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思普软件 - 23年专注PLM系统

PLM系统应用的现状、趋势及挑战


在企业的市场、研发、采购、制造、销售、服务等经营管理活动中,从管理和信息化的复杂度等角度看,产品研发的管理和信息化工作最难,也是企业经营和管理中的重点和难点。一个国家也好,一个企业也好,从制造大国走向制造强国,从制造大企走向制造强企,技术创新和研发能力必须要提高。

研发的挑战

在企业经营活动中,研发过程是制造过程的逆向,是从无到有,从虚拟世界到物理世界的解构(Decomposition)过程。



图1:企业经营活动概览

从精益管理的角度看,同样都是讲“一个流”的管理,精益制造主要是从看得见的“物”的流动入手,通过采取包括5S、TPM、U型布局、多技能员工、标准作业、均衡生产、看板拉动等在内的一系列措施,开展持续改善,消除产品生产过程中出现的过量生产、等待、无效操作、返工、物流混乱、库存等各种浪费,以降低成本并增加收入;精益研发则主要是从看不见的“信息”的流动入手,通过建立产品定义,消除产品从最初设计到最终处理整个生命周期内无效部分的时间、能量和物质等方面入手,减少资源的使用以降低成本,同时提高产品创新、功能和质量,以增加收入。

为了有效管理产品研发过程,很多企业实施和应用了PLM系统,而PLM的实施和应用则要面临以下几个核心诉求和几个挑战:

(1)    唯一全经营过程中产品定义的唯一性,即大家所看到的是一致和准确的数据和版本。比如,某厂商就宣称他们的PLM系统是基于单一数据源(Single Source)的架构。

(2)    关联保证不同领域,不同专业(需求、设计、机械、电子、软件等)所产生的数据具有功能上的关联性,以确保产品整体上的“一”。

(3)    内聚任何用户通过一个视图或用户界面就可以得到他(她)所想要的完整的产品信息。以BOM为例,有As-designed,As-Built,As-Maintained等多种视图,任何一种视图都要求展现该用途所涉及的完整数据。

(4)    可溯确保产品从概念到构建、报废等全过程信息的双向可追溯。

(5)    融合虚拟的数字化模型与物理的实物模型的表现相一致,产品特性与市场需求的相一致。

(6)    智能包括全领域、全过程中通用件和工程知识(Know-how)的充分和有效地应用。

上述6点要求和挑战,写起来简单,但在企业实践中,每一点的落实都不是一件容易的事。

另外,企业中产品研发,既要强调质量、时间和成本,也要着重创新性。在其著作《产品生命周期管理——下一代精益思想的推动力》中,作者迈克尔·格里夫斯把注重质量、时间和成本的研发活动称为“过程”,也称为确定性决策;把强调创新性的研发活动称为“实践”(“摸着石头过河”),也称为不确定性决策。因为要关注“过程”,所以PLM系统的实施和应用要在将研发流程电子化的同时,还要将工程师个人的随意性予以消除,并对“过程”不断优化。因为要关注“实践”,就要通过“社会化协同”、“基于语义的检索”、设计导航等手段在减少重复劳动的同时充分发挥工程师个人的创新能力。企业的研发管理,就是在确定性和不确定性,规范和自由,继承和创新等看似相互矛盾的工作范式中进行动态平衡和优化。企业对PLM的实施和应用,主旨也是通过信息化来最大程度实现确定性过程,让工程师在确定性中碰撞不确定性和创新机会,从“必然王国”走向“自由王国”;最终,达到“从心所欲而不逾矩”的境界。

    应用成熟度

    当前,很多制造型企业都实施和应用了PLM系统,但应用的效果则千差万别,我们可以借鉴CMM能成熟度模型来开发一个PLM应用成熟度评估模型,并以之来评估企业中PLM系统的应用效果。


图2:PLM应用成熟度

如图2所示,我们可以把企业中PLM系统的应用效果或水平分为五个等级:

(1)    一级,实现了企业中CAD数模、图纸、工艺文件等文档的集中和版本管理。

(2)    二级,在一级的基础上,通过项目的形式,实现了团队协作,过程规范的研发管理。通常,很多企业的PLM应用水平处于一级和二级之间,我们称之为1.5级,依此类推。

(3)    三级,在二级的基础上,实现了工程变更管理,工程数据变更的全过程可追溯。

(4)    四级,在三级的基础上,实现了以零件为中心,配置和BOM化结构的产品定义;其中,BOM包括原型BOM、工程EBOM、制造MBOM、服务SBOM等之间的有机迭代和一体化,并实现了上述信息在市场、工程、采购、制造、服务等专业领域的共享、协同和集成。

(5)    在四级的基础上,工程文档、项目管理、工程变更、配置管理、全局性BOM等实现了产业链级的共享、协同和集成。

从实际应用效果看,中国的大部分制造企业PLM应用效果处于一级和二级之间,部分应用效果较好的企业处于二级和三级之间,极少数国内领先的制造企业的处于三级和四级之间。可以说,就国内而言,PLM应用水平达到并超过四级的制造企业少之又少。笔者曾经和朋友讨论到国内部分上规模企业中PLM的应用现状,实际情况很可惜的,有些企业即使花了几百万,甚至上千万购买和实施了所谓国际领先的PLM系统,但其实还停留在文档管理、进度跟踪等低级阶段,预算管理、风险管理、零件模块库、工程变更、全局性BOM管理,等等,基本没用起来。不知道是软件不好用,还是用的人脑袋不够用。笔者相信,一个人只能理解他(她)所能理解的东西;如果理解力没有提升,再好的管理工具也是白搭。

    趋势及挑战

    看到广大制造企业当前的PLM系统应用现状,笔者本不想谈PLM的应用趋势,因为这些看起来似乎离我们还很遥远。但也许,看看国际领先企业的应用水平,才知道我们的差距到底有多大,希望大家能够知耻而后勇吧。



图3:PLM的应用趋势

如图3所示,的发展趋势大体上,以面向对象的思想看,从以文档为中心(Document-Centric),依次向以零件为中心(Item/Part-Centric)、基于模型的系统工程等方向发展,并达至数据驱动的产品研发。到以数据驱动的产品研发阶段,传统的协作型PLM(Coordinated PLM)进化为互联性PLM(Connected PLM)。

(1)以文档为中心的PLM以CAD模型、技术图纸、工艺文件等文档为中心的PLM是PLM的初级阶段。在此阶段,各种产品信息主要包含在CAD模型等文档中,产品信息缺乏结构化和关联性。

(2)以零件为中心的PLM在此阶段,各种类型的BOM(原型BOM、EBOM、MBOM、SBOM)是PLM的灵魂,是驱动产品开发的结构化主线。BOM中的每一个项目(零件),是各种文档的容器(Placeholder);因而,在以零件为中心的PLM中,产品定义等信息具有高度的结构化。

(3)基于模型的系统工程MBSE随着产品的日益复杂,构成产品的要素不仅有机械部件,还有电子电器件和软件。如果机械、电子电器、软件等要素分别由不同的软件来管理,那IT系统中将缺乏完整的产品定义。基于模型的系统工程(Model-Based SystemEngineering,MBSE),站在更抽象的角度,以模型来看待不同的产品要素并对之进行模型化抽象和统一化架构,从而强化了机械、电子电器、软件等要素之间的关联,让产品成为一个有机的整体。

(4)数据驱动的PLM数据驱动的PLM是PLM发展的高级阶段,这里的数据主要指的是产品及产品构件的数字孪生在基于模型的系统工程思想指导下,结合基于模型的定义(Model-Based Definition,MBD)和物联网技术,企业可以将产品的虚拟世界(产品的设计和验证环节)和物理世界(产品的制造和使用环节)融合在一起,以数据孪生为抓手,以虚驭实,以实证虚,在缩短研发周期和提高研发质量的同时,尽可能减少人工干预。在数据驱动的PLM系统中,产品定义由产品及产品构件的数字孪生网络所构成。

在以文档为中心的PLM阶段,PLM的应用主要是为了确保工程师之间的协作,每个工程师在完成自身开发任务后将开发成果上传到PLM系统,供其他工程师调阅或采用,下游的工程师则必须等待上游工程师任务完成并经过审批后才能共享其数据,工程师之间是间歇式的交流,这一阶段的PLM也称为协作型PLM在数据驱动的PLM阶段,工程师之间的数据交流是实时、连续的,下游工程师在非常短的间隔内就可以共享上游工程师的开发成果,也非常类似于软件开发领域的持续集成和持续发布,从而大大提高产品研发效率;因而,这个阶段的PLM也称为互联型PLM,也有人称之为数字主线(Digital Thread)。

从以文档为中心的PLM,经由以零件为中心的PLM和基于模型的系统工程,发展到数据驱动的PLM,中间需要翻越两座“大山”:一体化BOM和基于模型的系统工程。

(1)一体化BOM,又称为同步式BOM(Synchronized BOM),它是以各种不同视图或用途的BOM,比如原型BOM、工程EBOM、制造BOM、服务BOM、维护BOM等进行贯穿和一体化,以BOM为同步工程的抓手,从而确保市场、设计、工程、采购、制造、销售、服务等专业领域之间的协作质量,并进一步缩短新产品上市周期。按笔者的观察,在国内,完全实现了一体化BOM的企业可谓是凤毛麟角,很多领先企业做过一些尝试,但还处于不断完善中。

(2)基于模型的系统工程MBSE。MBSE首先是一种产品架构和工程开发理念,现阶段主要应用于航天航空等领域。随着车载网联汽车、智慧家居等智慧互联产品(Smart Connected Products,SCP)的出现,产品中的电子电器和软件类构件越来越多,为此需要有更抽象、更统一的产品架构思路,MBSE就是为之而生的。前文说过,普通人只能理解他(她)所能理解的东西;相比较以机械部件为主的BOM式产品定义,MBSE是一种更为复杂的产品架构思路,企业及企业的工程师如果不能理解这一架构,就无法参与以智能互联产品为主要产品形态的市场竞争。

在强国强企的奋斗征程中,企业必须提升自己的研发和创新能力,而数据(孪生)驱动的产品研发和互联型PLM为产品研发领域的数字化建设指明了方向。当前,绝大多数制造企业的现状与这个方向的差距还非常大。同志们,一万年太久,只争朝夕!


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