面向信息集成的装配BOM转换方法研究

2020-03-30吴家家费天鸣张胜文

江苏科技大学学报(自然科学版) 2020年1期

张辉，吴家家，费天鸣，张胜文

(江苏科技大学机械工程学院, 镇江 212003)

随着信息化的深入,产品数据管理(product data mana gement,PDM)和企业资源计划(enterprise resource planing,ERP)等现代技术的广泛应用,信息孤岛凸显,信息集成问题亟需解决．而物料清单(bill of materials,BOM)作为企业PDM和ERP等系统的信息核心,其多视图的转换成为了企业实现信息集成的关键途径[1-3]．

近年来,国内外研究学者对BOM的转换问题作了大量研究,提出一系列不同的解决方法．典型的BOM转换方法有：基于特征识别的BOM转换方法[4]、基于遗传算法的BOM配置方法[5]、基于可配置规则的BOM视图转换方法[6]和基于工艺管理的BOM转换方法[7]等,这些方法只能解决由PDM控制基本信息、ERP为PDM提供支持的集成方式,而不能解决由ERP控制基本信息及对等集成等方式,并且忽视了系列化产品高度相似性的特点,导致转换效率低下[8-9]．

基于上述研究成果可知,设计BOM(engineering BOM，EBOM)向制造BOM(manutacturing BOM,MBOM)转换主要包括关系结构和属性信息的转换．零部件的属性信息,都是唯一和相对稳定的．在BOM的转化过程中,只要将其相应的自然属性转化即可．MBOM转换的难点在于关系结构的转换．因此,文中提出了一种基于相似匹配技术的装配BOM转换方法，首先,通过规则组合的方式完成装配BOM的转换,构建EBOM与装配BOM之间一一映射的转换模型,并以此创建装配BOM模版库；然后,采用相似匹配的方法,比较计算新产品EBOM与转换模型中EBOM的相似性,从装配BOM模型库中获取模版,再通过BOM比较优化的方式,实现装配BOM的快速转换；最终,借助PDM平台,实现与装配工艺设计的无缝集成．

1 BOM概述

BOM作为一种管理性文件,是制造信息的数据载体,是制造业企业PDM和ERP等系统的信息核心,贯穿于产品生命周期各个阶段,成为企业信息集成的关键所在．从系统分类的角度看,BOM在PDM系统中被称为设计BOM(EBOM),表达的是产品设计结构．在物料需求计划(material requirement planning,MRP)系统中被称为制造BOM(MBOM),表达的是产品实际装配结构．随着制造企业信息化的逐步深入,BOM作为联系产品设计和生产制造的主线,是信息化集成的重要数据载体,是各个信息系统集成的桥梁．

设计BOM,一般被称为产品的零件明细表．它是产品设计人员依据客户需求而创建的产品结构表,用来表达产品的设计意图，描述了产品零部件之间的设计关系和产品的设计指标,从而反映出产品设计的结构信息和属性信息．

制造BOM,一般被称为产品的物料清单．它是工艺设计人员依据企业生产制造能力,结合产品的结构特征而创建的产品装配的零件表．它是企业生产制造的工艺规划清单,包括各种物料需求的清单,可以反映出产品制造装配的结构信息和属性信息．

MBOM与EBOM的主要差异性在于:

(1) 在MBOM中,产品零部件的层次关系表达的一定是实际的装配过程;而在EBOM中,产品零部件的层次关系表达一般是产品的功能结构．

(2) 在 MBOM中,一般包含了能够表达装配顺序的时间属性;而EBOM是产品功能结构的表达,没有具体的时间属性．

(3) MBOM面向制造现场,其物料含义更为广泛,涉及原材料、工具工装等多种物料信息;而在EBOM中,通常涉及的物料信息都是在零件明细表上出现的．

装配BOM(assembly BOM,ABOM)作为一个过渡阶段,与EBOM相比,二者在零部件的层次结构上是不同的．EBOM的零部件层次结构表达的是设计视图,而在ABOM中,零部件的层次结构是制造视图,反映真实的装配过程．ABOM与MBOM相比,二者之间零部件层次结构是一致的,但MBOM中涉及的制造信息更广泛,包含了工艺制造信息以及生产管理方面的信息．因此,ABOM只是EBOM向MBOM转换过程中的一个中间阶段．具体的三者之间所含信息的比较,如表1．

表1 EBOM、MBOM、ABOM的信息比较

从以上分析可知,MBOM转换的实质就是对零部件关系及本体信息进行再设计的过程．本体信息再设计就是增加工艺及生产管理信息,这是一个连续定义的过程．而MBOM零件关系在设计就是EBOM向ABOM的转换过程,通过ABOM的构建,可以提高MBOM转换的高效性及数据的准确性,并且可以辅助装配工艺设计．因此,ABOM是产品设计和制造过程的桥梁,ABOM转换是不可避免的工作,且其转换效率直接影响产品工艺设计周期以及其他重要环节．

2 装配BOM转换基础模型

2.1 结构转换规则

ABOM转换规则(简称转换规则)是在BOM转换过程中,定义EBOM与ABOM之间关系属性的映射过程．转换规则是ABOM转换的依据,源自于企业在各类BOM设计及转换过程中所遵循的业务准则．

在企业的装配转换规则的基础上,依据企业现有需求,将零部件划分为继承部件、外协部件、虚拟部件以及中间部件4种类型．并且以零部件的类型,为每种类型的部件定制了相应的转换规则,最终形成ABOM转换的组合规则．针对各类型部件的具体的转换处理规则如下．

(1) 继承部件:在ABOM中零部件关系与其在EBOM中的零部件关系完全一致的部件．在ABOM转换过程中,零部件关系直接继承EBOM中的零部件关系．

(2) 虚拟部件:在实际的生产制造过程中,不是按照设计的组合进行装配的部件,在EBOM中存在的而在ABOM中无相应记录．在ABOM转换过程中,将该部件下属零部件按照实际装配过程转移至相关父件的节点下．

(3) 中间部件:在实际制造生产中,某些较大部件都是由几个子部件装配而成,这些子部件就是中间件,也是ABOM中重要的组成要素,但在EBOM中并不出现．在ABOM转换过程中,依据装配制造需求,结合EBOM中的相关信息及工艺要求,在装配中增加中间件零部件关系信息．

(4) 外购部件:在实际装配制造过程中,受制造成本和加工能力的制约,企业会选择直接从外部购买某些产品配件,称之为外购件．在ABOM中只有外购部件本身,不展开其下级零部件的表达．在ABOM转换过程中,外购部件只保留外购部件自身节点．

2.2 基于组合规则的装配BOM转换方法

基于组合规则的ABOM转换方法是以装配转换规则为基础,通过定义EBOM中零部件的零件类型以及装配转码,并以此为驱动,实现从EBOM视图中装配关系到ABOM视图中装配关系之映射的BOM视图转换方法．其中,组合规则就是指装配转换规则，不会将转换规则固化,具有灵活、可优化、适应性强的特点．

在产品结构中,BOM的表现形式为树状结构．结构树包括零件节点、部件节点和产品节点．零件节点构成部件节点和产品节点,部件点构成产品节点．因此,BOM视图转换就是BOM结构树的节点以及节点属性的转换．为了明确装配节点之间的层次关系和顺序关系,在EBOM中部件的划分和转换基础上,赋予EBOM中各级节点部件、组件或零件相应的装配转码且作为节点标识．现定义装配转码作为BOM的节点标识,具体编码规则如图1.

图1 装配BOM转码编写规则

Fig.1Assembly BOM transcoding rules

根据复杂产品的实际装配特点,对装配转换代码的编码规则定义如下:

(1) X表示系列产品的型号,其后的转换代码用数字表示,并且具体位数的设置严格遵循企业的生产要求规范;

(2) 第1、2位用01到99的整数表示,作为一级工艺转换代码,且对于进入一级的部件其后续数字用0表示;

(3) 第3、4位用01到99的整数表示,作为二级工艺转换代码,其后续四位用0表示;

(4) 第5、6位用01到99的整数表示,作为三级工艺转换代码,其后续两位用0表示;

(5) 第7、8位用01到99的整数表示,作为四级级工艺转换代码.

基于以上的装配转码编码规则,定义EBOM结构中各个节点的装配代码,具体的层级关系如图2.

图2 装配转码指派图Fig.2 Assembly code assignment diagram

基于上述组合规则,通过装配代码驱动,文中提出基于组合规则的ABOM转换方法．部件类型的定义以及装配代码指派,部分装配代码可自动生成,完成对部件的数据描述．采用深度优先[10-11]或宽度优先的遍历搜索物料类型描述为“继承部件”、“外协部件”、“外购部件”节点,全部保留；描述类型为“虚拟部件”和“中间部件”的节点,根据装配代码增加相应的节点,将这些“虚拟部件”和“中间部件”添加到相应的节点上．最终,完成ABOM转换，具体的转换流程如图3．

图3 装配BOM转换流程Fig.3 Assembly BOM conversion process

具体转换过程如图4．

图4 基于规则的装配BOM转换实例Fig.4 Rule based example of assembly BOM conversion

3 基于相似匹配算法的装配BOM转换

3.1 子图匹配问题的定义

子图同构[12-13]．给定一个数据图G1=,如图5,其中,V1为数据图G1中的顶点集合;E1为数据图G1中边的集合;一个查询图G2=,如图6,如果存在一组映射(n,m),其中n∈G1,m∈G2,使得两个图的对应点相同,查询图中的边在数据图中都存在,并且边的权值相同．例如查询图6可以与数据图5中上三角同构．

图5 数据图G1Fig.5 Data graph G1图6 查询图G2Fig.6 Query graph G2

VF2算法是一种通用的图同构算法,是一种深度优先的回溯算法,该算法的核心就是搜索和剪枝．用states来存储搜索过程中的部分匹配，M(s)为中间状态s代表的部分匹配,M1(s),M2(s)为当前states的部分匹配中,G1和G2中的点．起初,状态是S0,M(s0)是空集,即还没有任何匹配．之后递归的进行搜索．

匹配过程Match(s).如果当前状态s代表的部分匹配M(s)包含了G2(query graph)中的所有节点,则已经找到了G2在G1中同构的子图,搜索结束．否则,在当前的局部匹配基础上,再匹配一个点．首先,找出所以可能进行匹配点对集合P(s)．然后,对于每一个匹配对p,检查加入匹配p是否可行．即加入p后,两个图还是否同构．以及加入p之后,是否还有就扩展的可能性(即实行一些剪枝策略)．如果加入匹配p可行,则将p加入s,递归调用Match(s),继续搜索．如果刚才若干次调用Match(s)后都没有找到同构的子图,则说明当前从状态不可能扩展出可行的子图同构匹配．所以,将生成改状态时加入的两点匹配p从s中删除,回溯到上一个状态．

3.2 面向BOM结构的匹配问题

BOM主要有BOM结构树和BOM结构表两种表达形式,而BOM结构树是在计算机系统中BOM结构的可视化表达,如图7．图7也是一个数据图,可以通过一个三元组G定义G=,其中,E为数据图B中的所有顶点集合,也是BOM结构所有节点的集合;V为数据B所有边的集合,也是BOM结构中节点的连接关系,W为数据图中边的属性值,即图中每条边都带有一个相应的属性值w，并且BOM结构树与数据图的结构和节点组织形式是一致的,因此,BOM结构相似匹配就是一个图相似匹配的问题．

图7 BOM结构数据图Fig.7 BOM structure data diagram

BOM结构相似性匹配主要分为层次结构相似和节点属性相似两个方面,层次结构相似就是比较BOM的层级数,要求查询BOM的层级数不大于模版BOM的层级,否则不可能相似．节点属性相似就是比较整个BOM节点的相似度,在各个层级中任意选取节点组合(两个BOM各取一个节点),计算相似度．而复杂产品零部件数量极大,特别是船用柴油机,零部件数量高达上万,因此其BOM的节点数量也是巨大的,在可能相似节点组合的过程中会造成组合爆炸．因此,文中在VF2算法的基础上,提出了面向BOM结构的匹配算法．

VF2算法[14-15]作为一个解决图匹配或者子图匹配问题的常用算法,它在处理有限的复杂组合问题是具有一定优势,适用于解决BOM结构匹配的问题．在BOM结构匹配过程中,查询图就是新产品的EBOM结构,而数据图是模版库中大量成熟产品的EBOM．因此,定义查询图为B(图8),而数据图是一个集合Gn={G1,G2,G3,…,Gn}．BOM相似匹配的结果分为两种:一种是完全匹配,即查询图B(图8)与数据图G(图7)同构,可以直接重用该EBOM多应的ABOM；另一种是部分匹配,需要计算匹配值,选择较高的EBOM对应的ABOM重用．用s存储搜索过程中的部分匹配,M(s)为中间状态s代表的部分匹配的点集．起初,状态是S0,M(S0)是空集,M0(s)，M1(s)表示当前states的部分匹配中B和G1中的点．

图8 BOM结构查询图Fig.8 BOM structure query diagram

BOM相似匹配方法的具体步骤如下:

第一步:获取查询图B中的顶点a0,在数据图Gn中找出可能与a0匹配的集合P(s),验证确定任一个匹配对(a0,a1),(a0∈B,a1∈Gn),加入部分匹配集合M(s);

第二步;在当前的局部匹配M(s)基础上扩展搜索,找出所以可能进行匹配点对集合H(s),检查每一个匹配对h是否可行,并将可行组合加入M(s);

第三步:如果M0(s)包含了B中的所有节点,则找到了B与G1中同构的子图,搜索结束,输出G1的标识,否则循环第二步,直至当前状态s扩展搜索,输出G1的标识以及M(s);

第四步:返回第一步执行,直至集合P(s)中所有匹配对搜索完毕．

该方法的具体流程如图9,B∈M0(s).

3.3 基于子图匹配的装配BOM转换

通过对企业的系列产品的BOM相似性分析可知,在BOM相似匹配过程中,极少会出现子图同构甚至图同构的结果,一般还是部分匹配的结果．那么就会出现多个与查询图能够构成部分匹配的模版,因此,需要对查询图与模版的匹配度进行分析计算,择优选取模版,提高ABOM的转换效率．

图9 BOM相似匹配方法流程Fig.9 BOM similarity matching method flow

产品一般分为零件、组件以及部件3种层次结构,各个层次结构对于产品整体功能的影响是不同的．因此,在BOM相似匹配过程中,零件、组件以及部件的相似度对于整个BOM结构的相似性的贡献度也是不同的．另外,为了提高匹配搜索的效率,还有一些类似分类码、层次数等判定性等影响元素．因此,对产品相似性有贡献的基本特性设置不同的计算方法[16-17]．

在应用BOM相似度计算方法时,需要先确定对产品相似性有贡献的基本特性．在BOM结构中,其判定性相似特性都是分类码和层次数．分类码描述了产品所属的类型系列,层次数表明产品BOM结构的结构特性．而定量特性中,部件的匹配对于整个BOM结构的影响最大,因而权重最高,组件、零件依次降低．

通过对BOM相似匹配特性的分析,将相似特性分为定性特性和定量特性．因此,需要从数据图的定量特性和定性特性两个角度构建数学计算模型,及权重设置．

定义判定性匹配特性集合为:

CD={c1,c2,……,cd}

定义计算性匹配特性集合为:

Cs={c1,c2,……,cs}

则BOM的匹配相似度Q为：

式中：σ为同一个特性的相似程度,取值范围为0～1,其计算方法是，当特性ci为定性特性时只能取0或1;当特性ci为定量特性时,用较小值除以较大值．wsi为特性ci的权重．

具体的如表2．

表2 EBOM匹配特性计算表

基于子图匹配的ABOM转换就是通过图匹配的方式,在ABOM模版库中搜索匹配BOM模版,再通过BOM比较检查的手段,分析EBOM与模版ABOM之间的差异性并修改优化,从而快速完成ABOM转换．因此,该方法主要分为3个核心阶段:BOM基础转换数据图库的构建,EBOM匹配，BOM比较优化．

基于子图匹配的ABOM转换流程如图10.

图10 ABOM的转换流程Fig.10 ABOM conversion process

通过分析可知,基于子图匹配的ABOM转换的方法,适用用于解决复杂产品的ABOM转换,并且模版库的样本基数越大,搜索速率上的优势越明显．与基于规则的ABOM转换方法相比,基于子图匹配的ABOM转换方法自动化程度更高,转换效率也更高．但是,在模版匹配不到相似BOM结构的情况下(即匹配的相似度低于70%),就需要采用基于规则的方法,通过人机交互式进行ABOM转换,从而保证了ABOM的高效与稳定．

4 应用实例

以船用柴油机关键件的装配工艺设计过程为应用实例,将上述ABOM转换方法应用于实践．

在构建BOM模板库的基础上,采用相似性匹配的方式在模板库中搜索BOM模板,通过匹配相似度计算,选择相似度较高的模板,并生成装配模板BOM．在装配模板BOM的基础上,采用BOM比较手段,找出EBOM中是否有未完成转换的节点,如图11．若存在未完成转换的节点,则采用基于规则的方法,通过人机交互的方式对未完成转换的节点进行BOM转换,生成ABOM,如图12．