工程變更(Engineering Change，EC)是指在產(chǎn)品設計確定后，對于產(chǎn)品或組件的形狀、尺寸、裝配、功能、原材料等設計進行的變更和修訂。其發(fā)生原因主要有：用戶需求發(fā)生變化；產(chǎn)品設計中存在錯誤；零部件用途發(fā)生變化；產(chǎn)品質(zhì)量存在問題；生產(chǎn)成本需要進一步降低；需要進行新功能的擴充等。EC是貫穿產(chǎn)品生命周期的重要活動，它影響企業(yè)多個部門，容易造成產(chǎn)品開發(fā)周期延長，開發(fā)成本增加，生產(chǎn)計劃調(diào)整，庫存報廢，交貨期延長等。但EC在制造業(yè)競爭環(huán)境下又是不可避免的，EC的有效管理能力是體現(xiàn)企業(yè)敏捷性的重要標志之一，目前國內(nèi)外學者為此進行了相關研究，按其實現(xiàn)策略可歸納為如下幾類：

    ①基于流程的工程變更：將分散式資源和工作流程的集成，設計流程重組，商用軟件Winchill、Teamcenter等也有用專用流程模塊。

    ②基于產(chǎn)品結(jié)構的工程變更：以產(chǎn)品結(jié)構為基礎，給出了基于產(chǎn)品結(jié)構的詳細變更流程，并對其實現(xiàn)過程進行了描述�；�于多層產(chǎn)品結(jié)構，利用條件概率的思想，對其組成單元的變更靈敏度進行了研究。

    ③基于設計結(jié)構矩陣(Design Structure Matrix，DSM)的工程變更：對DSM進行擴展，利用擴展DSM的變更來滿足設計活動的動態(tài)改變，對設計活動進行動態(tài)規(guī)劃；利用DSM對變更傳播進行了分析，并對設計變更的知識管理進行了研究；利用DSM提出了一種通過零件聚類和分級來預測變更傳播影響的方法。

    以上研究是基于單個產(chǎn)品實例通過不同途徑實現(xiàn)工程變更管理，取得一定的成果。然而對于整個產(chǎn)品族來說，零部件之間存在著復雜的關聯(lián)關系，局部零件的變更會影響到產(chǎn)品的裝配、制造、功能和整體性能；同一產(chǎn)品在產(chǎn)品生命周期中存在不同的BOM視圖，不同的產(chǎn)品之間存在著復雜的零部件借用關系。因此需要研究一種針對產(chǎn)品多BOM視圖的變更過程易于控制、變更信息易于傳播、變更零部件方便借用的的工程變更管理方法，為此，本文在研究產(chǎn)品生命周期的BOM演進基礎上，引出BOM知識體(Knowledgebody based on BOM，KBOM)的理念，研究了BOM結(jié)構工程變更物理實現(xiàn)模型，建立了相應的工程變更管理信息模型，進而開發(fā)了基于KBOM的變更管理模塊。

1 基于產(chǎn)品生命周期的BOM演進

    BOM(Bill of Material)是表征產(chǎn)品結(jié)構的物料清單，在產(chǎn)品生命周期不同階段，表現(xiàn)為不同的BOM視圖：產(chǎn)品規(guī)劃階段與需求域和功能域相對應，主要任務是根據(jù)產(chǎn)品的市場定位和顧客定位確定產(chǎn)品的顧客需求結(jié)構即需求BOM(Requirement BOM，RBOM)，利用質(zhì)量屋(House of Quality，HOQ)工具將顧客需求轉(zhuǎn)化為技術要求，根據(jù)技術要求確定產(chǎn)品功能結(jié)構(Function BOM，F(xiàn)BOM)；產(chǎn)品設計階段對應結(jié)構域和工藝域，主要任務是根據(jù)FBOM確定產(chǎn)品的組成結(jié)構即設計BOM(Engineering BOM，EBOM)，在根據(jù)EBOM中零部件特性確定相應制造工藝，得到工藝BOM(Process planning BOM，PBOM)；在生產(chǎn)制造和銷售服務階段，不同部門根據(jù)自己的需求，將EBOM映射為制造BOM(Manufacturing BOM，MBOM)、客戶BOM(Customer BOM，CBOM)、質(zhì)量BOM(Quality BOM，QBOM)等。BOM視圖間的內(nèi)在聯(lián)系如圖1所示，為了保證產(chǎn)品生命周期中BOM數(shù)據(jù)的一致性，本研究中各種BOM視圖在形成和演化時都須以相應的KBOM為知識源頭進行。

2 KBOM的知識內(nèi)涵

    KBOM是基于產(chǎn)品族BOM各種知識的有效集成體，一個KBOM和一個產(chǎn)品族對應，KBOM可以簡潔描述為一個三元組，KBOM=(GUS，CUS，GUR)。

    (1)GUS為產(chǎn)品類單元集合，類單元是對相似可選配置單元組成集合的抽象，是一個有效的知識集成體，本研究將一個類單元視為一個知識體，類單元中的配置單元具有相似的功能；相似的產(chǎn)品結(jié)構和相同的外部接口關系。第i個類單元可表示為GU_i=(GID，GA，Gs，CN，GU_i(CU)，GT，GR)，其中：①GID為類單元的標識；②GA為類單元的屬性集合。③GS為類單元的關聯(lián)資源集合；④CN為類單元的配置數(shù)。⑤GU_i(CU)為第i個類單元的可選配置單元組成集合，表示為GU_i(CU)={CU_i1，CU_i2，…，CU_in)其中CUii為可選配置單元。⑥GT為類單元的類型，類單元的類型分為虛擬類單元(Virtual General Unit，VGU)、實例類單元(Instance General Unit，IGU)和混合類單元(Blend General Unit，BGU)；VGU指類單元中無具體配置單元實例，一個VGU中可以包含一個或多個版本（如圖1所示）；IGU中必須包含一個或多個配置單元；BGU中既包含VGU，又包含具體配置單元實例。⑦GR為配置規(guī)則集合，可表示為：GR=(GRS，GRU，GRV，GRC)，GRS為類單元的描述參數(shù)集合，CRU為參數(shù)單位，CRV為參數(shù)值，GRC為參數(shù)選配條件。

    圖1 BOM在產(chǎn)品生命周期中的演進

    (2)CUS為可選配置單元集合，配置單元是產(chǎn)品族基本構成對象的明確的形式化的規(guī)范表示，可將其視為一個五元組CU=(CUID，CUA，CUR，CUP，CUC)，其中：①CUID為配置單元的唯一標識，由其對應的零部件的編碼和版本組成；②CUA為配置單元的屬性集合；⑧CUR為配置單元的關聯(lián)資源集合；④CUP為配置單元的參數(shù)集合；⑤CUC為配置單元的約束規(guī)則集合，是個二元組，表示為CUC=(CUD，CURS)，CUD為約束條件集合，CURS為配置結(jié)果。可以將約束分為如下幾類：可選約束，選擇約束，排斥約束，矛盾約束，依賴約束，優(yōu)先級約束，勢約束，權約束，端口約束。

    (3)為產(chǎn)品類單元層次結(jié)構關系。KBOM視圖的表示在這里用擴展的“與/或”圖來完成，“與/或”圖是一種超圖，它包含“與(AND)”、“或(OR)”兩種關系，“與”關系表示構成父項的某幾個子項選擇時必須同時選擇，“或”關系表示構成父項的某幾個子項選擇時只能選擇一個。父項和子項關系包含“必選”和“可選”兩種，“必選”表示子項必須選擇；“可選”表示子項可以根據(jù)需求進行取舍；圖2為KBOM的表現(xiàn)視圖。

    圖2 KBOM結(jié)構視圖

3 基于KBOM的BOM結(jié)構工程變更

    基于KBOM的BOM結(jié)構工程變更實質(zhì)上是以BOM為變更數(shù)據(jù)對象和變更組織形式，實現(xiàn)變更的實施、傳播、發(fā)布和追蹤，其變更過程的IDEFO圖如圖3所示：

    圖3 變更過程IDEFO圖

    3.1 變更請求

    變更建議的提出人員可以是用戶、設計員、工藝師和供應商等。針對某產(chǎn)品，變更建議可以是具體化的更改說明，如對處于發(fā)布狀態(tài)零件的修改；也可是相對模糊的更改描述，如提高部件性能等。無論何種變更建議，都可以和變更建議者使用的BOM視圖中的一個或多個零部件的修改相對應，進而可以映射為KBOM中的配置單元(CU)的修改。

    3.2 變更評估

    變更評估包含兩個方面的內(nèi)容：變更影響分析和變更評估。

    (1)變更影響分析工程變更影響分析就是對于一個給定的工程變更確定它對產(chǎn)品結(jié)構中的其它零部件的影響度，在本研究中BOM結(jié)構工程變更實質(zhì)是KBOM中配置單元CU的修改，工程變更影響分析就是當某個或幾個配置單元修改后確定對KBOM其它配置單元的影響度。由于變更在配置單元間具有傳播性，非常復雜，這里給出其實現(xiàn)步驟如下：

    Step1確定變更配置單元CU₁及其變更元素，寫出CU₁變更向量δCU；Step2確定配置單元之間的影響關系矩陣，CU_i對CU_i的關系矩陣表示為R{CU_i，CU_i}；矩陣關系系數(shù)表示兩個配置單元的可變更元素間的影響程度，其值參照圖4所示的刻度由領域?qū)＜掖_定。Step3以δCU₁為基礎，利用變更的傳播性，按公式(1)計算δCU₁對其KBOM中配置單元的影響度。

    圖4 影響程度刻度

    式中：n表示KBOM中的共有n個配置單元；△CU_k，i表示在δCU₁影響下，配置單元k對配置單元i的影響度；γCU_k，i為△CUk，i的各元素的影響值之和；γ_1，i表示δCU₁對配置單元i產(chǎn)生的總影響量；γ_1，KBOM表示對KBOM對應產(chǎn)品族產(chǎn)生的總影響量；

    算例：假設有一個KBOM包含三個配置單元：CU₁、CU₂和CU₃，其中CU₁有3個可變更元素，CU₂有2個可變更元素，CU₃有2個可變更元素，相應的關系矩陣表示如下：

    又假設CU₁的第一個元素因為某種原因發(fā)生變更，現(xiàn)分析該變更對KBOM產(chǎn)生的影響。

    計算結(jié)果表明：CU₁中的第一個元素發(fā)生變更時對CU₂的兩個可變更元素影響很大；對CU₃的第1個可變更元素影響小，對于第2個可變更元素影響大。對KBOM對應產(chǎn)品族的影響量為2.97△。由計算機程序完成整個過程的計算。

    (2)變更影響評估工程變更一方面有促進產(chǎn)品改進，提高產(chǎn)品可制造性等作用，能為企業(yè)帶來收益；另一方面工程變更會引起一系列相關產(chǎn)品的下游活動的變化以及不同詳細程度的操作過程變化，對企業(yè)產(chǎn)生一定花費。變更收益可以按式(2)進行計算。

    式中：Q變更收益；Q₁避免產(chǎn)品滯銷損失帶來的收益，Q₂產(chǎn)品銷售量提高帶來的收益，Q₃產(chǎn)品生產(chǎn)效率提高帶來的收益，Q₄其它收益；C₁在制品的報廢費用，C₂庫存變更產(chǎn)品的零部件報廢費用，C₃變更所需的新工藝裝備所發(fā)生的費用，C₄其它費用。

    (3)變更決策。根據(jù)變更的影響分析和評估決定是否進行變更，變更決策考慮下面因素：

    ①變更影響傳播：變更影響傳播分三類：水波式傳播，即初始變更引起的傳播只會引起少量的其他變更，然后變更數(shù)量迅速減少；開花式傳播，即起初變更傳播引起其他變更大量增加，但之后變更數(shù)量逐漸減少，最后傳播引起的變更數(shù)量可以保持在一個合理的數(shù)量上；雪崩式傳播，即變更傳播引起變更數(shù)量不斷增加，如同雪崩效應或滾雪球效應，最后變更影響的數(shù)量非常巨大。對于雪崩式的傳播，原則上不考慮下一步變更實施。在本研究中，當配置單元變更影響數(shù)量超過臨界值的時候定義為“雪崩式變更”，對于某個產(chǎn)品族的“變更影響數(shù)量臨界值”由領域?qū)＜乙罁?jù)經(jīng)驗確定，變更影響數(shù)量由計算機程序?qū)�圖6中“變更影響單元”、“影響關系矩陣”遍歷統(tǒng)計完成。

    ②變更總影響量：對某個產(chǎn)品族的“變更影響量臨界值”由領域?qū)＜乙罁?jù)經(jīng)驗確定，當變更總影響量超過臨界值的時候，原則上不考慮下一步變更實施。

    ③變更收益：當變更收益小于零時，原則上不考慮下一步變更實施。

    3.3 變更實施

    變更實施是對以KBOM為基礎產(chǎn)生的各種BOM視圖根據(jù)變更需求進行改變，本研究變更實施是以EBOM為源頭進行，變更操作有四種：①添加，在BOM結(jié)構上增加零部件；②刪除，將BOM結(jié)構上已有的零部件刪除；③替換，將BOM結(jié)構上的零部件用別的零部件替換；④版本升級，將BOM結(jié)構中的某個零部件進行版本升級。為了保證BOM結(jié)構的完整性，本研究定義了如下的變更規(guī)則：

    規(guī)則一：變更以具體的BOM視圖為單位，在變更實施啟動時，BOM視圖設定為變更狀態(tài)，只有在變更完成后，該BOM視圖才可以允許進入下一輪變更。

    規(guī)則二：變更狀態(tài)的BOM節(jié)點分為鎖定節(jié)點和未鎖定節(jié)點，只有未鎖定節(jié)點才能進行變更操作，鎖定節(jié)點不能進行變更操作；鎖定節(jié)點有兩種：一種是變更影響分析得到的不變更單元對應的BOM節(jié)點，另一種是所有子節(jié)點為鎖定節(jié)點的BOM節(jié)點。

    根據(jù)上面描述，下面以圖1所示的KBOM為例說明變更實現(xiàn)過程。假定圖5所示的M-01為以圖1的KBOM為基礎演進的一個EBOM視圖，由于某種需求，A-01需要進行變更，通過影響分析，C-01為不變更單元被鎖定，其余BOM節(jié)點均可進行變更操作，A-01變更后版本從01升到03，件號變?yōu)锳-03；A-03的配合件B根據(jù)配置規(guī)則(GR)和約束規(guī)則(CUC)選定為B-02；A的父件Ml完成版本升級變?yōu)镸1-03，M1-03下新增F-01來實現(xiàn)A-03和B-02的有效配合；M1-01的配合件D-01同步修改后版本升級為D-03．C-01不變；M1的父件版本升級為M-03，這樣就完成了M-01到M-03的變更。變更完成后將M-03、Ml-03、D-03、A-03、F-01歸結(jié)到KBOM中各自的類節(jié)點處，并將新配置單元D-03、A-03、F-01所產(chǎn)生配置單元間關系矩陣錄入到數(shù)據(jù)庫中，作為知識供后續(xù)產(chǎn)品設計、變更等使用。變更操作在具體實施時是以變更任務的形式分解到相應的人員進行執(zhí)行。

    圖5 變更實例

    3.4 變更傳播和發(fā)布

    變更實施后，會產(chǎn)生一個新版本EBOM視圖，該視圖中的變更零部件需要在相應的各種BOM視圖及其組件中的傳播；傳播的實質(zhì)是解決變更零部件的相關使用問題。結(jié)合項目組BOM管理多年研發(fā)經(jīng)驗，給出變更零部件傳播使用規(guī)則如下：

    (1)變更零部件在新版本EBOM對應的各BOM視圖中傳播時，各BOM視圖必須以該EBOM為基準，相應的KBOM為知識源進行修訂獲得，修訂時要確保數(shù)據(jù)一致性。具體可以理解為：當EBOM的某零部件變更升級為新版本零部件時，它就成為了KBOM中某個類單元中的配置單元，其它部門的BOM視圖在該類單元處選擇配置單元時，必須選擇該新版本零部件。

    (2)變更零部件在其它BOM視圖中傳播時，在各EBOM視圖中搜索所有引用該零部件的組件，計算機根據(jù)配置規(guī)則(GR)和約束規(guī)則(CUC)進行替換校核，如果校核不合格、原則上不進行替換；如果校核合格，由組件負責人進行決策是否替換，替換后相應的EBOM要進行版本升級，而基于該EBOM的其它BOM視圖必須進行同步替換，從而得到各部門基于升級版本EBOM的BOM使用視圖。當企業(yè)使用多個信息系統(tǒng)的時候，變更后的產(chǎn)品結(jié)構信息以EBOM表視圖的形式進行發(fā)布，供其它系統(tǒng)使用。

4 BOM結(jié)構工程變更信息模型

    根據(jù)前面對工程變更的研究，建立工程變更管理IDEF1x信息模型如圖6所示：模型中實體“產(chǎn)品族”、“KBOM”、“類單元GU”、“配置規(guī)則GR”、“可選配置單元集合CUS”，“與/或關系”，“約束規(guī)則CUC”、“關聯(lián)資源GS”、“配置單元CU”，“配置單元參數(shù)CUP”、“文檔模型”等共同構成KBOM的底層數(shù)據(jù)結(jié)構；實體“變更建議”、“變更影響單元”、“影響關系矩陣”、“變更對象”、“變更收益”、“變更任務”、“文檔模型”等共同完成工程變更系列活動相關信息記錄；實體“產(chǎn)品”、“BOM”、“配置單元CU”，“配置單元參數(shù)CUP”、“文檔模型”等用于表述產(chǎn)品生命周期活動中的各種BOM視圖。

    圖6 IDEF1x信息模型

5 工程應用

    根據(jù)以KBOM為知識源的BOM視圖演進規(guī)律和相應的BOM結(jié)構工程變更物理模型，在建立完成BOM結(jié)構工程變更的信息模型后，作者采用J2EE技術標準和JBOSS4.2，JBuilder9，ORACLE91，JDK1.4等工具開發(fā)了PDM系統(tǒng)中的BOM結(jié)構工程變更管理模塊。下面以某摩托車減震器彈簧座變更來說明該軟件模塊的實現(xiàn)過程：售后服務部門在工作中發(fā)現(xiàn)顧客需要摩托車QC-0051-01的減震器彈簧座的極限荷載進一步提高，便基于QC-0051-01的客戶BOM提出相應變更請求，軟件模塊自動將其與相應KBOM的類單元和EBOM節(jié)點相對應，研發(fā)部門據(jù)此形成變更建議并提交審核，審核時軟件模塊為變更決策提供變更影響分析和評估；變更建議的管理頁面如圖7(a)所示，對于通過審核的變更建議將轉(zhuǎn)化為具體的變更任務進行實施，變更任務管理界面如圖7(b)所示，實施時首先由研發(fā)部門實施人對QC-0051-01的EBOM結(jié)構及其關聯(lián)的資源進行變更操作，然后其它部門實施人員以此EBOM為基礎、以相應的KBOM為知識源變更各自的BOM視圖；實施的工作界面如圖7(c)所示，實施完成后軟件模塊將實施結(jié)果在系統(tǒng)中發(fā)布，可供企業(yè)的其它信息系統(tǒng)使用。

    圖7 實例應用

6 結(jié)束語

    通過對產(chǎn)品生命周期中的BOM演進的研究，揭示了以KBOM為知識源的BOM視圖演進規(guī)律，深入剖析了KBOM的知識內(nèi)涵，進而深入研究了基于KBOM的BOM結(jié)構工程變更物理實現(xiàn)模型，揭示了變更請求、評估、實施、傳播和發(fā)布等變更環(huán)節(jié)間的內(nèi)在聯(lián)系，給出了相應技術實現(xiàn)策略，以此為基礎建立了BOM結(jié)構工程變更信息模型，解決了摩托車、五金、燈具等產(chǎn)品BOM結(jié)構變更信息化管理的關鍵技術問題，開發(fā)了相應的軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有如下特點：①系統(tǒng)采用J2EE架構，底層將關系數(shù)據(jù)庫和FTP文檔庫結(jié)合，實現(xiàn)了模型、文檔和管理信息的融合；另外中間層采用JBOSS，大大降低了系統(tǒng)的使用成本。②BOM結(jié)構變更都是以EBOM為源頭、KBOM為知識載體，各種BOM視圖的使用部門相互協(xié)同完成，有效地保證BOM視圖之間的數(shù)據(jù)完整性、正確性和一致性。③系統(tǒng)提供了變更影響評估算法，能方便企業(yè)進行變更決策。④在進行BOM結(jié)構變更時，將計算機自動運行和人機交互操作相結(jié)合，保證了系統(tǒng)工作有效性。從系統(tǒng)在佛山市南海區(qū)金沙下安宏業(yè)五金電器廠、佛山市南海區(qū)金沙珠江五金實業(yè)有限公司、中國嘉陵工業(yè)股份有限公司、建設摩托股份有限公司等企業(yè)的推廣應用來看，有效完成了企業(yè)BOM結(jié)構變更管理，運作效果良好。

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本文標題：基于KBOM的BOM工程變更研究

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