基于统一物料模型的物资准备系统研究

杨卓峰 张振明 田锡天

（西北工业大学机电学院，陕西西安 710072）

离散制造业涉及飞机、船舶、汽车、机床等制造行业，其生产经营模式多为基于订单的多品种、中小批量生产，产品结构较为复杂，构成产品的物料种类繁多［1］。随着 MRP、MRP2、ERP 研究体系的日渐成熟［2］，以及计算机辅助技术的发展，一些物资采购、库存管理系统应运而生，对企业范围内的物料进行分类、集中、统一管理［3］。这些通用的管理系统无法对企业物资准备情况进行精细跟踪与时时监控，各类物料在物资准备各阶段缺乏统一管理，不便于物料的全生命周期追溯。

本文针对目前物资管理系统这一局限性，在分析离散制造企业物资准备管理特点的基础上，建立面向离散制造企业基于统一物料模型的物资准备系统（Material Preparation System Based on UnifiedMaterial Model for Discrete Manufacturers，DMUMMPS），并对系统若干关键技术进行研究。

1 离散制造企业物资准备业务概述及特点

企业在产品图纸设计完成后，需要根据图纸中的零件明细表确定产品原材料需求，进而编制产品材料定额，企业以材料定额为标准安排制造产品的物资准备业务活动。采购部门按定额进行物料采购，物料到货后编制到货记录，同时提请质量检验部门进行物料检验;质量检验部门对质检合格的物料生成物料验收单及入库清单，提交库房管理人员办理正式物资入库。物料经库房管理人员正式入库后，供各制造车间生产领料。

离散制造企业物资准备业务具有如下特点:

（1）定额编制以产品为单元，定额中的所有物料具有确定的专属性，即指定的物料要用到制造产品的指定零部件上。

（2）采购部门会将多台产品的相同定额材料进行合并采购，并记录采购的物料及其数量要用到具体哪台产品上。

（3）由于设计图纸变更，导致材料定额变更频繁。

（4）质量检验部门需依照材料质量证明书对到货物料进行质量验收，只有质检合格的物料才能用于生产。

2 DMUMMPS数据模型

2.1 基于统一物料模型的物料体系构建

物料是物资准备系统信息流动的基本单元，企业物资准备业务涉及的数据表单《材料定额明细》、《采购清单明细》、《质量验收单明细》等都是由基本的物料单元构成，这些独立的物料单元在DMUMMPS中表现为物料对象的形式，每个物料对象在不同阶段具备特殊的属性，并且物料在后续阶段的活动需要参考或借用前序各阶段的信息，即物料信息在物资准备各阶段逐级继承。由此可知，系统中各阶段的物料对象不能孤立地存在，系统物料体系必须达到物料继承与统一的要求，利用面向对象思想，可以对这种继承关系进行抽象，并在系统中进行结构化表达，通过统一化的物料体系保证物料信息在各业务阶段的继承与统一。

图1为物资准备系统各物料类的UML静态模型图，为进行不同阶段物料对象的表达，定义物料基类ItemCls、材料定额物料类MCQItemCls、采购清单物料类PItemCls、到货清单物料类AItemCls、质检验收单物料类QTItemCls、库存物料类InItemCls。物料基类包含物料编码、物料名称以及物料材质等属性信息;材料定额物料类继承于物料基类，除包含物料基类信息外，还包含定额物料所特有的信息;采购清单物料类、到货清单物料类、质检验收单物料类、库存物料类以此类推;每个派生类在继承基类属性信息的基础上，又包含自己特有的属性。处于物资准备环节最末端的库存物料类包含各业务阶段的属性信息，如物料基本信息、物料供应商、物料到货时间、物料质量检验情况、以及物料用于制造的产品和零件。

通过统一建模，各物料类建立彼此间的继承关系，当物料类实例化为物料对象时，基类物料对象与派生类物料对象的关联关系也随之建立。派生类对象通过成员函数获取并复制基类对象对应属性信息，从而保证派生类物料对象信息与基类物料对象信息一致。

2.2 面向多态关联的物料耦合类建模

基于统一物料模型，在各物料类相互继承关系确定后，各类物料对象按照实际需要可以建立彼此间多种关联关系，这种关联在数量上表达为一对一、一对多、或多对一的多种形态。物料对象间关联形态的不确定性，需要在系统中进行结构化表达，以便于物料在物资准备各阶段的全过程追溯。

企业通常将材料定额设计归为产品设计范畴，物料采购业务归为产品制造范畴，这两种业务分属不同部门，因此物料对象间的多态关联关系在定额物料对象与采购物料对象间尤为典型，其多态关联关系表现为:对于锻件、标准件等规格尺寸较为固定的物料，易于在市场上直接采购，因此采购的物料就是定额规定的物料，这时定额物料对象与采购物料对象表现为一对一的关联关系;但对于板材、管材等物料，定额中规定的尺寸繁多，定额物料与采购物料间的关系就不只是简单的1:1关系。为表述直观，采用实例法进行研究。表1为某产品材料定额，包含5种定额物料，用零件件号标识加工不同零件。

表1 材料定额物料简表

表2 采购清单物料简表

采购部门接到材料定额后，发现定额物料3板幅500 mm宽的板材不是标准板幅钢材，没有厂家生产，但序号1、3的材质相同，且规格中板的厚度相同（8 mm），因此可以将物料1、3的物料合并，整体采购一张标准板幅的物料;物料2材质不同，不能与其他物料合并;物料4虽然材质相同，但板的厚度不同，也不能与其它板材合并。同理，对于管的材质相同，管径相同的物料也可以合并。对于物料5钢管的长度16 m，没有厂家生产这种长度的钢管，采购部门会将16 m的钢管拆分为1根10 m长、1根6 m长，物料到货后再由生产部门将两根钢管焊接在一起。表2为经过采购部门合并的采购清单物料表。

由此可见，材料定额物料与采购清单物料不仅存在一对一的关联关系（表1中材料定额物料2、4），同时存在多对一（表1中材料定额物料1、3）、一对多（表1中材料定额物料5）的多态关联关系。

为了实现物料管理在各阶段的连续与统一，表达物料对象间的多态关联关系，我们定义物料耦合类MCQLinkPcls。图2为物料耦合类的UML静态模型图。耦合类并不是实体的物料类，是为了建立两个不同物料类（假定为A类、B类）的物料对象关联而构造的虚拟类。当A类物料对象（如定额对象）与B类物料对象（如采购对象）是一对连续相关的物料，但对象间某些属性相异时，这时需要建立他们之间的耦合对象;只有A物料类与B物料类实例化为对象时，耦合类才具有实际意义，即表现为耦合对象。耦合对象中的＜A类物料对象ID＞属性值来自A物料类对象的＜物料对象ID＞、＜B类物料对象ID＞值来自B物料类对象的＜物料对象ID＞，通过＜耦合类型＞标识当前为哪两种物料类进行耦合。此外，当A类对象ID或B类对象ID给定时，通过成员函数可以查询出相应的B类对象ID列表或A类对象ID列表。

表3为基于表1和表2的数据建立的耦合对象数据表范例，假设A物料类为定额物料类、B物料类为采购物料类，表1、表2的＜序号＞分别为A类物料对象ID与B类物料对象ID，则系统共需建立4个耦合对象。假设给定条件＜B类物料对象ID=1＞，则可以利用成员方法＜相同B类ID获得的A类对象ID列表＞查询出与之关联的所有A类对象ID列表{1、3}，进而通过每个A类对象ID查找A类物料对象数据表，获得相应A类物料对象的详细信息。

表3 耦合对象数据表范例

通过物料耦合类建模，保证了物料从产品设计阶段到制造阶段的连续性与可追溯性，即使采购的物料与设计物料不同，物资管理部门及后续生产部门也能够明确该物料用于制造指定产品的指定零件。

2.3 物料对象集合多阶段关联建模

在实际物资准备业务中，通常是以物料对象集合为单元操作与管理多个物料对象。因此，在DMUMMPS中需要为物资准备各阶段构建相应的物料对象集合，每种物料对象集合只包含当前阶段的物料对象，如在材料定额编制阶段构建产品材料定额物料对象集合。由于各阶段物料对象间存在多态耦合关联关系，导致各物料对象集合间存在指定的关联关系，明确表达这些关系有利于系统功能更会实际地反映物资准备业务情况。

图3为系统物料对象集合之间的关联模型，共涉及6种物料对象集合。每个物料对象集合在DMUMMPS中都是一个独立的对象，简称集合对象，用唯一的对象ID进行标识，定义各类集合对象关联规则如下:

规则1:材料定额集合对象与采购清单集合对象为m:n的关联关系。1份材料定额明细表包含多种物料类型，采购部门按物料类型从不同供应商分别采购，生成多份采购清单;同时，不同型号产品或同种型号多个产品的相同物料可能进行合并采购，因此存在多个产品的材料定额合并为1份采购清单的情况。

规则2:采购清单集合对象与到货清单集合对象为1:n的关联关系。由于每个物料的供货周期不同，同一份采购清单的多种物料可能分多次到货，由此产生多份到货清单。即使同一物料对象采购多件，分批次到货，也会产生多个到货物料对象（数量不同），从而产生多份到货清单。

规则3:到货清单集合对象与物料验收单集合对象为1:n的关联关系。物料到货后质检部门参照物料附带的质量证明书对其各指标进行检验，然而一部分物料质量证明书由于各种原因经常不能与物料一同到达，不能进行物料检验，因此根据物料质量证明书到达的批次，1份到货清单的物料会进行多次检验，产生多份物料验收单。

规则4:物料验收单集合对象与物料入库单集合对象为1:n的关联关系。对于特殊材质、特殊用途的物料，质检部门还需进行物料化学成分分析、无损测检、力学性能等理化复验工作，这些检验环节需要一定周期，甚至委托第三方单位完成。因此，由于物料检验周期的不同导致1份物料验收单的物料分多次入库，从而产生多份入库单。

3 DMUMMPS功能模型

基于DMUMMPS数据模型建立其功能模型，并对系统的整体运行及关键技术进行研究。

3.1 系统功能框架及运行流程

图4为物资准备系统的功能框架及运行流程IDEF0图，系统包括5大功能模块:材料定额管理、采购与到货管理、物料质量验收管理、库房物资管理以及产品物资齐套实时跟踪看板，每个功能模块包含若干功能。系统库房管理模块不仅包含物资准备与物资出库业务相关功能，同时包含库房与物料的静态维护功能（白色框所示）。此外，为便于物资准备系统相关功能调用基础数据信息，建立物料询价历史库等4个基础数据库。

系统整体运行流程由产品材料定额编制开始，定额经审核下发后采购部门通过＜库存物料结余查询＞功能，确认库房中是否有满足要求的库存物料，若找到符合条件的物料，则执行物料锁定功能，标识该物料即将用于制造哪台产品;若库房中没有所需的库存物料，采购部门对物料进行采购。采购清单由定额导入生成，必要时进行采购物料与定额物料关联，以保证物料各阶段的统一，系统由采购清单导入生成到货清单，由到货清单生成质检验收单，最后由验收单自动生成入库单。系统中各阶段物料的状态信息都会实时反馈、并以所属产品为单元汇总到＜产品物资齐套实时跟踪看板＞下，以此对每台产品的物资准备进度与物料状态进行监控，并在企业范围内共享。

3.2 基于三维物料标识位的材料定额管理

企业的物资准备活动易受到多方影响，存在很多不确定性，其中因材料定额变更导致的影响占主要原因。由于部分物料采购周期较长，为了缩短产品生产周期，设计部门通常将产品总图中确定的主体结构编制一部分材料定额，用于先行采购，待其他零件或附件图纸确定后再进行剩余物资的定额编制及物料采购，即同一产品的材料定额需分批次下发;另一方面，由于产品技术要求及设计图纸发生变更，导致定额中某些物料相应变化，需将已经下发的定额进行修订，形成多个版次。因此，同一产品的材料定额包含多批次、多版次，存在多维度变更，图4中的＜定额批次维护＞与＜定额修订管理＞分别满足这两种不同的变更需求。

同时，由于不同物料具有特殊的属性（如锻件物料具有“对应法兰”属性），同一产品的定额通常分为多种物料类别，材料定额按物料类别分别进行编制。为了规范有序地管理物料，定额中的任一物料需要指明其所属批次、所属版次、所属物料类别，即单一物料在定额管理中需要三向定位。图5为产品材料定额物料标识位的三维模型，三坐标轴分别表示定额物料批次、定额物料版次及定额物料类型，坐标原点为任意一种物料类型且批次和版次都为1。当材料定额增加一个批次时，通过该批次点垂直于批次坐标轴形成一个平面，该平面中包含由若干物料类型直线与版次直线交叉的点，这些点即代表物料所属标识。如图5中批次2平面内的所有物料标识位用空心点表示。当然，并不是三维空间内的所有点都代表一个物料标识位，但是每个物料对象的标识位都可以通过此三维模型来表达，定义向量集合A:

A={a|a=（x，y，z），x∈（1，2，…，X），y∈（1，2，…，Y），z∈（锻件，标准件，…，Z）};

A是当前产品材料定额的所有物料标识位集合，由物料标识位向量a构成，x、y、z分别表示定额的版次、批次和物料类型，版次取值从1到最大版次X，批次取值从1到最大批次Y，物料类型取值范围为当前产品的所有物料类型集合。通过此三维表达，定额中的每一物料对象都有指定的标识位，无论定额的批次还是版次发生变化，在系统中都会找到相应的物料历史记录，从而实现定额物料变更的全过程追溯。图5中定额物料M为在某台产品材料定额中属于第2批次、第3版次的标准件。

3.3 产品物资齐套智能反馈

图6 产品物资齐套看板示意图

产品制造所需物资的齐备是物资准备活动的最终目的，同时也是企业进行生产排产的首要条件。传统的物资齐套反馈方式多为物资调度员人工采集或各部门定期汇报，并将反馈信息手动汇总后再进行发布，这种方式需要逐项更新每个物料状态，过程繁琐且人为误操作频繁，更为严重的是经常导致物料状态更新延迟，企业无法实时获得物资齐套最新情况。基于本文提出的统一物料体系模型，系统在物资准备各个阶段通过导入前一阶段物料对象信息或手动创建耦合对象的方式建立了相邻阶段物料对象间的关联关系，即定额物料对象与采购物料对象关联，采购物料对象与到货物料对象关联，到货物料对象与质检验收物料对象关联，质检验收物料对象与入库物料对象关联。这种A↔B、B↔C、C↔D、D↔E的关联方式等价于 A↔B↔C↔D↔E，并可推导出 A↔B、A↔C、A↔D、A↔E 的关联关系，即定额物料对象与入库物料对象在内的各类物料建立了关联关系。因此，当各阶段物资部门通过导入或耦合操作在系统中进行各自采购清单、到货清单、验收单等编制业务时，都相当于对同一物料的不同阶段进行状态更新，从而实现基于统一数据源的物料状态智能更新。更为科学的是每次物料状态的更新都以真实的一份单据（如到货清单）为凭证，实现了物料状态更新的可追溯性，杜绝了物资准备活动中人为虚报、谎报、错报现象。

图6为产品物资齐套看板示意图，看板中所列物料为产品材料定额规定的所有物料，其物料状态实时滚动更新，对全部齐备的物料进行高亮显示。企业各部门通过此看板可准确了解产品物资准备状态，即时发现物资准备各阶段出现的问题;同时制造部门可通过经验推测出物资最终齐备时间，做好生产准备工作。

4 压力容器制造企业物资准备系统实现

压力容器制造企业是典型的离散型制造企业，采用基于订单的多品种、小批量生产模式，同一订单下存在多种类型产品，每种类型产品又分多种型号，每种型号生产多件。根据本文提出的DUMUMPS数据模型和功能模型，开发某压力容器制造企业的物资准备系统。系统整体布局采用C/S架构模式，SQL Server数据库管理平台，选用微软.Net三层架构进行开发，覆盖企业产品材料定额设计、采购订货到货、物料检验、库房物资管理以及产品物资齐套监控等主要物资准备业务，实现了物料在物资准备各阶段的统一。

据统计，企业应用系统半年来累计编制60个产品型号150余台产品的材料定额，生成采购清单200余份，到货清单500余份，质检验收单600余份，维护各类物料2万余例。系统在企业的成功应用，验证了理论模型的可靠性和实用性。

［1］刘红艳，何卫平，郝广科.基于MES的物料管理系统研究及实现［J］.机床与液压.，2007，8:29 －31.

［2］Diehl George W，Armstrong Aaron J.Making MRP work:vendors must address lcmgstanding problems with capacity planning，lot sizes and lead－ times［J］.Industrial Engineer，2011，43:35 －40.

［3］罗楠，李玉忱.企业物资采购管理系统的研究和开发［J］.计算机工程与应用，2004，15:230 －232.