目前，信息技术(Information Technology，IT)在企业竞争中起到越来越重要的作用，传统的设计制造方法已不适应现代制造业发展的需求。建立在IT之上的现代设计制造一体化技术，即先进设计制造集成技术，是正在发展中的高技术，对国家制造业的发展影响重大。美国国防部于1986年提出了产品设计工程一体化的概念，即并行工程(Concurrent Engineering，CE)。并行工程是并行设计产品及其相关过程，实现企业集成的系统方法。在可共享信息资源的基础上，把先期的产品设计与后续的制造工艺等过程作为一个整体，由顺序过程改进为并发过程，使产品开发人员一开始就能考虑到产品整个生命周期里的所有因素(质量、成本、工艺、结构和性能等)，以实现缩短产品开发周期、提高产品质量及减少研制费用的目标。
1 集成的CIM环境需求
在产品设计制造一体化过程中，如何正确使用信息是企业成功的先决条件。如何管理好信息(数据)是企业目前面临的重要问题之一。因此，产品数据技术(product data technology)的主要目标即实现如何在指定的时间、地点获取所需的正确数据。集成的CIM环境需求也由此引出。
1.1 涉及的人员
集成的CIM环境是一个复杂的、由多方参与构成的合作环境。基于企业存在异构、分布式的实际状况，集成工作的重点应在于全局共享的产品及过程模型的开发，IT应用的集成即建立在这一模型之上。另外，还应建立起前置、后置处理工具，用于集成那些现已被广泛采用但又与此全局模型不符的IT应用软件。因此，实现集成的CIM环境需包括从软件设计工程师到企业软件用户在内的一批人员。具体来说，应考虑以下三方面人员的作用：①参考模型的开发者；② 系统集成者及第三方软件开发者；③企业IT用户。
1.2 IT应用及企业过程的分析
集成的CIM环境的建立是在企业中具体实现的，因此必须重视企业对集成的CIM环境的具体需求。目前，IT的开发与应用应满足企业在特定时刻对特定信息的需求。如果企业对信息的需求有所变化，就必须改变已有IT系统的配置以适应企业的变化。由于IT系统本身并不能识别企业中的哪一部分信息是相对稳定的，哪一部分信息是变化的，只有在企业中采用集成的方法来开发IT才表现出明显的优越性。因为IT系统即可区分信息的稳定与否。
同样，可重用软件单元的开发或集成平台开发的基础是对产品基础部分的描述，因而有可能在企业过程及支持企业过程的IT应用之间建立起联系。企业过程发生重组时，已存在的IT应用经过转换可以被重用，因此，采用集成方法来开发IT应用是实现转换过程的先决条件。IT应用及集成服务平台应支持并促进转换过程的实现而不是阻碍转换。通常，IT应用不具备处理此转换的灵活性，所以需要重组。由此可见，开发一个高效的IT应用，必须分析企业过程，这与基于规范的开发方法同样重要。
1.3 IT对技术基础的需求
为了实现IT应用之间产品数据的交换与共享，应在企业中建立集成服务平台。许多物理上分布的IT应用可在平台上实现集成，并依靠平台为其提供共享的数据。因此，对技术基础的需求应包括：①支持不同类型的应用。集成服务平台在支持符合STEP标准的IT应用的同时，必须满足目前非STEP标准应用系统及不完全符合STEP标准应用系统集成的需求；②服务与数据的透明性。当客户通过集成服务平台提出服务请求时，由平台来判断数据的具体位置及与之相关的服务器，客户不需要与具体的服务器发生联系；③服务的选择规则。应允许客户基于某些原则在特定的情况下，对网络上所具有的服务器进行选择，以获得最佳服务；④安全性。集成服务平台应提供证明服务(authentication service)及权限服务(authorisation service)；⑤数据的选择。应建立分级存储机制，使不同的信息分别存储于不同的抽象等级之中，以便数据的选取； ⑥ 数据的表达。集成服务平台必须在无客户参与的情况下自动实现不同机种之间数据表述的转换，以满足不同客户之间对集成信息共享的需求。
1.4 IT对信息基础的需求
技术基础是研究操作集成服务平台的组成及服务的实现，体现的是信息的交换与共享。信息基础包括信息建模、产品与过程建模以及相关的方法学、支持工具、建模语言等。对信息基础的需求包括：①模型的基本特性。包括可分解性(decomposition)、模块性(modularity)、全生命周期(life cycle)、可重用性(reuseable)、层次性(layering)； ②企业过程建模。研究企业过程，从宏观上保证集成的CIM环境的实现并提供相关的技术。过程模型应建立在抽象的层次之上，易于促使IT应用的企业集成；③产品及过程模型的特性。产品模型由产品对象构成，具有静态与动态两类基本特性。过程模型由过程对象组成，由事件触发产生的过程具有输入输出，在执行中消耗资源；④信息模型的建立。信息模型应包括静态数据建模(static data modeling)和行为建模(behavioural modeling)；⑤产品及过程模型与信息模型之间的关系。从IT应用的技术角度分析，产品及过程建模方法与信息建模方法之间应建立接口，以保证建模的结果可以交换。
2 支持设计制造一体化方法学：信息、产品及过程建模
PDT技术与STEP标准为实现产品数据通信奠定了基础。然而，仅有这些还不足以建立起在企业内支持并行工程，且实现产品数据共享的设计制造一体化。这是因为，不同的企业需要不同的标准，如果数据共享是在企业间进行，那么需要实现跨越标准的通信；即便是企业内的数据共享，仍需要其它技术的支持来实现。因此，基于PDT技术与STEP标准，有必要对现代设计制造一体化所需的方法学进行研究。其目的是：①支持IT应用的开发与集成；②支持并行工程及不同应用领域、不同抽象等级模型的集成。 nextpage
2.1 信息模型框架
直接在企业中建立集成系统，通常采用建立框架的方法来简化集成。然而，由于系统具有多视角，从不同的方位理解系统就会产生不同的与信息建模相关的框架。研究信息建模的基础框架有助于支持IT应用及已有框架的集成。将企业的需求最终转化为可执行的IT应用，就是信息建模的全生命周期(如图1)。在全生命周期中，CIM系统信息模型框架开发与实现由五个阶段组成，各阶段分别与其模式相对应，模式的具体实现又依靠信息建模语言的支持，信息建模语言的编译处理则由相应的工具来保证。
(1)需求分析阶段 需求分析是对企业用户需求的详细说明。这些用户将是集成信息系统的直接受益者。需求分析说明越详细，后续设计阶段越容易实施，且可避免系统二义性的解释。在此阶段如果针对需求得不到结论，那么后续阶段将无法继续，IT应用的开发计划应该修改。因此，需求分析是信息模型框架开发的前提。在本阶段采用IDEF0方法建立应用活动模型(AAM)，模型的编辑则由相应的图形编辑器支持。
(2)设计说明阶段 针对需求分析阶段提出的具体需求，完成模型概念设计。概念设计的结果与需求说明是相对应的，如果得不出满意的结果，则应反馈修改需求分析。本阶段由信息建模语言EXPRESS及其图形语言EXPRESS-G支持，建立应用解释模型(ARM)。从需求分析阶段到设计说明阶段的实现，不仅仅是模型之间的映射，其中包含了实际设计过程的转换。第一步，需要描述CIM系统的整体结构，包括模型的操作需求以及模型之间接口的实现。这一步需模型开发者对复杂系统的模型进行分解，高等级模型分解的结果将成为低等级模型分解的需求，还要求在各级模型之间提供接口。第二步，详细设计，在模型分解的基础上，各层的需求将由详细设计分别完成。详细设计包含了将企业已有的As-is模型转化为To-be模型的过程。
(3)实现说明阶段 实现说明，即对所选择的方法实现设计。在本阶段应选择一种特定的实现方法，以及与此方法相关的示例。例如，软件方法、物理文件交换或数据库。概念设计在此阶段转换成可以被实现的逻辑说明。本阶段与实现模式相对应。
(4)实现阶段 采用特定的实现语言，例如C++。将实现说明最终转换成实际的实现。本阶段包括将概念模式、实现模式中建立的EXPRESS模型转换成C++类的过程。
(5)编译执行阶段 经过编译联接，将实现转换成不依赖于任何计算机硬件平台的可执行的IT应用系统。
2.2 产品模型与过程建模
(1)产品与过程模型的性质 产品模型由产品对象构成，产品对象的基本组成单元是特征(feature)与连接(connectivity)。产品的特征定义了产品的特性，有动态特性和静态特性。静态特性即属性，动态特性也可称为方法、操作或服务。产品大部分可以经装配形成新的复合产品，即可装配的子件。因此，在产品模型中必须描述产品之间的可装配性，即连接。
过程模型由过程对象构成，且具有过程的输入与输出、过程任务、过程资源和过程事件的特性。过程作用于产品及资源对象之上。通过过程实现对象的转变，而输出则体现了转换的结果。过程任务表述过程所执行的一些活动，这些活动或按顺序依次执行或并行发生，取决于过程管理及系统的并行控制。在过程的执行中，使用的资源对象包括机床工具、传输系统、人力资源、CAD等IT应用系统。通常，过程导致事件的发生，事件又为其它过程提供执行的前提。
(2)产品模型与过程模型的分解 产品与过程都是复杂的对象，通常处理复杂对象的方法是将其分解。产品可以分解成一系列具有可相互装配性的子产品，产品对象具有以下两类特点：①组合特征，即可分解产品对象具有其所分解的产品对象的各项特征；②自然特征，即此特征不为任何其所分解的产品对象所拥有，是产品组合时自然产生的特性。为了确保组合产品之间具有良好的组合性，则必须事先对其接口进行定义。
与产品模型的分解相类似，一个复杂的过程也是由一系列相关联的子过程组成。所有子过程完成任务的总和即为复杂的父任务。父过程所涉及的任务至少应为一个子过程执行，同时子过程可涉及到一些在父过程中为不可见的对象，执行顺序由其之间的关系所定义，优先级高的子过程先执行，然后顺次执行。
(3)模块化与生命周期 模块化是对产品与过程建模的重要需求，确保模型被修改及扩充，而不至于在集成上引起问题。模块化与模型的分解紧密相关。对产品及过程建模的另外一个需求是支持产品及过程的生命周期，也可理解为以时间为横坐标的一维过程，但必须将实际过程的生命周期与过程的信息相区分。关于产品及过程的信息，通常在实际的产品及过程执行之前就已存在，且有自己的生命周期。在产品生命周期中，需求说明、设计工艺、实现三类信息可以修改。
(4)产品与过程建模阶段的划分 参照信息建模的方法，将产品与过程模型的建立分为四个阶段，且每个阶段又有相应的结果与其相对应，如图2所示。
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3 设计制造一体化系统集成
并行工程的计算机自动化系统通常包括应用集成框架、集成平台及工程应用三部分。按照上面的分析，在设计制造一体化系统总体集成方案中，设计开发了设计制造群支持系统(Design Manufacturing Group Integration Support System，DMGISS)，总体结构见图3。DMGISS是使设计制造一体化的过程、功能、信息进行集成的系统，它应支持各设计制造等群组分布式合作、协调工作。因此，DMGISS应具有计划、调度、分配工作任务的指挥功能；具有控制管理各类方法、工具集成使用的资源控制和使过程优化的控制功能；具有群组之间、个人与个人之间通信服务的功能。
3.1 集团群指挥、控制、通信系统
集团群指挥、控制、通信(Integrated Group Command, Control and Communication,IGC3)系统是实现先进设计制造一体化的系统集成工具，是DMGISS的框架与方法集成的核心。IGC3研究内容包括：集成方法/模型/接口(Method Model Group Interface,MMGI)、群工作网络通信(Network Communication Integrated Work Group,NCIWG)、工作过程管理(Work Process Management,WPM)、集成过程质量管理 (Integrated Process Quality Management,IPQM)。
地理上分布的协同者需要交流大量的文本、图形,甚至声音、图像信息。为保证协同工作的顺利实施，需要提供强有力的群工作通信环境。NCIWG模块的研究内容包括网络配置、网络管理、异步同步通信工具及意见交流的相关协议等方面。
为了有效地组织管理合作者的活动，需采用合适的工具、方法，寻求最佳过程方案，以增大合作者间的协同度，加强活动间的并行度，达到缩短产品开发时间的目的。WPM模块的研究内容包括过程建模、仿真优化、过程监控、资源管理以及消息发送管理等。
3.2 群设计制造工程GDME系统
整个工程系统是在满足产品规范要求下，完成产品的功能性设计和制造，以及对集成产品数据模型(Integrated Product Date Model. Application Integration Construction，IPDM.AIC)的建立与管理。此功能模块建立在集团群指挥、控制、通信IGC3的框架之上，在IGC3内集成有完成产品设计及制造所必需的工具。GDME的主要研究内容包括集成产品数据模型的建立、基于STEP/AP214的CAD/CAM/CAE集成、DFx技术及基于约束的参数化特征建模、基于产品设计制造知识的专家系统、CAPP及加工仿真技术等。
3.3 产品数据管理BEE.PDM系统
BEE产品数据管理(BEE.Product Data Management, BEE.PDM，BEE是北航720所产品数据管理类软件总名称)是对产品结构数据的配置管理，又包括BEE数据存取接口 (BEE. Date Access Interface，BEE.DAI)、产品数据库与管理(Product Date base & Management，PDB&M)、工程数据库与管理(Engineering Date base & Management，EDB&M)三个模块。PDB&M管理与产品有关的信息；EDB&M则管理产品定义信息以外的其它设计制造一体化过程所需的数据,此模块用于支持那些在地理上分布的平台及异构应用，使一体化环境下多个开发小组能够实现并行工作；BEE.DAI按照STEP/Part22的EXPRESS数据模式，使各应用小组间具有统一的数据存取界面。
4 结论
90年代以来，愈来愈激烈的市场竞争对企业的生存与发展提出了新的要求。依靠信息技术，现代设计制造一体化系统正在逐步发展为技术形态统一、单一的整体集成系统。对设计制造一体化技术与方法进行深入的研究，继而在分布式知识处理的基础之上实现系统整体的控制与优化，最终实现制造系统的智能化是企业追求的目标。本文针对实现设计制造一体化的集成CIM环境需求进行初步的分析，并重点围绕方法学进行深入的讨论，提出的设计制造群支持系统DMGISS总体结构，已在航空发动机设计制造过程中得到验证。
