0 引言

    隨著制造業(yè)市場競爭的日趨激烈，傳統(tǒng)制造環(huán)境下的企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由于用戶的個性化需求而變得愈來愈復(fù)雜，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更改更頻繁、無法有效管理產(chǎn)生的多而混雜的文檔版本、出錯率居高不下，難以適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。作為PDM體系結(jié)構(gòu)的重要組成部分的PCM，是廣義的物料清單(BOM)管理，可以較好地支持現(xiàn)代制造環(huán)境下的復(fù)雜產(chǎn)品管理及客戶定制過程。PCM以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以結(jié)構(gòu)BOM為組織核心，將最終產(chǎn)品的工程數(shù)據(jù)及其設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的文檔聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)有效組織、管理與控制，并在一定目標(biāo)和規(guī)則約束下向用戶或應(yīng)用系統(tǒng)提供多種BOM及描述，如設(shè)計(jì)BOM、制造BOM、計(jì)劃BOM、財(cái)務(wù)BOM和銷售BOM等。因企業(yè)存在多種BOM描述，要保證這些BOM的一致性、正確性就必須將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的零/部件按照滿足客戶需求的條件進(jìn)行組合約束配置，從而得到客戶需要的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。這種滿足客戶需要的條件稱為配置條件，對各種配置條件進(jìn)行組合約束會產(chǎn)生多種不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，多種配置條件的組合、約束稱為配置規(guī)則。

1 產(chǎn)品配置規(guī)則與配置管理

    在產(chǎn)品配置管理中，企業(yè)產(chǎn)品的主要參數(shù)值往往被組合成多種配置條件和配置規(guī)則。如高速列車塞拉門產(chǎn)品的門類型有氣動門、電動門等；使用的電源電壓有DC24V、DC72V、DC110V等；門系統(tǒng)控制方式有手動、電控氣動、集控氣動等；門板厚度在32～43mm范圍等，這些參數(shù)之間有的互不影響，而有的則相互沖突。再考慮其他因素，如門的結(jié)構(gòu)樣式、價格、通過高凈開度等因素，就可以得到若干組合配置條件，根據(jù)這些配置條件將得到成千上萬的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，這些配置規(guī)則在計(jì)算機(jī)的各種算法支持下進(jìn)行配置，將大大簡化產(chǎn)品配置過程，降低開發(fā)成本，快速滿足客戶的需求，因此產(chǎn)品配置也是基于客戶需求的大規(guī)模定制生產(chǎn)模式下的核心使能技術(shù)。產(chǎn)品配置規(guī)則主要分為變量配置規(guī)則、版本配置規(guī)則和有效性配置規(guī)則三種類型。

    1.1 變量配置規(guī)則與配置管理

    變量配置規(guī)則基于產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)或概念結(jié)構(gòu)模型，該模型僅僅描述產(chǎn)品的功能組成以及各個子功能之間的相互關(guān)系，如塞拉門產(chǎn)品主要由門扇、導(dǎo)向、承載、鎖閉、驅(qū)動和控制等功能部件組成，其中門扇部件又由門板、玻璃等零/部件功能構(gòu)成，承載部件由攜門架、底架等零/部件功能構(gòu)成，塞拉門產(chǎn)品的功能模型如圖1所示。

    圖1 塞拉門產(chǎn)品的功能模型

    產(chǎn)品主要參數(shù)值一般是由關(guān)鍵零/部件某個屬性的值決定的，當(dāng)零/部件的某個屬性具有多個取值時，就可將該屬性視為配置變量，如門類型有“氣動”及“電動”二種取值，則門類型就可作為配置變量。配置變量的數(shù)據(jù)類型通常為字符型、數(shù)字型、邏輯型及日期型，按照數(shù)學(xué)運(yùn)算符(≥、≤、＝、＞、＜、＜＞等)及邏輯運(yùn)算符(AND、OR、NOT、LIKE等)組合成配置條件及配置規(guī)則，如(門類型=“氣動”)、(電源電壓=“DC24V”)就是兩個配置條件，而[(門類型=“氣動”)AND(電源電壓=“DC24V”)]則是兩個配置條件經(jīng)過邏輯與運(yùn)算得到的配置規(guī)則。復(fù)雜的配置規(guī)則可采用二叉樹的算法實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式的自動推導(dǎo)求解。圖2所示是描述了塞拉門產(chǎn)品從門類型、電源電壓及門板厚度三個配置變量的若干選項(xiàng)來確定塞拉門產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)配置實(shí)例，圖2中塞拉門A131產(chǎn)品的配置約束規(guī)則為：[(門類型=“氣動”)AND(電源電壓=“DC110V”)AND(門板厚度=“32mm”)]。

    圖2 塞拉門產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)配制實(shí)例

    變量配置規(guī)則主要面向產(chǎn)品的功能配置，根據(jù)客戶的需求情況定制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，就可以產(chǎn)生滿足不同層次用戶需求的，具有不同功能的系列化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。因此變量配置規(guī)則主要應(yīng)用于系列化產(chǎn)品的配置場合。

    1.2 版本配置規(guī)則與配置管理

    版本是記錄產(chǎn)品或零/部件對象的各個可選狀態(tài)的快照。版本模型有線性版本模型、樹型版本模型和有向無循環(huán)圖版本模型三種。第一種非常適用于零/部件設(shè)計(jì)過程中各個階段生成的設(shè)計(jì)版本，不能用于有多種可選設(shè)計(jì)方案的情況；而第二種則反映零/部件設(shè)計(jì)過程中以某一中間版本為基礎(chǔ)，選擇多種設(shè)計(jì)方案而形成的多個設(shè)計(jì)結(jié)果的情況；第三種則反映由零/部件的多個設(shè)計(jì)版本合成一個新版本的情況，是一種較完善的模型，其余兩種模型是該模型的特例。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中由于描述的方法不同、設(shè)計(jì)方案與性能要求的差異以及設(shè)計(jì)人員主觀意識的差別，導(dǎo)致設(shè)計(jì)產(chǎn)生多個不同的設(shè)計(jì)結(jié)果(多種可能狀態(tài))，則每個狀態(tài)稱為該產(chǎn)品或零/部件的一個版本，顯然加入版本后，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜性大大增加。采用版本來統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理不同階段工作的信息并有效記錄設(shè)計(jì)歷史過程，當(dāng)已歸檔的設(shè)計(jì)結(jié)果需要更改時，可以借助于PDM的工作流技術(shù)來升級版本，以保證設(shè)計(jì)的一致性。在PDM中與版本有關(guān)的對象包括零/部件及其設(shè)計(jì)文檔。通常這些對象在設(shè)計(jì)過程中存在工作版本、提交版本、歸檔版本、凍結(jié)版本及發(fā)行版本五種版本，其版本可按照時間順序采用線性版本模型管理。

    版本配置主要基于五種版本分別進(jìn)行配置。若干工作版本中除最新版本外，其余均是只讀版本，各版本之間具有某種延續(xù)關(guān)系，使設(shè)計(jì)具有追溯性。塞拉門產(chǎn)品BOM模板及按照配置規(guī)則進(jìn)行有效性配置的產(chǎn)品部分結(jié)構(gòu)見圖3。目前常用的兩種配置方法是按照已發(fā)行最新版本配置和按照已發(fā)行所有版本進(jìn)行配置，圖3a所示是已發(fā)行所有版本的塞拉門產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如果按已發(fā)行最新版本配置，則門扇部件版本號應(yīng)為2.1，攜門架版本號為2.0(見圖3b)。對于同一版本的產(chǎn)品零/部件的版本配置遵循有效性配置規(guī)則。

    圖3 塞拉門產(chǎn)品BOM模板及按照配置規(guī)則進(jìn)行有效性配置的產(chǎn)品部分結(jié)構(gòu)

    1.3 有效性配置規(guī)則與配置管理

    產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的零/部件如果有多個版本，各個版本有效時間范圍各不相同，如在BOM中不同層次上有同一零/部件的不同版本或同一版本分布在BOM的不同層次上，則可按照樹型版本模型進(jìn)行配置，也稱為有效性配置。有效性配置適合于非系列化產(chǎn)品的單一產(chǎn)品中的不同版本零/部件、可選件、替換件按照版本有效時間范圍、結(jié)構(gòu)有效時間范圍等配置項(xiàng)進(jìn)行配置的場合。

    配置項(xiàng)可用一個八元組表示，記為cfg：=<proID，partID，optType，attrVal，repPID，excPID，sDate，eDate>，其中proID表示產(chǎn)品標(biāo)識，partID表示零／部件標(biāo)識，optType表示選項(xiàng)標(biāo)記，attrVal表示對應(yīng)optType選項(xiàng)的值，當(dāng)optType=1表示版本有效性，其attrVal表示具體的版本值；當(dāng)optType=0表示結(jié)構(gòu)有效性，其attrVal表示是否選用、是否替換、是否互換等選項(xiàng)值，用1表示肯定值，用0表示否定值，repPID表示替換零/部件的標(biāo)識，excPID表示互換零/部件標(biāo)識，sDate表示生效日期，eDate表示失效日期。

    在圖3a所示的塞拉門產(chǎn)品模板的基礎(chǔ)上如果設(shè)定表1所示的時間有效性或結(jié)構(gòu)有效性配置規(guī)則，則如果當(dāng)前配置時間是2011年4月1日，則按照表1給出的配置規(guī)則進(jìn)行有效性配置的效果如圖3c所示；如果當(dāng)前配置時間是2012年3月1日，則按照表1給出的配置規(guī)則進(jìn)行有效性配置的效果如圖3d所示，從圖3b、圖3c、圖3d中可以看出不同的配置規(guī)則得到的塞拉門產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不太一樣，因此可采用軟件靈活配置的技術(shù)來達(dá)到管理復(fù)雜產(chǎn)品多樣性的目的。

表1 有效性配置規(guī)則定義

2 產(chǎn)品配置概念數(shù)據(jù)模型及配置算法

    單一產(chǎn)品配置必須首先建立一個標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品模板樹，該模板樹擁有所有版本的零/部件及其設(shè)計(jì)文檔，其零/部件配置信息存放在配置項(xiàng)規(guī)則表中，按照BOM樹遞歸搜索算法依次判斷各個層次節(jié)點(diǎn)是否滿足給定的配置規(guī)則，其產(chǎn)品配置數(shù)據(jù)邏輯模型如下。

    產(chǎn)品信息(產(chǎn)品編碼、產(chǎn)品版本、產(chǎn)品名稱、規(guī)格和型號)；BOM模板庫(模板編號、父編號、物料編碼、產(chǎn)品編碼、產(chǎn)品版本、子版本、裝配數(shù)量、層次和底層標(biāo)識)；物料信息(物料編碼、物料名稱、物料類型、結(jié)構(gòu)類型、圖號、材料牌號、單位、單位重量、設(shè)計(jì)修改號、版本、生效日期、失效日期和設(shè)計(jì)人)；配置項(xiàng)信息(配置編碼、配置項(xiàng)名稱、是否有效、選項(xiàng)標(biāo)記、選項(xiàng)值、替代件、互換件、生效日期和失效日期)；配置規(guī)則庫(規(guī)則編號、物料編碼、配置條件、邏輯運(yùn)算符、生效日期和失效日期)；臨時BOM樹結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)庫配置BOM表結(jié)構(gòu)與BOM模板庫結(jié)構(gòu)相同。其中BOM模板庫存放著產(chǎn)品的BOM樹信息，該樹擁有所有版本的零/部件信息；而配置項(xiàng)信息表中存放所有的配置條件，在配置系統(tǒng)中可以讀出配置條件并進(jìn)行條件組合形成配置規(guī)則存放在配置規(guī)則庫中。

    目前國內(nèi)外學(xué)者提出了較多的產(chǎn)品配置模型及算法。一個基于知識的采用深度優(yōu)先的啟發(fā)式搜索策略求解算法；基于約束推理的產(chǎn)品配置模型；基于可適應(yīng)的通用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)(Adaptive Generic Product Structure，AGPS)的產(chǎn)品家族樹的模型配置方法。本文提出的產(chǎn)品配置過程是從數(shù)據(jù)庫中一次性提取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹模板，便于按照樹深度搜索各零/部件節(jié)點(diǎn)，結(jié)合零/部件配置規(guī)則庫分別進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)的配置，算法步驟描述如下。

    1)在產(chǎn)品信息表中選擇當(dāng)前要配置的產(chǎn)品編碼與版本，從BOM模板庫(樹)的0層提取要配置的對應(yīng)物料編碼pno，將其對應(yīng)的信息存放至臨時BOM樹中。

    2)從BOM模板庫中查找當(dāng)前父物料號等于pno的零/部件結(jié)構(gòu)信息，如果未找到，轉(zhuǎn)步驟5)；否則取得該結(jié)果行的第一行信息，轉(zhuǎn)步驟3)。

    3)如果該行是零件信息，則在配置規(guī)則庫中查找對應(yīng)的物料配置條件，并將生效、失效日期與當(dāng)前日期比對后，確定該零件配置條件是否有效，如果有效則完成配置；如果該物料是部件，則轉(zhuǎn)步驟4)進(jìn)行；如果無效，則取當(dāng)前結(jié)果集的下一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，重復(fù)步驟3)。

    4)取出當(dāng)前行部件的父物料號放在變量ppno中，對該部件查找相應(yīng)的部件配置條件，完成部件配置，以確定該部件選用的結(jié)構(gòu)有效性及版本有效性情況，將pno替換成ppno再進(jìn)行配置；重復(fù)步驟2)～步驟4)；直到產(chǎn)品或部件全部配置完成，轉(zhuǎn)步驟5)。

    5)將臨時BOM樹結(jié)果轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)庫配置BOM表中。

    算法步驟1)～步驟5)得到的數(shù)據(jù)庫配置BOM表可根據(jù)某部件或零件逐級正向查詢產(chǎn)品樹的組成關(guān)系(反映裝配順序關(guān)系)。如果配置效果不滿意，則修改配置規(guī)則重新配置，以滿足用戶的定制需求。

3 塞拉門產(chǎn)品配置應(yīng)用實(shí)例

    由項(xiàng)目組自行研發(fā)的某高速列車塞拉門配置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上述算法，塞拉門產(chǎn)品配置管理系統(tǒng)部分配置界面如圖4所示。圖4中：①是變量定義與取值窗口，主要設(shè)置零/部件哪些屬性變量需要配置，并給出變量允許值的范圍；②是根據(jù)客戶需求構(gòu)造配置條件并進(jìn)行組合約束，形成配置規(guī)則；③是某塞拉門產(chǎn)品所有版本零/部件構(gòu)成的BOM模板庫；④是按照版本配置規(guī)則對塞拉門產(chǎn)品進(jìn)行配置的結(jié)果。

    圖4 塞拉門產(chǎn)品配置管理系統(tǒng)部分配置界面

4 結(jié)語

    產(chǎn)品配置與管理是PDM系統(tǒng)的核心功能之一，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、客戶需求、ERP計(jì)劃及制造的聯(lián)系紐帶。國內(nèi)PDM系統(tǒng)的PCM功能由于各種原因普遍薄弱，對PCM的模型研究、算法尚不成熟且與軟件開發(fā)脫節(jié)。研究給出的數(shù)據(jù)邏輯模型建立在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之上，實(shí)現(xiàn)配置變量與配置規(guī)則入庫管理，并基于產(chǎn)品樹的遞歸算法實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品配置管理功能，操作簡單，易于用戶交互。在一定程度上滿足用戶的產(chǎn)品定制要求與產(chǎn)品配置。基于面向?qū)ο蟮拈_發(fā)技術(shù)，使開發(fā)的系統(tǒng)能夠重用、容易維護(hù)，基于數(shù)據(jù)庫的BOM樹配置功能更容易與企業(yè)CAD、CAPP、CAM、CAE、MC、ERP進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)多種BOM的信息共享與數(shù)據(jù)一致性。目前該配置系統(tǒng)的配置決策能力尚顯不足、配置規(guī)則庫尚不豐富，需要進(jìn)一步完善。

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本文標(biāo)題：PDM環(huán)境下產(chǎn)品配置管理技術(shù)的研究

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