基于单一产品数据源和多色集的装配数据建模与组织

李联辉 孙红霞 李红梅 张秦玮 高 阳 雷 婷 袁 颖

1.北方民族大学机电工程学院，银川，750021 2.南通西北工业大学工业设计研究院，南通，226009

基于单一产品数据源和多色集的装配数据建模与组织

李联辉1,2孙红霞1李红梅1张秦玮1高 阳1雷 婷1袁 颖2

1.北方民族大学机电工程学院，银川，750021 2.南通西北工业大学工业设计研究院，南通，226009

为解决航空发动机装配过程中的数据来源分散、冗余严重和模板更改出错的问题，首先基于单一产品数据源建立了任务驱动的装配BOM，给出了基于“草稿-模板-实例-序列化实例”4层递进结构和公用信息池的数据管理框架；然后根据装配流程中不同角色对数据组织的需求，建立了装配数据组织网络模型，用多色集理论来对模型进行数学描述，给出了装配数据组织的流程。在某企业的应用结果表明，该方法可降低数据冗余，提高数据组织效率。

航空发动机；装配；单一产品数据源；多色集；数据建模

Abstract：To solve the problems of dispersed data sources, serious redundant and template changing errors during aero-engine assembly, a task-driven assembly bill of materiel(BOM) was established based on SSPD, and a four-layer data management framework of “draft-template-instance-serialized instance” and public information pool were given; then, depending on the demands for role data organization, an assembly data organization network model was built with polychromatic sets theory to mathematical description, and the flow of assembly data organization was given. An enterprise application proves the efficiency of this method to reduce data redundancy and improve the effectiveness of data organization.

Keywords：aero-engine; assembly; single source of product data(SSPD); polychromatic set; data modeling

0 引言

随着数字化/网络化制造技术的发展，国内航空发动机装配行业的信息化水平稳步提高，产品数据管理(PDM)、企业资源计划(ERP)、制造执行系统(MES)等信息化系统已逐步得到实施和应用[1-5]。这些系统的推广加速了制造水平的提高，但同时也导致了巨量的装配数据分散在各个系统之中，给数据的一致性和稳定性带来了不利影响，另外,航空发动机多次装试循环产生的数据冗余问题无法得到解决，这也阻碍了数据组织效率的提高。受技术水平的限制，航空发动机装配过程中模板更改情况时有发生，由于节点众多、实例化过程读写频繁，因此模板更改极易引起系统出错甚至崩溃。由上所述，为多信息化系统的融合建立集成式的装配数据模型对降低数据冗余和提高数据的稳定性和一致性具有重要意义，同时还应考虑改进模板-实例结构模式以解决模板更改出错问题。

国内外学者在这一热点领域进行了相关研究，文献[1]提出了一种基于多色集合理论的制造过程数据形式化表达方法，给出了制造过程数据模型与过程描述语言核心语义的映射关系；文献[2]使用统一信息模型来描述完整产品制造过程数据，以支持全寿命周期管理；文献[3]提出了一种装配工艺与质量检验集成的装配技术状态数据网络模型；文献[4] 采用面向对象的建模方法，通过对象类图建立了复杂产品装配元模型，再通过对象匹配方法，将复杂产品装配元模型转化为航空发动机装配的对象模型；文献[5]通过基于产品配置和工艺配置的产品数据集成技术以及基于矩阵的产品簇模型实现了制造执行系统的基础数据管理；文献[6-7]在单一产品数据源的基础上，分别研究了产品BOM的多视图映射技术和基于演变原理的BOM统一管理框架模型。这些研究较少考虑制造过程数据内部各视图信息间的逻辑关联，对制造过程数据的整体性把握不足。与已有研究成果[1-7]相比，本文重点关注航空发动机装配过程数据中配料、工艺、任务、质量视图信息之间的逻辑关联关系，基于单一产品数据源的思想，建立以任务为核心的集成式装配BOM结构；将“模板-实例”两层结构的传统模式改进为基于“草稿-模板-实例-序列化实例”4层递进结构和公用信息池的新模式，并给出新模式中各层之间数据的演变机理。

1 装配过程数据模型

1.1 装配过程数据内容

航空发动机是一类典型的复杂重要产品[8]，具体装配过程就是将零组件及成附件，按设计总图样、工艺规程、临时工艺更改等技术文件进行部装、总装、检验和试车等操作，最终形成整机并达到可交付使用状态。装配过程数据沿时间轴方向按装配流程动态演变，并在整机合格出厂时形成完整的装配履历，如图1所示(其中，“故检”指故障检查)。可以看出，装配过程数据实际上是由“用什么配料来装配”、“如何装配”、“记录哪些质量信息”和“由谁在何时来执行哪个子任务”这4个要素组成的，即配料(M)、工艺(P)、质量(Q)和任务(T),因此，装配过程数据可映射为配料、工艺、质量、任务视图上的对应信息。

图1 航空发动机两装两试装配流程(经适当简化)Fig.1 Two-assembly and two-test process of aero-engine (properly simplified)

借助于BOM这种直观清晰的表达方式，装配过程中单台发动机在M、P、Q、T视图上的信息可分别用配料BOM(materials BOM, MBOM)、工艺BOM(process BOM, PBOM)、质量BOM(quality BOM, QBOM)和任务BOM(task BOM, TBOM)表示，如图2所示，m0、p0、q0、t0为根节点；m1j、m2j、m3j依次表示部件(Part)、组件(Component)、附/零件(Accessory/Element)节点；p1j、p2j、p3j依次表示工艺(Process)、工序(Procedure)、工步(Step)节点；q1j、q2j、q3j依次表示质量表(Table)、质量表页(Page)、质量项(Item)节点；t1j表示子任务(Task)节点。

图2 物料、工艺、质量、任务视图及其关联关系Fig.2 Material, process, quality and task view and their relationship

装配过程数据可表示为一个4元组DA∷={M,P,Q,T}，M、P、Q、T依次为配料、工艺、质量、任务视图节点集，M=m0∪m1j∪m2j∪m3j，P=p0∪p1j∪p2j∪p3j，Q=q0∪q1j∪q2j∪q3j，T=q0∪t1j。如图3所示：①m表示MBOM树节点，部件(m1j)属性包括图号、附加CAD模型、所含具体组件/成附件/零件等；组件(m∈m2j)属性包括图号、附加CAD模型、所含具体零件等；成附件属性包括图号、单件号等；零件属性包括图号、物料号、关键尺寸、寿命、附加CAD模型及技术要求等。②p表示PBOM树节点，工艺(p∈p1j)一般分为部装工艺、总装工艺、分解故检工艺等，其属性包括工艺名称、工艺版本、所含具体工序；工序(p∈p2j)属性包括工序名称、工序内容、附加动画、所含具体工步等；工步(p∈p3j)属性包括工步名称、内容、附加动作演示、使用工装等。③q表示QBOM树节点，质量表(q∈t1j)一般分为装配检验表、故检表、试车说明、排故单(故障排除单)等，其属性包括表名称、表类型、表版本、所含具体表页等；表页(q∈Page)属性包括表页顺序、所含具体质量项等；质量项(q∈Item)属性包括质量项名称、合格值范围和实际值等。④t(t∈T)表示TBOM树节点，图1中每个流程节点均视为一个子任务(t∈t1j)，其属性包括任务名称、任务类型、序号、执行人、开始时间、完工时间等。

图3 物料、工艺、质量、任务视图节点属性Fig.3 Node properties of material, process, quality and task view

1.2 基于单一产品数据源的装配数据关联模型

根据航空发动机的装配流程(图1)，每个流程节点均视为一个子任务，则有：①每个子任务均对M视图的某个节点进行相应操作。虚拟一个总装部件以对应总装子任务，将部装子任务、总装子任务和部件分解故检子任务统称为部件子任务(Parttask)。除Parttask对应部件节点外，其他子任务均对应整机节点，称为整机子任务(Enginetask)。②执行Parttask时需按照确定的工艺规程进行操作，即Parttask与工艺节点之间一一对应，而其他子任务则不对应工艺节点。③执行Parttask时产生的实际质量情况需进行履历记录，即每个Parttask可能对应一个或多个质量表节点，如燃烧室装配任务t13对应燃烧室检验表q11、燃烧室装配报告q12等。而Enginetask则可能不对应任一质量表节点，如“任务分发”子任务不产生履历，也就不对应质量表节点。④此外，装配检验表、故检表等质量表是按照对应的部装/总装工艺、分解故检工艺执行操作后进行的履历记录，均与工艺节点对应，将其称为工艺质量表(Processtable)。同时这类质量表的表页上可能记载一个或多个工序的质量信息，如燃烧室检验表q11的第一页q21记载燃烧室装配工序10(p21)和工序20(p22)的质量信息，每个工步则可能对应多个质量项或不对应质量项，如燃烧室装配工步11(p31)对应质量项q31、q32。而试车说明、排故单等质量表则不与任何工艺对应。

4种视图节点之间存在的逻辑关联关系可描述为：

(1)TtoM：ift∈T&&t≠t00), |{m∈M|m↔t}|=1。ift.TaskType=Parttask,m∈{m11,m12,…}; else,m=m00。‘↔’表示两个节点相互对应，下同。

(2)TtoP：ift∈T&&t.TaskType=Parttask, |{p∈Process|p↔t}|=1; else, |{p∈Process|p↔t}|=0。

(3)TtoQ：ift∈T&&t.TaskType=Parttask, |{q∈Table|q↔t}|≥1; else, |{q∈Table|q↔t}|≥0。

(4)QtoP：ifq∈Table&&q.TableType=Processtable, |{p∈Process|q↔p}|=1。ifq∈Page &&q.Parent.TableType=Processtable, |{p∈Procedure|p↔q}|≥1。ifp∈Step,|{q∈Item|q↔p,q.Parent.Parent.TableType= Processtable }|≥1。

由此可见，装配过程中任务驱动着流程的执行并演绎出完整的装配数据。以任务为核心，基于单一产品数据源的思想将4个视图的单树式结构关联起来，可建立集成式树结构的装配BOM(assembly BOM, ABOM)，如图4所示，箭头指向为视图节点的附加信息。

图4 集成式树结构的ABOM Fig.4 ABOM with integrated tree structure

首先从生成阶段、与装配序列相关性和适用粒度等角度对各个视图信息进行分析，信息的生成阶段指的信息是在装配流程开始时产生(用0表示)还是在装配过程中逐步演绎而得(用1表示)，与装配序列相关性指信息是否随装配序列的递增而改变(不相关为0，相关为1)，适用粒度指信息是面向同机型发动机(用0表示)还是面向单台发动机(用1表示)。分析结果用矩阵R表示：

(1)

物料视图信息中的CAD模型、技术要求等面向同机型的发动机，而实例化后零组件、部件等为了便于物料追踪用GUID码表示，此时面向的是单台发动机，因此该视图信息的适用粒度为0或1。

根据以上分析，ABOM节点可进行三级分类，物料、工艺、质量视图节点分别描述了任务执行的对象、操作、质量信息，可定义为任务描述节点。其中，物料视图节点中物料的附加信息属于共性数据节点，实例化的物料则属于与装配序列不相关的个性数据节点；工艺视图节点属于共性数据节点，质量视图节点属于与装配序列相关的个性数据节点，如图5所示。

图5 ABOM节点类型Fig.5 Node type of ABOM

1.3 装配数据管理框架

装配流程开始时的模板实例化用时较长且读写频繁，此时若进行模板的更改则极易引起实例化出错而导致系统紊乱。信息管理系统中的传统模式为“模板-实例”两层结构，这种模式无法解决模板更改时实例化出错的问题。同时，航空发动机的装配过程由一装、二装等多次装试序列组成(图1)，ABOM节点数众多、属性信息量庞大，ABOM中的工艺、物料视图节点均与装配序列不相关，“模板-实例”结构下装试序列递增对工艺、物料视图节点的重复复制会带来巨量的数据冗余。为此，本文提出了一种基于“草稿-模板-实例-序列化实例”4层递进结构和公用信息池的数据管理框架(图6)，将节点的详细属性信息和共性数据按BOM结构和关联关系存储在公用信息池中；而在4层递进结构的同步、实例化、序列化过程中只复制节点关系(父子关系、关联关系)和个性数据，其中草稿、模板面向机型，依据4种视图节点间的逻辑关联关系建立静态数据模型；实例、序列化实例面向单台发动机，模板实例化时复制任务、物料、工艺视图节点，实例序列化时复制任务、质量视图节点，从而能形成单台发动机沿时间轴(装试序列)方向的动态数据序列。

图6 装配数据管理框架Fig.6 Assembly data management framework

在草稿库、模板库、实例库、序列化实例库中，节点定义如下：①任务节点t=(ID,ParentID,mID,pID,qID,Series,TaskExecutor,TaskBeginTime,TaskFinishTime,Pointer)。ID、ParentID分别为t及其父节点的ID，t为根节点时，ParentID为零(下同)；mID为t关联的物料节点ID；仅当t为Parttask类型时，pID为t关联的工艺节点ID，其他情况为零；qID={qid1,qid2,…,qidn}(n≥0)为t关联的质量表集合；Series为t所在的装试序列，Series=1,2,…；TaskExecutor、TaskBeginTime、TaskFinishTime依次为t的执行者、开始时间和完工时间；指针Pointer指向t在公用信息池中对应的节点(下同)。②物料节点m=(ID,ParentID,KeySize,LifeTime,Pointer)。KeySize={ks1,ks2,…,ksk}(k≥0)为m的关键尺寸集合，二元组ksi=(SizeNamei,SizeValuei),1≤i≤k表示关键尺寸i的名称和实际值。若m为部件、组件或无关键尺寸的零件，KeySize为空；LifeTime=(WholeLife,UsedLife)，LifeTime仅对有寿限规定的零件有意义，其他情况为空。③工艺节点p=(ID,ParentID,pItemID,Pointer)。仅当p为工步时，pItemID={qitemid1,qitemid2,…,qitemidu}(u≥0)为p关联的质量项集合，其他情况为空。④质量节点q=(ID,ParentID,qProcessID,qProcedureID,Pointer)。仅当q为质量表时，qProcessID为q关联的工艺，其他情况为零；仅当q为质量表页时，qProcedureID={qprocedureid1,qprocedureid2,…,qprocedureidw}(w≥0)为q关联的工序集合，其他情况为空。可见，草稿、模板库中分别以机型为单位记录虚拟履历，其中的个性数据和装试序列信息(如m的GUID和关键尺寸值，t的序列、执行信息，t的质量项实际值等)均为空值；实例库、序列化实例库则填入上述信息的实际值，共同实现单台次发动机的真实履历记录。公用信息池中节点的具体定义可通过图3的详细属性信息得到，限于篇幅不一一给出。

2 装配数据组织

2.1 数据组织网络模型

航空发动机的装配是一个多角色共同参与的过程，不同角色的人员完成相应节点的任务，装配流程中不同人员对数据的需求不同；另外作为军工产品，装配过程中必须进行严格的质量控制，如某些关键工序需执行自检、互检、专检、军检四级检验程序，同时用户会对最终的交付质量进行严格把控。在其他角色中，操作工人主要关注任务的起始与完工时间、工装设备状态、超差和易损伤零件信息、工时定额与关键工序等，而管理者除关注任务的起始与完工时间和执行人外，更关注的是重要质检信息、不合格项控制情况和交付质量项等。对不同人员数据需求进行分析并建立装配过程数据组织网络模型，如图7所示。

图7 装配数据组织网络模型Fig.7 Assembly data organization network model

采用传统集合论和图论的数学描述工具对类似的网络模型进行形式化描述时，不仅要对模型中的每一个元素建立集合，还要对关联元素单独建立集合或关系图，显得较为繁琐且不够清晰，同时缺乏严格的逻辑推理操作方法。多色集(polychromatic sets, PS)的特点是能够描述集合本身及其组成元素的性质, 以及集合本身性质与其组成元素及性质之间的相互关系[9-10]。通过PS理论能直观地表达图7中模型元素间的关系。

2.2 装配过程数据组织的多色集表示

航空发动机装配过程数据组织的多色集元素即为任务、物料、工艺、质量4个视图，依次用a1、a2、a3、a4表示，记为A=(a1,a2,a3,a4)。多色集的个人颜色表示任务、物料、工艺、质量视图中节点可能具有的特征。任务具有起始和完工时间、执行人、工装设备状态的特征，依次用a11、a12、a13表示；物料具有超差零件、易损伤零件、外协零件的特征，依次用a21、a22、a23表示；工艺有工时定额、关键工序的特征，依次用a31、a32表示；质量有重要质检信息、不合格项控制情况、交付质量项的特征，依次用a41、a42、a43表示，记为Fa=(a11,a12,a13,a21,a22,a23,a31,a32,a41,a42,a43)。多色集的统一颜色为有数据组织需求的不同角色，即操作工人、工艺员、质检员、用户、管理者，依次用b1、b2、b3、b4、b5表示，记为Fb=(b1,b2,b3,b4,b5)。

由此，本文中装配过程数据组织的多色集元素的个人颜色布尔矩阵

(2)

每一行表示对应元素的个人颜色，如第1行[1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0]表示任务元素有起始和完工时间、执行人、工装设备三种个人颜色。

元素和统一颜色之间的相关关系布尔矩阵

(3)

每一列表示对应统一颜色与哪些元素有关，如第1列[1 1 1 0]T表示操作工人统一颜色与任务、物料、工艺三个元素有关。

元素个人颜色与统一颜色之间相关关系布尔矩阵

(4)

每一行表示对应统一颜色与哪些个人颜色有关，如第1行[1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0]表示操作工人统一颜色与起始完工时间颜色、执行人颜色、工装设备颜色、超差零件颜色、易损伤零件颜色、工时定额颜色和关键工序颜色有关。

装配数据需求的获取流程如图8所示，在得到用PS理论表示数据组织需求的A×Fa,A×Fb,Fa×Fb矩阵后，首先判断该需求是否与任务有关，若是，则指定任务特征(指定起始和完工时间、任务的执行人，任务的特定工装设备)，并寻找ABOM上符合指定特征的所有任务节点；否则获取当前发动机的所有任务节点。然后依次遍历所有符合指定特征的任务节点，获取与指定特征相符的物料、工艺、质量信息后打包返回。

图8 装配数据组织流程Fig.8 Assembly data organization flow

3 分析、讨论与应用

3.1 数据的一致性和稳定性

本文建立的集成式ABOM已应用于与某航空发动机制造企业合作开发的“装配车间综合管控系统”(assembly workshop integrated management and control system, AW-IMCS)中。

通过与其他系统的集成，装配数据以集成式ABOM的方式在AW-IMCS中实现了单源存储，减少了装配过程中数据演变时与其他系统的频繁交互，交付出厂时在AW-IMCS中能够生成完整的装配履历，从而保证了装配数据的一致性。在数据管理框架中，对于“模板-实例”两层结构，如果模板更改过程中恰好进行从该模板到实例的复制，就会因模板不完整导致出错；而对于“草稿-模板-实例-序列化实例”4层结构，则先对草稿进行修改，修改过程不影响从对应模板到实例的复制，修改完成后进行向对应模板的同步，在草稿同步过程中禁止复制对应模板，同步完成后方能进行相关复制操作，通过“更改隔离”的改进方法解决了模板更改导致复制出错的问题。另外，以装配数据演进中最为复杂的“创建发动机”过程为例，建立基于集成式ABOM结构的Petri网模型(图9)，其中，库所的存放内容、状态和变迁表示的事件依次如下：beginA表示发动机(机型、产品号)；addA表示添加发动机，即MBOM根节点；beginB表示该发动机装配过程的任务；addB表示添加任务；beginC表示任务对应的工艺、质量、物料信息；prepareC表示获取任务对应的工艺、质量、物料信息；beginD表示任务对应的工艺，addD表示若任务属Parttask类，添加任务对应的工艺；skipD表示若任务属Enginetask类，跳过；beginE表示工序； addE表示添加工序；beginF表示工步；addF表示添加工步；checkD表示确认任

图9 “创建发动机”的Petri网模型Fig.9 Petri net model of “create an aero -engine”

务对应的工艺；endD表示完成；beginG表示任务对应的质量表；addG表示添加任务对应的质量表；skipG表示任务对应的质量表个数为0，跳过；beginH表示质量页；addH表示添加质量页；beginI表示质量项；addI表示添加质量项；checkG表示确认任务对应的质量表；endG表示完成；beginJ表示任务对应的物料；addJ表示若任务属Parttask类，添加任务对应的物料(仅部件)；skipJ表示若任务属Enginetask类，跳过；checkJ表示确认任务对应的物料；endJ表示完成；beginK表示质量页与工序、工步与质量项的关联关系；addK表示若存在质量页与工序、工步与质量项的关联关系，添加；skipK表示若不存在质量页与工序、工步与质量项的关联关系，跳过；checkK表示确认质量页与工序、工步与质量项的关联关系；endK表示完成；checkC表示确认任务对应的工艺、质量、物料信息；endC表示完成；checkB表示确认该发动机装配过程的任务；endB表示完成；finishA表示成功创建发动机。由Petri网模型性质和该Petri网模型的可达标识图可知，“创建发动机”过程处处可达、安全、无锁死状态。其他的数据演进过程(如草稿同步、实例序列化等)也具有同样的性质，限于篇幅，不一一给出。由此，集成式ABOM结构能够满足数据演进中的稳定性要求。

3.2 数据冗余

假设有n台同型发动机(两装两试)，该型发动机的MBOM、PBOM、TBOM、QBOM节点数依次为a、b、c、d，发动机i(1≤i≤n)的装试序列数为Ei(Ei≥2)。“模板-实例”模式下n台发动机的装配数据节点总数

(5)

采用“草稿-模板-实例-序列化实例”模式，n台发动机的装配数据节点总数

(6)

以某XX机型为例，其MBOM、PBOM、TBOM、QBOM节点个数依次约为1500、500、20、300。假设5台XX型发动机的装试序列数分别为2、3、2、4、3，“模板-实例”模式下的装配数据节点总个数为32 480；“草稿-模板-实例-序列化实例”模式下则为14 480，减少节点个数18 000，占18 000/32 480=55.4%，并且同型发动机越多、装试序列数越多，减少的冗余节点越多。另外，共性数据和附加信息存储在公用信息池中，而在4层递进结构中只复制节点关系(父子关系、关联关系)和个性数据，也大大减少了装配数据的磁盘占用空间。

3.3 应用场景

AW-IMCS实现了航空发动机装配过程的数字化管控，并在交付出厂时形成完整的装配履历。如图10所示，系统基于集成式ABOM和数据组织的多色集表达方式，能够生成沿时间轴方向的动态数据快照(图10数据演进场景)，并能依据不同参与角色的需求对装配数据进行组织并呈现(信息追溯、实时装配流程、过程监控等场景)。

图10 应用场景Fig.10 Application scenarios

4 结语

航空发动机装配过程中的数据来自于不同企业信息网络，给装配数据的稳定性和一致性带来了不利的影响，同时装配数据节点众多、存储量庞大也影响到数据组织效率的提高。鉴于此，本文基于单一产品数据源的思想，建立集成式装配BOM模型；提出了“草稿-模板-实例-序列化实例”4层模式的数据管理框架；建立了装配数据组织网络模型，用多色集理论来对模型进行数学描述，最后给出了装配数据组织的流程。经应用分析证明，集成式装配BOM与单树式BOM相比，保证了装配数据的稳定性和一致性；“草稿-模板-实例-序列化实例”4层结构的数据管理框架能有效解决模板更改时复制出错的问题，还大幅降低了数据冗余度；多色集理论与传统集合理论相比，能简洁直观地对装配数据组织网络模型进行数学描述，以便于计算机的存储和处理。

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(编辑袁兴玲)

AssemblyDataModelingandOrganizationBasedonSSPDandPolychromaticSets

LI Lianhui1,2SUN Hongxia1LI Hongmei1ZHANG Qinwei1GAO Yang1LEI Ting1YUAN Ying2

1.College of Mechatronic Engineering,North Minzu University, Yinchuan，7500212.Nantong-Northwestern Polytechnical University Industrial Design Research Institute,Nantong, Jiangsu,226009

TP391；TH16

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.19.012

2017-03-26

北方民族大学校级重点科研项目(2017KJ22)

李联辉，男，1986年生。北方民族大学机电工程学院讲师、博士后研究人员。主要研究方向为数字化制造技术、工业工程。发表论文10余篇。E-mail：lilianhui@nun.edu.cn。孙红霞，女，1970年生。北方民族大学机电工程学院教授。李红梅，女，1975年生。北方民族大学机电工程学院教授。张秦玮，男，1988年生。北方民族大学机电工程学院助教。高阳，男，1979年生。北方民族大学机电工程学院副教授。雷婷，女，1991年生。北方民族大学机电工程学院助教。袁颖，男，1983年生。南通西北工业大学工业设计研究院工程师。