適應(yīng)設(shè)備改造的維護BOM表動態(tài)生成技術(shù)研究

胡 浩，汪 崟，駱華武，李 鋒

HU Hao1,2, WANG Yin1, LUO Hua-wu3, LI Feng1

（1. 浙江理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，杭州 310018；2. 浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室，杭州 310027 3. 杭州娃哈哈集團有限公司，杭州 310018）

適應(yīng)設(shè)備改造的維護BOM表動態(tài)生成技術(shù)研究

The dynamic generating technique of maintenance bill of material adaptation for equipment adjustment

胡 浩1，2，汪 崟1，駱華武3，李 鋒1

HU Hao1,2, WANG Yin1, LUO Hua-wu3, LI Feng1

（1. 浙江理工大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，杭州 310018；2. 浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室，杭州 310027 3. 杭州娃哈哈集團有限公司，杭州 310018）

長壽命機械設(shè)備在使用者維護方式下會由于各種原因進行設(shè)備改造，設(shè)備改造會改變設(shè)備結(jié)構(gòu)進而影響到從設(shè)備結(jié)構(gòu)中派生出的維護BOM表。為了能夠適應(yīng)設(shè)備改造對維護BOM表帶來的各種調(diào)整與更改，本文提出了一種維護BOM表的動態(tài)生成技術(shù)。首先，將設(shè)備結(jié)構(gòu)形式化地定義為結(jié)構(gòu)樹，并定義其中的各種元素以及各種操作；然后每次設(shè)備改造被歸納為增加新模塊、去除舊模塊以及葉結(jié)點模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的更改3種基本情況的組合，每種情況都會對制造商提供的原始維護BOM表進行更改以生成新的維護BOM表，可以利用設(shè)備結(jié)構(gòu)樹上的操作將每種情況定義為一種基本算法，3種基本算法被組合成維護BOM表動態(tài)生成算法就能夠定義設(shè)備改造對維護BOM表造成所有可能的更改而生成新的維護BOM表。最后以碳酸制瓶機設(shè)備改造前后的維護BOM表的變化作為案例闡述了研究思路。

設(shè)備結(jié)構(gòu)樹；維護BOM表；設(shè)備改造；維護BOM表動態(tài)生成算法

0 引言

物料清單（Bill of Material，BOM）是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的描述性文件，其中包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系以及零部件模塊的基本屬性信息。維護BOM表（Maintenance Bill of Material，MBOM）是維修服務(wù)部門根據(jù)零部件的相關(guān)屬性信息，按具體維修要求從設(shè)備結(jié)構(gòu)中篩選出來的維護備用件清單。維護BOM表的信息結(jié)構(gòu)反映了維修生產(chǎn)的實際需求，提供了維修備用件物料編碼、備用件數(shù)量、單位、備用件庫存種類、采購周期等管理信息。

目前國內(nèi)有關(guān)的BOM的研究主要集中在PDM/ERP系統(tǒng)中BOM的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造算法以及BOM的管理系統(tǒng)研究上。其中學(xué)者郝廣科、何衛(wèi)平等[1]提出了PLM背景下的BOM多視圖映射技術(shù)，首先建立BOM結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，然后給出BOM結(jié)構(gòu)映射算法；學(xué)者項艷梅等[2]提出了基于BOM將產(chǎn)品設(shè)計視圖、產(chǎn)品工藝視圖以及制造視圖進行集成。學(xué)者張帥、孫樹棟等[3]基于大型裝備的裝配問題提出維護BOM建構(gòu)方法；學(xué)者倪現(xiàn)存，左洪福等提出基于PDM的民機航線維修BOM管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)方法[4]。

長壽命機械設(shè)備出廠之后的維護可以分成使用者維護(organizational maintenance)、中間層維護(intermediate maintenance)以及制造商維護(manufacturer maintenance)三種方式，在使用者維護方式下，假設(shè)設(shè)備出廠后制造商提供了設(shè)備結(jié)構(gòu)（圖紙或者CAD模型）信息以及維護備用件清單—原始維護BOM表，這是使用者維護的基礎(chǔ)。

使用者維護方式下的設(shè)備維護過程中，由于備件供應(yīng)、生產(chǎn)調(diào)整以及技術(shù)淘汰等各種原因，往往會經(jīng)歷零到數(shù)次的設(shè)備改造(equipment modification)，設(shè)備改造活動帶來了設(shè)備結(jié)構(gòu)的改變，而維護BOM表也需要重新生成。本文提出一種能夠適應(yīng)設(shè)備改造的維護BOM表的動態(tài)生成技術(shù)，能夠依據(jù)設(shè)備改造活動對于設(shè)備結(jié)構(gòu)的具體改變情況而修改原來維護BOM（制造商提供原始維護BOM表或者以前設(shè)備改造后的修改的維護BOM表）生成新的維護BOM表。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)樹的元素與操作

維護BOM有兩種形式，一種是設(shè)備結(jié)構(gòu)樹的形式，而另一種是從設(shè)備結(jié)構(gòu)樹中提取出的維修備用件的表格清單－維護BOM表，本文所研究的維護BOM表是多層BOM表，維護BOM表中的每行都是維護備用件的各種維護生產(chǎn)屬性信息[5]，為了實現(xiàn)適應(yīng)設(shè)備改造的維護BOM表的動態(tài)生成技術(shù)，首先需要根據(jù)維護生產(chǎn)需求定義設(shè)備結(jié)構(gòu)樹上的元素以及從設(shè)備結(jié)構(gòu)樹選擇備用件模塊插入維護BOM表的各種操作。

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)樹的數(shù)據(jù)對象與基本操作

設(shè)備結(jié)構(gòu)樹中各種元素與操作定義如下：

T（Tree）{

數(shù)據(jù)對象P：

設(shè)備結(jié)構(gòu)模塊P(Part)∈PS，PS(Parts Set)是設(shè)備結(jié)構(gòu)樹中所有結(jié)構(gòu)模塊的集合。

PS中的設(shè)備結(jié)構(gòu)模塊分為兩類：Ⅰ、維護模塊（Maintenance Part，MP）：在設(shè)備維修中需要進行維護保養(yǎng)的模塊，設(shè)備結(jié)構(gòu)樹根節(jié)點（整機）是維護模塊；Ⅱ、非維護模塊：在設(shè)備結(jié)構(gòu)樹中除了維護模塊以外的其余結(jié)點都是非維護模塊。

維護模塊還可以分為兩類：Ⅰ、最小維護模塊(indivisibility maintenance part ，IMP)：是指在維修生產(chǎn)中，作為模塊修理更換、備件庫存或者采購的不可分割的維護單元即維護備用件，維護BOM表中的維護備用件都是最小維護模塊[6]；Ⅱ、非最小維護模塊：維護模塊中除了最小維護模塊之外都是非最小維護模塊。

基本操作O：

IsMP(&T,&p); 初始條件：樹T存在，p是樹中某個結(jié)點。操作結(jié)果：如果p是維護模塊，則返回為True(1)，否則返回False(0)。

IsIMP(&T,&p); 初始條件：樹T存在，p是樹中某個結(jié)點。操作結(jié)果：如果p是最小維護模塊，則返回為True(1)，否則返回False(0)。

IsLeaf(&T,&p); 初始條件：樹T存在，p是樹中某個結(jié)點。操作結(jié)果：如果p是結(jié)構(gòu)樹上的葉結(jié)點，則返回為True(1)，否則返回False(0)。

ChildSet(&T,&p); 初始條件：樹T存在，p是樹中某個結(jié)點。操作結(jié)果：若p為非葉結(jié)點，返回p的子結(jié)點集合；若p為葉結(jié)點（可分解模塊），則返回其下一層子結(jié)點集合。

ExpandChild(&T,&p); 初始條件：樹T存在，p指向T中某個葉結(jié)點（可分解成下一層子結(jié)點）。操作結(jié)果：展開結(jié)點p的所有下一層子結(jié)點。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)樹的擴展操作

與維護BOM表相關(guān)的附加操作AO：

InsertMBOM (&T,&p)；初始條件：樹T存在，p是樹中某個最小維護模塊結(jié)點。操作結(jié)果：將p代表的最小維護模塊插入維護BOM表的行項目中。

DeleteMBOM (&T,&p)；初始條件：樹T存在，p是樹中某個最小維護模塊結(jié)點。操作結(jié)果：將代表p結(jié)點的最小維護模塊從維護BOM表的行項目集合中刪除。

在基本操作O與附加操作AO基礎(chǔ)上定義的擴展操作EO：

ExpandChildTree(&T,&p){

ExpandChild(&T,&p);

For (&p &c：ChildSet(&T,&p)) {

if(IsIMP(&T,&c)=1)then{InsertMBOM(&T,&c);}

if(IsMP(&T,&c)=1&&IsIMP(&T,&c)=0&&IsLe af (&T,&c)=1)

then { ExpandChild(&T,&c);

ChildSet(&T,&p)+=ChildSet(&T,&c);}}}

初始條件：樹T存在，p指向T中某個葉結(jié)點。操作結(jié)果：將p的所有子結(jié)點展開至所有維護模塊的葉結(jié)點都是最小維護模塊，并將其中的最小維護模塊都插入維護BOM表的行項目中。

DeleteSetMBOM(&T,&p){

ExpandChild(&T,&p);}

For (&p &c:ChildSet(&T，&p)) {

if(IsIMP(&T,&c)=1) then { DeleteMBOM(&T,&c);}

if(IsMP(&T,&c)=1&&IsIMP(&T,&c)=0&&IsLe af (&T,&c)=1)

then { ExpandChild(&T,&c);

ChildSet(&T,&p)+=ChildSet(&T,&c);}}}

初始條件：樹T存在，p是樹中某個結(jié)點。操作結(jié)果：將p結(jié)點子結(jié)點中的所有最小維護模塊結(jié)點從維護BOM表的行項目中刪除。

2 設(shè)備改造后結(jié)構(gòu)的變化

從圖1可以看出，每次設(shè)備改造事件給設(shè)備結(jié)構(gòu)模塊帶來的變化可能性可以分為3種：1）新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊被增加到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中；2）原有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中去除；3）葉結(jié)點產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更改而變成新模塊（如果不是葉結(jié)點則還可分解成子結(jié)點的增加、去除以及更改的組合）[6]，任何一次設(shè)備改造事件所引起的設(shè)備結(jié)構(gòu)變化都可以用其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊的這3種變化組合加以定義。

為了使用1.2節(jié)定義ExpandChildTree(&T,&p)操作與DeleteSetMBOM(&T,&p)操作而使算法更加簡潔，定義設(shè)備改造中的新增結(jié)點與刪除節(jié)點都是使設(shè)備結(jié)構(gòu)改變的頂層的新增結(jié)點集合與刪除節(jié)點集合。

圖1 設(shè)備改造給設(shè)備帶來結(jié)構(gòu)改變示意

3 維護BOM表的動態(tài)生成算法

設(shè)備改造之后，可以利用1.1節(jié)定義在設(shè)備結(jié)構(gòu)樹上的各種操作，在原來維護BOM表基礎(chǔ)上實施更改而形成新的維護BOM表。

由于設(shè)備改造給設(shè)備結(jié)構(gòu)帶來的變化是新增模塊、去除模塊以及更改模塊這3種情況的組合，因此設(shè)備改造給維護BOM表帶來的變化也是這3種情況單獨給維護BOM表帶來的改變的組合。

假設(shè)新增模塊集合為IncModuleSet(簡稱IS)，集合中的元素都是設(shè)備結(jié)構(gòu)中新增模塊的頂層模塊；去除模塊集合為DecModuleSet(簡稱DS)，集合中的元素都是設(shè)備結(jié)構(gòu)中刪除模塊的頂層模塊；更改模塊集合為AltModuleSet(簡稱AS)，3個集合都可以包含從0到有限個模塊。用S代表以 上任意一個集合，則遍歷集合中每個元素的操作是TravelToNext(S)；判斷每個集合是否被完全遍歷操作為HasMoreElement(S)，如果集合內(nèi)已經(jīng)被遍歷或者集合為空，其值為False(0)，否則為True(1)。

3.1 新增模塊情況下維護BOM表生成算法

設(shè)備改造的第1種基本情況：設(shè)備改造活動僅僅為設(shè)備增加新結(jié)構(gòu)模塊，在這種情況下生成新維護BOM表的算法如下圖2所示。這個過程就是在新增加的結(jié)構(gòu)模塊集合中找到最小維護模塊，并將它們插入到原來的維護BOM表中，形成新的維護BOM表。

由于增加新模塊而生成新維護BOM表的IncreaseModule(IS)算法如下：

1）執(zhí)行HasMoreElement (IS)，判斷IS中是否還有下一個需要遍歷的結(jié)點（空集合沒有下一個需要遍歷結(jié)點），如果是False則直接結(jié)束，如果是True則執(zhí)行TravelToNext(IS)，遍歷到下一個元素。

2）執(zhí)行IsMP(&T,&p)判別，有2種可能：

（1）增加模塊為非維護模塊，跳到步驟1執(zhí)行HasMoreElement (IS)判斷是否還有下一個結(jié)點。

（2）增加模塊是維護模塊，執(zhí)行IsIMP(&T,&p)，又分為兩種情況：ⅰ、增加模塊是最小維護模塊，執(zhí)行InsertMBOM (&T,&p)將結(jié)點p代表模塊插入維護BOM表中，跳到1）執(zhí)行HasMoreElement(IS)判斷是否還有下一個結(jié)點；ⅱ、增加模塊不是最小維護模塊，執(zhí)行ExpandChildTree(&T,&p)，將p模塊展開直至所有維護模塊葉結(jié)點都是最小維護模塊，并將最小維護模塊葉結(jié)點插入維護BOM表中，跳到1）執(zhí)行HasMoreElement (IS)判斷是否還有下一個結(jié)點。

3.2 去除模塊情況下維護BOM表生成算法

設(shè)備改造的第2種基本情況：設(shè)備改造活動為僅僅設(shè)備去除舊的模塊，在這種情況下生成新維護BOM表的算法如下圖3所示。

這個過程就是在去除的結(jié)構(gòu)模塊中找到最小維護模塊，并將它們從原來的維護BOM表中刪除，形成新的維護BOM表。

圖2 設(shè)備技術(shù)改造增加結(jié)構(gòu)模塊生成新維護BOM表的算法

由于去除模塊而生成新維護BOM的DecreaseModule(DS)算法如下：

1）執(zhí)行HasMoreElement (DS)，判斷DS是否還有下一個需要遍歷的結(jié)點（空集合沒有下一個需要遍歷結(jié)點），如果是False則直接結(jié)束，如果是True則執(zhí)行TravelToNext(DS)，遍歷到下一個元素。

2）執(zhí)行IsMP(&T，&p)判別，有2種可能：

（1）去除模塊為非維護模塊，跳到第1）執(zhí)行HasMoreElement(DS)判斷是否還有下一個結(jié)點。

（2）去除模塊是維護模塊，執(zhí)行IsIMP(&T，&p)，又分為兩種情況：ⅰ、去除模塊是最小維護模塊，執(zhí)行DeleteMBOM (&T，&p)將結(jié)點p代表模塊從維護BOM表中刪除，跳到第1）執(zhí)行HasMoreElement (DS)判斷是否還有下一個結(jié)點；ⅱ、去除模塊不是最小維護模塊，執(zhí)行DeleteSetMBOM(&T，&p)，將p結(jié)點所有子結(jié)點中的維護模塊葉結(jié)點從維護BOM表的行項目中刪除，跳到第1）執(zhí)行HasMoreElement (DS)判斷是否還有下一個結(jié)點。

3.3 模塊更改情況下維護BOM表生成算法

設(shè)備改造的第3種基本情況：設(shè)備技術(shù)改造活動僅僅將設(shè)備某些葉結(jié)點模塊更改成新模塊。

模塊的更改可以看成先從設(shè)備結(jié)構(gòu)中去除了舊模塊，而后在同樣結(jié)構(gòu)位置處增加新的模塊，因此實現(xiàn)模塊更改的算法AlterationModule(AS)如下：

1）執(zhí)行DecreaseModule(AS)算法如圖3所示；

2）執(zhí)行IncreaseModule(AS)算法如圖4所示。

圖3 設(shè)備改造去除結(jié)構(gòu)模塊生成新維護BOM表的算法

3.4 適應(yīng)設(shè)備改造維護BOM表動態(tài)生成算法

圖4 適應(yīng)設(shè)備改造維護BOM動態(tài)生成算法

適應(yīng)設(shè)備改造的維護BOM表動態(tài)生成算法DynamicModificationMBOM(MS)如下圖4所示，MS=IS∪DS∪AS。

1）執(zhí)行IncreaseModule(IS)算法，將新增模塊中的最小維護模塊增加到維護BOM表中。

2）執(zhí)行DecreaseModule(DS)算法將去除模塊中的最小維護模塊從維護BOM表中去除。

3）執(zhí)行AlterationModule(AS)算法，先從維護BOM中去除更改前更改模塊中的最小維護模塊，然后將更改后更改模塊中最小維護模塊增加到維護BOM表中。

4）BOM生成算法結(jié)束，得到新的維護BOM表。

4 應(yīng)用案例

某飲料企業(yè)灌裝車間碳酸制瓶機設(shè)備已經(jīng)使用7年，設(shè)備結(jié)構(gòu)被SolidWorks的PDMWorks Workgroups管理，Excel形式的維護BOM表作為設(shè)備模型的參考文件在PDMWorks中與設(shè)備的CAD結(jié)構(gòu)模型關(guān)聯(lián)在一起，如下圖6所示，維護BOM表包含了設(shè)備維護備用件物料編碼、結(jié)構(gòu)層次、個數(shù)、單位、庫存種類（ABC分類）、備件來源、更換頻率、備件成本、采購或制造周期等維護生產(chǎn)所需信息。

圖5所示的維護BOM表中的行項目是設(shè)備制造商提供維護備用件清單。2008年10月對進行了設(shè)備改造：在加熱烘爐入口增加瓶坯干式殺菌系統(tǒng)模塊以支持為衛(wèi)生敏感飲料的生產(chǎn)；吹瓶機的不銹鋼模具被升級為質(zhì)量更輕，性能更強的鋁質(zhì)新模具；加熱烘爐的紅外加熱燈管被更換成降低15%的電能消耗的新燈管。

圖5 碳酸制瓶機設(shè)備改造前的維護BOM表

圖6 碳酸制瓶機設(shè)備技術(shù)改造后的維護BOM表

以JavaSE1.6為開發(fā)工具對SolidWorks的PDMWorks Workgroup[7]進行二次開發(fā)，依據(jù)維護BOM表動態(tài)生成算法DynamicModificationMBOM(MS)能夠?qū)崿F(xiàn)從新的設(shè)備結(jié)構(gòu)以及原先的維護BOM中得到新的維護BOM表如下圖6。

圖5所示維護BOM表與圖6所示的維護BOM相比，增加行號為15的瓶坯殺菌系統(tǒng)模塊的噴嘴，它是新增模塊中的最小維護模塊；另外圖7維護BOM表中的不銹鋼吹瓶模具被升級更換成了鋁合金吹瓶模具；圖7中維護BOM表中烘爐紅外加熱燈管被升級更換成了節(jié)能紅外加熱燈管。

新的維護BOM表與原來的維護BOM表之間采用更改標記（Revision）與生效時間進行區(qū)別。

5 結(jié)束語

1）使用者維護方式下長壽命機械設(shè)備在維護階段會經(jīng)歷設(shè)備改造，設(shè)備改造是對設(shè)備結(jié)構(gòu)的改變，會影響到其派生的維護BOM表發(fā)生更改。

2）將設(shè)備結(jié)構(gòu)形式化定義成設(shè)備結(jié)構(gòu)樹，并定義其上的各種元素以及操作，以支持適應(yīng)設(shè)備改造的維護BOM表的動態(tài)生成技術(shù)。

3）設(shè)備改造給設(shè)備結(jié)構(gòu)帶來的變化可以歸結(jié)為3種基本情況：增加新模塊，去除舊模塊以及葉結(jié)點模塊的更改，設(shè)備改造給維護BOM表帶來的變化也是這3種情況單獨給維護BOM表帶來的改變的組合。

4）IncreaseModule(IS)算法、DecreaseModule(DS)算法與AlterationModule(AS)算法分別單獨定義了3種基本情況下如何修改原有維護BOM表以生成新的維護BOM表，在此基礎(chǔ)上，綜合性的Synthesis Adjust mentMBOM(MS)算法可以針對設(shè)備技術(shù)改造具體情況對原有維護BOM表進行修改，生成新的維護BOM表。

[1] 郝廣科,何衛(wèi)平,閻慧.PLM環(huán)境下BOM多視圖映射技術(shù)研究[J].現(xiàn)代制造工程,2007,12:16-18.

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[4] 倪現(xiàn)存,左洪福,許娟.基于PDM的民機航線維修BOM管理系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].飛機設(shè)計2008,28(3):50-53.

[5] 汪昌任著 SAP EAM設(shè)備維護系統(tǒng)應(yīng)用及案例[M].北京.清華大學(xué)出版社,2005:25-28.

[6] 葉萬水,主編.設(shè)備工程[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2005:125-143.

[7] SolidWorks公司.SolidWorks高級教程產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008:183-11.

TH311.52

A

1009-0134(2010)11(上)-0004-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).02

2010-03-08

國家自然科學(xué)基金項目（50975255，60974083）； 國家863計劃項目（2009AA04Z146）

胡浩（1971 -），男，浙江杭州人，博士研究生，研究方向為產(chǎn)品生命周期管理。