1 問題的提出

    多品種小批量生產(chǎn)以其柔性高、適應(yīng)性強的特點成為當(dāng)前制造企業(yè)的一種重要生產(chǎn)模式。在這種生產(chǎn)模式下，零部件借用較多，工程變更相對頻繁；同樣一組零件可能因為裝配地點、型號或客戶等的不同而成為不同部件或產(chǎn)品；而同時一種部件雖然在內(nèi)存中只能有一種物料清單(Bill of Material，BOM)裝配結(jié)構(gòu)，但其存儲模型卻可能存在多個不同版本或有效期，而且在產(chǎn)品生命周期的不同階段又會因部門職能的不同而存在設(shè)計BOM視圖、工藝BOM視圖和制造BOM視圖等不同視圖。因此，實際上BOM的存儲模型不同于內(nèi)存中樹形結(jié)構(gòu)的BoM對象，它是一種“圖形結(jié)構(gòu)”。而傳統(tǒng)的BOM模型一般將零部件信息與裝配結(jié)構(gòu)信息耦合在一起進行存儲，導(dǎo)致通用件／借用件等數(shù)據(jù)的冗余度較高，且無法靈活表達BOM的圖形結(jié)構(gòu)，更難以支持BOM多視圖轉(zhuǎn)換及工程變更的自動實現(xiàn)。文獻采用級聯(lián)編碼的數(shù)據(jù)構(gòu)造方法，提高了BOM數(shù)據(jù)的執(zhí)行效率，但是在零部件借用關(guān)系的表達上不夠靈活，數(shù)據(jù)存儲冗余度過高；文獻考慮到平衡BOM數(shù)據(jù)存儲和構(gòu)建的效率，基于半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型構(gòu)建可重用構(gòu)件庫來進行裝配結(jié)構(gòu)的拼裝，但是該模型仍是將部件與結(jié)構(gòu)耦合在一起，不適于表達部件與結(jié)構(gòu)的多對多關(guān)系。

    文獻將零部件的裝配關(guān)系定義為三元組SR=，對BOM進行了數(shù)學(xué)描述，其意義可簡單描述為“零部件c2在部件C1中的裝配數(shù)量為x”。但是該三元組直接限定了“父件一子件”之間的對應(yīng)關(guān)系，因此在表達零部件多種裝配結(jié)構(gòu)和借用關(guān)系時都會存在較多冗余。如圖1所示為產(chǎn)品P的BOM，1個“總裝”件P由2個“組裝”件s和1個“組裝”件t裝配而成；1個s由2個“過渡”件a和2個“組裝”件b裝配而成；其余可依此類推。依照上述

圖1一個樹形產(chǎn)品BOM實例

2 制造物料清單裝配結(jié)構(gòu)的定義

    產(chǎn)品的制造BOM信息主要有兩類：①只與零部件(物料)自身相關(guān)的屬性信息，一般由名稱、編號、版本、額定工時等字段組成，是一個簡單的一維數(shù)據(jù)表；②表達零部件之間裝配關(guān)系的信息，即裝配結(jié)構(gòu)。裝配結(jié)構(gòu)一般描述為零部件之間的父子關(guān)系和裝配數(shù)量的集合。在實際工程應(yīng)用中，BOM的裝配結(jié)構(gòu)在存儲上一般是一種圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

    本文中“父件”是指由其“子件”裝配而成的部件，如圖2a中部件a由一組零部件(c1，c2，...，c10)裝配而成，則稱部件a為這組零部件的父件，這組零部件中所有個體都是部件a的子件；“裝配結(jié)構(gòu)”(簡稱“結(jié)構(gòu)”)則是指父件與子件之間裝配關(guān)系的集合。傳統(tǒng)模型中一般用“父件一子件”來表達裝配關(guān)系，但其冗余度較高且不易表達具有多種裝配結(jié)構(gòu)的部件。如圖2a中a和g具有相同的一組子件(c1，c2，...，c10)時傳統(tǒng)的“父件一子件”表示會有明顯的重復(fù)，而且也不易區(qū)分a的兩種不同裝配結(jié)構(gòu)“a一(c1，c2，...，c10)，和“a-(e，f)。

圖2 BOM裝配結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)模型與本文模犁的比較

    “父件一結(jié)構(gòu)”表示部件具有某種裝配結(jié)構(gòu)，如圖2b中“a—s”表示部件a具有裝配結(jié)構(gòu)s(帶圈字母表示“結(jié)構(gòu)”)；“結(jié)構(gòu)一子件”表示某個裝配結(jié)構(gòu)中含有某個零部件，如“s—C01”。這樣就通過BOM模型中裝配結(jié)構(gòu)的獨立，使“父件一結(jié)構(gòu)”和“結(jié)構(gòu)一子件”兩層關(guān)系分離，從而更適于表達復(fù)雜的BOM并減少冗余。如圖2b中裝配結(jié)構(gòu)s的存在使得“a—s”與“s—c”相互獨立，避免了a和g相同裝配結(jié)構(gòu)的重復(fù)性表示，同時a的兩種不同結(jié)構(gòu)s和t得以明確地表達。為準確表達上述BOM模型，下面用數(shù)學(xué)集合的方法進行形式化描述：

    (1)定義物料．r的集合X=(x1，x2，...)；定義結(jié)構(gòu)s的集合S={s1，sz，...}，其中s=v指版本，W指視圖，Tf指有效期開始時刻。t指有效期截止時刻；在存儲模型中一個部件可以存在多個結(jié)構(gòu)；但是對于一個BOM實例在版本、視圖和時刻都確定時，只能有一個有效的樹形結(jié)構(gòu)(若存在多個有效結(jié)構(gòu)，則取最大版本)。用s1表示有效元素，則結(jié)構(gòu)有效性判斷式

3 結(jié)合可擴展標記語言的新型存儲模型

    目前BOM的存儲一般采用關(guān)系模型，而內(nèi)存中的BOM一般為樹形結(jié)構(gòu)的對象模型，目前由存儲的BOM數(shù)據(jù)來構(gòu)建內(nèi)存中的BOM對象一般有麗種方法：①按照BOM的層次結(jié)構(gòu)進行遞歸查詢，并依次構(gòu)建對象。這種方法實現(xiàn)起來較為簡單，但速度很慢；②通過SQL腳本來實現(xiàn)遞歸遍歷將零部件添加到臨時表中，然后對臨時表進行遞歸，在內(nèi)存中構(gòu)建樹形BOM對象（創(chuàng)建完成后刪除臨時表)，這種方法的速度略有提高但對于復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)仍無法滿足要求。這兩種方法每次查詢都需要將BOM數(shù)據(jù)從關(guān)系模型轉(zhuǎn)換到樹形結(jié)構(gòu)的對象模型，而這種異構(gòu)模型之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是導(dǎo)致BOM讀取效率低下的主要原因。由此，本文提出將臨時表中的查詢結(jié)果直接以樹形結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)庫中存儲下來，在以后執(zhí)行同一查詢時直接由數(shù)據(jù)庫中的樹形結(jié)構(gòu)直接映射到內(nèi)存中，從而避免了每次都對關(guān)系模型數(shù)據(jù)進行低效率的查詢。這些BOM查詢結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中，起到了數(shù)據(jù)緩存的作用，本文稱其為BOM緩存。

    可擴展標記語言(eXtensible Markup Language，XML)作為一種半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)具有自描述能力，其天然的樹形結(jié)構(gòu)非常適于表達BOM的層次結(jié)構(gòu)，與內(nèi)存中的BOM對象具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的同構(gòu)性。目前宅要的商業(yè)數(shù)據(jù)庫都已支持XMI。數(shù)據(jù)類型，而且在數(shù)據(jù)查詢方面，XQuery語言已經(jīng)成為萬維網(wǎng)聯(lián)盟(W3C)的推薦標準。但XML在數(shù)據(jù)更新方面的標準仍不成熟，各種商業(yè)軟件的規(guī)范也不統(tǒng)一，而且目前多數(shù)信息系統(tǒng)仍主要支持關(guān)系模型，因此本文提出一種關(guān)系模型與XML模型相結(jié)合的新型存儲模型。該模型在數(shù)據(jù)讀取方面提供了基于XML模型的BOM緩存以獲得高效率，同時仍保留了關(guān)系模型的數(shù)據(jù)讀取／變更接口，以保證良好的兼容性。

    如圖3所示，在新型模型中查詢BOM數(shù)據(jù)時，可以直接從XML緩存中讀取以前存儲的BOM查詢結(jié)果；若為首次讀取，則應(yīng)先對關(guān)系模型進行查詢并將得到的臨時表生成樹形BOM數(shù)據(jù)后存儲到XML緩存，然后將其讀入內(nèi)存。在內(nèi)存中BOM數(shù)據(jù)發(fā)生變更時。將直接對存儲中的關(guān)系模型部分進行插入、更新或刪除等數(shù)據(jù)變更操作；在關(guān)系模型完成變更之后，再根據(jù)第2章中的結(jié)構(gòu)有效性判斷式進行判斷。若發(fā)生變更的BOM結(jié)構(gòu)在當(dāng)前時刻有效，則應(yīng)立即刪除緩存中原有的BOM數(shù)據(jù)，并存儲變更后的BOM數(shù)據(jù)；若當(dāng)前時刻無效，則在生效時自動處理。另外，對于不支持XML讀取接口的傳統(tǒng)系統(tǒng)，該存儲模型仍支持對關(guān)系模型的直接讀取。

圖3 結(jié)合XML的新型存儲模型及實現(xiàn)

    上述新型BOM存儲模型的實體關(guān)系圖如圖4所示，包括Products(產(chǎn)品)、Items(物料)、PartBomLink(父件一結(jié)構(gòu)關(guān)系)、Structure(結(jié)構(gòu))、Partsln-Structure(結(jié)構(gòu)一子件關(guān)系)五個數(shù)據(jù)表。其中：PK為各表的主鍵；FKl和FK2為外鍵約束；U1為唯一性約束；Items表中的ItemType字段用來存儲物料的類型，有總裝、組裝、自制、外協(xié)、采購、虛擬、過渡和毛坯等；在PartBomLink表中設(shè)計了XML數(shù)據(jù)類型的StructurelnXml字段作為BOM緩存。StructurelnXml字段存儲的XML數(shù)據(jù)完整地定義了零部件的整個BoM結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，該字段的XML架構(gòu)可以簡單地如圖5表示，ParentPart元素為根節(jié)點。為明確表達裝配關(guān)系，Part元素應(yīng)至少包含屬性PartlD和Qty(圖中省去了部分屬性)且可以自身嵌套。

    基于以上XML架構(gòu)表示時，圖1中BOM實例的XML代碼如下：

4 物料清單緩存的構(gòu)建及查詢

   BOM緩存一般在首次查詢產(chǎn)品或部件的BOM結(jié)構(gòu)時創(chuàng)建，由給定的物料ID值productID(對應(yīng)Items表中的ObjectlD)對關(guān)系模型部分進行查詢并創(chuàng)建臨時表，然后轉(zhuǎn)換為基于XML的樹形BOM數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

    步驟1 創(chuàng)建臨時表TempBOM，添加字段ParentPartID，ChildPartID，ActualQty，Level；臨時堆棧表TempParts，添加字段ChildPartID，Level；臨時表TempStructureXml，添加ParentPartlD和XML類型字段PartStructure；臨時變量level-0；在TempParts中添加一行新紀錄(productID，leve1)。

    步驟2若level≥0，則將TempParts首行記錄中ParentPartID字段的值賦給parentPartID，刪除該行記錄，轉(zhuǎn)步驟3；若level

    步驟3 通過parentPartlD找到在PartBom-Link表中的關(guān)聯(lián)記錄，若StructureInXml字段不為NULL，則將parentPartID和StructureXml字段數(shù)據(jù)添加到TempStructureXml表中，level=level-1，轉(zhuǎn)步驟2；若StructureInXml字段為NULL。且存在理個StructureID不為NULL，則轉(zhuǎn)步驟4。

    步驟4 找到所有n個StructureID所關(guān)聯(lián)Structure集合，根據(jù)結(jié)構(gòu)有效性判斷式得到有效結(jié)構(gòu)sv，獲取sv的ObjectlD，然后轉(zhuǎn)步驟5；若沒有有效結(jié)構(gòu)，則轉(zhuǎn)步驟2，level=level-1。

    步驟5 level—level+1；由步驟4獲取的StructureID在PartslnStructure表中查詢得到所有關(guān)聯(lián)記錄的PartlD值、Qty值，步驟3中的parent-PartID以及l(fā)evel一并添加到TempBOM中相應(yīng)的ChildPartID，ActualQty，ParentPartID和Level字段，并將所有記錄的PartID值和level一并添加到TempParts表中的相應(yīng)字段；轉(zhuǎn)步驟2。步
   
    驟6 由TempBOM和PartStructure表可以通過遞歸獲得基于XML模型表示的BOM數(shù)據(jù)，然后將其存儲到PartBomLink表中productID對應(yīng)的StructurelnXmi字段中，以實現(xiàn)BOM緩存的創(chuàng)建或變更。

    上述步驟實現(xiàn)了關(guān)系模型數(shù)據(jù)向樹形結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)換，過程較為復(fù)雜。對于沒有緩存的傳統(tǒng)存儲模型，每次查詢BOM數(shù)據(jù)都需要執(zhí)行類似轉(zhuǎn)換過程，因此執(zhí)行速度較慢。而在設(shè)計了緩存的新型存儲模型中，只有首次查詢時才會執(zhí)行該轉(zhuǎn)換過程。構(gòu)建BOM緩存之后，在Microsoft SQL Server2005數(shù)據(jù)庫中查詢圖l中實例的部件8的BOM結(jié)構(gòu)時可執(zhí)行如下的SQI。查詢語句(該SQL語句中內(nèi)嵌了xQuery查詢語句)。

    在構(gòu)建內(nèi)存中的BOM對象時，只需遍歷以上XML數(shù)據(jù)的樹形結(jié)構(gòu)，將每個Part元素映射為一個Part對象(將Part元素的屬性值賦給Part對象的同名屬性)，并添加到其父級對象的子件鏈表中即可。

5 結(jié)束語

    制造BOM是制造企業(yè)實施生產(chǎn)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如何減少BOM存儲模型的冗余又兼顧運行效率一直是BOM模型設(shè)計中的難點。由于制造BOM的數(shù)據(jù)滇取頻率遠高于數(shù)據(jù)變更的頻率，在盡量避免無益冗余(如圖2a中a和g相同子件的重復(fù)表示)的同時，對于能夠明顯改善BOM讀取效率的冗余，應(yīng)適當(dāng)保留甚全需要專門設(shè)計。本文模型中XMI。緩存部分相對于關(guān)系模型部分雖然也存在一定冗余，但其只是將當(dāng)前有效的部分BOM結(jié)構(gòu)另行存儲，額外占用的空間較少，卻可以大幅度提升BOM存儲模型的整體性能。該模型用于CAXA制造過程管理系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn)，在零部件節(jié)點越多、裝配層級越多時，對效率的提高效果越明顯。以構(gòu)建有1065個零部件節(jié)點、最深裝配層級為11層的BOM為例，進行了10次實驗與傳統(tǒng)模型進行比較后發(fā)現(xiàn)：首次用時傳統(tǒng)模型為6.173 s，本文模型為6.270 s；第2～10次平均用時傳統(tǒng)模型為6.156s，本文模型為0.078 s。結(jié)果表明，除首次讀取時由于構(gòu)建BOM緩存而用時稍長之外，本文模型具有明顯的速度優(yōu)勢。

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本文標題：一種新的制造BOM存儲模型

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