产品配置管理功能的研究与实现 - 文章

产品配置管理功能的研究与实现

作者：吕晓峰周艳吴莉霞

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产品结构和配置管理是产品数据管理的一个重要功能，它以电子仓库为底层支持，以物料清单(Bill of Material，BOM)为数据组织核心，把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来，实现产品数据的组织、管理和控制，并在一定的目标或规则约束下，向用户或应用系统提供产品结构的不同视图和描述。由此可见，产品结构和配置管理包括产品结构管理和配置管理两个方面内容。产品配置管理是在产品结构管理的基础上，通过定义和实施一大批数据关系、规则、约束来控制产品数据的一致性、合法性和通用性。产品配置就是对产品信息和数据进行重组织来达到配置管理目标的过程。

产品配置管理以产品结构为中心组织产品信息，克服以文档为中心的管理上的杂乱无章，从而有效地实现系列化产品管理。它具有的功能包括物料清单的多视图管理、配置规则和知识库管理、产品及零件的版本控制以及同其他系统的数据集成等。

产品配置的作用之一是：对产品结构、物料组成、版本等信息的有效管理，同时进行创建和维护产品物料清单，从而不同的产品结构得到组成BOM，并根据产品结构的变化实时更新。产品配置的另一作用体现在对个性化定制产品的设计支持上。现代生产的发展趋势是：一方面产品从开发上市到淘汰的生命周期越来越短，要求企业加快产品开发速度；另一方面，市场的需求日趋复杂化、个性化，要求企业要在最短的时间内，用最多的产品种类去满足市场的需求。如何提高企业的个性化产品开发能力成为市场竞争的关键。通过对已有产品数据的配置设计可以增加产品的多样化，覆盖更多的客户需求；再经过变型设计和相应的个性化定制，就可以完成满足特定需求产品的设计。这样可以充分利用已有的产品信息资源，加快开发速度，提高开发设计效率。

产品配置管理的主要功能包括：BOM的创建和管理、产品结构的多视图建模管理和查询、零部件的版本管理、配置规则管理以及与MRPⅡ、ERP系统的集成等。下面讨论各功能的实现方法。

1 BOM的创建和管理

BOM记录有产品的零件物料信息以及它们的装配组合方式，是产品结构的详细表示方式。产品结构在设计和生产过程中不断地发生变化，相应的BOM也要随之更新。BOM的创建和管理就是从产品的结构树中自动的创建，保持二者数据的一致性，并且能实现动态更新。

企业各个职能部门由于用途不同，对BOM有着不同的视图要求，如设计用、制造用、采购用BOM等，这就是BOM管理的另一方面——多视图映射。对每一产品能根据不同部门对BOM的特定要求，产生出相应的BOM视图形式供使用，并保证各视图数据随产品结构的改变能实时更新。采取必要的措施保证不同BOM视图数据的正确性和一致性。

产品BOM表述的是树型的非线性结构，每一个零部件都可以认为是树的一个节点。其中产品为根节点，零件为叶节点，并且可以按结构关系划分出不同的“层”结构。在基于关系数据库的存储中只能记录表述关系的表，而不是树型结构。可见，从树型结构拆分出关系表和由关系表重构树型结构是实现BOM管理的一个重要问题。

按照数据库存储树型结构的BOM数据形式可分为：多层BOM和单层BOM。多层BOM详细地记录零部件的层次号、标识号以及零部件在产品树中的相应顺序号。对处于不同层次的相同零部件装配关系重复计人数据库表中。例如，在产品某一层结构里包含A和B的父子关系，在另外一层里也同样包含这一关系时，多层BOM记录是不加区分的。这种对相同结构信息的重复记录，容易导致数据库的数据冗余，而且使得数据维护困难，不利于BOM中零部件的父子关系的变更和产品结构的实时更新（如果多处相同的父子关系在更改时没有全部更新，就会发生产品零件装配关系的混乱）；而单层BOM则不同，它只记录相邻层次的零部件物料的单层对应关系，即父子关系。也就是说，对产品结构中的每一种零部件装配关系只记录1次，对具有相同的父子装配关系合并累计。单层BOM通常采用2张表（零部件表和产品结构表）记录产品结构关系。要得到产品结构的全部零件信息时，对上述2张表进行连接运算即可。采用这种结构可以减少数据的冗余，改善对数据维护的工作。

2 产品结构的多视图建模和查询

产品由部件组成，部件由零件组成。产品和零部件之间的层次关系通常采用树型图表示。产品用树根结点表示，分支表示组成关系，叶结点表示零件，含有分枝结构的结点表示的是部件。很显然，树型图将产品的层次结构、零部件之间的组成关系表现得十分清楚。

不同的部门对产品结构的关注角度不同，即从不同的视图对同一产品的零部件进行归类，如设计部门按产品的结构，工艺部门按零部件加工工艺，而制造部门则按照工艺、设备能力等等。因此，产品模型在不同的视图中将采取不同的表现形式。不同的视图需要不同数据格式来实现，也对应了BOM的多视图。

在产品结构的多视图转换时，必须保证不同视图中结构数据的一致性和准确性。

3 产品零部件的版本管理

产品在设计和生产中会随着设计方案的变化或者其他要求而不断进行更改，从局部的修正到结构的大面积改动，都会影响到零部件的变化。在设计过程发生局部的改动，如果不影响零部件的主要功能和互换性，就会形成新的版本而不是产生新的零件；相反，当零部件发生了结构变动，影响到功能和互换性时将产生新的零部件。

在产品模型中用零件编码和版本号共同标识出某一零部件，它们构成了零部件的唯一标识码。零件的版本模型，如图所示。每一零件对象对应一定的编码，版本号区分出设计更改过程，也代表了不同的应用。不同版本的零件代表着不同设计方案的结果，存在着功能和结构上的某些差异。一般情况下分属不同的装配结构，不能进行互换。同时，零部件版本的变化也影响着产品版本的变迁。产品结构增加或去除某个零部件，采用零件昀另一版本，零部件之间的装配归属关系的变化，都会使产品版本发生变化。

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零部件的版本模型

零部件在设计和更改中形成多版本形态。对零件版本管理模型主要有：线性结构版本模型、树型版本结构模型和有向无环图结构模型。线性版本模型按版本产生的先后顺序，每个版本最多只能有1个父版本，且只能有1个子版本；每个版本只能具有唯一的标识，产生的新版本自动插入链尾，如图(a)所示。线性结构模型不能区分重新设计的替换版本和修改版本，不能表示多个同时并列的版本。树型结构模型以树型表示版本之间的替换关系，其中只有1个根节点的版本没有父版本，其余都有1个父版本。一个版本有分支则表示有多个可选的替换新版本，否则表示子节点为修订版本，如图(b)所示。树型结构模型虽能区分替换版本和修改版本(图(b)中，V2，V1和V0属于替换关系，V3.1，V3之间属于修改关系），但不能正确表述多版本的融合和导出关系。有向无环图结构模型如图(c)所示，它表示了版本之间的导出与融合关系，可以进行版本追踪，但由于不能表示版本的逻辑层次性(如图(c)中，V4究竟是属于第三层还是第四层），只能用节点序号来表示版本产生的次序和来源。

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版本管理的三种模型

这里采用有向无环图模型进行版本管理。模型中的节点可以是产品或零部件的版本变迁记录。产品结构树中的每个节点的版本演变都可用有向无环图来表示。

版本的变更应按以下原则进行：

零件发生变更但不影响互换性的，以新版本表示；影响互换性时应采用新零件编码表示。

部件子项发生版本变化，部件不作更改；子项采用新零件但不影响互换性以新版本表示，影响到互换性时采用新部件编码表示。

根据设计对象的不同状态，版本可以有不同的状态：开始设计阶段的工作版本，提交后等待审批的提交版本，审批发放后的发放版本，冻结保护后的冻结版本，废弃过时的废弃版本，归档保存后的归档版本等等。版本的不同状态直接关系着零部件的有效性，进而直接影响到配置过程和结果。对版本状态的管理，是通过对象属性的不同取值来进行的，例如：当某零件的版本处于发放状态时，其版本有效性赋值为1，其他情况时则取相应值。需要说明的是在前述的配置模型中，只对有效版本状态时取1，其余版本状态全部取0。在原有向无环图模型上加入版本的当前状态（如图所示），不仅满足版本历史追溯，而且可以标识出每一版本的当前状态，方便配置和设计进行选择。

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版本管理模型

对版本的管理，不仅可以保证配置选择正确版本，更重要的是通过相应的管理模型，可以进行版本追溯，了解各个版本进化变迁的历史记录，对改进零件设计和提高效率都有着重要意义。

4 配置规则管理

配置规则是在配置过程中，对产品模型中需要配置的项目进行选择和确定的一系列限制和匹配原则。和它紧密相关的是配置条件。配置条件是配置过程的输入量，是配置搜索的要求和目标，它按照产品特性和用户需求来制定。配置规则是配置模型内的组合、匹配原则，它在产品的结构和功能设计开发过程中定义。

在配置规则的作用下，配制模块根据输入的配置条件从产品模型中搜索匹配出一个能满足或近似满足要求的产品结构，并用它作为生产或者变型设计的产品实例。对配置规则的要求表述准确，相互关联少。对配置规则的管理是产品配置过程的关键之一，表达清楚准确的规则可以减少配置的搜索步骤，提高效率。

配置规则包括零部件的装配组合关系、约束关系、版本限制关系、属性变量同结构的对应关系等等。按照属性不同呵以分为：强制性规则和用户自定义的特殊规则。强制性规则主要记录零部件对象的有效性和它们之间的装配约束关系，有效性包括版本、时间和序列号有效性，约束关系包括依赖、冲突、互换等。用户自定义的特殊规则与具体的产品对象属性紧密相关，如变量规则，需要针对具体产品属性来制定。

装配约束关系包括零部件的装配关系以及它们之间的相互约束关系。装配关系包括父子、兄弟关系；相互作用关系包括依赖、冲突（互斥）、替换、组合等。使用这些简单的关系，可以定义出更复杂的装配关系。装配约束规则的定义不像其他规则那样，在使用时进行定义，而是在进行产品设计的阶段进行定义。另一个特点就是它在配置的过程中几乎不发生更改。强制性规则是产品配置的过程中，各被配置对象所必须满足的属性。基本上对每个已经确定的对象，除有效性会随着时间段的变化而发生改变外，装配特性很少发生变化。

有效性规则主要包括零件对象的版本有效性和时间有效性，有时会包括像序列号有效性等其他方面的属性。在前面的版本管理中，零件的版本有好多种状态：提交、发布、冻结、工作等。版本的有效性就是要求配置所采用的版本状态必须是当前已经发布，而且没有被废弃的版本号。对于有有效时间段进行限制的版本，还要注意时间段的限制。时间的有效性考虑的只是在某一时间段内可以使用的对象，不涉及到他方面的因素（版本、序列号等）。序列号有效性是零件对象仅对某一段产品序列号起作用，不能应用于不在序列号范围内的产品。序列号有效性比较少用，且仅限于一些零件数目巨大的产品中，像汽车、飞机等。

自定义规则是从使用的角度根据对某种产品外观形状、性能、质量等多方面的要求或期望，对配置结果所做的一系列限定。例如对一台电冰箱，可以要求是单开门还是双开门，或者是对开门；压缩机的制冷功率和工作电压可以是“3000W/220V”，也可以是“1500 W/110V”等。一种常见的用户定义规则就是变量配置规则。它将产品零件的可配置属性分别用不同的数值变量来表示，通过选取不同的变量值就可以确定相匹配的产品结构。另一种自定义规则是不同企业对自身产品进行的一些专业方面的限制，包括结构形式、功能参数、外观颜色等。

配置规则管理主要是体现在对配置规则的合理制定和对配置搜索过程的作用上。强制性规则的制定和管理相对比较容易。装配约束在设计的过程中已经进行了部分制定，只需要在使用时进行确定和实施。在不同的时间段内，配置对象的属性将处于不同的状态，使得搜索过程的选择将变得比较容易。相比之下，用户定义的规则的定制和管理就要困难一些。使用时必须考虑合理选取变量来描述对象的属性。对于每种产品应该有自身的属性特点，如上面对冰箱的变量选取时把制冷功率和工作电压放在一起考虑，而在空调产品中可能仅仅只考虑其制冷功率。确定变量以后就要确定其取值范围。变量取值范围必须包含一系列特性数值，具有较好的通用性。还需考虑在值域范围内变量应怎样取具体值，它关系到配置结果的零件构成和对特定规则的满足程度。这些都应是针对具体的产品确定不同的方法，而且需要很多的产品设计、使用等多方面的知识和经验积累。

5 与MRPⅡ/ERP等系统的集成

产品数据的安全和完整是保证配置能顺利进行、产品信息在不同部门正确流动的前提和基础。配置所得的产品信息，要以BOM的形式传递到生产制造部门；对产品结构进行的设计更改，也需要迅速地通知生产部门进行数据更新。因此，需要相应的数据接口来实现不同部门之间的数据交换。

通过基于BOM的数据接口，可以实现PDM系统与企业制造资源规划MRPⅡ(Manufacture Resource Planning)、企业资源规划ERP( Enterprise Resource Planning)等系统的直接集成，从而实现从设计到生产的自动化服务，减少人工参与，同时也减少了数据出错的几率，保证数据安全性和完整性，提高效率。

产品配置管理与MRP/ERP等系统之间的信息流和数据交换主要有：物料编码、制造BOM、工艺信息和试制计划等。二者基于关系数据库的集成方式有2种：基于CORBA集成和基于COM/DCOM集成。CORBA(Common Object Request Broker Architecture，通用对象请求代理架构)是实现分布式计算的中间件技术规范。基于它可实现异构数据库对象操作的集成，但在实现上有困难。COM/DCOM是微软推出的中间件技术规范。采用基于它的OLEDB技术可以访问不同数据源中的多种数据格式，已得到大多数软件平台的支持。采用ODBC(OLEDB)实现数据集成如图所示。

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PDM与MRPⅡ，ERP系统的集成

6 结论

本文在实现配置的基础上，研究了产品配置管理的基本功能及其实现。通过实现BOM的创建和管理、产品结构的多视图建模管理和查询、零部件的版本管理、配置规则管理，来保证产品配置过程和结果的有效性；大规模定制下的产品配置更是建立在一个完全信息化管理的制造企业中，要求有多平台的集成和协作，因此最后给出了配置管理与MRPⅡ、ERP系统集成的一个参考模型，以此实现多系统之间的产品信息流和数据进行交换、更新和重组，提供对产品全生命周期的信息管理，进而达到配置管理目标。对于实际复杂产品结构的配置和定制管理，还需要进行进一步的改进和优化。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/7/2012)


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