面向机床工程一致性的PLM架构框架研究

《Proceedings of the Design Society》：Proposing a PLM architecture framework for consistency in the engineering of machine tools

　　

摘要：机械工程领域制造企业在构建信息物理系统集群（Cyber-Physical Systems of Systems, CPSoS）时，在维护产品相关数据与流程一致性方面面临日益严峻的挑战。研究人员提出了一种产品生命周期管理架构框架（PLM Architecture Framework），该框架沿经适应性调整的DevOps生命周期，融合产品生命周期管理（PLM）与企业架构（EA）的相关理念，可在工程与业务域之间实现一致性与透明性。机床工程领域的案例研究显示，该框架具有提升数据可追溯性、利益相关者一致性及跨代数字连续性的潜力。

该论文发表于《Proceedings of the Design Society》。

制造业正由单一设备销售转向机械与服务融合的全生命周期客户解决方案，钣金机床领域表现为网络化多机床环境、远程操作支持与按件付费等模式。这些方案作为信息物理系统集群（Cyber-Physical Systems of Systems, CPSoS）以受DevOps启发的迭代方式开发，对方法、流程、数据管理与IT系统提出更高要求。当前两大一致性挑战凸显：产品相关数据在全生命周期的可追溯与连贯，以及数据与业务战略、流程及应用景观的对齐。产品生命周期管理（Product Lifecycle Management, PLM）通过数字主线维护生命周期工件的可追溯、复用和一致性；企业架构（Enterprise Architecture, EA）通过原则与模型对齐业务目标、流程、应用和技术。然而现有研究多将PLM与EA孤立或仅覆盖局部，导致工业实践存在数据碎片化、工具链异构、透明度不足等问题，并在CPSoS短周期与长生命周期、跨代工件复用矛盾中被放大。

为此，本研究开发了面向机床工程的PLM架构框架，以同时解决数据全生命周期一致性与PLM—业务/IT对齐两大挑战。该成果发表于《Proceedings of the Design Society》。研究遵循设计研究方法论（Design Research Methodology, DRM）：通过描述性研究一，对15位流程负责人、PLM/产品/产品组合/软件组合架构师及首席技术官（CTO）进行半结构化专家访谈，并使用MAXQDA开展质性内容分析，归纳出PLM架构需求、利益相关者痛点及表征前提、框架目的、架构域三个需求子类别，同时借助人格角色法（persona）构建了Anna Architect、Ian IT Infrastructure、Clara Coordinator、Dorian Developer四类角色；进而通过规定性研究将需求映射到The Open Group Architecture Framework（TOGAF）的四个核心架构域，新增覆盖DevOps生命周期的价值流域，形成多PLM架构视图框架，并在需求工程案例中进行实施与评价。

本研究采用的关键技术方法包括：设计研究方法论（DRM）；15人次半结构化专家访谈与MAXQDA质性内容分析；人格角色法（persona）角色建模；基于TOGAF核心域映射并新增DevOps价值流域；迭代共创工作坊；以钣金机床模块化机器人平台为试点的需求工程案例研究；以及PLM架构视图构建。

研究结果包括四项。

“访谈研究与角色创建方法”识别了利益相关者的共享及角色特定期望，建立四类人格角色，并将需求聚为三个子类别。

“两个人物画像与三个需求子类别”显示：Clara Coordinator视框架为覆盖DevOps价值流、与业务战略对齐的沟通工具；Dorian Developer关注特定区段元素及关系的细化表示；Ian IT Infrastructure需业务—过程层面的价值流概览以配置IT基础设施、应用与接口；Anna Architect要求框架直观、一致且可维护地描述开发元素及连接。

“PLM架构框架的初始概念设计方法”以TOGAF业务、数据、应用、技术四域为基线，新增价值流域覆盖DevOps生命周期，经工作坊迭代共创形成可操作框架。

“需求工程案例研究中的框架实施”以模块化机器人平台试点项目为背景，围绕需求管理（Requirements Management, RM）应用定位、跨项目一致RM的元素与关系、需求工程（Requirements Engineering, RE）流程与协作三个核心问题构建PLM架构视图，整合价值流、业务、应用、信息与数据、连接性五域：以DevOps“Plan”阶段为主线，业务域展示试点项目与客户解决方案、工程项目及外部伙伴的关系；应用域包含RM应用与Excel及所处理数据；信息与数据域揭示利益相关者需求（Stakeholder Requirements, SR）与技术需求（Technical Requirements, TR）的n:m派生、可追溯链及来源/目标/状态标签；连接性域描述应用接口与跨项目数据关系。视图还连接后续“Code & Design”阶段，并承载含八步骤的RE流程，明确内外部责任与交接，使隐性RM流程、角色、工具和数据连接显性化、一致化，提升了项目间及与外部伙伴的对齐，并支持工具配置与推广决策。

讨论指出，该框架将EA原则嵌入PLM场景，沿DevOps生命周期实现产品相关数据的一致透明管理，并将工程域与业务战略、目标、流程及应用景观对齐，为机床开发数字主线提供可追溯与数据一致性的骨干。其适用性不仅限于钣金机床企业，验证后也可推广至复杂CPSoS制造企业。但本研究仅在“Plan”阶段完成单案例验证，通用性受限；且未采用ArchiMate或UML等标准符号，可能影响解释一致性和可移植性。未来将扩展更多PLM架构视图，制定建模指南、角色与轻量流程，并与现有PLM、基于模型的系统工程（Model-based Systems Engineering, MBSE）及EA实践集成。长期挑战是跨代工程工件的一致性管理，虚拟单一底层元模型/模型（Virtual Single Underlying Metamodel/Model, V-SUM）通过元模型间一致性关系协调工程数据与工件，可在无中央单体模型的情况下实现跨代持久数字主线。

研究结论译文：本研究提出的PLM架构框架将企业架构（EA）原则融入PLM相关语境，沿经适应性调整的DevOps生命周期实现产品相关数据的一致与透明管理。它使工程域与业务战略、目标、流程及应用景观对齐，支持机床开发数字主线的实现，作为全生命周期可追溯性与数据一致性的骨干。该框架不仅适用于钣金机床领域，经进一步验证后亦可更普遍地应用于制造复杂信息物理系统集群（CPSoS）的企业。