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本章解释了 PDM 从 PLM 到 SysLM 的演进发展。自 1985 年以来，企业业务一直在发生变化。最初，2D M-CAD 是焦点；后来，2D M-CAD 成为人们关注的焦点，然而，3D M-CAD 系统的数据管理复杂性急剧增加；机电一体化产品的快速增长以及用户和提供商将 PDM 应用扩展到开发和建设核心领域之外的愿望（→ PLM）引发了下一个重大变革步骤。物联网、IOS以及由此产生的信息电子和信息物理产品和系统的全球化跨学科发展永久性地增加了产品上的软件和电子部件，增加了对公司内部和外部协作以及并行开发的跨学科工程流程和方法的要求。这（→ MBSE、[MBSE 基于模型的系统工程] 系统思维、数字线程和数字孪生）近年来导致了 PLM 方法向系统生命周期管理的扩展（→ SysLM）。

为了能够了解当前PLM和SysLM软件解决方案的结构、功能和应用领域，有必要了解它们的开发过程。图 2.1简要概述了 PDM 的演变，产品生命周期管理系统PLM 1980 年至 2020 年期间。这种背景表明 PLM 解决方案的演变是由 CAD 的各种目标形成的，物料需求计划、独立提供商。虽然 CAD 和 MRP 软件解决方案最初在 1975 年至 1985 年间相互独立开发，但在 20 世纪 90 年代，PLM 思想源于两个系统世界的连接。

图2.1

当然，PDM、PLM和SysLM的各个阶段之间并没有系统突破，而是演进和持续的发展。

2.1文档管理系统（DMS）

20世纪80年代初，M-CAD和E-CAD系统的发展不断加快，例如美国公司Unigraphics，后来分阶段并入SIEMENS PLM。产品数据管理是 1980 年至 1985 年间在不同名称的公司内部开发的，例如美国汽车公司和罗克韦尔国际公司，吉普大切诺基被认为是首批通过产品数据管理系统进行管理的产品之一。与此同时，第一个文档管理系统 (DMS) 也已经上市，这些可以管理图纸以及在图形工作站上可视化和绘制它们，为此，传统创建的绘图被转移到 TIFF扫描格式，使用 CAD 系统创建的图形也可以直接保存为这种格式。在当时，这是向前迈出的一大步，因为当时 CAD 图纸是绘制出来的，手动签名，然后存储在图纸档案中。手动创建的图纸通过缩微胶片卡进行管理，并通过阅读设备进行可视化。

重要的应用功能是图纸管理，有时已经通过简单的项目管理系统进行了扩展，以简化对文档的访问。该解决方案的优势在于，当时手动创建的绘图和 2D CAD 文档可以在全公司范围内以 TIFF 格式一起保存和可视化，集成功能非常基本，IT系统创建的文档通常是手动签入的，服务功能已经基本完成并包含，例如，可视化应用程序、访问管理、“电子文件柜”（→保险库）、用于安全文件处理的归档和备份。

2.2产品数据管理（PDM）

^{1985年，作者和两位同事创立了脚注7全球第一家进行产品数据管理的公司（EIGNER + PARTNER，后来的 EIGNER Inc.）。他们使用了术语“工程q1911}^{进行产品数据管理的公司（EIGNER + PARTNER，后来的 EIGNER Inc.）。他们使用了术语“工程数据库”(EDB}年，

1985年，全球第一家进行产品数据管理的公司创立（EIGNER + PARTNER，后来的 EIGNER Inc.）。他们使用了术语“工程数据库”(EDB) 。一年后，Sherpa 公司在美国成立。除了EDB之外，缩写EDM（即工程文档管理和工程数据管理）也得到了广泛的应用。一旦这些名称被广泛接受，缩写 PDM 就已经变得普遍。PDM 与 DMS 相比的完整功能范围如图 2.2所示。应用领域主要限于机械产品的开发和构造。

PDM 系统由三个基本模型组成：

产品模型，由技术主数据、产品结构（→ 物料清单）和文档组成，
流程模型，本质上包括开发和构建中的工程发布和变更管理（ERM/ECM）
有限配置模型，通过有效范围（→ 有效性）管理临时有效的产品和文档配置，对于在发生损坏时重新配置产品极为重要（→ ISO9001）。通常，仅使用日期（从→到）和修订或版本来定义众多选项中的配置。因此，公司范围的配置管理（CM）通常被排除在外。

1985 年至 1995 年间，德国和国际上开发了多种 PDM 系统：

表2.1显示了各国PDM系统的发展情况，左栏列出了系统提供商，右栏列出了系统及其更新。（不保证完整性）。

前四个系统来自德国，至今仍然存在，要么直接存在，要么通过其他提供商存在。有趣的是，SAP 作为 MRP 解决方案提供商也凭借自己的解决方案进入了 PDM 市场，但以其在 MRP 领域的市场份额来衡量，却取得了有限的成功。美国的Computervision系统、Hewlett Packard和MTI最初都是CAD提供商，所有系统后来都被关闭、接管或很快被淘汰。iMan 是一个例外，后来合并到 Teamcenter Engineering，现在又合并到 Teamcenter Unified Architecture (TC-UA)。这是一个非常不稳定的市场，其特点是大量接管。当时PDM的定义比较简单：

产品数据管理（PDM）：

PDM是对开发和构建中的产品和流程模型的管理，其目标是在开发和构建中创建清晰且可重复的产品配置。

当时PDM系统的典型用户界面如图 2.3所示。

典型的应用领域是管理 2D/3D M-CAD 数据，部分还包括 E-CAD 数据，假设 CAD 结构对应于工程，从 CAD 系统导出物料清单(E-BOM) 是一种 ERM/ECM，仅限于开发和构建，确定组件或产品的有效性以及将主数据和 BOM 传输到 MRP 的可能性有限。一些 PDM 系统的项目管理很简单，修改的各种处理方法零件主数据和 BOM 是 PDM 和 MRP 之间交互的典型。MRP 系统已经有至少 20 年的历史，并且基于当时的技术组织状态，因此零件和文档之间存在 1:1 分配（→ 制造图纸），并且通常零件和文档编号为完全相同的，只有文档可以有修订版或版本，PDM系统具有更加开放的数据模型，零件和文档之间的关系可以是n:m，零件和文档可以有自己的编号圈，并且两个元素都可以独立修改。此时MRP系统占主导地位，因此PDM系统的现代配置方法无法与MRP结合使用。九十年代，产品数据管理成为机械产品和零部件开发和制造领域公认的软件解决方案。最近，随着三维 CAD 模型作为产品开发基本要素的使用不断增加，工程数据的管理变得非常必要。即使在小公司中，手动存储在硬盘驱动器上的自定义目录中也不再有效。三维建模的复杂性以及由此衍生的数据模型显然是实施 PDM 的驱动力。

2.3产品生命周期管理（PLM）

传统上，更多面向 M-CAD 的 PDM 方法在竞争日益激烈的环境中失败了，在这种环境中，成功的公司更快、更便宜地开发了创新产品，并且在产品定义的所有阶段都得到了分散的、内部和外部公司沟通的出色支持。没有明确的计划和项目管理以及公司不同组织单位和部门的工程师合作的功能协助和/或供应商/客户关系中的公司的系统无法提供这种支持。分布式开发、生产和维护/服务成为现代公司的标准，与客户的集成和信息交换也是如此。市场需要对价值链（→供应链流程）和整个产品生命周期的支持。PDM 提供商在 20 世纪 90 年代末几乎一夜之间就做出了反应。一个新术语——产品生命周期管理（PLM）诞生了。有趣的是，最初，提供商和系统保持不变。当 PDM 实际上成为“最先进的技术”时，客户方面也越来越有兴趣使用来自价值链其他领域的数据，而供应商方面，对于工程以外的其他学科和其他部门的新应用程序的兴趣也越来越大。如果可以通过中央数据管理获得模型，为什么营销、客户、供应商、流程规划和装配部门不能使用这些模型呢？最初，这仅涉及机械构造的几何数据，其中仍然包含九十年代工业创新的重要组成部分。然而，3D 模型已不足以描述机电一体化产品的功能行为。因此，PLM 处于孤立的、特定于主题的 IT 应用程序之间的门槛，这些应用程序并不是为多学科协作而设计的。多年来，机电一体化的必要性不断增长。因此，PLM 系统越来越多地提供电子、软件和嵌入式软件的集成。当然，PLM 本身也不是为此而设计的，行业用户至今仍在为跨学科协作而苦苦挣扎，许多客户最初将更名更多地理解为一种营销举措，PDM 至少在拥有超过 1000 名员工的客户中广泛使用，而系统提供商只是想分得更大的一块蛋糕。

产品生命周期管理 (PLM)：

PLM 是全公司范围内的产品和流程相关数据的信息管理。它整合了整个产品生命周期的规划、管理和组织，是整个产品生命周期中所有数据、文档、资源和流程的整体管理所必需的（→ 单一事实来源 SSoT）。所有必须共同解决某些任务的人员，无论其所在位置和组织关联如何，都在系统中一起工作（→ 工程协作）。

CIMdata在2005年也以类似乐观的态度估计了PLM的应用范围（图 2.4）。

PLM 定义反映了分析师、大学研究和系统提供商的愿景。这种乐观的 PLM 营销声明与公司实际使用的应用领域的比较如图 2.5所示。

与PDM相比，PLM应该在整个产品生命周期中提供一致的产品和流程相关应用功能，并通过互联网将客户和供应商纳入其中。然而，一开始，现实的特点是工艺规划和生产方向的覆盖范围更加有限。早期的概念和操作阶段被完全省略，软件和电子学的跨学科融合，以及早期开发阶段（→ Modelica、Simulink）和实际几何相关构建阶段MBS，差价合约， …）发生得极其犹豫。这些应用程序——如果它们在实际操作中使用的话——更加分散和独立。

直到2008年为止的整个时期，^脚注12 PLM 系统自然地继续朝着其最初目标的方向发展，因此 AMR 的^{脚注1999 年 PLM 的13 号}定义朝着灵活、分布式应用环境的方向发展，使得能够在产品生命周期的整个阶段提供当前的技术产品信息，也越来越现实。AMR 对客户的调查显示了以下对使用 PLM 系统的愿望排名 [ 2 ]：

全公司范围内访问产品数据 (85%)，
产品生命周期管理（45%），
配置管理（35%），以及
财务节省 (20%)

出于这种考虑，AMR 衍生出了 PLM 的六种能力 [ 2 ]。前两个功能后来变得极其复杂，因为它们都是构成 PLM 核心的功能：产品数据管理 (PDM) 和工程协作，即使各种内部和外部公司合作伙伴能够协同工作的解决方案，即使在分布地点。接下来的两个是作为供应链支持和客户需求管理（CNM）接口的材料采购[ 13 ]。CNM 是 PLM 中一门有抱负的学科。它确保将客户需求和产品要求传达给生命周期中负责产品开发的每个人。CNM 应防止因误解和沟通故障而导致的设计错误和延误，同时提高生产力、效率和质量。CNM内部的另一个重要话题是售后和MRO支持。这四个关键功能尚未完成。随着时间的推移，一些供应商提供了流程规划，作为进一步的 PLM 构建块，开始接管 MRP 系统的功能。因此，PLM 解决方案摆脱了 PDM 系统严格的管理框架，并越来越多地提供管理支持 [ 4 ]。后一个功能对于将 PLM 从技术解决方案的利基市场中移除至关重要。这些扩展——建立在 PDM 基本功能之上——取自图 2.6。保管库、归档、I/O 管理、查看/圈红、工作流程和复制等服务功能与 PDM 系统基本相同。

与图2.2更相似的进一步功能和服务描述取自图 2.7。标准市场 PLM 系统的最大通用乘数被用作总结功能的基础。括号中的功能在 PLM 初期不太明显。联合包括将自治应用系统集成到异构 IT 应用架构中的方法、流程和 IT 工具。从方法上讲，它应该基于链接数据，从技术上讲，它应该基于 REST。但在 90 年代，典型的集成技术是基于应用程序编程接口 (API) 的。

图2.7

当然，随着时间的推移，我们也或多或少地减少了 PLM 解决方案的初始缺陷。我们正在谈论的 PLM 成熟过程大约需要十年以上的时间，但我们仍然可以确定与最初目标的差异。这种差异有四个原因：

管理层和用户缺乏实施这一整体 PLM 概念的准备。PLM 跨越多个公司组织单位，由于战略相关性未被认识到，因此并未达到 C 级（→ CEO、CTO、CIO、CFO）。PLM 没有全公司范围的负责人，而是通常设在部门级别。由于MRP部分的主导地位强于工程应用的MRP系统的技术性能能力，许多PLM项目也陷入了僵局。结果是批准/审查和配置管理中出现冗余、重叠或不完整、不一致的解决方案。
一些PLM系统在新应用领域的功能不完整是显而易见的。功能性利基市场中总有一些供应商提供了比 PLM 供应商更好但更难实施的部分解决方案。例如，这适用于需求和项目管理、计划和项目组合管理、模拟管理、流程规划和售后功能等应用程序。因此，用户必须不断在“最佳品种”和“最佳集成”之间做出选择。
许多 PLM 提供商向客户承诺 OOTB^脚注16解决方案以及类似汽车销售的 PLM 实施。这一说法普遍令人怀疑，并彻底唤醒了公司的错误期望。PLM 不涉及 OOTB 系统，也不是单个应用程序，而是更多的解决方案策略，它与多个 IT 系统部分集成，因此 PLM 系统通常必须进行大量调整（→ 配置/定制^脚注17）作为整合核。
由于每个 PLM 实施通常都需要相对大量的工作来配置和/或定制系统（因为 OOTB 是不现实的），而且由于技术过时，系统也没有进一步扩展这一点（→ 适应不是交互式的，PLM 数据之间没有同步）模型和用户界面）。更糟糕的是，定制必须为每次交付重新调整新版本的 PLM 基础系统，这意味着大约初始定制的 20-30%。

理论上，所有 PLM 提供商都同意适合上述要求的数据模型应该是什么样子。每个 PLM 提供商的战略幻灯片集中都有如图 2.8所示的幻灯片。

应用程序生命周期管理 (ALM)，用于需求管理、复杂机电系统的系统架构开发以及软件开发（→ IBM Jazz、Integrity、Polarion、codeBeamer 等）。
基于SysML的跨学科系统架构。^脚注18这种跨学科的示意性产品描述部分是作为 ALM 的组件开发的，部分是独立开发的（→ Cameo、企业架构师、Rhapsody）。市场上也有开源解决方案（→Modelio、Papyrus）。
模拟 PDM^脚注19 (SimPDM) 用于模拟的编排和结果文档（→ Comet、PDTec、Simworx）。
支持售后和 MRO 的服务生命周期管理 (SLM)^{脚注20 个}流程（→ Enterprise、Servigistics……）。

当然还有MRP和MES随着生产和物流的标准系统以及与 PLM 的重叠部分被预先编程，继续发挥着重要作用。所以，实际上，图 2.8中可爱的理论模型看起来更像是一个重叠且竞争性的拼凑被子，其中许多软件解决方案和其他软件解决方案（例如创作系统级别的软件解决方案）后来被 PLM 提供商购买，并且或多或少半心半意地进行了集成，而不是在整个产品生命周期中实际引入有机的、网络化的整体数据模型。

^脚注随着生产和物流的标准系统以及与 PLM 的重叠部分被预先编程，²¹继续发挥着重要作用。所以，实际上，图 2.8中可爱的理论模型看起来更像是一个重叠且竞争性的拼凑被子。其中许多软件解决方案和其他软件解决方案（例如创作系统级别的软件解决方案）后来被 PLM 提供商购买，并

在 PLM 系统不断发展的同时，供应商市场从 2000 年到 2008 年得到了整合，迄今为止与市场相关的国际 PLM 供应商有：

ARAS/Innovator（由美国EIGNER Inc.前员工于2001年创立），
Dassault /Enovia（收购了 SmarTeam 和 MatrixOne 等），
PTC/Windchill（收购了 Computervision、CoCreate 等），
SAP/SAP PLM
SIEMENS PLM/Teamcenter 统一架构（收购 SDRC 和 EDS 等）。

除此之外，还有主要在全国范围内运营的特定于国家/地区的提供商（→ Arena，联系方式、ProCAD、Propel，……）

2007/2008年金融危机期间，PLM市场崩溃，但随后在2010年至2012年间以10-15%的速度复苏。然而，2013年，PLM投资增长率减半至4.8%。这是市场饱和的结果，还是新技术和商业模式的结果，2014 年向 Engineering.com 询问？分析师认为，这三个原因共同导致了这一发展。很明显，PLM 已经繁荣了很多年；然而，它在功能上几乎没有改变，只有通过不完全整合的收购。与此同时，市场饱和，因为拥有超过 1000 名员工的公司普遍投资了 PLM，并且由于经济危机，拥有的许可证比用户多，并问自己收益和 TCO 是什么PLM系统。

2.4系统生命周期管理之路

特别是近段时间，客户需求因新的框架条件发生了巨大变化，进一步发展的需求更加强烈。其背景是IOT/IOS、系统思维、MBSE、工程协作、跨学科和人工智能 (AI)。此外，软件技术也得到了进一步发展。从这个意义上说，国家和国际信息通信技术早在 2004 年就开展了26 个研究项目（例如欧盟资助的 PROMISE 项目 2004-2008）。在这里，未来的 PLM 解决方案的构思和开发远远超出了标准市场 PLM 系统。来自运营阶段的传感器数据已集成到 PLM 中，从而可以在整个生命周期（包括单个产品的运营）中向各个员工提供这些信息。面向服务的业务模型范围内的闭环生命周期管理（CL2M）一词是为了信息循环的闭合而引入的[ 20 ]。进一步的工业研究项目涉及基于模型的系统工程、数字模型、数字孪生和数字线程（参见第 3.4节）以及产品的数字化（参见第 4.1节）和工程流程（见第 4.2节）。术语“工程 4.0”是所有这些主题的总称。然而，这些要求不仅是由学术方面推动的，早在 2015 年，它们就被纳入了大公司的战略规划中。图 2.9显示，工程 4.0 与大众公司的大多数战略目标相关（→ 标记为黄色）。

这也是 BMBF 协会项目 mecPro²的时期（图 2.10）。该项目的目的是使汽车制造公司能够通过合适的流程、方法和工具高效地开发赛博电子产品和生产系统。在 mecPro ²中，为此开发了构建方法和详细描述原理图（→ 配置文件）（参见第 3.6节）。设计方法中记录的跨学科设计过程详细描述了谁使用和生成什么信息以及以什么顺序。相反，描述系统地定义了该信息、其联系及其表示形式。

在 mecPro 2集成模型的开发过程中，人们认识到基于模型的开发过程比基于 SysML 语言的建模工具需要更多的东西。相反，产品生命周期的所有阶段和专业学科都必须在跨学科、基于模型的开发世界中持续转变。在项目运行过程中，一方面基于模型的产品和系统开发的接受度不断提高，另一方面，由于整个过程中创建和管理的信息的增加，对工程过程的要求也随之提高。例如，为了根据 EN ISO 10007 保证变更和配置管理范围内的可追溯性（→ 可追溯性），并根据 EN ISO 9001:2015 在整个产品生命周期中建立有效的质量管理或EFQM型号。作为产品和流程领域这些变化的战略组成部分，系统生命周期管理 (SysLM)构成了跨学科、持续数字化的产品生命周期 (PLC) 的骨架，代表了数字化产品、生产、服务和流程模型的基础跨越分布式地点和整个供应链。数字化意味着一个转型过程，它重新安排了分散且竞争激烈的 IT 解决方案世界的经典边界。工程骨干将接管产品生命周期阶段需求定义、系统架构、产品和系统开发、模拟、生产计划、生产和服务之间的数据和流程集成的角色[ 9 ]。当前的 PLM 架构和引入策略已经极其复杂，而赛博电子产品和系统的进一步增长将强化这一趋势。必须始终保证整个产品生命周期、学科和供应链的可追溯性，以便掌握和记录工程流程。该项目中引入了术语“系统生命周期管理”，作为 PLM 的扩展，作为下一个一致的发展阶中应该表示SysLM：

通过早期工程阶段的跨学科系统建模以及后期阶段对各种面向学科的流程的高水平支持，有效支持赛博电子产品、生产系统和面向服务的商业模式的开发（参见第 4.1节），
通过创建和进一步处理沿 PLC 相互连接的集成部分数字模型，实现基于模型的系统工程 (MBSE) 方法和流程的一致应用 [ 3 ]，
应通过创作系统、TDM 系统和主干层之间的智能功能分配，使垂直集成尽可能无冗余（参见第4.2.1节）。创作系统和 TDM 级别上的大多数遗留系统都通过基于 WEB 的现代链接技术进行集成（→ REST、RDF、链接数据等），
集成（→水平集成），因此通过机电一体化和赛博电子产品、生产系统和服务的工程过程的智能联网，从需求过程到系统架构、详细开发、模拟和生产规划，形成了透明度和敏捷性的先决条件，具体到各个部分模型的操作（参见第 4.2.2节），
通过数字线程保证数字可追溯性，整个 PLC 中所有信息元素的连接（参见第 3.4.2节），
通过新的、基于互联网的技术和架构（→WEB服务、微服务、链接数据、云服务），可以克服单一程序系统的长期有效的基础技术，
模型草案在某些PLC阶段通过虚拟仿真和物理测试进行验证和验证，
通过将 MRP 功能有效地转移到 PLM（→ M-BOM、MPP）和制造执行系统，数字孪生的引入、管理和同步为面向服务的业务模型的实施奠定了基础（参见第 3.4.1节）。

以下定义是根据列出的要求和影响因素以及研究项目的实际结果得出的：

系统生命周期管理（SysLM）：

SysLM 是跨学科的整体信息和流程管理，它通过系统建模的早期阶段扩展产品生命周期管理 (PLM)，考虑并集成包括服务在内的所有学科，以支持生产计划，从而形成通向生产的桥梁，以及延长产品运营的运营阶段。该概念基于产品、生产系统或面向服务的业务模型开发的整个产品生命周期中各种创作系统的智能直接和间接集成（→ 使用 TDM）。作为技术组织的支柱，系统生命周期管理解决方案负责导致产品生命周期各个阶段的部分模型的水平集成，并负责提供公司范围的工程流程（→ ECR、ECM、CM）。这些都可以得到AI的支持。这保证了清晰的可追溯性（→ 数字线程、数字孪生）。总之，SysLM 是基于模型的系统工程、工程流程数字化（→ 工程 4.0）以及基于数字孪生支持面向服务的业务模型的基础。

图 2.11显示了SysLM系统的典型功能，细分为应用程序、流程支持和服务。大多数这些功能都在 Sect 中介绍。4.2.2.2与工程过程的横向整合有关。

通过 SysLM 系统描述的工程流程基于跨 PLC 各个阶段的众多创作系统。这些流程必须包含不同的学科以及不同的地点和供应商，并且必须通过联合产品和流程主干中的合适 IT 架构进行连接。五个 IT 级别表示这些概念，这些概念被确定为从 VDA 开发的四级架构的扩展工作组：

创作系统，
时分复用系统，
SysLM作为工程骨干，
物料需求计划和
IOT/IOS企业服务平台。

这一多级 IT 架构的详细信息在第 2 节中进行了解释。不同级别的任务和功能分配各不相同。一方面，创作系统变得更加智能，并承担面向数据库的文档管理、版本控制和团队间协作的功能（→ OnShape）；另一方面，TDM系统也想从SysLM蛋糕中分得更大的一块。生产公司或服务提供商的新业务模式（例如，预测性维护或无线更新）需要嵌入操作，以便永久报告、评估操作数据并可视化到 IOT/IOS 企业服务平台（→ 数字化）和物理双胞胎、大数据分析）。

有趣的是，各种术语和定义同时发展。基于 SOA 的机电一体化平台 (mIP) 已于 2010 年推出，支持机电一体化系统的开发[。PLM 2.0（超越 PLM，Oleg Shilokovsky 2009）等方法， “双模式 PLM/IT”（Gartner 2016） “数字化 PLM”（埃森哲 2016 年）、全生命周期系统管理（TLCSM）（2017），莱昂内尔·格里卢（PLM 1.0至4.0图 2.12）和集成生命周期管理（ILM）[ 18 ]以与SysML类似的方式表明了下一个演进阶段的必要性。

图2.12

作为读者，您现在可能会想：“啊哈，就像 PLM 一样，又出现了很多愿景，但解决方案在哪里？”在2020年，你当然是对的，然而，愿景一直是工程师实现这一点的动力。我们正处于进一步进化阶段的开始，这个阶段将比之前的所有阶段更具破坏性。通过SysLM与新商业模式和运营数字化战略的紧密联系，SysLM将不仅仅让自己降低到纯粹的技术层面，作为此实施的一部分，参与人员、组织、业务和工程流程以及价值链都会受到影响。

深度解析! 从PDM到PLM再到SysLM

2.1文档管理系统（DMS）