基于知识工程的物料清单管理

第16卷第9期计算机集成制造系统Vol.16No.92010年9月ComputerIntegratedManufacturingSystemsSep.2010:1006-5911(2010)09-1977-07:2009211210;:2010201220。Received10Nov.2009;accepted20Jan.2010.:国家科技支撑计划资助项目(2006BAF01A41)。Foundationitem:ProjectsupportedbytheNationalKeyTechnologyR&DProgram,China(2006BAF01A41).基于知识工程的物料清单管理曾富洪1,周丹1,郭刚2(1.攀枝花学院机电工程学院,四川攀枝花617000;2.重庆大学机械工程学院,重庆400044):为实现物料清单的高效配置和有效管理,在研究物料清单在产品生命周期的形成和演变规律的基础上,根据物料清单的拓展概念,提出了物料清单知识体的理念,建立了基于知识工程的物料清单管理的信息模型,并给出了高效实用的物料清单配置模型和物料清单的多视图演化模型,进而完成物料清单管理系统的开发。通过在数家制造企业的实施应用,验证了该系统的有效性和可行性。:知识工程;物料清单;配置模型;多视图演化;映射:TP31:ABillofmaterialmanagementbasedonknowledgeengineeringZENGFu2hong1,ZHOUDan1,GUOGang2(1.SchoolofMechatronicsEngineering,PanzhihuaUniversity,Panzhihua617000,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)Abstract:TorealizehighlyeffectiveconfigurationandmanagementforBillofMaterial(BOM),basedontheBOMe2volutionrulesintheproductlifecycle,theconceptofKnowledgebodybasedonBOM(KBOM)wasproposedac2cordingtotheextensionofBOM.TheinformationmodelforBOMmanagementwasconstructedbasedonKnowl2edgeEngineering(KE).TheefficientandpracticalmodelsforBOMconfigurationandBOMmulti2viewevolutionwereprovidedsoastorealizesystemdevelopmentforBOMmanagement.Thepracticalapplicationrevealedthatthesystemwaseffectiveandfeasiblewithsatisfactoryapplicationresults.Keywords:knowledgeengineering;billofmaterial;configurationmodel;multi2viewevolution;mapping0在当前的数字经济时代,企业要在激烈的市场竞争中保持产品的核心竞争力,需要在产品的整个生命周期内有效管理产品信息,并能捕捉和使用产品的知识资产,同时还能使每个相关人员在产品的全部生命周期内互相协同地开发、制造、销售和管理产品,这就需要企业建立基于知识工程(KnowledgeEngineering,KE)的产品生命周期管理(ProductLifecycleManagement,PLM)系统。表征产品结构的物料清单(BillofMaterial,BOM)是系统信息集成的纽带,在系统中处于核心地位。许多制造企业产品生命周期中各阶段BOM数据的表达不一致,导致产品、零部件和原材料在设计、供应、装配、销售和维修等各个环节上出差错,从而影响企业的市场竞争力。为此,波音公司在其DCAC/MRM系统中首先提出单一产品数据源(SingleSourceofProductDa2ta,SSPD)概念,并将其作为整个系统的底层数据核心和所有相关产品数据的共同访问源[1];国际对象管理组织(ObjectManagementGroup,OMG)对BOM在产品生命周期各阶段的表示方法也提出了参考模型。另外,有些学者针对BOM的一致性管理和配置管理要求,对BOM的构造方法、配置方计算机集成制造系统第16卷法、BOM多视图间的转换进行了研究[228],提出了相应的解决方案,取得了一定的成果。然而以KBE为基础,对贯穿整个产品生命周期的BOM内在联系的信息模型建立以及相应的BOM配置和演进模型的描述,相关研究还比较匮乏。为此,本文研究了BOM在产品生命周期的演进,构建了基于KBE的BOM管理的信息模型,并研究了其关键实现技术,开发了面向知识工程的BOM管理模块。1BOM按照产品生命周期的一般规律,产品的演进过程实质上是产品在顾客需求域、功能域、结构域、工艺域、制造域和用户域六个域之间的映射。每个域中都有各自的元素,这些元素在数量、结构和位置上的相互关系,就构成了生命周期不同阶段BOM多视图的内在联系与特征属性。产品生命周期不同阶段产品BOM的演进描述如图1所示。图中产品规划阶段与需求域和功能域相对应,主要任务是根据产品的市场定位和顾客定位确定产品的顾客需求结构即需求BOM(RequirementBOM,RBOM),利用质量屋(HouseofQuality,HOQ)工具将顾客需求转化为技术要求,根据技术要求确定产品功能BOM(FunctionBOM,FBOM);产品设计阶段与结构域和工艺域相对应,主要任务是根据FBOM确定产品的组成结构即工程BOM(EngineeringBOM,EB2OM),再根据EBOM中零部件的特性确定相应的制造工艺,得到工艺BOM(ProcessplanningBOM,PBOM);在生产制造和销售服务阶段,不同部门根据自己的需求,将EBOM映射为制造BOM(Manu2facturingBOM,MBOM)、客户BOM(CustomerBOM,CBOM)、质量BOM(QualityBOM,QBOM)等。另外,产品在整个生命周期内需要能够捕获、存储、积累知识经验,并能在后续的产品开发中传递、重用和创新。为此,引入知识体BOM(Knowledge2bodybasedonBOM,KBOM)的概念,KBOM是基于产品族各种知识的有效集成体。产品族按以下3个原则界定[9]:¹产品族中的产品具有相同的市场定位和客户群需求;º产品族中的产品具有相似的产品结构,并可用通用结构来表述;»产品族中的产品叶节点上的零部件具有相似的功能和相同的外部接口关系。BOM在整个产品生命周期的演进都得到KBOM的支持。2BOM在整个产品生命周期中,BOM本身具有复杂的多态性,同时还将作为知识集成的纽带集成各种知识,用传统的BOM来描述产品生命周期中的各种BOM显得非常困难,为此采用BOM的拓展概念[10]:BOM是由许多与产品结构或产品功能结构相关的子对象有机结合在一起的复合对象,它包含本体和从体两个基本部分,其中本体指零部件对象或功能对象本身的结构关系,从体是BOM主体的属性集和与之相关联的对象集合。BOM在底层数据库中的数据结构有单层BOM和多层BOM两种形式。(1)单层BOM相同的结构关系在数据库表中只记录一次。单层BOM表更改简单,一处更改其他相应之处也更改,数据库冗余少,但不能精确描述产品的组成结构。(2)多层BOM多层BOM详尽地记录了BOM的结构信息,即在同一产品下相同的结构也需要多次详尽地记录。多层BOM能精确描述产品的组成结构,产品间结构互不影响,产品内部部件结构也互不影响。但数据冗余大,BOM配置时产品结构变换的互动性差。根据BOM数据结构的特点,以BOM在产品生命周期的演进为线索,结合SSPD的理念构建基于知识工程的BOM管理信息模型(IDEF1x)如图2所示。图2中,FBOM的本体结构采用多层BOM的数据结构、对应于/FBOM0和/产品0,FBOM的结构由/FBOM0属性字段/节点顺序号0和/父节点顺序号0记录;从体信息对应于/功能表0。EBOM,PBOM及其各种映射视图(如MBOM,CBOM等)的本体结构同样采用多层BOM的数据结构,与/BOM0和/产品0相对应,BOM视图形态通1978第9期曾富洪等:基于知识工程的物料清单管理过/BOM0属性、/BOM类别0进行区分,BOM视图的本体结构通过/BOM0属性、/节点顺序号0和/父节点顺序号0进行记录;从体信息对应于/零部件0及其相关联的对象(如/零件工艺0、/工艺0、/零部件文档0、/文档模型0等)。本体和从体之间通过属性/零部件ID0进行桥接。为确保数据的一致性,各部门使用的BOM视图均以EBOM为单一数据源进行演化。BOM的知识表述由KBOM和规则库完成:KBOM的本体结构采用单层BOM的数据结构,与之对应的是/KBOM0、/知识点对象0、和/产品族0,KBOM树的父子关系由/KBOM0中的/父知识节点ID0和/知识节点ID0记录。知识节点实际上是个类零部件,类零部件定义为具有相似功能和相同的外部接口的零部件集合。/知识点0、/知识点参数0,/知识点文档模型0以及与之关联的/文档模型0共同构成了KBOM的从体。其中/知识点参数0中的/参数类别0分为功能特征参数、性能特征参数和结构特征参数。模型文档的实体对象存储于FTP文档服务器,/知识点0关联的计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)模型采用参数化建模方法完成,使用时可通过/知识点参数0中的特征参数驱动生成所需要的CAD模型。图3为某企业齿轮泵简化的KBOM模型。规则库用来描述产生式规则,与图2中的/规则0相对应,其/内容0属性表述一个条件或一个结论,/标志0属性用来标志是条件还是结论;/关系0用来表示各条件或各结论之间的与、或、异或关系;优先级用来表示各条件或各结论的优先性,一个/规则ID0可对应多个条件和多个结论。配置规则存放于其中,本系统的配置规则包含逻辑约束和算术约束两部分。逻辑约束决定实例的选择,可分为相联约束和互斥约束,相联约束表示两个实例必须一起选择,互斥约束表示两个实例不能一起选择;算术约束表达实例的物理和性能方面的配置要求。1979计算机集成制造系统第16卷3BOM在整个产品生命周期,BOM管理主要是BOM配置和BOM多视图的使用,其中最为复杂和关键的技术是BOM的配置技术和BOM多视图映射技术,下面结合上述信息模型就其实现技术进行研究。311BOMBOM配置是一个DCSP(dynam2icconstraintssatisfactionproblems),其求解过程比较复杂,为保证配置效率,本文将基于实例推理(Case2BasedReasoning,CBR)技术用于BOM配置,具体实现策略如图4所示。该策略以KBOM为基础,强调对配置历史数据的重用,是一个基于知识的问题求解过程,采用自顶向下的问题求解方法和深度优先的启发式搜索策略,具体算法步骤如下:1根据产品的需求定位、需求转换得到的技术要求,人机交互方式完成FBOM的配置,并为每个节点赋予相应的特征参数,存放于/功能参数0表中。2根据FBOM的顶层特征参数,在BOM库中进行实例检索,如果有完全满足顶层特征参数的实例,则根据实例检出相应的EBOM和BOM多视图,交付生产使用;否则转步骤3。3相似化配置组合:用深度优先策略遍历KBOM结构树中的节点,对类零部件节点,查看其功能特征参数,并与FBOM结构树各节点的特征参数进行相似匹配,相似度采用最近邻法进行计算[5],S(fI,fR)=Enj=1[WjSim(fIj,fRj)]Enj=1Wj。(1)式中:Wj为第j个特征的权