汪星刚，盛步云，萧 筝

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

铁路电气行业中三维CAD资源的标准化管理

汪星刚，盛步云，萧 筝

(武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

为解决三维CAD资源管理混乱、效率低下的问题，提出一种基于用户的三维CAD资源标准化管理方法，即材料系列、材料代码和标准化管理原则。然后在此基础上，研究了一种由三维CAD资源分类、物料族和物料编码标识等综合而成的标准化管理。该标准化管理方法能有效地提高三维CAD资源管理的效率。最后，结合铁路电气企业三维CAD资源标准化管理的业务，研发了一款基于用户的三维CAD资源标准化管理平台系统，并对系统的体系结构与功能结构进行了研究。

ERP；PDM；三维CAD资源；标准化管理；物料编码

当前铁路电气行业水平关系着国家经济命脉，是国家实力的重要体现。我国铁路电气行业正处于转型的关键时期，实现制造业从生产型向服务型转变，是我国面临的重大的战略问题之一[1]。解决该问题的关键是如何合理地分配和共享铁路电气行业企业资源，避免过度的投资建设及盲目的产能过剩。铁路电气企业资源管理是一项综合规划配置，其在配置、利用、发展过程中加强企业资源的合理组织、计划、协调、监控和管理[2]。目前，随着企业信息化的不断发展，各种优质计算机软件平台不断涌现，如企业资源计划(ERP)、供应链关系管理(SCM)、产品数据管理(PDM)、电子商务(E-COMMERCE)等。特别是PDM和ERP，是企业资源管理中最重要的两大软件平台，对铁路电气行业的发展起到了举足轻重的作用。

随着CAD、CAM、CAPP等技术的逐步应用，各种软件的信息不共享互换造成信息孤岛现象[3]。产品数据的信息化管理，将成为铁路电气行业企业资源管理的热点之一。PDM技术是以数据管理为基础，将平台集成CAD、CAM、CAPP软件的接口，使其不同的信息化管理系统有机融合，实现了信息的实时共享和信息沟通需求[4]。该技术从根本上规避各应用程序独立运行产生的数据，加强各个软件共用数据库的使用，可以消除数据孤岛和系统孤岛。ERP是建立在信息技术的基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台[5]。在成本控制上，ERP系统可以对原材料成本、人工与机器实际消费等信息进行采集，再对配置管理提供生产配置模块，根据客户的特殊需求选择相应的模块，并及时生成相应的BOM表，以便引导生产规划人员建立合理的生产采购计划[6]。同时，ERP也能引导车间生产人员进行产品装配，并通过搜索与匹配相关尺寸的积压存货，来提高企业的库存周转率。然而，PDM系统也借助权限管理、流程管理等功能规范了企业的管理制度，保证了用户对文档进行数据冗余，提高了产品设计生产效率，规范了信息的管理，企业流程也得以顺利进行[7]。

笔者重点研究铁路电气行业中三维CAD资源的标准化管理。首先，根据三维CAD资源的分类，标识三维CAD资源，实现对三维CAD资源进行概念界定；其次，通过建立三维CAD资源标识，对材料系列、材料代码和标准化管理原则的三维CAD资源进行标准化管理，实现标准化管理平台的标准化；最后，结合铁路电气企业三维CAD资源标准化管理的业务，研发了一款基于用户的三维CAD资源标准化管理平台系统，并对系统的体系结构与功能结构进行了研究。

1 三维CAD资源的概念界定

根据对铁路电气行业的调查研究，发现三维CAD资源主要包括由三维CAD模型和材料属性构成的零件、组合体和产品，而这正是物料族的组成要素。因此，三维CAD资源是指在结构或者功能上有相同属性的零件、组合体和产品。然而，现在企业内部三维CAD资源混乱，缺乏有序的管理，导致基于现有三维CAD资源的设计重用技术仍处于经验依赖层面[8]。因此，铁路电气企业要实现三维CAD资源的标准化管理，首先就应该对其进行分类，然后确定其一致性，最后将三维CAD资源的标准化管理实现信息的共享。这样，企业不仅可根据物料分类快速索引所需的物料，还可明确物料编码的标准。

1.1 三维CAD资源分类

从结构角度来看，三维CAD资源物料族可分为物料类属性与物料相似族两部分，可以用层次分明的树状结构进行表述，如图1所示。一般来说，类属族则是由具有功能或结构描述性的族成员组成，是位于族的上层。相似族则位于族的最低层，已不能继续往下分级。

图1 物料族分层结构示意图

1.2 三维CAD资源标识

三维CAD资源的标识是指铁路电气企业对物料代码的标识，物料代码编制流程如图2所示。三维CAD资源标识，一方面可以根据物料代码在三维CAD资源平台搜索所需物料；另一方面可以根据物料代码在企业ERP中查询物料的属性标志。因此，铁路电气企业将按照唯一性、系统性、简约性、扩展性和时效性等原则进行编制物料代码。

图2 物料代码编制流程图

2 建立物料族编码

企业存储的产品类型名称和其相对应的代码如表1所示。实际上，编码系统需要按照编码代号的位数关系及层级关系显示其所有的产品结构关系。因此，物料族可以由物料族编码转换矩阵进行编码。

表1 产品与对应的编码数据表

物料族编码的转换过程具体如下：

(1)将表1中的编码代号作为模型对象，将编码数据整合成矩阵形式，在空位中通过添加0来补充，由此可以得出矩阵M：

矩阵M经行变换后可得M′:

(2)将矩阵M′按照“阶梯式”进行分割，可得到如下3个矩阵：

(3)该编码的产品层结构关系矩阵为：

A1=4

A2=5

经过整理得出该编码的产品层结构关系如图3所示。物料族成员的产生过程如图4所示。

图3 产品层结构关系图

图4 物料族成员产生过程图

3 标准化管理原则

以企业经营者的实际需求与产品开发为起点，三维CAD资源标准化管理应满足以下原则：

(1)实用性和先进性。企业三维CAD资源管理应与实际需要相结合，注重实用性和有效性原则。以研究和开发主流产品和组件为载体，将三维模型和产品设计相关的产品数据分类并入库，提高内部三维CAD资源共享级别[9]。在此基础上，将先进的技术应用到三维CAD资源管理平台的构建中。目前三维CAD设计平台发展快速，技术更新快，为适应这种情况，企业必须确保基于三维CAD软件的资源平台上的各种经验与知识能够在相当长的一段时间内满足企业实际需要。

(2)开放性和可拓展性。为了适应不断变化的业务需求，三维CAD资源库必须具有良好的开放性和可扩展性，以满足应用的扩展。随着业务范围的扩大和管理模式的变化，三维CAD资源库应该可以轻松地添加新产品的三维CAD资源，从而提高三维CAD资源库的利用率。

(3)高可靠性和可伸缩性。实际企业的三维CAD资源库应该确保连续运行的高可靠性和高顺畅性。因此这需要使用高性能并且值得信赖的技术装备。企业三维CAD资源库应充分考虑设备的冗余和容错能力，使资源库在运行出现问题的情况下能够快速恢复到正常状态。

(4)兼容性和经济性。所谓兼容性，就是尽最大可能确保企业现有软、硬件资源可以被利用，使企业现有应用能够进行升级更新与相互连接，以确保其能在各种计算机系统中使用，包括互联网小型计算机、工作站、服务器等设备，充分利用现有的计算机资源，发挥三维CAD资源和数据集成的丰富性[10]。所谓经济性就是充分利用现有资源，最大限度地减少在三维CAD资源管理方面的总体投资，主要体现在以下两个方面：①充分利用企业已有资源，尽量避免已有资源被重新开发的现象；②对三维CAD资源平台的开发应坚持边开发边使用的原则，这样能够降低一次投入过大的成本风险。

(5)安全性和可管理性。安全性和可管理性则是指企业三维CAD资源库采用先进技术，可有效防止外部非法入侵、访问、信息窃取、破坏系统和病毒感染。为解决三维CAD资源库内部等级权限管理的问题，对职权的使用进行严格要求，以防止对研发成果的盗窃和违规操作。同时，三维CAD资源库必须易于管理。整个系统的水平和功能清晰，易于统一管理、监控、维护和跟踪、诊断及故障排除。明确后台管理人员的岗位职责，增强责任感和忠诚度，为三维CAD资源库的正常运转提供足够的保护，并通过各种培训方式提高开发人员使用该平台用以缩短研发周期的能力。

4 应用实现

4.1 案例背景

以某铁路电气的标准化管理平台为研究对象，重点研究了三维CAD资源标准化时对业务的指导。在对三维CAD资源标准化管理进行研究的过程中，引入了集成接口，即在保证三维CAD资源管理的前提下，通过对集成接口API函数的调用进行信息统一化与共享化的方法来实现上述目标。该标准化管理方法，通过对三维CAD资源分类与三维CAD资源标识，同时制定了一套能对铁路电气企业三维CAD资源进行标准化管理的原则，降低了数字鸿沟问题所带来的信息孤岛现象。在上述研究的基础上，研发一种基于铁路电气行业的三维CAD资源的标准化管理平台，对三维CAD模型与二维图纸等企业内部数据资源进行收集与分类，为企业实现标准件模型调用与参数驱动下的零件建模提供基础与支撑。标准化管理实现界面如图5所示。

图5 标准化管理实现界面

4.2 标准化管理平台

基于用户的标准化管理平台是用户的三维CAD资源标准化管理的具体应用。依据内外API函数集成的运作模型和特点，构建基于用户的标准化管理平台，如图6所示。该标准化管理平台主要分为4个层次：用户层、功能层、数据层和网络层。该标准化管理平台的作用：①概括三维CAD资源标准化管理平台系统的构成，描述各个部分的功能、目的与特点；②阐述三维CAD资源标准化管理过程中各个组成层次之间的关系，从而确保标准化管理有效执行和完成。

图6 标准化管理平台的体系结构

(1)用户层。该层直接面向用户，为企业三维CAD资源的应用提供一种有效的支持手段。其中普通用户系统的使用对象没有权限限制，只要企业员工个人电脑上安装有专用客户端软件均可访问该资源平台[11]，经常使用该平台的包括结构工程师、电气工程师、项目负责人、采购人员及车间工人等。

(2)功能层。三维CAD资源平台提供的主要功能有三维CAD模型快速构建与提取、BOM表自动生成与物料信息查询等。而且平台基于并行工程思想，提供不同的接口，实现了与企业ERP、PDM和CAD的集成[12]。其中，ERP系统本身是以供应链自动化管理为指导思想而被开发的，包含采购、生产、销售、财务及人力资源等多个功能模块，而且其背后有数据量庞大的SQLServer数据库的支撑。

(3)数据层。主要用来在后台存储全息三维CAD模型的各种信息，包括模型库(包含标准件库的固化三维模型、二维工程图与参数化设计工具的基础模型)与数据库(包括标准件库的数据库与参数化设计工具的数据库)等。这些信息以数据库与文件夹等形式存放在计算机硬盘上。以设计人员为例，说明整个平台的数据流向：首先，企业设计人员根据客户订单或市场需求，利用三维CAD资源平台查询物料信息；其次，后台程序与上述各个信息库建立连接以响应用户需求；最后，设计人员在三维CAD虚拟环境中完成产品设计后，可将模型存放于PDM中，同时平台可自动生成产品BOM表。

(4)网络层。基于CS结构的三维CAD资源平台在企业内部局域网环境中使用，保护了数据安全与平台升级的权利。同时，通过通讯手段将客户端与服务器端进行了连接，为平台的使用奠定了基础，并支持多个Windows系统。

5 结论

铁路电气行业的三维CAD资源管理依赖于设计工程师通过人工复制进行共享，忽略了三维CAD资源的分类，从而导致了三维模型格式的不一致、模型材料基本性质编码的不规范等问题。与传统的三维CAD资源标准化管理做法相比，笔者建立了一种基于用户的三维CAD资源的标准化管理平台，其不仅能提高企业内部的三维CAD资源共享水平，还可以保证企业内部三维CAD模型格式与API函数的一致性。此外，其也将促进产品开发和管理的规范化、标准化和数字化。

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WANG Xinggang:Lect.; School of Mechanical Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

Standardized Management of 3D CAD Resources in Railway Electrical Industry

WANGXinggang,SHENGBuyun,XIAOZheng

In order to solve the problem of confusion and inefficiency of 3D CAD resource management, a three-dimensional CAD resource standardization management method based on user is proposed, namely material series, material code and standardized management principle. On this basis, it has introduced a standardized management which is composed of three-dimensional CAD resource classification, material family and material coding identification. The standardized management method can improve the efficiency of 3D CAD resource management effectively . Finally, combined with the business management of 3D CAD resource standardization in electric railway enterprise, a user-based 3D CAD resource standardization management platform system was put forward, and the system architecture and functional structure of the system were studied.

enterprise resource planning; product data management; 3D CAD resources; standardized management; material coding

2095-3852(2017)04-0488-05

A

2017-02-04.

汪星刚(1978-)，男，湖北襄阳人，武汉理工大学机电工程学院讲师，主要研究方向为数字制造、企业信息化等.

湖北省科技支撑计划基金项目(2015BAA058)；湖北省自然科学基金项目(2015CFA115).

TP391;TH166

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.04.022