基于BOM的船体生产设计数据管理技术研究

李沛田，靳长勇

（1. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240；2. 江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

基于BOM的船体生产设计数据管理技术研究

李沛田1，2，靳长勇2

（1. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240；2. 江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

产品物料清单（Bill of Material， BOM）包含制造企业的核心数据，是企业各应用系统集成的纽带；从造船厂BOM应用角度出发，对船体生产设计BOM结构进行研究。船体生产设计在整个船舶设计过程中占据着非常重要的地位，是舾装各专业建模的基础，会产生大量的图纸、三维模型及指令等数据，对这些数据进行统一管理是国内各大造船厂一直致力追求的目标。在分析当前国内船厂船体生产设计的基础上，应用面向对象的技术定义船体BOM物料项及物料项之间的关系，建立一个通用的船体BOM结构模型，研究从船体EBOM（Engineering BOM）到船体PBOM（Process BOM）的转换机制，结合国内某船厂实际运转情况，介绍船体BOM结构模型的运行示例。研究结果表明，基于BOM的船体生产设计数据管理技术有助于保证数据的完整性、正确性和一致性，提高产品的设计质量。

产品物料清单；产品数据管理；船体生产设计；Teamcenter

0 引 言

船舶设计是船舶产品建造周期中的核心环节，设计周期占整个交船期的 60%～70%；船体生产设计在整个船舶设计过程中有着非常重要的地位，是舾装各专业建模工作的基础，其数据的准确性直接影响着后道舾装建模、船舶建造的准确性。船体生产设计阶段会产生大量的交付件（如图纸、三维模型、指令等），在大多数造船厂对这些数据缺乏统一管理，仅对图纸和文件进行简单管理，下游生产部门很难获取完整且准确的设计数据，给采购配套和生产准备带来了很多困扰。近年来，国内各大造船厂一直在寻求统一管理设计制造过程中大量技术资料的方案，进而实现对设计制造过程的跟踪和信息的反馈，提高船舶设计质量，降低设计成本。

物料清单（Bill of Material，BOM）是定义产品结构的技术文件，又称为产品结构表或产品结构树［1］。BOM包含企业的核心数据，是产品数据管理（Product Data Management，PDM）系统的重要管理对象。目前各大船厂主要是基于图纸目录进行数据的管理，尚未提出准确的BOM模型定义及BOM转换机制，对三维模型、切割指令等非图纸数据的管理较弱。这里主要针对船体生产设计数据缺乏统一管理、各种BOM定义不清晰的问题，通过分析船体生产设计业务的特点定义船体生产设计的 BOM模型及其转换方法，并结合Teamcenter软件平台构建船舶产品设计数据管理系统，实现对船体生产设计数据的结构化、过程化管理，有效保证数据的完整性、正确性和一致性，从而提高船舶产品的设计质量。

1 船体生产设计的特点

船舶设计建造是一项复杂的系统工程，分为初步设计、详细设计和生产设计等多个阶段。对于船厂来说，生产设计是其设计任务的主要部分。船体生产设计是在详细设计的基础上，按照现代化科学管理的要求，根据工厂的生产条件和技术水平，以合理的建造方法为指导，根据工艺阶段和施工区域的生产与管理需要，绘制工作图、管理表及提供相关的施工信息，用以指导和组织生产的设计过程，即解决“如何造船”的问题［2］。

国内船厂船体生产设计的特点有：①设计流程长、环节多，包括结构建模、组立图设绘、套料、加工图设绘、涂装设计、焊接设计及数据抽取等多个环节，且各个设计环节之间存在相互依赖的关系；②设计数据体量大，零件数以十万计，图纸数以万计，此外还有大量的模型和指令。

2 船体物料项的定义

一般情况下，BOM由主物料项、次物料项和BOM属性组成［3］。针对船体设计建造的特点，应用面向对象的技术定义船体BOM相关的物料项及物料项间的关系，为后续船舶BOM结构模型定义提供支撑。

2.1 物料项定义

物料项是企业一切有形的设计、采购、制造及销售对象的总称，是构成BOM结构的基础。准确定义船体生产各类物料项是定义船体BOM结构模型的前提。

从船体物料项的用途分析，可将物料项分为直接用于产品制造的物料项和服务产品制造的物料项两大类。

1） 直接用于产品制造的物料项即传统意义上的物料（包括原材料、零件、组立、焊缝、焊材及油漆等），是船体工艺BOM和船体采购BOM的重要组成部分。每个物料项都是一个独立的个体，具有自己的属性和版本。该类物料项一般具有基本属性、工艺属性及计划属性等。以船体零件为例，其基本属性有材质、长度、宽度、厚度、质量、重心及型材截面类型等；其工艺属性有切割余量、收缩余量等；其计划属性有计划切割时间、计划加工时间及计划装配时间等。

2） 服务产品制造的物料项主要是指船体生产设计的产物（如二维图纸、三维模型、切割指令等），既是当前造船厂进行船体生产设计分工的基础，又是当前船舶产品数据管理系统重点管理的对象。与直接用于产品制造的物料项类似，该类物料项也具有自己的属性和版本，其中属性包括基本属性、计划属性等。以二维图纸为例，其基本属性有图号、工程号、图纸类型、设计专业及设计阶段等，其计划属性有计划开始时间、计划完成时间等。

2.2 物料项间关系

根据作用的不同，可将物料项之间的关系分为“使用”、“被使用”、“引用”及“被引用”4种［4］。

2.2.1 使用

使用关系用于表示存在装配关系的物料项之间，父物料项包含子物料项的关系。若物料项A是由物料项B及其他物料项装配而成的，则称物料项A通过“使用”关系与物料项B关联，物料项A可通过“使用”关系找到物料项B。例如，组立可通过“使用”关系找到下层的零件。

2.2.2 被使用

被使用关系用于表示存在装配关系的物料项之间，子物料项属于父物料项的关系。如“2.2.1”节所述，物料项B通过“被使用”关系与物料项A关联，物料项B可通过“被使用”关系找到物料项A。例如，零件可通过“被使用”关系找到上层的组立。

2.2.3 引用

引用关系是指存在引用关系的物料项之间，主物料项与从物料项的关系。若物料项C通过某种非装配关系与物料项D关联，则称物料项C与物料项D之间存在“引用”关系。例如，为使用户更好地理解设计，某分段二维图纸C引用了对应的三维模型D，二维图纸C可通过“引用”关系找到三维模型D。

2.2.4 被引用

被引用关系是指存在引用关系的物料项之间，从物料项与主物料项的关系。如“2.2.3”节所述，若物料项D通过某种非装配关系与物料项C关联，则称物料项D与物料项C之间存在“被引用”关系。例如，某分段二维图纸C引用了对应的三维模型D，三维模型D可通过“被引用”关系找到二维图纸C。

基于上述4种关系，得到船体物料项之间的关系示意见图1。直接用于产品制造的物料项之间既存在使用关系（如整船与组立、整船与零件、组立与零件），又存在引用关系（如零件与原材料）；直接用于产品制造的物料项与服务产品制造的物料项之间一般只存在引用关系（如组立与二维图纸、零件与二维图纸）；服务产品制造的物料项之间一般只存在引用关系（如二维图纸与三维模型、二维图纸与切割指令）。

图1 物料项之间的关系示意

在工程应用中，通过各种物料项及其关系的不同组合，可构建满足各种业务需求的BOM视图，如设计BOM视图、制造BOM视图等，这些视图即为BOM结构。

3 船体BOM设计

BOM是一个广泛的概念，阶段不同、用途不同，BOM的内容也不相同。根据船体生产设计和建造的管理需求，分别构建船体EBOM（Engineering BOM）和船体PBOM（Process BOM）。

3.1 船体EBOM

船体EBOM即工程BOM，主要承载设计信息，来源于CAD系统，包含设计部门组织和管理的信息。

根据TRIBON软件的特点及设计管理需求，得到船体EBOM示意见图2。该EBOM从设计角度描述船体结构，分为船、分段、板架及零件等4层。第1层为整船，一个系列船对应一个EBOM结构；第2层为分段，是船体设计分工的基本单位（对称分段按一个分段处理），一个分段由一个设计员建模完成，并与技术文件关联；第3层为板架，与以零件为基本单位建模的三维设计软件不同，TRIBON建模的基本单位是板架，每个板架包含一个或多个零件；第4层为零件，虽然建模时不能按单个零件建模，但可通过“板架分离”将板架拆分成单个零件，每个零件都有自身的属性（材质、质量、重心及表面积等）和三维数模。

3.2 船体PBOM

船体PBOM即工艺BOM，用于描述产品工艺实施规划过程和制造生产过程，通过调整EBOM结构添加工艺件、工艺路线、工时定额及工装等信息［5］。

船体建造包含切割、加工、小组立、中组立、大组立、总组及搭载等工艺过程，其中：切割、加工是钢板、型材形成零件的过程；小组立、中组立、大组立、总组及搭载是零件通过装配和焊接逐步形成整船的过程。为符合不同工艺的特点，将船体PBOM再分为切割PBOM和装焊PBOM。

1） 船体切割PBOM示意见图3，与EBOM相比，第3层是原材料（钢板、型钢等），不再是虚拟的设计板架。该BOM模型反映切割、加工物料项间的关系（如原材料与零件之间的关系，原材料与切割指令、切割版图之间的关系等），可满足船体切割、加工部门的需要。同时，模型、切割指令及图纸之间存在关联关系，三者中任意一个对象发生更改时，都可通过引用或被引用关系找到另外2个对象，对其进行更改，避免模型、切割指令及图纸三者版本不一致，给生产造成混乱。

图2 船体EBOM示意

图3 船体切割PBOM示意

2） 船体装焊PBOM示意见图4，该PBOM反映从零件到小组立、大组立、总段及巨型总段，再到最后形成整船的整个过程。组立与组立之间、组立与零件之间及组立与焊缝之间通过“使用”关系关联，分段与工艺文件之间通过“引用”关系关联。通过该BOM模型可快速提取任意组立的信息，输出各种工程生产需要的报表。

图4 船体装焊PBOM示意

3.3 EBOM到PBOM的转换

PBOM是在船体EBOM的基础上形成的，EBOM通过去掉外协件和外购件，增加工艺组合件（如组立）或调整EBOM的结构，最终形成PBOM。BOM结构转换的方式可归纳为增加零件、删除零件、调整BOM结构及细化分解BOM结构等。船体EBOM向船体PBOM转换的过程见图5，PBOM中的所有零件都是借用EBOM中的零件，EBOM零件的三维模型和属性信息自动传递到PBOM的零件中。若EBOM中的零件信息更改，则PBOM的零件信息也会更改，保证同一系统内数据更改的一致性。

4 基于Teamcenter的系统实现

国内某船厂于2011年年底引进Teamcenter，实现了对船舶设计数据和设计流程的管理。分析船体的制造流程和设计流程，梳理船体设计与制造相关的物料项及其相互关系，制定满足设计部门和生产部门需求的BOM，并结合Teamcenter平台实现对船体生产设计数据的管理。

船体EBOM通过数据接口将CAD系统的产品结构提交至Teamcenter系统。首先从TRIBON软件中提取相关信息，生成ugpart格式的BOM结构；然后调用三维模型专函程序，生成JT文件；最后通过接口将BOM结构和JT文件写入到Teamcenter中。图6为船体某分段EBOM结构，左侧为BOM结构，右侧为其对应的三维模型。左侧BOM结构的每一行代表一个对象（分段、板架、船体零件），船体零件关联自身属性（如材质、长度、宽度、厚度）和三维模型。系统实现三维模型与BOM结构的联动，同时支持对三维数模进行剖切、显隐及标注等，支持板架和零件的快速搜索。

图5 EBOM向PBOM转换过程

图6 船体某分段EBOM结构截图

船体某分段的切割PBOM结构见图7，第1层为分段，第2层为船体物资（钢板、型钢等），第3层为船体零件。船体物资与自身属性（切割长度、划线长度等）、切割版图及切割指令关联，可通过该结构抽取材料汇总表等清单。发生工程变更时，通过影响分析实现 BOM、切割版图及切割指令的关联更改，保证数据的一致性。

船体装焊PBOM结构见图8，该PBOM是在EBOM基础上搭建组立树、添加组立流向、确认组立父子关系后最终形成的。在系统中，装焊PBOM中的零件与EBOM中的零件为同一对象，关联了自身属性和三维模型，支持从整船、总段、组立及零件等多个粒度查看模型。通过装焊PBOM可抽取生产所需的各类托盘清单（如零件明细表），或直接将数据发送到后道物资物流系统中。

图7 船体某分段的切割PBOM结构截图

图8 船体装焊PBOM结构截图

通过实施和应用PDM项目，清晰定义了船体各种BOM；将二维图纸、三维模型及切割指令等设计数据纳入到系统中进行统一管理，信息透明清晰，解决了船体生产设计阶段数据管理混乱的问题，也为管理决策提供了数据支撑；通过关联更改，保证了数据的准确性和一致性，提高了产品的设计质量。

5 结 语

研究实践结果表明，基于BOM的船体数据管理具有可行性，可有效管理船体生产设计数据（模型、图纸及指令等），保证其有效性和一致性，实现在该领域中的突破。未来可向舾装专业拓展，向前道初步设计和详细设计延伸，实现对船舶全生命周期数据的管理。BOM 管理不仅能给企业带来可观的直接经济效益，更重要的是可使产品信息管理更加规范化、科学化、自动化。未来BOM将真正成为产品全生命周期的载体，保证不同视图的BOM数据的完整性、正确性和一致性，有助于实现多维数据的集成、联动和共享。BOM 是连接工程数据和生产经营的桥梁，是企业制造集成系统信息共享的关键，可有效消除产品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）与企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）等系统之间的鸿沟。

［1］ 程控，革扬. MRP/ERP原理与应用［M］. 2版. 北京：清华大学出版社，2006.

［2］ 周启学. 船舶生产设计［M］. 北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 吴宝荣. 基于BOM的制造信息系统集成的研究［D］. 沈阳：东北大学，2006.

［4］ 胡颖晓. 航天发动机数字化制造BOM结构设计研究［D］. 西安：西北工业大学，2007.

［5］ 杨晓镇. 产品设计BOM信息自动化生成及管理的研究［D］. 大连：大连理工大学，2007.

Research of Hull Production Design Data Management Technology Based on BOM

LI Pei-tian1，2，JIN Chang-yong2

（1. Mechanical and Power Engineering College， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China；2. Jiangnan Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China）

Bill of Material （BOM） is the core data for manufacturing enterprises， which binds the company's application systems together. This paper studies the structure of BOM for hull production design based on the BOM application in shipyards. Hull production design plays a very important role in the whole ship design process. It forms the base of the outfitting modeling and produces a large amount of data such as drawings， 3D models and instructions. Therefore，comprehensive management of these data has become the common goal of the major domestic shipyards. After the characteristics of hull production design in domestic shipyards are analyzed and the object-oriented technology is applied to define the relationships between the materials in hull BOM， a general-purpose hull BOM structure model is established. Besides， the transformation mechanism from Engineering BOM（EBOM） to Process BOM（PBOM） is studied and a practical example in a domestic shipyard is presented to introduce the operation of hull BOM structure model. The research shows that the data management technology for BOM based hull production design is helpful to ensure data integrity， correctness and consistency， and thus to improve the design quality of products.

BOM； product data management； hull production design； Teamcenter

U673.2

A

2095-4069 （2016） 04-0072-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.014

2015-10-21

李沛田，男，工程师，1985年生。2008年毕业于天津大学机械设计制造及自动化专业，现从事船舶设计工作。