民機維修BOM的獨立構(gòu)建方法*

西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室 田 剛 莫 蓉

中 國 人 民 解 放 軍 9 1 3 9 5 部 隊 馬獻(xiàn)偉

數(shù)字化技術(shù)在航空工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，特別是物料清單（Bill of Material，BOM）的管理貫穿于設(shè)計、制造等環(huán)節(jié)。但是，在航空運營與維修行業(yè)，BOM仍然缺乏有效的數(shù)字化管理手段和方法。這是由于運營部門的維修對于BOM的需求與設(shè)計制造不同所致。目前，我國各大航空公司在飛機數(shù)字化維修過程中很少采用BOM將維修的部件/附件管理起來，基本上都是采用紙質(zhì)的維修手冊蘊含的內(nèi)容進行管理。而隨著航空產(chǎn)業(yè)數(shù)字化程度的加深以及向維修維護服務(wù)的業(yè)務(wù)拓展，在飛機設(shè)計和制造都采用數(shù)字化的BOM進行物料管理的環(huán)境下，需要提出一種民機維修BOM的構(gòu)建方法來提高維修信息管理效率。近幾年，對與維修相關(guān)的BOM研究主要包括：文獻(xiàn)[1]中提到了中性BOM和實例BOM方法的構(gòu)建來解決BOM的版本問題，以中性BOM為核心的維修知識管理和物料結(jié)構(gòu)追蹤技術(shù)來綜合運用全生命周期知識；采用基于規(guī)則的維修策略表示和判定技術(shù)為精益維修的實施提供支持。文獻(xiàn)[2]中構(gòu)建了一種BOM單一數(shù)據(jù)源模型，設(shè)計了基于主/子模型集成的集成方法，并根據(jù)集合論關(guān)系原理，分析了單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)組織的約束關(guān)系。文獻(xiàn)[3][4]則提出了不同類型BOM之間轉(zhuǎn)換的方法，運用了遺傳算法和在數(shù)據(jù)庫層面上層次碼與指針碼轉(zhuǎn)化算法。這些文獻(xiàn)中，對BOM本身整體性的研究都比較深入，提出了一些概念性的方案，但沒有專門針對MRO（Maintenance，Repair& Overhaul）過程中維修BOM的設(shè)計和生成進行著重分析和研究。本文通過對航空維修領(lǐng)域進行深入調(diào)研和分析，提出了一個符合我國航空維修現(xiàn)狀特點的維修BOM獨立構(gòu)建方法，并已實際應(yīng)用于維修生產(chǎn)中。

1 民機維修BOM的作用和特點

民機維修BOM指的是在民用飛機數(shù)字化維修過程中所需要的BOM信息，維修BOM包含了民用飛機各部件、組件和零件之間的關(guān)系。一般地，維修BOM是按照一定的編碼規(guī)則、名稱、使用數(shù)量、價格、維修工具和供應(yīng)商等海量數(shù)據(jù)組織在一起的。在航空維修領(lǐng)域，維修BOM還必須包括零部件的可維修性、時壽、檢查周期和工作類型等與航空維修密切相關(guān)的信息，有時候還必須與維修部件的三維模型庫、IETM（電子式交互手冊）等信息進行集成。

維修BOM架構(gòu)上和設(shè)計BOM、制造BOM等BOM的表達(dá)形式類似，宜采用樹狀結(jié)構(gòu)進行組織。除根節(jié)點外，所有的子節(jié)點都必須包含上述民機維修BOM中所提及的信息，而且具有以下特征：

（1）內(nèi)容可擴展性：維修BOM中零部件的信息，在某新機型初始的維修過程中是確定的；但隨著該型號飛機在實際維修過程中維修經(jīng)驗的不斷積累，需要對初始的維修大綱和手冊進行修訂。相應(yīng)地，維修BOM也可以相應(yīng)隨之增刪改，即維修BOM應(yīng)該具有可擴展性。

（2）編碼唯一性：在飛機的全壽命周期內(nèi)，維修BOM中各部件的編碼一旦給定將不可改變，各部件的編碼是唯一的，不允許重疊。

（3）時間序列性：民機維修BOM由于涉及的維修部門（航線、工程、航材）、維修方式（外場、內(nèi)場、返廠）各不相同，而飛機同一型號的改型又有眾多。這就要求維修BOM應(yīng)該具有好的時間序列性，即版本易于控制。

2 維修BOM的獨立構(gòu)建

一般情況下，飛機由制造廠交付運營商后只是附帶了維修手冊和維修大綱等紙質(zhì)材料，并沒有為維修部門直接提供維修BOM，而且飛機制造業(yè)與運營維修業(yè)的側(cè)重點不同和信息不對等，因此獨立建立維修BOM以利于維修過程的開展是非常必要的。

根據(jù)上節(jié)對維修BOM的分析，本文將維修BOM主要歸納為：

WBOM={STR，Attr，Mdl，…}，

其中，WBOM表示維修BOM，由架構(gòu)、屬性、幾何模型等要素組成——架構(gòu)（Str）即為該維修BOM中維修對象的結(jié)構(gòu)組成，通常在應(yīng)用時使用編碼進行組織；屬性（Attr）即表示各物料在維修過程中相關(guān)的維修屬性；模型（Mdl）為物料相關(guān)的三維或者二維幾何模型。若要獨立生成維修BOM，首先需要建立維修BOM的架構(gòu)，然后添加相關(guān)的屬性和模型信息。

2.1 維修BOM架構(gòu)及編碼

維修BOM架構(gòu)與設(shè)計BOM結(jié)構(gòu)相似，采用樹結(jié)構(gòu)表達(dá)飛機的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。但是編碼形式和內(nèi)容與設(shè)計BOM完全不同。維修BOM的架構(gòu)需要體現(xiàn)以下方面的內(nèi)容：

（1）維修BOM的粒度：維修BOM作為維修活動的數(shù)字化支持部分，其整體的粒度層次需要與維修活動一致。維修活動所涉及到的主要是飛機的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和區(qū)域，維修的對象只是針對相應(yīng)的部件和附件。所以，維修BOM不需要像飛機的制造BOM，除須涉及部/附件的層次，不須進一步的設(shè)計加工環(huán)節(jié)的具體零件層級。

（2）維修BOM的范圍：維修BOM除了需要包含相應(yīng)的維修部件、附件的信息，同時還需要包括飛機維修相關(guān)的工具、夾具、車輛等外圍物料的信息。這樣才能在具體應(yīng)用維修BOM時可以對維修活動實施所涉及到的各物料進行統(tǒng)一的無差別調(diào)配，在真正意義上實現(xiàn)維修BOM的效能。

（3）維修BOM的文檔：航空維修活動是在維修手冊的指導(dǎo)下進行的，維修BOM在編纂的時候需要充分考慮到維修互動中需要查詢的手冊和文檔，需要將其分門別類的掛載到相應(yīng)的維修部附件之下。

（4）維修BOM的編碼：編碼是BOM的重要組成部分，一個優(yōu)秀的維修BOM其編碼自身就能夠體現(xiàn)維修BOM在本文第一部分所闡述的維修特征。

這里需要著重指出，航空維修都是在一定的維修標(biāo)準(zhǔn)下實施的。由于我國民用飛機的機型大部分都是國外的型號，維修標(biāo)準(zhǔn)也是采用的國際通行的標(biāo)準(zhǔn)?？v觀國內(nèi)外的維修標(biāo)準(zhǔn)，無論是美制還是歐制的標(biāo)準(zhǔn)都是在同一個維修標(biāo)準(zhǔn)即ATA100上通過組合優(yōu)化建立起來的。ATA（美國航空運輸協(xié)會）在2001年將ATA 2100規(guī)范“飛機支援?dāng)?shù)字化資料標(biāo)準(zhǔn)”和ATA 100規(guī)范“航空產(chǎn)品技術(shù)資料編寫規(guī)范”的最新版本組合形成ATA 2200規(guī)范“航空維修資料標(biāo)準(zhǔn)”[5]，該標(biāo)準(zhǔn)通過多年的實施已經(jīng)在全球各大航空公司得到了廣泛的應(yīng)用，本文采用該標(biāo)準(zhǔn)對航空維修BOM進行組織。

目前，ATA2200標(biāo)準(zhǔn)中主要有三種編碼的方式得到了廣泛的應(yīng)用，即“三要素”編碼、區(qū)域編碼和頁碼組編碼。其中頁碼組編碼主要應(yīng)用于文檔的編制，“三要素”編碼和區(qū)域編碼則可應(yīng)用于維修BOM的編碼。

區(qū)域編碼和“三要素”編碼是相對獨立的兩套系統(tǒng)，具有低耦合、高內(nèi)聚的特性。確定設(shè)備的“三要素”編碼主要是為了完成系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)類型的MRO，而確定設(shè)備的區(qū)域編碼主要是為了完成區(qū)域類型的MRO；由于系統(tǒng)/機構(gòu)類型和區(qū)域類型的MRO具有一定的空間相關(guān)性，所以確定“三要素”和區(qū)域編碼中的一種，另外一種編碼將會更易于確定。維修BOM的架構(gòu)組織可以表示為

Str={Tr，Zn}，

即維修BOM的編碼架構(gòu)可以表示為“三要素”編碼（Tr）和區(qū)域編碼（Zn）的組合，如圖 1、2所示[5]。

圖1 “三要素編碼”(Tr)Fig.1 Encoding by three factors

對維修BOM進行“三要素”編碼和區(qū)域編碼后，就將維修BOM的整體架構(gòu)搭建了起來，并且滿足對維修BOM編碼唯一性和內(nèi)容可擴展性的要求。

2.2 維修BOM的維修屬性

由于民機在具體的維修階段，主要關(guān)注的是飛機的系統(tǒng)、分系統(tǒng)、部件和區(qū)域的維修，而零件的工程屬性部分不再是關(guān)注的重點。同時，因為生成的是維修BOM，所以相應(yīng)的維修類的描述信息應(yīng)該添加進去。

圖2 ATA區(qū)域編碼(Zn)構(gòu)圖Fig.2 ATA zone encoding

（1）可維修性（MA）：該屬性用來描述飛機某部件適合維修的類型，分為4種類型——M表示一般性日常維護（Maintenance），R表示運營商級別的維修（Repair），O表示制造商級別的飛機大修（Overhaul），N表示無法進行維修、只能進行更換的一些部件。

（2）時壽（SL）：即該部件能夠使用的時間，飛機使用到該時間后必須進行更換維護。

（3）檢查周期（EP）：即需要對該部件進行相應(yīng)檢查的時期。

（4）工作類型（JT）：即該部件需要進行哪一類的維護檢查——LU/SV表示潤滑/保養(yǎng)，OP/VC表示使用/目視檢查，IN/FC表示檢查/功能檢查，RS表示回復(fù)，DS表示報廢。

（5）故障后果（FC）：表示該部件發(fā)生失效后將會產(chǎn)生的哪一類故障后果，使用數(shù)字進行表示——5表示明顯的安全性影響，6表示明顯的使用性影響，7表示明顯的經(jīng)濟性影響，8表示隱蔽的安全性影響，9表示隱蔽的非安全性影響。圖3表示的是明顯故障的判斷方法，其他類型的故障后果的判斷方法類似。

以上維修類的描述大體上可以表示該部件的維修屬性，都是在外場和內(nèi)場維修以及航材備件資源管理中應(yīng)用到的維修知識的描述，具體的操作參照MSG-3標(biāo)準(zhǔn)[6]?？梢员硎緸槭剑?/p>

圖3 明顯故障的判定Fig.3 Determination of the apparent failure

Attr={MA，SL，EP，JT，F(xiàn)C，… }，

2.3 維修BOM的發(fā)布

在完成了維修BOM架構(gòu)的建立和維修屬性的添加，并與各物料對應(yīng)的模型信息進行關(guān)聯(lián)，基本上維修BOM已經(jīng)構(gòu)建了出來，這時需要對維修BOM進行相應(yīng)的發(fā)布。

單一的一套維修BOM在實際應(yīng)用中既要能夠?qū)S修進行指導(dǎo)，同時還需要不斷的完善本身的信息，既有信息的流入也有信息的流出，而且很多情況下同一個大型號飛機下的小型號都是按照客戶需求定制的，單一的維修BOM顯然無法滿足這樣的需求。此時，應(yīng)對維修BOM進行版本管理，以實現(xiàn)維修BOM的時間序列性，將會收到比較好的成效。基本步驟如下：

（1）首先建立靜態(tài)BOM（stBOM）和實例BOM（inBOM）。

靜態(tài)的BOM指得是具有靜態(tài)數(shù)據(jù)的維修BOM，如圖5左側(cè)的結(jié)構(gòu)樹便是靜態(tài)BOM的重要組成部分，基本上所有的飛機型號都是包括機體系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、動力裝置等基本的組成部分，這些信息都是必須的，而且可以作為維修BOM進一步實例化的母版。

實例化的維修BOM則是依據(jù)飛機不同的類型、型號和子類型，參照記錄各部件運行和維修期間的具體信息按照靜態(tài)BOM為藍(lán)本，而進行特定實例化的維修BOM。

這里需要指出靜態(tài)BOM和實例化BOM是一個相對的概念，將適用于所有飛機的靜態(tài)維修BOM（stBOMorigin）實例化為適用于螺旋槳飛機的維修BOM（inBOM1st），可以作為其某型國產(chǎn)民用飛機的靜態(tài)BOM（stBOM1st）；而實例化后的某型國產(chǎn)飛機的維修BOM（inBOM2st）又可以作為其各個子型號的靜態(tài)BOM（stBOM2nd），如下式所示。

（2）然后對維修BOM進行差異性分布并進行版本管理。

針對BOM版本管理的差異性，各個不同的型號和不同的維修部門建立與其相關(guān)的維修BOM，進行差異性分布式管理，使各個維修部門高速訪問和寫入相關(guān)的BOM信息，將可以有效地壓縮BOM占用系統(tǒng)空間，同時不會丟失任何記錄的數(shù)據(jù)。總體的版本控制流圖如圖4所示。

圖4 維修BOM版本管理Fig.4 Edition management of maintenance BOM

本文以某型國產(chǎn)民用飛機維修為例，說明維修BOM的構(gòu)建方法。獨立構(gòu)建維修BOM的原型系統(tǒng)如圖5所示，頁面左端顯示飛機的結(jié)構(gòu)樹：頂層分支表示為飛機總體的分化，與原始的靜態(tài)BOM一致；次級分支表示螺旋槳飛機的分化，與螺旋槳飛機的靜態(tài)BOM一致；在次級分支表示其結(jié)構(gòu)的分化，并具體實例化到某部門。從圖5中可以看到，飛機部件級別的BOM包含編碼、區(qū)域編號、三維模型、版本號、手冊、檢驗報告和往期版本等。主起落架減震支柱表示的版本號為1.A.2.1，從左至右第一位數(shù)字表示靜態(tài)BOM為原版，沒有進行更動；第二位字母表示，該物料為實例化到A部門的維修BOM；第三位數(shù)字表示該物料的實例化BOM進行過兩次更動；第四位數(shù)字表示該物料自身進行過一次更改。同時，該物料在下掛的往期版本中存儲更改之前的編碼、區(qū)域編號、三維模型、版本號等信息。頁面的右側(cè)部分則表示選中物料（圖5中選中為起落架）的構(gòu)成部件的維修信息，包括編碼、區(qū)域、名稱，以及可維修性、時壽、檢查周期、工作類型和故障后果等維修屬性。

3 結(jié)束語

建立維修BOM是實現(xiàn)航空數(shù)字化維修不可或缺的部分。本文所提出的方法，兼顧了我國航空應(yīng)用的實際，對提高航空裝備的可靠性和降低維修費用發(fā)揮了一定的作用。隨著我國航空產(chǎn)業(yè)數(shù)字化程度的不斷加深，如何將在設(shè)計和制造過程中已經(jīng)生成的各類BOM（工程BOM、制造BOM等）向維修BOM進行映射，將是本文下一步所需要探討的問題。

圖5 維修BOM構(gòu)建系統(tǒng)原型界面Fig.5 Maintenance BOM construction system prototype interface

[1] 程耀安，張力，劉英博，等.大型復(fù)雜裝備MRO系統(tǒng)解決方案.計算機集成制造系統(tǒng).2010，16(10):2026～2037.

[2] 盧鵠，于勇，楊五兵，等.飛機單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源集成模型研究，航空學(xué)報，2010，31(4):836-841.

[3] 熊君星，趙金萍，涂海寧，等.基于遺傳算法的設(shè)備維修BOM配置研究.制造業(yè)自動化，2012，34(12):28-41.

[4] 石雙元，張金隆，蔡淑琴.層次碼BOM與指針碼BOM轉(zhuǎn)換模型及算法.華中理工大學(xué)學(xué)報，2000，28(11):67-68.

[5] ATA2200 iSpec 2200. Copyright2001， Air Transport Association， USA.

[6] Maintenance Steering Group (MSG) Handbook MSG-3. Air Transport Association of America， 2007.