（车辆工程专业论文）面向大规模定制的知识型mes若干关键技术研究.pdf

上海交通大学博士后出站报告 摘要 随着中国成为制造大国，国内的中小型按定单生产企业每天需要面临众多来 自世界各地的有着不同个性化需求的定单。交货期短、市场需求不稳定、客户需 求多种多样、生产批量小总量大等诸多因素都使生产管理部门面临着严峻的挑战。 由于不同定单产品中存在着很多半相似的零部件，企业为了降低成本，通常采用 大规模定制策略来实现这些半相似件的接近规模生产，结果导致车间在客户定单 分离点上难以区分不同定单的相似零部件。 为帮助这类中小型企业摆脱困境，本研究提出建立以自适应制造执行系统研 究为核心，结合e r p 部分计划功能的自适应m e s 平台。本文对该平台的三大关键 技术进行了探索，并开发了相应的平台，主要内容如下： 一、基于知识的g b o m 构建技术。具体包含：基于属性配置的b o c m ( b i l l o f c o m p o s i t e m a t e r i a l s ) 构建技术，面向加工过程的b o p m ( b i l lo f p r o e e s s o r i e n t e d m a t e r i a l s ) 构建技术以及基于规则的辅助物料b o s m ( b i l lo f s u b o r d i n a t em a t e r i a l s ) 构建技术。 二、面向大规模定制的生产计划制定方法。本研究针对大规模定制的按定单 生产模式，研究了定制件的计划方法、通用件的计划方法以及能力计划校核方法。 三、基于虚拟产量分配的制造执行自适应控制方法。本文提出了一种虚拟产 量分配方法以在制造执行控制中实现对生产计划的自适应调整，取得了良好的效 果。 以上述几个关键技术为基础，开发了一个包含三百多主要功能模块的m e s 系 统，在山东文登威力工具集团避行了实施和应用，取得了良好的效果。 上海交通大学博士后出站报告 a b s t r a c t a sc h i n ab e c o m e saw o r l df a c t o r y , t h es m a l la n dm e d i u m e n t e r p r i s e s ( s m e s ) c a l l r e c e i v en u m e r o u sc u s t o m e ro r d e r sf r o mm a n yc o u n t r i e s ，s u c hc u s t o m e ro r d e r sa r e c h a r a c t e r i z e da sas t r i n g e n tb u ts h o td e l i v e r yt i m e ，al a r g en u m b e ro fp r o d u c tv a r i a n t s ， s m a l lp r o d u c t i o nb a t c h e s ，e t c a sar e s u l t ，t h ep r o d u c t i o nm a n i g e m e n td e p a r t m e n t so f t h e s es m e sa r eu n d e rag r e a tp r e s s u r et oo f f e rt h ed i v e r s ep r o d u c t s0 1 1t i m ew h i l e k e e p i n gt h ep r o d u c t i o nc o s ta tar e l a t i v e l yl o wl e v e l t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e f r o mt h e p r o d u c tv a r i e t i e s ，m o s ts m e sh a v et a k e nu pt h e m a s sc u s t o m i z a t i o n p h i l o s o p h yt od e a lw i t ht h ea b o v ei s s u e a tt h ep r o d u c t i o ns t a g e ，m a s sc u s t o m i z a t i o n p r i m a r i l ym e a n st h eg r o u p i n gs i m i l a rw o r k - i n - p r o g r e s st oa c t f i e v eah i g h e rp r o c e s s e f f i c i e n c y , w h i c h ，h o w e v e r ，w i l lm a k ei td i f f i c u l tt od i f f e r e n t i a t es i m i l a rw i pa tt h e c u s t o m e r - o r d e rd e c o u p l i n gp o i n t s t oh e l ps m e st ot a c k l et h ea b o v ei s s u e ，t h er e s e a r c hi n t r o d u c e dh e r ep r o p o s e st o d e v e l o pas e l f - a d a p t i v em e s ( m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s es o l u t i o n ) p l a t f o r m ，w h i c hi s b a s e do nt h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma n dh a si n t e g r a t e ds o m ek e r n e l f u n c t i o n so fe n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g s y s t e m s t h i sr e p o r tp r o p o s e dt h r e ek e y t e c h n i q u e sf o rt h ec o n s t r u c t i o no f t h em c o r i e n t e dm e sp l a t f o r m ： f i r s t ，t h ek n o w l e d g e - b a s e dg e n e r i cb o mt e c h n i q u ei s p r o p o s e d ，w h i c h i s c o m p o s e do ft h et e c h n i q u ef o rr e p r e s e n t i n gb i l lo fp r o d u c tc o m p o n e n t s ，t h et e c h n i q u e f o rr e p r e s e n t i n gb i l lo fi n t e r m e d i a t ec o m p o n e n t sa n dt h et e c h n i q u ef o rr e p r e s e n t i n gb i l l o fs u b o r d i h a t em a t e r i a l s s e c o n d ，am c o r i e n t e dp r o d u c t i o np l a n n i n ga p p r o a c hi sp r o p o s e d ，w h i c hi s c o m p o s e do ft h ea p p r o a c hf o rt h ep l a n n i n go fc u s t o m i z e dc o m p o n e n t s ，t h ea p p r o a c hf o r t h ep l a n n i n go fc o m m o nc o m p o n e n t sa n dt h ec a p a c i t yp l a n n i n ga p p r o a c h t h i r d ，as e l f - a d a p t i v em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o nc o n t r o lm e t h o d o l o g yi sp r o p o s e d b a s e do na na p p r o a c hf o rv i r t u a la l l o c a t i o no ft h r o u g h p u t s w h i c hc a l ls u p p o r tt h e t r a c k i n go f t h ep r o d u c t i o ni n f o r m a t i o no f c u s t o m e ro r d e r sa tt h ep r o d u c t i o ns t a g e b a s e do nt h ea b o v ek e yt e c h n i q u e s ，as e l f - a d a p t i v em e sp l a t f o r mh a sb e e n 1 1 1 上海交通大学博士后出站报告 d e v e l o p e d ，w h i c hi sc o m p o s e do fm o r et h a n3 0 0p r i m a r yf u n c t i o n a lm o d u l e s t h e p l a t f o r mh a sa l s ob e e ns u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e di nt h ew e i l it o o l s - m a n u f a c t u r i n g g r o u pi ns h a n d o n gp r o v i n c e ，w i t ha r e s u l to f al a r g ea m o u n to f b e n e f i t 上海交通大学博士后出站报告第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 自上世纪八十年代以来，我国在劳动者素质与劳动力价格方面的优势吸引了 世界各地的企业将制造基地转移到我国。经过二十多年的发展，我国已经成为了 全世界的制造工厂，一大批专业生产某类产品的中小型企业得以诞生。由此，大 部分国外企业不再直接生产产品，转而向国内的专业生产企业直接采购印有自己 商标的成品或半成品。贴牌生产已成为国内中小型企业生产的一种重要模式。由 于来自世界各地的客户有着迥然不同的个性化定制需求，客户定单多且杂，难以 对市场需求进行预测，这些中小型专业生产企业不得不转向按定单生产 ( m a t e t o o r d e r ) 的模式。 以国内某大型工具制造企业为例，它每天大概可以接到来自世界各地的定单 6 0 份，其中，大部分产品都有着自己的定制特点。以该企业生产的产品活扳手为 例，其可定制特征主要有客户牌号、规格、材质、工艺等几种。其中，常用的客 户牌号有近5 0 0 种，规格有近l o 种，材质有3 种，工艺有5 0 种。因此，该企业 需要生产的活扳手有近百万种，其中，生产频率较高的产品有近十万种。每天， 该企业大约向世界市场输出6 万支活扳手。 不可预见的市场需求、大量的产品品种都使得上述按定单生产企业的生产管 理面临着严峻的挑战。 另外，对于专业生产某类产品的企业而言，虽然很多产品有所不同，但也经 常有部分产品比较相似。这些半相似的产品虽然在最终形态上可能有所区别，但 其在中间生产阶段的半成品常常是相同的。因此，为了提高生产效率、降低生产 成本，企业常常采用大规模定制的策略来实现这些半相似产品的生产。然而，大 规模定制在给企业带来利益的同时，也使其生产管理面临着严峻的挑战：生产计 划人员经常需要在客户定单分离点上对相似半成品进行区分。由于中小型企业的 生产系统常常不太稳定，经常会出现一些质量事故，因此无法预先制定可行的区 上海交通大学博士后出站报告 第一章绪论 分计划来帮助生产计划人员完成上述工作。结果导致生产计划人员在生产阶段需 要不断地调整生产计划。当定单数量很多时，由于数据量大，这种计划调整工作 就非常困难，且容易出错。 因此，迫切需要有种合理的生产管理以及相应的软件平台来帮助这些中小 型企业摆脱生产管理的混乱状况。本文的研究正是在这样一种背景下开展的。 1 2 生产管理方法概述 在以机器化大生产为标志的工业革命之前，生产单元一般以手工作坊的形式 存在，复杂性低，生产管理的重要性还没有被认识到。因此，也没有相关的理论 与方法。在工业革命之后，生产管理才逐渐作为一门科学受到学术界的重视。 最初的生产管理方法以“专业化分工”为特征，强调劳动的简化与标准化， 使得每个工人都专注于件非常简单的重复劳动。由此，可以使工人熟练地完成 某项简单的工作，大大提高劳动的效率。“福特模式”是这一方法的标志：1 9 1 3 年 的美国福特汽车公司的t 型汽车生产移动式装配流水线使生产效率大大提高，成 本显著降低，成为2 0 世纪企业采用的代表性生产方式。 大规模生产是福特模式得以实施的基础。随着市场需求日益多样化，大批量 生产已不能适应市场需求，生产管理方法也发生了重大的变革。科学技术( 特别 是信息技术) 的发展，也大大促进了现代生产管理方法的形成。具有代表性的现 代生产管理理论主要有物料需求计划( m a t e r i a lr e q u i r e m e n t sp l a n n i n g ，m a p ) 、准时 生产( j u s t i n t i m e ，j i t ) 、约束原理( t h e o r yo f c o n s t r a i n t s ，t o c ) 等几种。 m r p 是上世纪六十年代由美国i b m 公司的j o s e p ha o r l i c 博士首先提出的生 产管理理论。随后，研究者又在此基础上提出了m r p i i 、e r p 等方法。m r p 的基 本思想是通过产品出产的时间和数量计划，根据工序顺序反推出所有零部件的投 入产出时闻和数量，进而确定对制造资源( 机器设备、场地、工具、工装、人力、 资金等) 所需要的时间和数量，由此围绕物料的转化组织制造资源，实现准时生产。 它主要是解决生产所需的原材料或零部件不能准时供瘦或供应数量不足的问题。 m r p 方法虽然可以在一定程度上解决延迟区分问题，也能满足多品种小批量生产 的计划需要 s t e v e n s o ne ta l0 5 】，但它要求生产系统比较稳定 g u p t a 9 5 ，当生产系 上海交通大学博士后出站报告第一章绪论 统经常出现质量问题时，m r p 方法无法有效地帮助生产计划员指定准确的生产计 划。 准时生产( 也称精益生产) 起源于日本丰田汽车公司。其基本思想是“只在 需要的时候，生产需要的数量”。j i t 的主要意义在于降低在制品库。j i t 的关键技 术是“看板( k a n b a n ) ”，它采取拉动式( p u l l ) 的执行控制方法，这一点和m r p 的推 式( p u s h ) 生产控制方法有着显著区别。实施j i t 的一个重要前提就是重复式生产 ( r e p e t i t i v ep r o d u c t i o n ) 。当产品种类繁多时，采用看板意味着需要在每个工序都要 保留为每种产品保留定的在制品库存，这将造成大量的在制品积压。 约束理论起源于二十世纪7 0 年代末g o l d r a t t 提出的最优生产技术。t o c 通过 鼓缓冲一绳子( d n m l b u f f e r r o p e ，d b r ) 方法来实现生产计划与控制。d b r 根据 瓶颈工序( 约束资源) 的生产节奏来协调整个生产过程。显然，t o c 方法比j i t 方法更适合于在多品种小批量生产中实现有效的在制品控制。但是，t o c 方法更 倾向于制造执行控制，而在企业计划层方面还明显不足。 综上所述，现有的生产管理方法都不能实现非确定市场环境下的大批量定制 的有效计划与控制，更不能解决半成品延迟区分问题。这些恰恰是当前按定单生 产的中小型企业迫切需要解决的生产管理问题。 1 3 信息化管理是按定单生产的必然要求 数据量大、生产情况复杂是大多数按定单生产的中小型企业生产管理的一大 特点。这种情况下，根本不可能用人工的方法实现科学的生产管理。因此，解决 这类企业的生产管理问题不仅需要更为先进的方法，还必须依靠先进的信息技术。 以某企业的活扳手生产为例，每天平均要出产6 0 种不同定单的活扳手，由于 制造活扳手大约需要1 0 余个工段、1 8 0 多道工序，整个制造工艺需要两周的时间， 因此每天流动在各个工序的活扳手都有近千种。如此多的产品品种使生产管理人 员无所适从，难以制定合理的计划来有效地组织生产，导致的结果是“救火”式 的生产管理方式：哪些客户催得紧就赶快生产哪些定单，经常造成一些定单的交 货期被拖延。 自m r p 方法被提出以来，特别是自上世纪八十年代以来，计算机被大量地应 上海交通大学博士后出站报告第一章绪论 用于生产管理，出现了一批生产管理软件。目前，代表性的软件有两类e r p 和 m e s 。 e r p ( 企业资源计划) 脱胎于m r p ，侧重于企业级的生产计划。当产品结构 非常复杂时，制定生产计划会变得非常困难。以汽车为例，包含了上万个零部件， 手工制定计划会非常耗时。在这种情况下，就非常需要e r p 这类软件来帮助生产 计划员快速地制定合理的生产计划。 i v i e s ( 制造执行系统) 是美国a m r 公司在2 0 世纪9 0 年代提出的概念，其初 衷是解决通用的m r p e r p 在计划系统和底层执行系统之间的鸿沟。m e s 的主要 功能包括：制造资源分配与状态报告、详细工序作业计划、生产调度、数据采集、 质量管理、加工过程管理、产品跟踪以及业绩分析等。 从上面的分析可以看出，e r p 侧重于计划，m e s 侧重于执行。对于一个企业 而言，计划和执行控制同等重要，因此，应该将两者进行紧密的结合。对广大按 定单生产的中小型企业而言，将计划和控制进行有机地集成具有至关重要的意义。 中小型企业与大型企业不同，产品结构比较简单，制定计划相对容易。这种情况 下，如果采用大型e r p 系统制定计划，虽然投资巨大，但收效甚微。并且，由于 大型e r p 系统的所依据的生产管理原型常常是那些大型企业( 如汽车制造业) ，它 所依据的生产模式与广大中小型企业常常相差很大，也非常容易导致e r p 实施的 失败。另一方面，如果单纯地在中小型企业中采用m e s ，则会导致生产的盲目性： 在绩效考评时，也缺乏参考的标准。 因此，面向广大按定单生产的中小型企业的生产管理信息平台，必须既具有 一定的计划功能，又具有一定的执行控制能力。由于中小型企业制定计划相对容 易，且生产计划常常受市场需求变化会发生较大的变化，因此，在这类生产管理 信息平台中，应弱化计划管理。相反，由于生产系统不稳定，生产计划难以应对 不确定因素，因此应该加强制造执行模块的功能，使其具有一定的自适应性，能 根据实际生产- 情况对生产计划做适当的调整。这一点与传统的m e s 认识有着非常 重要的差别，传统观点认为m e s 只负责在e r p 和车间底层执行系统之间传递数据， 不需要对计划做任何调整。 基于上述认识，笔者认为研究面向广大中小型按定单生产企业的生产管理信 息平台，应该以m e s 为基础，对其功能进行适当扩展，并集成e r p 的部分计划功 上海交通大学博士后出站报告第一章绪论 能，以实现生产计划与执行控制的无缝集成。 1 4m e s 发展概况 2 0 世纪8 0 年代后期，全球市场竞争更加激烈，上层计划管理系统( m r p i i e r p 等、受市场影响越来越大，计划的适应性问题愈来愈突出，明显感到计划跟不上变 化，面对客户对交货期的苛刻要求，面对订单的不断调整，企业的决策者逐渐认 识到计划的制定和执行要依赖于市场和实际的作业执行状态，而不能单纯以物料 和库存回报来控制生产。 为解决上述问题，2 0 世纪9 0 年代a m r 提出了“制造执行系统”( m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m s ，m e s ) 概念，并将v i e s 定位于重点解决车间生产管理问题。1 9 9 2 年，些有识之士发起并成立了m e s a ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma s s o c i a t i o n , m e s a l ，它以宣传i v i e s 思想和产品为宗旨，帮助其成员在业界推广m e s 。 随着m e s 理论的发展，大量的m e s 软件被开发出来，并且被广泛地应用于 车间生产管理，如：c o n s i l i u m 公司开发的面向半导体和电子行业的w o r k s t r e a m 和 f a b ，h o n e y w e l l 公司开发的面向制药行业p o m s - m e s ，i n t e l l u t i o n 公司开发的f i x f o rw i n d o w s ，等。 随着m e s 研究的展开，研究者发现过分地强调执行控制与过分地强调计划一 样都存在着很大的弊端。因此近年来m e s a 已将m e s 定义为制造企业解决方案 ( m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s es o l u t i o n s ) ，这意味着m e s 与e r p 应该进行柔性地集成， 才能实现一体化的生产控制与管理。近年来，宝信软件开发的b s - m e s 系统就是 一个典型，它是以m e s 为核心但也包括了一些e r p 的基本功能的企业信息管理系 统，该系统已经在多家钢铁冶炼公司得到成功应用。 v i e s 的发展趋势表明：以m e s 为核心，结合e r p 的一些核心功能是企业生 产管理信息化的有效途径。特别是在一些随市场需求波动比较大的、产品种类繁 多的按定单生产企业，计划的作用不是很明显，就更需要采取上述策略来建立生 产管理信息化平台。因此，本研究无论是从理论上还是从实际应用的角度，都具 有较高的价值。 上海交通大学博士后出站报告第一章绪论 1 5 本文的研究内容 根据按定单生产企业构建生产管理信息化平台的需要，本文着重研究三个关 键技术： 1 ) 通用b o m 的构建技术 b o m 技术是企业信息化平台建设的基础。传统的b o m 技术般建立在确定的 产品构成基础上。在中小型按定单生产企业中，产品结构虽然简单，但提供给可 客户的可定制特比较多，因此详细的产品属性难以预先确定。如何建立这类产品 的b o m 亟待研究。 2 ) 生产计划制定技术 传统的生产计划技术以传统的b o m 技术为基础。当b o m 技术变化后，如何 制定生产计划显然需要重新探索。市场需求不断变化，生产计划也不可能再像过 去那样按批量制定，如何使生产计划可以迅速地随市场需求变化也需要探索。 3 ) 自适应制造执行控制技术 现有的制造执行控制技术主要是面向大规模生产的，它主要在e r p 和底层系 统之间起桥梁作用，缺乏自适应调整的能力。在中小型按定单生产企业中，产品 品种变化频繁，制造设备本身通常不太先进，因此生产系统的稳定性较差。在这 种情况下，制造执行系统需要具有能根据生产情况对生产计划进行动态调整的能 力，因此必须研究自适应的制造执行控制技术。 上海交通大学博士后出站报告第二章基于知识的g b o m 技术 第二章基于知识的通用b o m 技术 摘要：简要分析了b o m 建模技术的历史和现状，以本体论为基础，提出了一种 集成工艺过程的b o m 建模方法，该方法解决了传统b o m 技术在多阶段生产系统 中表达物料变化的不足，是一种提供了全面的b o m 模型，为全方位地考察生产系 统提供了坚实的基础 关键词：b o m 制造b o m 本体论状态空间 2 1b o m 概述 企业信息化的一个主要目的是对各种物料( m a t e r i a l s ) 资源使用进行有效的几 乎与管理，使得生产活动得以平滑的进行。这里，物料是指需要列入生产计划、 控制库存、控制成本的物件的统称，包括所有的原材料、配套件、毛坯、半成品、 联产品、副产品、回收品、需要处理的废品、包装材料、标签、说明书、技术文 件、合格证、产成品、工艺装备、甚至可以是能源等胁1 。因此，描述产品结构组 成的物料清单( b i l lo f m a t e r i a l ，b o m ) 对于企业信息化平台的建设具有至关重要 的意义。自从在上世纪伴随m r p 出现以来，b o m 的概念也得到了扩充和完善。 近年来部分研究者提出了面向全生命周期的x b o m 的概念，包括设计b o m ，工 艺b o m ，制造b o m ，质量b o m ，采购b o m ，等f 姗“。 对生产计划与制造执行控制而言。b o m 主要是指制造b o m 。它和设计b o m 既有紧密的联系，又有较大的区别。 设计b o m ( e n g i n e e r i n gb o m ，e b o m ) 是企业产品设计部门用来组织和管理 构成某种产品所需的零部件物料清单，它主要为了方便管理图纸文档，也有指导 采购和估算报价的作用。产品设计人员根据客户需求或者设计要求进行产品设计， 在设计工程师完成产品设计工作后，设计b o m 是直接从设计图纸提取的相关数 据，包括：产品名称、产品结构、零部件的版本和有效性、物料明细表、物料汇 总表、产品使用说明书，等等。 制造b o m ( m a n u f a c t u r i n gb o m ，m b o m ) 是为了生产制造，而对所有相关物 上海交通大学博士后出站报告第二章基于知识的g b o m 技术 料根据实际的加工装配流程进行组织，是生产部f 1 , n 来组织和管理实际生产某种 产品所需的零部件的物料清单。m b o m 主要根据e b o m 信息，结合p p b o m 中对 e b o m 的修改信息以及零部件的工艺信息，决定零部件之间的装配关系和装配数 量以及零部件和最终产品的制造方法。 m b o m 在企业信息化平台构建中起着相当重要的作用，也是本章所要着重研 究的内容。 2 。2 b o m 技术综述 自从b o m 概念提出以来，为了更好地迎合生产模式的变更，先后出现了多种 b o m 技术。它们可分为如下几种：专用b o m ，模块化b o m 、产生式b o m 、通 用b o m 以及通用b o m 等几种。下面分别介绍这几种b o m ，并结合按定单大规 模定制生产模式的需要，对其进行分析。 2 2 1 专用b o m 专用b o m 主要是指为一个特定的产品建立一个单独的b o m ，它主要面向大 规模生产模式。物料表中主要包含如下内容；零部件、装配关系以及消耗比等内 容，如图2 一l 所示。 图2 - 1 专用b o m 简图 专用b o m 有如下特点： 1 ) 以物料编码规则为基础，每一种确定的物料都有一个物料码 上海交通大学博士后出站报告第二章基于知识的g b o m 技术 2 ) 每一个确定产品的都有一个完整、独立的物料组成表。 在产品单一的大规模生产模式下，专用b o m 技术可以为相应的生产管理平台 提供较好的支持。然而，在个性化市场需求驱动的大规模定制环境下，由于客户 可以任意地选择自己所需要的产品属性配置，产品种类繁多。在这种情况下，如 果采用专用b o m 技术，则需要为每种可能的产品都建立一套完整的物料表，由于 产品种类需求呈指数级增长，将会使b o m 表的数量发生组合爆炸而难以维护。 2 2 2 模块化b o m 为解决个性化需求引起的产品种类剧增，部分学者注意到了产品变体之问存 在着大量的相同零件，因此，引入了模块化b o m 技术来解决上述问题。 模块化b o m 假定产品变体中存在着大量相同零件，对产品变体中的这类零件 进行合并后来生成b o m 。一个可以表达两个产品变体的模块化如图2 - 2 所示。 图2 - 2 模块化b o m 实例 模块化b o m 的特点是简洁。以图2 - 2 为例，它仅包含了四个模块物品。过于 简化也导致了模块化b o m 的一大缺陷：它是以单层b o m 的形式表达产品，因此 忽略了产品内部各零件的装配关系，生产过程中的中间件也无法体现，这对于生 产计划和执行控制来说都是不理想的。 2 2 3 产生式b o m 为克服模块化b o m 的部分缺点，部分学者提出了产生式b o m ( g e n e r a t i v e b o m ) ，又称变体b o m ( v a r i a n tb o m ) 。以图2 3 中的两个产品变体为例，产生 式b o m 的表达内涵可以用图2 - 3 表示。产生式b o m 的优点在于将产品变体中的 相同物料进行了合并，把一些相互替代的可选零部件组合成一个集合，供用户在 馘一bcxy 上海交通大学博士后出站报告第二章基于知识的g b o m 技术 不同的客户需求下选用。为了使计算机能根据实际需求选择合适的替代物料，产 生式b o m 常常结合一些知识表达方法( 如属性值表达) 来表达物料，并在此基 础上给出一些物料选择规则。 圈2 - 3 产生式b o m 实例 x y 产生式b o m 主要有两大缺点： 首先，它仅支持从产品顶层进行描述，客户对于子零件的一些需求也需要在 顶层描述中体现，因此顶层描述往往非常烦琐，在可选物料较多的情况下，决策 规则往往比较复杂，难以维护。 其次，与传统的物料码描述物料相比，产生式b o m 既需要定的物料规则来 穷举物料，还需要弓f 入一些属性值表达来描述物料，因此数据冗余量也比较大。 2 2 4 通用b o m 为了克服产生式b o m 的缺陷，通用b o m ( g e n e r i cb o m ) 应运而生。通用 b o m 更多地吸收了面向对象的知识表达方法，它以类似于类( c l a s s ) 的方法定义 一组产品变体所通用的产品结构，而不特定于某个详细的产品描述。当需要描述 某个详细产品时，需要对b o m 进行实例化( i n s t a n t i a l i z a t i o n ) 。一个典型的通用 b o m 结构如图2 - 4 所示。 上海交通大学博士后出站报告 第二章基于知识的g b o m 技术 唧嘲哪l o 。h _ 柚i e ( 甘p i 醯曲且i p ) ； - & o 嘲即删： 如奸l o o b h 斓- 3 0 哦 i a d a g e 撇 i e b 如5 ： h 岫7 0 0 ； 蚺4 蝻 m p m 咄站k i m m ( - , | o o p ) ； 椰m 舯吣 轴竹弘缸 l l i 黼如酗0 0 ： - d 哪5 0 0 ； 卅猁嚣 唧聃豳吐3 k 瑚脯k c j ”k 日一曲_ 挪嗍 h 峨静0 0 撕洳如秘1 0 ；b a c k 内船 | _ 内荫鼢啾一f r a m e 棚d b o d y ； 啊和删9 4 c o i 硼啊r l r 飞 螂蝴蛐咚吣。棚蝴l 秭m 潮 蛳t c c 曲i 【螂嘲撇忡嫩础 _ 正m 啤m m t ； 瑚，4 0 0 一 - 越4 1 0 ；- - 锕越d 硼 i a d l l 目kn 2 0 , - ，c b i p b 僦 d q l 雒秘x 嘛h w l h _ mw 0 0 1 蛔触融5 0 - 油 c o w f c 轴i o l i 心妊曲l o 磅； t 蟠b t l 呶 柚蛆v i n y l 鞠越p 删4 5 0 王i w f c 枷钟i c 越o r ) ； 疵嬉( x 蝴； 耐删喇垂啊嘲； m 喊啪h t 翻i - e ( m a d ) = 姆社啦删j 南柚) ； a e w l m a m t ； 酗鲫5 0 0 雠噼k 椭目n 删埘：钿c l i 幽5 0 l 诵蚺缸融：铀d 时5 。2 ； 蜘ic 州 钿棚e 6 0 0 ； 删嚣 伽哪删酾o o 轨 嘲i 一埘k b l 碥| n 辨竹h 括1 f t 嘲： 嘲d 枷哪釉h 棚峨 h o 曲6 h 酗m 雌辩o ；一锄删 翻e b 略酮f ，弦缸 h w h | 鼍l h d 知k 擀l l 趣 单嘲坩雠张 t 缒l d e ： 岫f 醅t ： l 洲e 6 2 2w i t h 掣削嘣哟： 铀i 抽睡柚兢 埔q ； * r i d 缸畋 糊啪科州p 0 0 k 翻哪| e ( “盎r m 瑚s t 强 蝴n r 崩岬d 辅i h i 曲； t 嘲剁蹦釉秘t 酗r 静缸 瓣鼬锄蛾h 图2 4 通用b o m 结构实例0 1 8 。泖1 与传统b o m 技术相比，通用b o m 区别有如下几点： 1 ) 通用b o m 并不以表达某个具体的产品变体为目标，而是描述了产品 变体的所有可能的状态空间，因此在通用b o m 中，并不存在一个实 际的产品： 2 )与传统b o m 依靠物料编码区别物料不同，通用b o m 主要通过物料 的属性和属性值来区别相似物料； 3 )通用b o m 内部的各物料互相独立，依靠父子关系来相互连接； 鉴于上述原因，通用b o m 非常适合于在产品品种繁多时根据客户需求对产品 上海交通大学博士后出站报告第二章基于知识的g b o m 技术 进行属性级配置，这种配置不仅是指结构上增加或减少一些可选模块，它也允许 对一些非标准模块根据用户需求进行个性化定制。 尽管通用b o m 在具有大量产品品种的场合具有明显的优势，但目前的相关技 术还不完善。目前该技术仅能反映出产品内部零部件的组成结构，在表达加工过 程信息方面还存在着较大的缺陷。以o l s e ne ta l 的g b o m o l s e n 9 7 1 为例，它仅用 “i n c l u d e ”操作表示了零部件之间的包含关系，不能体现零部件被加工的顺序关 系，这种顺序关系对生产计划和制造执行控制都具有非常重要的意义。实际的零 部件生产往往是一个多阶段生产过程，即一个零部件可能需要经过多道工艺才能 完成( 例如，活扳手的扳身零件需要在多个车间经过锻压、机加工、热处理、抛 光、电镀等多道工艺) ，而通用b o m 中仅能包含扳身这样的零件，而不能更细致 地描述零部件在中间工序的状态。 2 2 5 通用b o m p 为克服通用b o m 在表达工艺信息方面的缺点，j i a o 和t s e n g 等人提出了通用 b o m p ( g e n e r i cb i l l s o f - m a t e r i a l s - a n d - o p e r a t i o n s ) 的概念，试图将b o m 和b o p 紧密结合起来。根据文献u i a 0 0 0 ，一个典型的g b o m p 的结构如图2 - 5 所示。 图2 5 通用b o m p 结构 通用b o m p 虽然将工艺信息与物料信息进行了集成，但这种集成仍然是不全 面的。b o p 中表达的数据仅限于生产能力规划所需的一些加工工艺信息，缺乏物 料转化方面的信息，因此仍不能表达处于中间生产阶段的物料。 不仅在表达处于中间生产阶段的物料存在问题，g b o m p 中对于产品结构本身 的描述也存在着缺陷。在g b o m p 中，通用产品结构是固化的，缺乏柔性，用户 只能对属性值进行配嚣，这使得对于同一类结构相似的产品需要采用多种产品结 构，这不但会增加冗余信息，在产品结构存在多种可选零部件的情况下，还会增 上海交通人学博士后出站报告第二章基于知识的g b o m 技术 加基础信息输入的工作量。 2 2 6 小结 综上所述，现有的b o m 表在应对大规模定制生产时，不能有效地解决生产信 息化管理所需要的全部信息( 生产过程信息) 。因此，需要提出新的全面的b o m 表达模型。 最新的人工智能研究表明：为了满足大系统内部各个子系统的需求，增强信 息的共享可能性，信息建模必须贴合实际情况，任何对实际情况的简化都会导致 一些子系统不能正确获取所需要的信息。因此，自上个实际九十年代以来，兴起 了本体论研究，它的一个重要目的是研究如何在计算机中表达客观世界，本质上 它属于知识表达的范畴。 对于企业信息化管理平台，它涉及到生产计划、执行控制、调度、库存管理 等多方面的要求。各个功能模块之间需要互相调用信息，因此，需要建立企业业 务信息本体论。 2 3 基于知识的通用产品表达 在客户需求日益变化的今天，产品越来越多样。这种多样性不仅体现在产品 属性上，而且还体现在产品结构上。以某工具厂的大力钳为例：有普通大力钳、 唇形大力钳、桌上形大力钳、铆接式大力钳，等，每种大力钳还有多种规格系列， 客户还可以要求对大力钳配置一些塑料胶柄，甚至还可以在大力钳上打上自己的 商标。 在计算机中表达这样别具个性化的产品会非常复杂。如果用传统的基于物料 码的描述方法，很容易引起组合爆炸。以结构较简单的活扳手为例，大约有3 0 种 款式、1 0 种规格、3 种主要材质、4 0 0 种客户定制的牌号、5 0 种可定制的表面处 理工艺，这么多可配置的特征组合起来的产品不下几千万种。一些典型的活扳手 款式如图2 6 所示。另外，各种款式的活扳手在产品结构上也略有差异，包括普通 活扳手、胶柄活扳手、大力活扳手、推杆活扳手等。因此，描述这样的产品不仅 要求能从属性上对产品进行定制，还要求能在结构上对产品进行定制。 上海交通大学博士后出站报告 第二章基于知识的g b o m 技术 图2 - 6 部分活扳手图片 2 3 1 通用产品结构表达 在目前的g b o m 模型中，每一种结构相同的产品被看作一个模板，当客户需 求到达时，通过对模板的属性根据客户要求进行赋值来找到匹配的详细b o m ( s p e c i f i cb o m ) 。这种固定的产品结构模板显然缺乏柔性，不能支持产品族中产 品结构的配置变异。下面提出一种通用的产品族结构模板。 通用的产品族结构表达中，零部件间存在着三种关系：父子关系，选装关系 和替换关系。 父子关系就是装配关系，描述了一个部件由哪些零部件装配而成。 选装关系指的某个零部件与产品整体之间是否存在着可选关系，即它对于该 产品而言是否为可选件，它描述了一个产品族中可以任意配置的元件。例如，活 扳手的胶柄就是一种可选件。 替换关系描述一个产品族中一个元件是否可以由另一个元件来替换。例如， 汽车中的自动换档装置和手动换档装置就是一种替换关系。 上海交通大学博士后出站报告第二章基于知识的g b o m 技术 根据上述要求，提出如图2 7 所示的柔性关系数据库模型来描述产品族结构。 图2 7 产品族结构表达模型 以图2 7 所示模型为基础，普通活扳手的主要结构便可以用图2 - 8 来描述。 元件名父件名消耗比基本件 可选件 是虚件 有子件 活扳手 n u l l1n u l l 否否有 粗装体活扳手 1n u l l 否否有 弹簧活扳手 1n u l l 否否无 螺轮 活扳手 1n u l 乙否否 无 销轴 活扳手 1n u l l 否否 无 胶柄活扳手 1n u l l 是否 有 扳身粗装体 1n u l l 否否有 活嘴粗装体 1n u l l否否有 图2 8 普通活扳手的b o m 表达 在上述通用产品结构表达中，为简化产品结构模型的复杂度，根据实际情况 给出了一个假设：每种零部件可以被多种零部件所替换，基本件和替换件之间的 关系是一对多的或关系。这种假设对结构比较简单的产品比较合适。对一些复杂 产品，这样的假设可能经常不符合实际情况：一种结构配置中包含的几个零件在 另一种结构配置由其它的多个零件的组合所代替。这种情况将无法用图2 7 所示的 模型来表示。 上海交通大学博士后出站报告第= 章基于知识的g b o m 技术 解决上述问题最直接的方式是：设置结构配置规则，根据实际情况柔性地设 置各种配置中结构件间的约束规则。然而，在复杂产品结构变体中，变异情况很 多，设置规则往往比较复杂。因此，上述模型中采取了另一种方法，增加了虚拟 件，对产品结构中需要被替换的组基本零件设置成虚拟件( 基本件) ，将替换的 一组零件设置成用于替换的虚拟件，以实现虚拟件间的替换。以上述方法为基础， 普通活扳手与大力活扳手所构成的产品族的模型就可以用图2 - 9 来表示。 元件名父件名消耗比替换对象可选件是虚件有子件 活扳手 n u l l n u l l n u l l 否否有 粗装体活扳手1n u l l否否有 基本扳手配件体活扳手 1n u l l 否是 有 弹簧基本扳手配件体 1n u l l否否无 螺轮基本扳手配件体 1n u l l 否 秀 无 销轴 基本扳手配件体 1 n u u 。否否无 胶柄基本扳手配件体 1n u u 是 否无 扳身租装体 1n u l l否否无 活嘴粗装体 ln u l l 否 否无 大力扳手配件体活扳手 l 基本扳手配件体 否是有 大握铁大力扳手配件体 1 基本扳手配件体 否否否 支撑铁大力扳手配件体 】 基本扳手配件体否否 香 铆钉 大力扳手配件体 3 基本扳手配件体 否否舌 销轴大力扳手配件体 1 基本扳手配件体 否否否 图2 - 9 一个扳手族的组成关系表达 通用产品族结构表达的优点在于：它支持用户对结构相似的产品进行描述。 上海交通大学博士后出站报告第二章基于知识的g b o m 技术 用户可以根据实际情况柔性地配置所需要的产品结构，由于大量通用