gè)結(jié)點(diǎn)均為零件類型為止。

    若產(chǎn)品A的結(jié)構(gòu)為(A(B1(B3(a5，a6)，a2)，B2(B4(a7，a8，a9)，a3，a4)，al))以大寫字母代表產(chǎn)品(A、A1、…)和（子）部件(B、B1、…)，以及小寫字母代表零件(a、a1…)，采用Tree Tag技術(shù)在Jsp頁(yè)面上顯示，如圖3所示：

圖3 產(chǎn)品A結(jié)構(gòu)樹示例圖

3 基于NoSQL的PDM系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的維護(hù)

    隨著產(chǎn)品信息多樣性的發(fā)展、產(chǎn)品升級(jí)，以及客戶對(duì)產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)、特征等需求的變化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)也必然隨之發(fā)生變化，其中，增加、刪除零部件操作，即對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹做增加、刪除結(jié)點(diǎn)（根結(jié)點(diǎn)除外）操作最為關(guān)鍵。

    3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)關(guān)系地整理

    PDM的基本信息集合中產(chǎn)品product、部件component和零件parts集合皆用于存放某個(gè)（某類）產(chǎn)品的全部信息，而配置關(guān)系僅表示相鄰兩層之間的直系父子關(guān)系，不能全面、直觀地表達(dá)整棵樹中結(jié)點(diǎn)之間的（被）包含關(guān)系，因而在基于RDB的PDM系統(tǒng)中，查找某結(jié)點(diǎn)的祖先或后代時(shí)需要多次連接操作才能完成。

    在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，通常用閉包表（如表1所示）來存儲(chǔ)整棵樹的結(jié)構(gòu)，用祖先(ancestor)和后代(descendant)兩個(gè)字段將樹中任意結(jié)點(diǎn)的祖先一后代關(guān)系對(duì)存儲(chǔ)于此閉包表中。因而在查找某結(jié)點(diǎn)X的祖先（后代）時(shí)，只需要在閉包表中搜索后代（祖先）是X的所有行的祖先（后代）字段對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)即可。

表1 閉包表

    在NoSQL（以MongoDB為例）亦可采用閉包結(jié)構(gòu)形式的集合來存儲(chǔ)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中的結(jié)構(gòu)關(guān)系。設(shè)集合RelationComplete用來存儲(chǔ)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并且對(duì)它只做添加新記錄的操作。RelationComplete主要設(shè)有六個(gè)字段：編碼_id、參考referenceID、所屬產(chǎn)品ofProduct、后代descendant[]、祖先ancestor[]和類型Type。其中referenceID和ofProduct字段是內(nèi)嵌文檔，包括相應(yīng)參考結(jié)點(diǎn)編碼_id和名稱name兩個(gè)列；后代descendant[]字段是一個(gè)嵌入文檔的數(shù)組，包括后代的編碼descendantld、名稱name、類型type、層次pathLevel四列。字段層次pathlevel能更加清晰地記錄此后代結(jié)點(diǎn)與參考的祖先結(jié)點(diǎn)之間的間隔層數(shù)，其中，一個(gè)結(jié)點(diǎn)的直接子結(jié)點(diǎn)的pathLevel為1，再下一層為2，以此類推。集合RelationComplete結(jié)構(gòu)如下所示：

    在集合RelationComplete中，由于只有類型type為產(chǎn)品和部件的參考結(jié)點(diǎn)才可能有后代descendant[]字段，因而用戶在查找某產(chǎn)品中結(jié)點(diǎn)的祖先時(shí)，首先在所屬產(chǎn)品的記錄中后代descendant[]數(shù)組字段中查找此結(jié)點(diǎn)，然后將相應(yīng)的參考結(jié)點(diǎn)按照此后代結(jié)點(diǎn)的pathLevel值進(jìn)行排序；而在查找非葉子結(jié)點(diǎn)的后代時(shí)，直接查找其后代descendant[]數(shù)組字段中的所有記錄即可，故可一次地查出此結(jié)點(diǎn)在樹中的所有后代，較傳統(tǒng)RDB需多次查找的模式更為靈活。

    3.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的維護(hù)

    產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的維護(hù)亦采用閉包結(jié)構(gòu)來管理，更新時(shí)，只需更新變動(dòng)的樹枝上的祖先一后代關(guān)系即可。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的維護(hù)過程如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的維護(hù)過程

    如圖4所示，在更新樹中結(jié)點(diǎn)X1的基本四種情況中，只需更新變動(dòng)樹枝上X與T的后代信息，這里只考慮了更新樹中底層的情況，其它情況可基于此四種情況推演得出。

    具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先創(chuàng)建集合RelationChange用以保存結(jié)構(gòu)樹更新時(shí)的臨時(shí)關(guān)系，其結(jié)構(gòu)與RelationComplete相同，設(shè)有四個(gè)字段編碼_id、祖先(ancestor)、后代(descendant[])和類型Type，而后代數(shù)組字段記錄則相應(yīng)地包含后代的編碼childld、名稱name、類型type。

    3.2.1 插入節(jié)點(diǎn)

    結(jié)點(diǎn)的更新必須同時(shí)更新其祖先及后代信息，如在樹Ax中添加一個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)，則該結(jié)點(diǎn)祖先與后代的關(guān)系都需要更新，其過程如圖5所示。

圖5 添加葉子結(jié)點(diǎn)過程

    如圖5所示，向樹Ax的非葉子結(jié)點(diǎn)Bx中添加一個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)b，則零件a4、a5與b組成新部件Bx1，即其原父部件由Bx變成新部件Bx1，產(chǎn)品Ax則變成新產(chǎn)品Ax1。而在集合RelationChange中，第一步將集合RelationComplete中產(chǎn)品Ax內(nèi)部祖先與后代的關(guān)系對(duì)復(fù)制到集合中，則集合RelationChange如下所示：

    由于添加結(jié)點(diǎn)b時(shí)，a4、a5與b組成新結(jié)點(diǎn)Bx1，第二步則在集合RelationChange中插入一條關(guān)于Bx1的祖先與后代關(guān)系記錄，Bx1記錄如下所示：

    第三步：在字段后代descendant[]中查找含有a5結(jié)點(diǎn)的記錄，插入Bx2以及Bx2的（除結(jié)點(diǎn)a4、a5以外）后代的信息。

    第四步：將集合中信息中含有Bx的記錄刪除。

    當(dāng)添加一棵子樹（部件）時(shí)，首先將這棵樹內(nèi)部的祖先與后代關(guān)系對(duì)從RelationComplete復(fù)制到集合RelationChange中，然后再將沿著此子樹所在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中的位置向上遍歷的結(jié)點(diǎn)與子樹中的所有結(jié)點(diǎn)設(shè)置為祖先與后代的關(guān)系對(duì)，并插入到相應(yīng)的集合中。

    3.2.2 刪除節(jié)點(diǎn)

    刪除葉子結(jié)點(diǎn)的過程如圖6所示，若刪除Ax中的結(jié)點(diǎn)a3，則其父結(jié)點(diǎn)B1變成B11（只有a1和a2兩個(gè)孩子結(jié)點(diǎn)），首先刪除集合中祖先結(jié)點(diǎn)為B1的記錄，并添加B11記錄；然后在集合的后代信息查找B1以及a3記錄，插入B11記錄，并刪除B1和a3記錄。

圖6 刪除一個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)

    刪除一棵完整的子樹X時(shí)，首先在集合后代descendant[]數(shù)組字段中刪除所有以X為后代的記錄，然后在集合中刪除樹X的記錄。在集合RelationChange中完成更新操作后，將更新信息添加到基本信息集合中，然后刪除集合RelationChange。當(dāng)再次更新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹時(shí)，再創(chuàng)建集合RelationChange，如是在此集合中存儲(chǔ)的是正在更新的樹的相關(guān)信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

    本文以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹來描述產(chǎn)品的配置關(guān)系，分析了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及基于RDB的傳統(tǒng)PDM產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，提出了利用NoSQL-MongoDB嵌入文檔的數(shù)組產(chǎn)品信息的新存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模式，以及在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的新思路，較關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)建表的傳統(tǒng)模式更加便于管理產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系，且更利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的維護(hù)，為企業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理探索出一條更為廣闊的新視野。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：基于NoSQL的PDM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)組織

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