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新一代国产化PLM系统的研发与实现

2022-06-20屈亚宁 李建勋 马春娜 邱慧慧

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新一代国产化PLM系统应该支撑中国特色、中国战略,支撑双循环、新基建、双碳等国家战略目标。
1 引言

       在后全球化竞争格局下,智能制造转型和自主创新压力加剧,传统PLM软件无法满足智能制造转型需求,缺乏对正向设计和系统工程的支持,缺乏对云计算、大数据、人工智能、工业互联网等高新技术的融合应用。PLM软件作为工业知识沉淀管控平台,其自主可控性是我国工业技术的深化创新和高端制造转型升级的安全屏障。为此,需要研发自主可控的新一代国产化PLM系统,融合大数据、人工智能、工业互联网等新技术,应对智能制造背景下产品生命周期管理需求,助力企业提升自主创新研发、智能管控、质量追溯和产业链协同能力,推进产品研制模式的变革,既是智能制造技术发展需求,也是国家战略需求。

2 国内外PLM发展趋势

       国外PLM软件厂商,达索、西门子、PTC垄断高端市场,通过并购整合,拓展产品线、探索新领域,在CAD/CAE/CAM/CAPP/PLM/MOM/SLM等领域占据市场的主导地位。达索系统在3DExperience体验平台中将多学科设计协同能力和传统PDM功能融合,三维建模功能采用数据结构化的方式进行存储、应用,平台强调产品全生命周期融合打通,数字连续。西门子工业软件强调设计、仿真、制造、服务一体化,虚实融合打通,打造Teamcenter数字平台。PTC通过收购Onshape和ThingWorx等产品,向云和物联网等方向转型,打造ThingWorx物联网平台,在ALM软件生命周期管理、SLM服务生命周期管理方面布局,为智能产品管理应用提供服务。

       国内PLM软件厂商,思普、天喻、开目、CAXA、用友等业务集中在cPDM领域,主要应用为工程数据管理,侧重于产品设计、工艺规划领域,各厂商在产品全生命周期业务覆盖不全,如图1所示。索为、神软等PLM厂商,重点面向航空航天行业提供典型应用。华天软件产品线全面,拥有三维建模设计CAD、三维可视化设计SView、智能制造管理Inforcenter三大自主可控核心技术,业务覆盖需求-设计-工艺-制造-服务产品全生命周期,推出了基于三维模型全面贯通的PLM整体解决方案。

       整体看PLM发展趋势,业务向产品全生命周期全面融合,技术向平台、云端、生态化发展。国内PLM软件厂商在业务覆盖的全面性、功能深度、技术架构的先进性等方面都与国外巨头存在较大差距。多数国产PLM系统,缺少与先进设计模式的融合,难以支撑产品创新正向设计。国外PLM系统占据国防军工和高端核心装备行业的绝对优势,国内企业遭遇“卡脖子”的风险极高。

3 新一代国产化PLM系统的内涵

       PLM软件系统承载着企业智力知识资产,既是支撑产品研制流程的“高速路”,又是企业核心机密的“保险箱”,承载从产品需求、研发、工艺、制造、服务等产品全生命周期的关键业务数据和流程数据,可以说是工业软件的航母。新一代国产化PLM系统应该支撑中国特色、中国战略,支撑双循环、新基建、双碳等国家战略目标。

       3.1 全面自主可控

       国内大型制造企业普遍采用达索、西门子、PTC等国外厂商的PLM系统,为确保国内重点行业、企业数据的安全,避免“卡脖子”“后门”事件的发生,国内软件商应研究新一代的国产化PLM系统,在产品全生命周期设计-制造-服务各阶段采用全面自主可控的软件工具及系统(CAx、PLM、MOM、SLM),适配兼容国产操作系统、国产数据库等底层基础设施,同时要具备异构工具、异构系统的兼容能力,支持国外PLM异构系统数据的迁移管理,开展国产化替代,解决企业产品数据、智力资产安全自主可控,支撑内循环战略和自主创新,解决“卡脖子”问题。

       3.2 支持正向设计

       当前国产PLM系统,在支持系统工程(Model Based System Engineering,MBSE)的正向设计、CAD深度集成、超大规模BOM管理、多学科多专业协同等方面存在较大差距。新一代国产化PLM系统,应当支撑系统工程的正向设计研发体系,多学科仿真验证,多专业跨域协同,虚拟验证,持续迭代;构建基于模型的智能产品设计、智能制造、智能服务,提高产品创新能力、产品质量、产品极致体验,实现产品研制模式数字化转型、提升自主创新研发能力。

       3.3 全新技术架构

       目前国产PLM产品普遍采用陈旧的软件架构和技术,系统扩展性和灵活性差,无法满足复杂多变需求,以及云化、在线化应用需求。新一代国产化PLM系统,需要融入大数据、人工智能、云计算、低代码等最新技术,全面升级技术架构,具备敏捷、高效、动态、易管理、少代码的平台集成能力;支持全栈式服务,高并发、高可用,以平台化、模块化、服务化设计思路;采用可扩展、可配置业务建模技术,支撑不同行业业务模式产品全生命周期全面贯通;构建产品全生命周期基于统一数据模型的工业操作系统开放技术平台,以工业互联网云平台-工业APP软件形态,发展工业软件生态。

       3.4 支撑双碳战略

       全球气候变暖、极端天气、自然灾害明显增多,全球各国纷纷做出碳中和承诺,中国提出“3060”双碳战略目标,创造可持续发展环境。新一代国产化PLM系统,应支撑双碳战略,面向产品全生命周期各阶段引入低碳设计及低碳性能指标要求,在产品规划设计阶段、产品工艺制造阶段、产品交付运输阶段、产品使用运维阶段、产品回收再利用阶段,建立加入产品碳足迹信息模型,低碳性能指标评估,开展产品全生命周期绿色设计、绿色制造、绿色服务。对数字化产品研发制造、交付使用、回收再利用进行全面的碳设计,从源头降低产品全生命周期、全产业链、全供应链的能耗、碳排放。

4 新一代国产化PLM系统设计与实现

       目前,与国外主流PLM系统相比,国内PLM系统在产品架构设计、功能完备性、系统稳定性、性能等方面存在差距。为响应新一代国产化PLM系统的发展趋势和内涵要求,华天软件规划设计了一款具备1套研发体系、1个数字主线、1个技术底座、N个生态应用的新一代国产化PLM系统,其整体框架如图1所示。

新一代国产化PLM系统整体框架

图1 新一代国产化PLM系统整体框架

       4.1 建立1套研发体系

       新一代国产化PLM系统,要支持产品创新设计、产品正向设计,首先要建立支持MBSE的新一代数字化研发体系,贯穿“需求、功能、逻辑、物理、工艺、制造、服务保障”诸领域,建立覆盖产品全生命周期的全局统一数据模型,形成产品数字主线、支持全局数据追溯的研发数据管理能力。如图2示,构建基于模型的系统工程设计MBSE需求模型、功能模型、逻辑模型、物理模型,建立多专业、多学科综合仿真的闭环及迭代验证体系。针对产品工程阶段的物理、工艺、制造、服务领域模型,构建基于xBOM的关联管理体系,实现产品全生命周期各领域技术状态统一管控,实现产品全生命周期过程数据及产品数据的有效管理、可溯源、可持续发展。

新一代国产化PLM系统的研发体系

图2 新一代国产化PLM系统的研发体系

       4.2 搭建1个技术底座

       新一代国产化PLM系统的技术底座如图3所示,全面升级底层技术架构,采用微服务、容器化、DevOps、持续交付等全新技术架构,融合大数据、人工智能、物联网、低代码等最新技术,构建新一代工业软件技术底座“产品全生命周期操作系统PLMOS”,具备感知数据接入(IOT物联平台)能力、云架构技术平台集成能力(工业PaaS)、数字中台(数据中台、业务中台)共性服务能力、工业APP应用生态构建能力,遵循业界主流相关标准和技术体制,具有开放性高、可移植性强、兼容性好和可扩展性等特点,支持全栈式服务、高并发、高可用,支持模型驱动和可定制,满足个性化需求应用,实现服务化应用的快速响应和敏捷交付。支持私有云、公有云、混合云,多云部署策略,基于云端的SaaS应用、工业APP应用,灵活部署以及客户端多样化服务扩展。

新一代国产化PLM系统的技术底座

图3 新一代国产化PLM系统的技术底座

       4.3 贯穿1个数字主线

       新一代国产化PLM系统的数字主线如图4所示,基于MBD技术、单一数据源,以BOM为核心构建产品全生命周期统一数据模型,通过数字主线及数字孪生技术,以及纵向、横向集成,端到端集成,实现IT与OT的融合,打通产品全生命周期信息孤岛,并结合数字孪生实现数字与物理世界融合,形成产品全生命周期的数字化数据流,如CAD产品模型数据、PLM产品设计数据、MOM产品制造数据,SLM产品服务数据融合打通,面向产品全生命周期3D数字孪生表达应用,xBOM与数模关联映射,实现业务模型与三维模型的深度融合,实现产品全生命周期各个研制阶段、各技术状态清晰记录和管理,确保产品全生命周期过程中产品各种维度的技术状态信息的可追溯。

新一代国产化PLM系统的数字主线

图4 新一代国产化PLM系统的数字主线

       4.4 实现N个应用

       新一代国产化PLM系统,以客户为中心,持续关注产品全生命周期的体验,关注用户参与感、交付体验感、个性化需求等,以客户为中心能够实时洞察客户需求、能够实时满足客户需求。如图5所示,通过技术底座构建工业APP生态体系,基于技术底座沉淀业务能力、数据能力、低代码开发能力,直接对接客户,提供解决方案,客户能快速创建业务应用、快速试错、创新应用、迭代优化。通过技术底座开放能力,针对企业、合作伙伴、社会资源等不同群体,提供不同行业微服务组件、工业APP,形成共享服务,增强平台能力,以生态催生新模式。构建柔性适配的国产工业软件生态体系,兼容上下游自主可控软硬件环境,通过生态的协同共进,缩短与国外工业软件先进水平的差距,实现中国工业软件的自主可控,国产化替代,解决“卡脖子”问题。

以客户为中心,平台+生态N个应用

图5 以客户为中心,平台+生态N个应用

5 新一代国产化PLM系统的应用蓝图

       基于新一代国产化PLM系统,在产品生命周期各个阶段,以BOM为核心,基于模型管理和表达,开展创新研发、卓越制造、敏捷服务等业务蓝图应用,通过数字主线连续贯通用户需求、产品设计、产品制造和产品服务等业务环节,以数字模型为基础,通过数字化的形式完整记录整个产品生命周期的状态变化,实现产品全生命周期数据融合、全局共享、全局优化。

       5.1 “创新研发”应用蓝图

       新一代国产化PLM系统采用了系统工程、模块化设计、并行工程等先进方法,可以通过面向市场及客户定制的需求工程管理,支持客户在线参与创意设计及3D互动体验。“创新研发”应用场景如图6所示,在方案设计阶段,开展多方案综合设计、模拟择优闭环验证,实现多学科多专业智能产品协同设计及仿真迭代验证。在工程设计阶段,开展基于MBD的产品工程设计、三维工艺规划与仿真、虚拟数字样机设计验证以及全球跨域跨阶段研发设计及协同管理,通过数字主线、数字孪生技术,构建产品全生命周期多领域模型关联及xBOM管理,支持产品生命周期各阶段全过程的业务协同和数据交换,实现产品全生命周期跨域、跨阶段业务协同、信息共享、数据连续、工作高效。

“创新研发”应用场景

图6 “创新研发”应用场景

       5.2 “卓越制造”应用蓝图

       “卓越制造”应用场景如图7所示,采用系统工程、并行工程、模块化、精益生产等先进理念方法支撑,以xBOM为核心,开展OTD订单驱动、数字化工厂模拟仿真、3D数字化智能制造、3D可视化运营监控、设备监控与运维等智能化应用。构建基于模型的企业系列应用,从MBD-MBe-MBE,基于模型的工程,基于模型的制造,实现精确和实时的决策能力。探索和验证基于数字孪生技术、CPS信息物理智能工厂应用,构建状态感知、实时监控、自主决策、精准执行的生产制造的闭环智能。

“卓越制造”应用场景

图7 “卓越制造”应用场景

       5.3 “敏捷服务”应用蓝图

       “敏捷服务”应用场景如图8所示,以客户为中心,面向智能产品运营,引入一站式服务、远程服务等新服务模式,构建敏捷服务规划及运营环境,形成产品服务规划、运营、优化的互联闭环服务体系,以xBOM为核心,建立产品电子履历实时动态管理,通过SBOM有序传递,实物状态有效全面控制。建立预防性维修、预见性维修等多级服务机制,快速响应主动服务,实现产品高效可靠运营以及盈利模式创新。

“敏捷服务”应用场景

图8 “敏捷服务”应用场景

6 结束语

       面对当前严峻的国际形势以及国家政策战略,结合云计算、大数据、人工智能等新技术发展趋势以及企业数字化转型需求,需要全面升级PLM系统的技术架构。为此,华天软件采用自主可控核心技术,规划设计了具备1套研发体系、1个数字主线、1个技术底座、N个生态应用的新一代国产化PLM系统,构建PLM工业软件生态体系,沉淀共性业务、数据服务组件,形成了产品全生命周期的数字中台,赋能企业不同场景快速创新应用,实现面向产品全生命周期各个阶段的创新研发、卓越制造、敏捷服务,打造国产工业软件精品,逐步实现国产化替代,解决工业软件“卡脖子”问题,让中国工业知识用自主国产工业软件来管理和表达。
责任编辑:程玥
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