0 引言

    目前，國外MBD(Model Based Definition，基于模型的定義)技術(shù)的應(yīng)用已相對成熟。作為MBD技術(shù)的發(fā)起者之一，波音公司在以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用MBD技術(shù)，將MBD模型作為制造的唯一依據(jù)；R&R公司應(yīng)用主模型驅(qū)動的技術(shù)，以具有PMI(Product Manufacturing Information，產(chǎn)品制造信息)三維標注的模型作為單一數(shù)據(jù)源，貫穿產(chǎn)品研發(fā)的各個環(huán)節(jié)。MBD技術(shù)從2007年開始逐步引入國內(nèi)，其應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，但與國外企業(yè)相比，仍存在一定差距。

    MBE(Model Based EntERPrise：基于模型的企業(yè))是基于MBD在整個企業(yè)和供應(yīng)鏈范圍內(nèi)建立的一個集成和協(xié)同化的環(huán)境方法，各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)充分利用已有的MBD單一數(shù)據(jù)源開展工作，有效地縮短整個產(chǎn)品研制周期，改善生產(chǎn)現(xiàn)場工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在MBD/MBE技術(shù)實施過程中，產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、管理各環(huán)節(jié)所使用的數(shù)據(jù)或信息全部“附著”在三維模型上，使產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征越來越弱，數(shù)字化程度越來越高，而在圍繞模型的整個生命周期中包括需求、分析、設(shè)計、實施等環(huán)節(jié)會產(chǎn)生大量的文檔、視頻等多種類型的數(shù)據(jù)，同時這些數(shù)據(jù)的生成速度會隨時間推移、產(chǎn)品型號增加等因素的影響不斷提高，逐步呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)態(tài)。

    作為四大核心軟件之一，目前PDM(Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)軟件幾乎全部基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(RDB)實現(xiàn)。然而，MBE技術(shù)的實施和全生命周期管理使企業(yè)中的用戶幾乎“全員參與”，使基于RDB的PDM在高并發(fā)讀寫、海量數(shù)據(jù)高效存儲和訪問、高可擴展性和高可用性等方面存在的問題日顯突出——服務(wù)器和用戶終端機越來越“高檔”、存儲設(shè)備數(shù)量和容量越來越大、用戶訪問速度越來越慢、數(shù)據(jù)備份時間越來越長�？紤]到RDB在存儲、處理大數(shù)據(jù)方面的諸多制肘，以及NoSQL數(shù)據(jù)庫的高擴展性、高容錯性、高性價比等方面的優(yōu)點，本文提出采用NoSQL數(shù)據(jù)庫作為PDM底層數(shù)據(jù)支撐環(huán)境，構(gòu)建企業(yè)私有云存儲中心和PDM系統(tǒng)。

1 相關(guān)工作

    1.1 NoSQL技術(shù)和大數(shù)據(jù)

    NoSQL的發(fā)展，離不開兩大Web巨人——Google和Amazon的支持，目前絕大多數(shù)該領(lǐng)域的研究成果都是以這兩家企業(yè)分享的技術(shù)論文為基礎(chǔ)進行展開和改進的。2003年，Google在其網(wǎng)站上發(fā)表文章，介紹了在其內(nèi)部部署的面向大規(guī)模數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的、可伸縮的分布式文件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。隨后在2006年，Google又發(fā)表了兩篇論文，分別闡述了基于NoSQL的數(shù)據(jù)處理MapReduce算法和GFS的底層Key/Value機制的數(shù)據(jù)庫Bigtable。Amazon通過闡述改進的一致性Hash模型等方面的內(nèi)容，介紹了其Dynamo是如何設(shè)計和實現(xiàn)的。

    國內(nèi)近年來在NoSQL方面的研究有很大進展，2011年，于戈等人通過對云計算環(huán)境下進行大規(guī)模圖數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問題的綜述，分析討論了NoSQL數(shù)據(jù)庫的4種主要存儲模型的差異。2012年，李茂等人分析了關(guān)系數(shù)據(jù)模型和NoSQL數(shù)據(jù)模型各自的特點，提出了一種可以解決云計算中海量數(shù)據(jù)的存儲管理問題的新數(shù)據(jù)模型。2013年，孟小峰等人闡述了大數(shù)據(jù)管理的相關(guān)概念和技術(shù)問題，闡述了利用云計算和NoSQL技術(shù)在處理大數(shù)據(jù)問題上的優(yōu)勢。由于當(dāng)前國內(nèi)大數(shù)據(jù)的研究主要集中在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，對制造業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)問題的關(guān)注幾乎為零，因此從國家需求和企業(yè)發(fā)展等長遠戰(zhàn)略考慮，有必要通過對大型裝備制造業(yè)的大數(shù)據(jù)問題的研究，加速裝備制造業(yè)向智造業(yè)轉(zhuǎn)型。

    1.2 PDM技術(shù)

    近幾年，隨MBD/MBE概念的提出和應(yīng)用，加之經(jīng)過多年的積累和研制型號的不斷增加，存儲在PDM中的信息已呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)態(tài)，造成存儲與處理成本不斷增加、并發(fā)性和訪問速度逐步下降、備份時間越來越長。如何解決制造型企業(yè)海量MBD數(shù)據(jù)的存儲和共享問題，是企業(yè)由制造向智造轉(zhuǎn)型的重要研究內(nèi)容之一。

    國外，為滿足CAx在分布式環(huán)境中的運行，提出了面向?qū)ο蟮姆植际綌?shù)據(jù)庫架構(gòu)，并構(gòu)建了一種分布式產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(DPDM)；詳細介紹了使用基于UML的建模方法來指定和實施PDM系統(tǒng)的利益關(guān)系，提出了一種利用UML圖實例化到數(shù)據(jù)庫實體的實現(xiàn)方法；提出了一種集成軟件配置管理(SCM)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)架構(gòu)，可以使硬件工程師和軟件程序員共享相同的用戶環(huán)境，在協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)上共享一致的數(shù)據(jù)庫。

    國內(nèi)的研究由于起步較晚，且缺乏大企業(yè)在PDM研發(fā)方面的推動，大多數(shù)研究都集中在PDM的技術(shù)應(yīng)用和系統(tǒng)集成上，分別提出了以PDM系統(tǒng)為平臺與CAx系統(tǒng)進行集成的不同的解決方案，為以后企業(yè)進行PDM系統(tǒng)與三維CAD系統(tǒng)的集成提供了參考。

    1.3 企業(yè)私有云

    在大數(shù)據(jù)面前，集中式的存儲和處理策略無論如何也無法滿足需求，云存儲、云計算是未來發(fā)展的必然趨勢。提出了云制造的概念，其作為一種基于知識、面向服務(wù)、高效低碳的網(wǎng)絡(luò)化智能制造新模式，強調(diào)產(chǎn)品全生命周期中各類制造資源的整合與高度共享，當(dāng)時引起了學(xué)術(shù)界、科技界和國家層面的高度重視。但目前關(guān)于云制造的研究還主要集中在概念、體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用原型等方面。因此，云計算技術(shù)與PDM技術(shù)的結(jié)合對云制造的深化和發(fā)展在生產(chǎn)實踐上具有十分重要的意義。而從我國國情出發(fā)，許多行業(yè)的高度保密性使我們只能走“企業(yè)私有云”路線。企業(yè)私有云存儲利用云計算、大數(shù)據(jù)管理等多項新技術(shù)，充分整合企業(yè)已有資源，可以有效地解決海量數(shù)據(jù)存儲訪問、高并發(fā)、高擴展等問題，可有效降低存儲成本，減少PDM系統(tǒng)的實施周期，提高生產(chǎn)效率。

    綜上不難看出，目前國內(nèi)外研究都是從現(xiàn)實存在的問題出發(fā)，基于現(xiàn)有的PDM系統(tǒng)來對海量數(shù)據(jù)進行處理。為徹底解決大型裝備制造業(yè)所面臨的大數(shù)據(jù)問題和MBD/MBE技術(shù)實施帶來的挑戰(zhàn)，利用企業(yè)私有云技術(shù)，搭建“邏輯上集中、物理上分散”的分布式環(huán)境，在此基礎(chǔ)上利用NoSQL為底層支撐環(huán)境搭建PDM私有存儲云平臺，以實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)的存儲和共享，是未來的一個發(fā)展趨勢。

2 基于企業(yè)私有云的PDM體系架構(gòu)

    傳統(tǒng)的PDM系統(tǒng)是以RDB為基礎(chǔ)的單點存儲系統(tǒng)或分布式存儲系統(tǒng)。而PDM私有存儲云平臺則是在企業(yè)內(nèi)部（設(shè)計制造一體化企業(yè)）或有限幾個企業(yè)（設(shè)計、制造相對獨立的企業(yè)群）中的一個包含多存儲設(shè)備、多應(yīng)用、多服務(wù)協(xié)同工作的集合體，并采用NoSQL數(shù)據(jù)庫作為其底層數(shù)據(jù)支撐環(huán)境。

    基于企業(yè)私有云的PDM系統(tǒng)架構(gòu)可采用四層結(jié)構(gòu)模型：基礎(chǔ)設(shè)備層、存儲管理層、應(yīng)用接口層和訪問層。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于企業(yè)私有云的PDM系統(tǒng)架構(gòu)

    圖1中，基于云存儲和層次結(jié)構(gòu)模型的PDM私有存儲云平臺在下層為PDM軟件提供云服務(wù)，PDM軟件在最上層通過平臺提供的接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問操作。在層次結(jié)構(gòu)模型中存儲層包含了企業(yè)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、中間件等各類硬件資源，在其之上是一個統(tǒng)一的存儲設(shè)備管理系統(tǒng)，通過存儲設(shè)備的邏輯虛擬化管理、多鏈路冗余管理，以及硬件設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和故障維護等實現(xiàn)資源的虛擬化、服務(wù)化。

    存儲管理層是PDM私有云存儲的核心，也是云存儲中最難以實現(xiàn)的部分。存儲管理層通過集群、分布式文件系統(tǒng)和網(wǎng)格計算等技術(shù)，實現(xiàn)云存儲中多個存儲設(shè)備之間的協(xié)同工作，使多個的存儲設(shè)備可以對外提供同一種服務(wù)，并提供更大更強更好的數(shù)據(jù)訪問性能。數(shù)據(jù)加密技術(shù)保證云存儲中的數(shù)據(jù)不會被未授權(quán)的用戶所訪問，同時，通過各種數(shù)據(jù)備份和容災(zāi)技術(shù)等可以保證云存儲中的數(shù)據(jù)不會丟失，保證云存儲自身的安全和穩(wěn)定。

    應(yīng)用接口層可以根據(jù)制造企業(yè)的實際業(yè)務(wù)類型開發(fā)不同的應(yīng)用服務(wù)接口，提供不同的應(yīng)用服務(wù)，并根據(jù)不同的服務(wù)接口提供PLM管理、CAx集成接口等功能。在存儲管理層和應(yīng)用接口層之間的跨層次數(shù)據(jù)流引擎技術(shù)保證了平臺間數(shù)據(jù)的高效流通。

    訪問層為授權(quán)用戶提供標準的應(yīng)用接口來登錄云存儲系統(tǒng)，支持不同的協(xié)同制造模式，并根據(jù)企業(yè)的需求提供不同的訪問類型和訪問手段，用戶可以享受不同的PDM私有云服務(wù)。

3 系統(tǒng)實施關(guān)鍵技術(shù)

    在MBD/MBE大數(shù)據(jù)環(huán)境下，基于私有云存儲的PDM系統(tǒng)采用NoSQL數(shù)據(jù)庫作為底層環(huán)境，構(gòu)成比較完整的PDM云技術(shù)體系如圖2所示。

圖2 基于NoSQL的PDM云技術(shù)體系

    技術(shù)體系成層次結(jié)構(gòu)，主要包括：基于NoSQL的PDM數(shù)據(jù)組織研究、基于NoSQL的企業(yè)私有存儲云技術(shù)、面向MBE的基于私有云存儲的PDM軟件相關(guān)技術(shù)研究和MBD/MBE環(huán)境下的大數(shù)據(jù)管理。

    3.1 基于NoSQL的PDM數(shù)據(jù)組織

    NoSQL并不單指一個產(chǎn)品或一種技術(shù)，它代表一族產(chǎn)品，以及一系列不同的、有關(guān)數(shù)據(jù)存儲和處理的概念。不同的NoSQL技術(shù)其數(shù)據(jù)存儲模式也是不同的。因此對于裝備制造企業(yè)來說，基于NoSQL的PDM數(shù)據(jù)組織研究內(nèi)容主要包括PDM數(shù)據(jù)物理組織結(jié)構(gòu)和邏輯組織、數(shù)據(jù)的查詢優(yōu)化以及數(shù)據(jù)的完整性和一致性等技術(shù)。

    3.2 基于NoSQL的企業(yè)私有存儲云

    面向集團企業(yè)的云制造應(yīng)用屬于典型的私有云服務(wù)平臺。私有云基于企業(yè)網(wǎng)構(gòu)成，其構(gòu)建與運行者、資源提供者和使用者是集團和集團企業(yè)下屬相關(guān)廠所、研究單位和企業(yè)等，目的主要是強調(diào)企業(yè)內(nèi)或集團內(nèi)制造資源和制造能力的整合與服務(wù)，優(yōu)化企業(yè)資源和能力使用率，減少重復(fù)資源和能力的重復(fù)建設(shè)，降低成本、提高競爭力。

    基于NoSQL的企業(yè)私有存儲云重點在于支持PDM系統(tǒng)中的資源動態(tài)共享與協(xié)同，相關(guān)技術(shù)主要包括存儲虛擬化技術(shù)、集群技術(shù)、分布式文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)和服務(wù)器負載均衡技術(shù)、數(shù)據(jù)備份和容災(zāi)技術(shù)等。

    3.3 基于企業(yè)私有云存儲的PDM軟件

    基于企業(yè)私有云存儲的PDM軟件支持在MBD/MBE生產(chǎn)環(huán)境下，為用戶提供外部工具調(diào)用的系統(tǒng)服務(wù)，包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、版本管理、文檔管理等通用工具集和CAx、ERP、WebService客戶端等集成接口。其研究的主要內(nèi)容包括在MBD/MBE環(huán)境下的數(shù)據(jù)流引擎等核心引擎技術(shù)、產(chǎn)品生命周期管理技術(shù)、產(chǎn)品配置管理技術(shù)等。

    3.4 MBD/MBE環(huán)境下大數(shù)據(jù)管理

    從技術(shù)層次來說大數(shù)據(jù)管理主要是通過PDM軟件在海量企業(yè)數(shù)據(jù)中為決策者和高級工程師等企業(yè)高層挖掘知識信息，有效提高企業(yè)數(shù)據(jù)的再利用價值，實現(xiàn)制造型企業(yè)數(shù)據(jù)信息資產(chǎn)的增值。基于NoSQL企業(yè)私有云存儲的大數(shù)據(jù)管理主要包括數(shù)據(jù)信息可視化、數(shù)據(jù)挖掘與分布式處理、知識管理等相關(guān)技術(shù)。

    3.5 系統(tǒng)實施的技術(shù)路線

    基于NoSQL和企業(yè)私有云存儲的PDM系統(tǒng)的開發(fā)和實施是一項復(fù)雜浩大的工程，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃、有目的地進行，其可采取的技術(shù)路線如圖3所示。系統(tǒng)實施的技術(shù)路線應(yīng)遵循“統(tǒng)籌規(guī)劃、健全團隊、技術(shù)規(guī)范”的總體指導(dǎo)思想。

圖3 基于NoSQL和企業(yè)私有云存儲的PDM系統(tǒng)實施技術(shù)路線

    1)在MBD/MBE環(huán)境下，PDM是一個戰(zhàn)略性的系統(tǒng)工程，它的發(fā)展將是一個階段性漸進過程，需要企業(yè)和科研單位的共同努力。因此一個具有前瞻性的架構(gòu)、業(yè)務(wù)規(guī)劃是實施如PDM這樣的大型項目的首要保證。同時健全的團隊和詳細的技術(shù)規(guī)范是保證系統(tǒng)成功實施的關(guān)鍵因素。

    2)基于NoSQL的PDM數(shù)據(jù)組織研究是基礎(chǔ)。MBD/MBE環(huán)境下，PDM數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化特征越來越弱，根據(jù)NoSQL的特點開展PDM數(shù)據(jù)物理組織和邏輯組織方面的研究，關(guān)系到PDM數(shù)據(jù)在私有云環(huán)境下的存儲模式和未來如何利用NoSQL實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹、產(chǎn)品配置管理等PDM功能。

    3)基于NoSQL的企業(yè)私有云存儲技術(shù)研究是關(guān)鍵。結(jié)合云制造和MBD/MBE等理念，PDM企業(yè)私有云存儲采用NoSQL技術(shù)作為底層支撐，包括集群技術(shù)、分布式文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)備份、容災(zāi)等關(guān)鍵技術(shù)。其相關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)是PDM基本存儲功能能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。

    4)PDM并不是一個僅僅實現(xiàn)簡單文檔管理和數(shù)據(jù)存儲的技術(shù)模型，它是一個能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理和信息共享的技術(shù)。因此，基于企業(yè)私有云存儲的產(chǎn)品生命周期管理和PDM軟件接口技術(shù)等PDM系統(tǒng)功能是研究的重要內(nèi)容。

    5)構(gòu)建基于NoSQL和企業(yè)私有云的PDM原型系統(tǒng)對研究內(nèi)容具有重要支撐作用。原型系統(tǒng)的構(gòu)建是檢驗系統(tǒng)各項技術(shù)實施的必要手段，同時也是將系統(tǒng)各項技術(shù)向企業(yè)生產(chǎn)實踐轉(zhuǎn)化的跳板。

    6)MBE大數(shù)據(jù)管理相關(guān)技術(shù)的研究是對PDM技術(shù)的拓展性研究。在解決制造企業(yè)MBE大數(shù)據(jù)的存儲問題的基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)管理技術(shù)實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)的再利用價值，對制造企業(yè)向智能化、知識化轉(zhuǎn)型具有戰(zhàn)略意義。

4 結(jié)束語

    目前，從國內(nèi)裝備制造企業(yè)的信息化環(huán)境來看，探索一條MBD/MBE時代的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的PDM解決方案，從根本上解決全行業(yè)PDM受制于國外大公司的被動局面對制造型企業(yè)的未來發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。利用NoSQL的存儲機制和靈活的分片功能對PDM中的數(shù)據(jù)進行組織與部署，可以有效避開MBD數(shù)據(jù)的復(fù)雜模式設(shè)計，減少PDM系統(tǒng)的開發(fā)和企業(yè)實施的周期。同時，基于企業(yè)私有云存儲的PDM系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)設(shè)計和實施觀念，可以加快MBD/MBE生產(chǎn)環(huán)境的建設(shè)和制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

    基于企業(yè)私有云存儲的PDM系統(tǒng)具有高擴展性、并發(fā)性強、訪問效率高等特點，這為解決具有海量數(shù)據(jù)、多型號產(chǎn)品、周期短和高價值特征的企業(yè)大數(shù)據(jù)問題方面提供了一個很好的解決方法。在企業(yè)私有云環(huán)境中，也更好地保證了在數(shù)據(jù)資源化、數(shù)據(jù)共享聯(lián)盟等大數(shù)據(jù)趨勢下數(shù)據(jù)安全性問題，并為大數(shù)據(jù)的管理走向知識化、智能化打下基礎(chǔ)，最終引領(lǐng)企業(yè)由制造向智造變革。

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本文標題：MBE與大數(shù)據(jù)給PDM/ERP帶來的思考

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