面向PLM的BOM數(shù)據(jù)管理與實踐

（中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院，北京 100048）

0 引言

在實際研發(fā)過程中，對于一些結構復雜、數(shù)據(jù)量大、研發(fā)周期長的產品，需要多領域人員的協(xié)同工作，從而提高設計工作效率，減少設計返工，縮短產品研制周期。產品數(shù)字模型不斷被修改，由于不可避免的設計變更（如客戶需求更改、產品結構變化）和現(xiàn)場因素（如工藝環(huán)節(jié)、制造資源等）引起變更等多類變化的影響，產品信息的修改會更加頻繁。為了增強領域間信息溝通，保證數(shù)據(jù)的及時更新，需要實現(xiàn)跨專業(yè)領域的工程數(shù)據(jù)變更管理，進而確保上下游BOM的數(shù)據(jù)一致性。

BOM版本作為BOM的重要數(shù)據(jù)，不但需要維護其一致性，還需要進行有效地管理。版本管理能夠記錄對象的變更次數(shù)和基線狀態(tài)，以及相關開發(fā)人員對對象實施變更的內容和時間，便于BOM的用戶對對象的版本進行查看和進行組件的版本配套。最終提升設計者查詢和調用BOM的效率。

本文面向PLM（Product Lifecycle Management，產品生命周期管理）系統(tǒng)，探討幾種BOM數(shù)據(jù)不一致的情形，并給出相應的一致性維護方案。在分析BOM版本管理需求和特點的基礎上，提出BOM多視圖的樹狀版本管理模型，研究BOM的版本狀態(tài)演變過程，設計了BOM多視圖分支的版本維護機制。最后設計了基于BOM的產品數(shù)據(jù)集中管理模型。

1 BOM的數(shù)據(jù)一致性維護

實際生產中，企業(yè)從單一數(shù)據(jù)源中提取數(shù)據(jù)形成BOM的多視圖，這對數(shù)據(jù)一致性的維護有重要意義。但是由于各種BOM的生成過程不同，包含的數(shù)據(jù)也不完全相同，因此仍需要對比同一產品的不同BOM視圖，以保證數(shù)據(jù)的一致性。物料項和物料項關系兩部分構成了BOM，所以維護BOM一致性需要維護物料項和物料項關系的一致性[1,2]。

1.1 常見的BOM數(shù)據(jù)不一致

顯然，在BOM映射轉換時，不同BOM視圖的結構進行調整，物料項屬性也受結構調整影響發(fā)生變化。為了避免混淆正確的變化與不一致的變化，在BOM多視圖映射轉換時必須嚴格按照BOM轉換的流程進行，以免發(fā)生錯誤。但BOM映射轉換仍然是引起數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象的多發(fā)階段。

常見的BOM數(shù)據(jù)不一致現(xiàn)象[2,3]可大致從結構和屬性兩個角度分析。

1）BOM結構不一致

在BOM的更改過程中，物料項關系的變化主要表現(xiàn)為BOM結構的變化，可能造成BOM結構的不一致，進而造成BOM結構上的數(shù)據(jù)異常。常見的有以下幾類。

（1）物料項父子關系循環(huán)：在BOM中，如果存在子件中含有父件的結點，則構成了父子關系循環(huán)，即循環(huán)引用。編輯BOM中的零部件，或者從其他BOM中導入數(shù)據(jù)到當前BOM，都可能造成循環(huán)引用。這兩種情況在本質上相同，都可以在事先避免：增加BOM結點，調用父子循環(huán)檢測算法，進行BOM結構檢查，可以判斷是否發(fā)生了父子循環(huán)。

（2）物料項重復：當在BOM中添加結點時，新增結點的父結點己經包含相同的子結點了，這種情形本應該只改變物料的數(shù)量，不需要新增結點造成物料項重復。這類情況往往在類似工藝計劃編制的應用中出現(xiàn)，應該事前通過檢測新增結點父結點的子結點中有無與新增結點相同的結點來避免。

（3）物料項在演變過程中丟失：這是指在設計BOM中存在的非虛擬部件，通過BOM視圖映射進行轉換之后，在工藝BOM或制造BOM中不存在對應的零部件。

在以上不一致現(xiàn)象中，有些是可以事前避免的，如物料項父子關系循環(huán)和物料項重復。如果在增加BOM結點時，進行BOM結構檢查，就可以判斷是否存在出現(xiàn)不一致的可能。物料項重復的檢查并不困難，只要查清待添加結點的父結點有無與該結點相同的子結點但有些現(xiàn)象只有事后檢查對比才能判斷，比如物料項丟失。

2）BOM屬性不一致

（1）物料項數(shù)量不一致：如在演變過程中，裝配單機的數(shù)量不一致。這一類不一致經常需要在BOM變化后進行對比來檢查一致性。

（2）BOM版本不一致：不同BOM視圖中結點的數(shù)量相等，但是如果它們沒有對等關系，說明它們的版本并不對應。

除了嚴格遵守BOM轉換和更改的流程以外，這兩種不一致現(xiàn)象在事前沒有方便的解決方法。一般采用事后的BOM對比來排查不一致現(xiàn)象。

1.2 BOM數(shù)據(jù)一致性的維護方法

針對BOM一致性維護問題，需要設計出BOM一致性檢測方法，如針對父子關系循環(huán)的父子循環(huán)檢查和針對事后檢查的BOM對比。

1）父子循環(huán)檢測算法

通常在BOM添加結點時調用父子循環(huán)檢測算法[2～4]，事先防止BOM父子循環(huán)的出現(xiàn)。

設源BOM為S，目標BOM的集合為T，SD記錄S中某結點的所有后代，TA是T中某一結點的祖先的集合，QS存放按廣度優(yōu)先訪問S得到的結點序列，QC是按順序分別存放訪問S中某結點的所有后代，QT是按順序分別存放訪問T中某結點的所有祖先。函數(shù)GetParent(v)和GetChild(v)分別訪問并存儲結點v的父結點和子結點。父子循環(huán)檢測算法如下：

第2步：如果隊列QS空，則不存在循環(huán)引用，結束算法；否則從隊列QS中取出一結點v，將GetChild(v)加進隊列QS，將v加入隊列QC。

第3步：從T中取GetParent(v)加入隊列QT和集合TA中。

第4步：如果隊列QC空，則轉第2步；否則從隊列QC中取出一結點c，將GetChild(c)加進隊列QC尾及集合SD中，C=SD∩TA，如果C≠φ，則存在循環(huán)引用，轉第6步；否則繼續(xù)本步。

第5步：如果隊列QT空，則轉第2步；否則從隊列QT中取出一結點c，將GerParent(c)加進隊列QT尾及集合TA中，C=SD∩TA，如果C≠φ，則存在循環(huán)引用，轉第6步；否則繼續(xù)本步。

第6步：輸出v以及C，據(jù)此可分析得出何處發(fā)生循環(huán)引用。結束算法。

2）BOM對比

通過在BOM發(fā)生變化之后，對BOM的物料項和物料項關系進行對比[2,3]，根據(jù)這兩項內容的差異可得出以下幾種結果。

國有企業(yè)在財務管理預算監(jiān)督過程中缺乏有效的監(jiān)督的現(xiàn)象較為明顯，尤其是財務管理部門對其下屬單位的監(jiān)督性不夠，直接造成了國有企業(yè)經濟效益的下降。國有企業(yè)及其下屬單位屬于一個不可分割的利益共同體，其下屬單位的財務預算管理工作通常情況下監(jiān)督的力度遠遠不足，其中，缺乏科學的規(guī)劃、目前不明顯是最為突出的問題，從而給國有企業(yè)的長足發(fā)展帶來了嚴重的不利影響。

（1）物料項異數(shù)：某指定物料項的屬性數(shù)據(jù)（如裝配的單機數(shù)量）在兩個BOM中不一致。

（2）物料項缺失：某指定物料項（特別是繼承部件）在一個BOM中存在，但在另一個BOM中不存在。

（3）物料項關系異構：某指定物料項關系在一個BOM中存在，但在另一個BOM中不存在。

（4）BOM版本差異：BOM結點在數(shù)量和結構上并沒有物理對等關系。這可能是由于某一視圖中的結點在工程更改時錯誤操作造成的。

2 BOM版本管理模型

目前，版本管理常用三種模型[3～5]：線性模型，樹狀模型和有向無環(huán)圖模型，這些模型依據(jù)BOM不同版本的產生順序和繼承關系，對單個版本進行系統(tǒng)編號，并組織其結構以描述版本演化的過程。其中，樹狀模型層次清晰，基本上可以充分地表示版本之間的演化關系，版本樹中的一條特定路徑能夠反映一種設計方案的版本演變過程。

在本文中，為了提高系統(tǒng)使用效率，控制數(shù)據(jù)庫中的版本數(shù)目，并保證多視圖下追溯BOM數(shù)據(jù)的能力，采用關鍵版本管理法[4]，即按版本的重要程度區(qū)分產品開發(fā)中生成的版本，按照關鍵版本和非關鍵版本這兩類各自管理。

為了區(qū)分和追溯BOM版本，給每個版本賦予版本標識號。實際研發(fā)過程中需調用和多版本的BOM，版本標識應該滿足[6]：1）唯一性，同一個BOM的每個版本的標識都應是獨一無二的；2）可跟蹤性，復制/派生版本的標識需反映出其與原版本的聯(lián)系與區(qū)別；3）一致性，不同結點上物理關系相對應的版本標識應一致。

圖1 三種常見的版本管理模型

標識號一般是依據(jù)生成版本的時間先后順序，記為英文字母（如：A，B，C，……）或阿拉伯數(shù)字（如：1，2，3，……）。本文中為了區(qū)分關鍵版本，混用兩種形式，依據(jù)發(fā)布版本先后順序給出字母形式的大版本號，依據(jù)版本生成的時間先后順序給出數(shù)字形式的小版本號。大版本號和小版本號共同構成一個具體對象版本的標識號。

在設計和變更階段，設計者每對產品對象每進行一次修改，都可以存儲一個小版本作為記錄。因為此時BOM數(shù)據(jù)變化較小，不是發(fā)布版本，因此只有小版本號改變。

當產品對象經過多次修改，BOM中的產品數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定時，經過發(fā)布審核程序，可以作為發(fā)布版本在公共數(shù)據(jù)庫發(fā)布。此時大版本號改變，小版本號重置為初始值，系統(tǒng)將完整存儲發(fā)布版本作為關鍵版本。發(fā)布版本存儲固定產品數(shù)據(jù)的穩(wěn)定態(tài)，作為后續(xù)工藝規(guī)劃、生產制造及進一步研發(fā)的依據(jù)。產品需要進行改進時，也可以從存儲產品數(shù)據(jù)穩(wěn)定態(tài)的發(fā)布版本BOM出發(fā)，避免錯誤并減少重復勞動。

為了適應復雜產品數(shù)據(jù)更改頻繁的情況，面向BOM多視圖映射下的數(shù)據(jù)維護，建立BOM多視圖下的樹狀版本管理模型，如圖2所示。

圖2 BOM版本多視圖樹狀模型

采用多視圖樹狀模型后，下游視圖的BOM結點可以直接由上游BOM視圖轉化得到，并不一定是以本視圖的版本為基礎升級版本得到。與原來的樹狀版本模型相比，新增了區(qū)分新版本產生來源的功能。如圖2所示，下游BOM結點中的A.1版本和A.3版分別即是在上游BOM結點A.1版本和A.2版本轉化而來。

要實現(xiàn)完整生命周期中的版本的有效動態(tài)管理，合理的版本演變過程是關鍵。

3 BOM版本管理研究

根據(jù)BOM管理對象所處的狀態(tài)不同，對其版本的處理也不同。版本管理能夠記錄對象的變更次數(shù)和基線狀態(tài)，以及相關開發(fā)人員對對象實施變更的內容和時間，便于BOM的用戶對對象的版本進行查看和進行組件的版本配套。以下面向實際生產中設計制造協(xié)同的情景，分析版本管理現(xiàn)狀，提出多視圖的樹狀版本管理模型，并設計BOM的版本演變和維護機制。

3.1 BOM版本演變過程

設計工作中存在工作、提交、發(fā)放、歸檔、廢棄版本等狀態(tài)。與這些狀態(tài)相對應，可將版本區(qū)分為工作版本、提交版本、發(fā)放版本、歸檔版本和廢棄版本。其中，提交、歸檔和廢棄都屬于凍結版本（不允許修改，可在需修改時解凍成為工作版本）。BOM版本管理工作流如下所示：設計狀態(tài)的版本為工作版本（只允許設計人員本人修改，其他人不能修改，也不引用）；完成設計過程后，提交給審批人員的版本為提交版本（不允許修改或引用，只允許查詢）；通過審批人員的審批后，在系統(tǒng)內發(fā)布的版本為發(fā)放版本（只有查詢或引用的權限，不允許修改）；如果要求某版本的數(shù)據(jù)不再進行改變，就凍結歸檔，成為歸檔版本。

在設計流程中，由上文可知：用A、B、C……等英文字母表示大版本號r，用1、2、3……等阿拉伯數(shù)字表示小版本號v。BOM版本演變過程[6,7]如圖3所示。

圖3 工作流版本演變圖

由圖可知，BOM版本管理工作流中，版本的演變流程如下：

1）用戶在個人工作區(qū)創(chuàng)建新對象，并上傳到公共數(shù)據(jù)庫作為初始版本，其版本標識號記為＜r. v＞，其中r=A，v=0。

2）設計人員將對象從公共數(shù)據(jù)庫檢出到個人工作區(qū)進行，此時為工作版本＜r. v＞，小版本號v自增。

3）對工作版本進行設計/修訂，完成后將修改得到的新版本檢入到公共數(shù)據(jù)庫。版本標識號不變。

4）如果對象設計基本完成，需要進行審核，則產生提交版本以繼續(xù)下一步；否則，小版本號v自增，檢出到個人工作區(qū)繼續(xù)進行設計，返回3）。

5）如果發(fā)布審核通過，則執(zhí)行發(fā)布操作，產生可用的發(fā)布版本；如果審核不通過，小版本號v自增，檢出到個人工作區(qū)生成工作版本，返回3）。

6）進入后期的工藝規(guī)劃、仿真、生產制造等階段后，如果出現(xiàn)客戶需求更改等可能要求改變產品設計的情況，可以對發(fā)布版本提出更改申請，進入7）；如果出現(xiàn)需要凍結BOM數(shù)據(jù)的情況，進入8）。

7）如果更改審核通過，發(fā)布版本返回到個人工作區(qū)，作為新的工作版本進行修訂，其版本標識號在之前發(fā)布版本基礎上修改，大版本號r自增，小版本號v重置為1，返回3）；如果更改審核不通過，則返回6）。

8）對于發(fā)布版本需要凍結的情況，如果是實踐后認為該版本不能再被使用（如版本有效期完結），不需要繼續(xù)保存，則轉入廢棄狀態(tài)；如果是產品設計成熟，需要定型，則轉為歸檔狀態(tài)，以保護版本數(shù)據(jù)和狀態(tài)不被改動。

3.2 BOM版本多視圖分支維護機制

在PLM系統(tǒng)中，通過版本來控制管理對象（如產品結構、文檔及CAD文檔等）的修改和變化過程[8]。以PLM系統(tǒng)典型的版本機制作為基礎，添加新的視圖版本分支，最后形成如圖4所示的版本維護機制。其中，各視圖分支在產品的實際研發(fā)過程中，對應不同專業(yè)領域和生產環(huán)節(jié)的研發(fā)人員。圖4中設想了設計、工藝、制造三個環(huán)節(jié)下，BOM多視圖的版本維護。

圖4 擴展視圖分支后的BOM版本維護機制

增加了視圖分支的版本演變和維護遵循正常的版本演變流程。具體規(guī)則如下：

1）在同一視圖分支下，BOM版本號只發(fā)生小版本號的自增，大版本號不變。這表現(xiàn)了單一視圖下，產生對象初始版本后，通過多次執(zhí)行“檢入/檢出”操作按次序升級版本的歷程。即同一領域中，設計與修改是在之前的設計方案基礎上迭代修改的串行過程。

例如：圖4的設計視圖中，初始版本為A.1，按次序升級版本為A.2，A.3，A.4，A5。同理，工藝視圖中，初始版本B.1按次序升級版本為B.2，B.3，B.4；制造視圖中，初始版本C.1升級版本為C.2。

圖5 基于產品結構多視圖的產品數(shù)據(jù)集中管理模型

2）BOM的不同視圖分支按研發(fā)過程中先后開始工作的順序（即上下游關系）排序，當BOM從上游產生下游版本時，其大版本號依次自增，小版本號則按具體對應關系處理。這反映了研發(fā)過程中，上下游環(huán)節(jié)以“修訂/更改”操作映射BOM視圖的過程。大版本號的自增和小版本號的關聯(lián)也表明，不同環(huán)節(jié)的設計過程存在一定的獨立性，甚至是并行進行的。

例如：設計視圖下的版本A.2，生成的工藝視圖下的初始版本B.1；工藝視圖下的版本生成制造視圖下的初始版本C.1。

3）當任意環(huán)節(jié)對BOM進行修改，即小版本更新時，所有環(huán)節(jié)都進行版本更新，即都進行小版本號的自增。

4）維護機制流程圖中最下一行的BOM為各視圖分支下的最新版本。

4 基于BOM的產品數(shù)據(jù)集中管理

在PLM系統(tǒng)中，需要基于BOM對研發(fā)過程中的產品數(shù)據(jù)進行集中管理?；诋a品BOM多視圖的產品數(shù)據(jù)集中管理模型如圖5所示。

該模型呈現(xiàn)以下特點：

1）產品數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在基本視圖中?；疽晥D中包含了可選的、必需的和允許配置的各種產品結構構件，便于對不同視圖間數(shù)據(jù)的繼承、共享和更改影響進行管理控制。通過該視圖有效地集中管理研發(fā)過程中產生的產品工程數(shù)據(jù)，形成邏輯上的產品數(shù)據(jù)總線。

2）通過基本視圖，基于版本、變量、有效性等不同條件的特定配置要求，面向不同的系統(tǒng)用戶形成配置后的不同類型視圖。圖5中各列分別代表不同類型的視圖。產品研發(fā)中最主要的視圖包括：設計視圖、工藝視圖和制造視圖，用戶還可以根據(jù)業(yè)務需求靈活地進行擴展定義，比如圖5中定義了裝配視圖。

3）不同類型的視圖實例可按照視圖類型之間的依賴關系通過轉化生成，如上圖中由設計視圖依次轉化形成的工藝、生產、裝配視圖。

4）基于面向不同業(yè)務視角的產品視圖，產品研發(fā)過程中不同環(huán)節(jié)、不同階段、不同業(yè)務領域的工程技術人員開展各自的業(yè)務工作，產生的產品工程數(shù)據(jù)又統(tǒng)一存儲到基本視圖中。

5 結束語

本文研究了企業(yè)產品研制過程中的BOM數(shù)據(jù)管理方法。面向實際生產中出現(xiàn)的BOM管理問題，如各環(huán)節(jié)間數(shù)據(jù)互通與關聯(lián)困難、數(shù)據(jù)不一致問題較多、產品結構配置和管理效率低下等，本文提出了一些針對性的解決方法。初步研究了幾種BOM數(shù)據(jù)不一致的情形，給出了相應的一致性維護方案。在分析BOM版本管理需求和特點的基礎上，提出了BOM多視圖的樹狀版本管理模型，采用關鍵版本管理法保證了BOM的版本追溯，研究了BOM的版本狀態(tài)演變過程，設計了多視圖分支下的BOM維護機制。這些BOM管理方法對于實現(xiàn)有效的BOM多視圖管理，以及進一步實現(xiàn)高效的工程數(shù)據(jù)集成管理和研究PLM系統(tǒng)，奠定了良好的基礎。