0 引言
隨著制造業市場競爭的日趨激烈，傳統制造環境下的企業產品結構由于用戶的個性化需求而變得愈來愈復雜，產品的設計更改更頻繁、無法有效管理產生的多而混雜的文檔版本、出錯率居高不下，難以適應現代生產的要求。作為PDM體系結構的重要組成部分的PCM，是廣義的物料清單(BOM)管理，可以較好地支持現代制造環境下的復雜產品管理及客戶定制過程。PCM以產品結構為基礎，以結構BOM為組織核心，將最終產品的工程數據及其設計過程中產生的文檔聯系起來，實現產品全生命周期內的數據有效組織、管理與控制，并在一定目標和規則約束下向用戶或應用系統提供多種BOM及描述，如設計BOM、制造BOM、計劃BOM、財務BOM和銷售BOM等。因企業存在多種BOM描述，要保證這些BOM的一致性、正確性就必須將產品結構中的零/部件按照滿足客戶需求的條件進行組合約束配置，從而得到客戶需要的產品結構。這種滿足客戶需要的條件稱為配置條件，對各種配置條件進行組合約束會產生多種不同的產品結構，多種配置條件的組合、約束稱為配置規則。
1 產品配置規則與配置管理
在產品配置管理中，企業產品的主要參數值往往被組合成多種配置條件和配置規則。如高速列車塞拉門產品的門類型有氣動門、電動門等；使用的電源電壓有DC24V、DC72V、DC110V等；門系統控制方式有手動、電控氣動、集控氣動等；門板厚度在32～43mm范圍等，這些參數之間有的互不影響，而有的則相互沖突。再考慮其他因素，如門的結構樣式、價格、通過高凈開度等因素，就可以得到若干組合配置條件，根據這些配置條件將得到成千上萬的產品結構，這些配置規則在計算機的各種算法支持下進行配置，將大大簡化產品配置過程，降低開發成本，快速滿足客戶的需求，因此產品配置也是基于客戶需求的大規模定制生產模式下的核心使能技術。產品配置規則主要分為變量配置規則、版本配置規則和有效性配置規則三種類型。
1.1 變量配置規則與配置管理
變量配置規則基于產品的功能結構或概念結構模型，該模型僅僅描述產品的功能組成以及各個子功能之間的相互關系，如塞拉門產品主要由門扇、導向、承載、鎖閉、驅動和控制等功能部件組成，其中門扇部件又由門板、玻璃等零/部件功能構成，承載部件由攜門架、底架等零/部件功能構成，塞拉門產品的功能模型如圖1所示。
圖1 塞拉門產品的功能模型
產品主要參數值一般是由關鍵零/部件某個屬性的值決定的，當零/部件的某個屬性具有多個取值時，就可將該屬性視為配置變量，如門類型有“氣動”及“電動”二種取值，則門類型就可作為配置變量。配置變量的數據類型通常為字符型、數字型、邏輯型及日期型，按照數學運算符(≥、≤、＝、＞、＜、＜＞等)及邏輯運算符(AND、OR、NOT、LIKE等)組合成配置條件及配置規則，如(門類型=“氣動”)、(電源電壓=“DC24V”)就是兩個配置條件，而[(門類型=“氣動”)AND(電源電壓=“DC24V”)]則是兩個配置條件經過邏輯與運算得到的配置規則。復雜的配置規則可采用二叉樹的算法實現邏輯表達式的自動推導求解。圖2所示是描述了塞拉門產品從門類型、電源電壓及門板厚度三個配置變量的若干選項來確定塞拉門產品的具體結構配置實例，圖2中塞拉門A131產品的配置約束規則為：[(門類型=“氣動”)AND(電源電壓=“DC110V”)AND(門板厚度=“32mm”)]。
圖2 塞拉門產品的具體結構配制實例
變量配置規則主要面向產品的功能配置，根據客戶的需求情況定制產品的設計參數，在原產品的基礎上進行改進設計，就可以產生滿足不同層次用戶需求的，具有不同功能的系列化產品結構。因此變量配置規則主要應用于系列化產品的配置場合。
1.2 版本配置規則與配置管理
版本是記錄產品或零/部件對象的各個可選狀態的快照。版本模型有線性版本模型、樹型版本模型和有向無循環圖版本模型三種。第一種非常適用于零/部件設計過程中各個階段生成的設計版本，不能用于有多種可選設計方案的情況；而第二種則反映零/部件設計過程中以某一中間版本為基礎，選擇多種設計方案而形成的多個設計結果的情況；第三種則反映由零/部件的多個設計版本合成一個新版本的情況，是一種較完善的模型，其余兩種模型是該模型的特例。產品設計過程中由于描述的方法不同、設計方案與性能要求的差異以及設計人員主觀意識的差別，導致設計產生多個不同的設計結果(多種可能狀態)，則每個狀態稱為該產品或零/部件的一個版本，顯然加入版本后，其產品設計的復雜性大大增加。采用版本來統一協調管理不同階段工作的信息并有效記錄設計歷史過程，當已歸檔的設計結果需要更改時，可以借助于PDM的工作流技術來升級版本，以保證設計的一致性。在PDM中與版本有關的對象包括零/部件及其設計文檔。通常這些對象在設計過程中存在工作版本、提交版本、歸檔版本、凍結版本及發行版本五種版本，其版本可按照時間順序采用線性版本模型管理。
版本配置主要基于五種版本分別進行配置。若干工作版本中除最新版本外，其余均是只讀版本，各版本之間具有某種延續關系，使設計具有追溯性。塞拉門產品BOM模板及按照配置規則進行有效性配置的產品部分結構見圖3。目前常用的兩種配置方法是按照已發行最新版本配置和按照已發行所有版本進行配置，圖3a所示是已發行所有版本的塞拉門產品結構，如果按已發行最新版本配置，則門扇部件版本號應為2.1，攜門架版本號為2.0(見圖3b)。對于同一版本的產品零/部件的版本配置遵循有效性配置規則。
圖3 塞拉門產品BOM模板及按照配置規則進行有效性配置的產品部分結構
1.3 有效性配置規則與配置管理
產品結構中的零/部件如果有多個版本，各個版本有效時間范圍各不相同，如在BOM中不同層次上有同一零/部件的不同版本或同一版本分布在BOM的不同層次上，則可按照樹型版本模型進行配置，也稱為有效性配置。有效性配置適合于非系列化產品的單一產品中的不同版本零/部件、可選件、替換件按照版本有效時間范圍、結構有效時間范圍等配置項進行配置的場合。
配置項可用一個八元組表示，記為cfg：=<proID，partID，optType，attrVal，repPID，excPID，sDate，eDate>，其中proID表示產品標識，partID表示零／部件標識，optType表示選項標記，attrVal表示對應optType選項的值，當optType=1表示版本有效性，其attrVal表示具體的版本值；當optType=0表示結構有效性，其attrVal表示是否選用、是否替換、是否互換等選項值，用1表示肯定值，用0表示否定值，repPID表示替換零/部件的標識，excPID表示互換零/部件標識，sDate表示生效日期，eDate表示失效日期。
在圖3a所示的塞拉門產品模板的基礎上如果設定表1所示的時間有效性或結構有效性配置規則，則如果當前配置時間是2011年4月1日，則按照表1給出的配置規則進行有效性配置的效果如圖3c所示；如果當前配置時間是2012年3月1日，則按照表1給出的配置規則進行有效性配置的效果如圖3d所示，從圖3b、圖3c、圖3d中可以看出不同的配置規則得到的塞拉門產品的結構不太一樣，因此可采用軟件靈活配置的技術來達到管理復雜產品多樣性的目的。
表1 有效性配置規則定義
2 產品配置概念數據模型及配置算法
單一產品配置必須首先建立一個標準產品模板樹，該模板樹擁有所有版本的零/部件及其設計文檔，其零/部件配置信息存放在配置項規則表中，按照BOM樹遞歸搜索算法依次判斷各個層次節點是否滿足給定的配置規則，其產品配置數據邏輯模型如下。
產品信息(產品編碼、產品版本、產品名稱、規格和型號)；BOM模板庫(模板編號、父編號、物料編碼、產品編碼、產品版本、子版本、裝配數量、層次和底層標識)；物料信息(物料編碼、物料名稱、物料類型、結構類型、圖號、材料牌號、單位、單位重量、設計修改號、版本、生效日期、失效日期和設計人)；配置項信息(配置編碼、配置項名稱、是否有效、選項標記、選項值、替代件、互換件、生效日期和失效日期)；配置規則庫(規則編號、物料編碼、配置條件、邏輯運算符、生效日期和失效日期)；臨時BOM樹結構以及數據庫配置BOM表結構與BOM模板庫結構相同。其中BOM模板庫存放著產品的BOM樹信息，該樹擁有所有版本的零/部件信息；而配置項信息表中存放所有的配置條件，在配置系統中可以讀出配置條件并進行條件組合形成配置規則存放在配置規則庫中。
目前國內外學者提出了較多的產品配置模型及算法。一個基于知識的采用深度優先的啟發式搜索策略求解算法；基于約束推理的產品配置模型；基于可適應的通用產品結構(Adaptive Generic Product Structure，AGPS)的產品家族樹的模型配置方法。本文提出的產品配置過程是從數據庫中一次性提取產品結構樹模板，便于按照樹深度搜索各零/部件節點，結合零/部件配置規則庫分別進行各節點的配置，算法步驟描述如下。
1)在產品信息表中選擇當前要配置的產品編碼與版本，從BOM模板庫(樹)的0層提取要配置的對應物料編碼pno，將其對應的信息存放至臨時BOM樹中。
2)從BOM模板庫中查找當前父物料號等于pno的零/部件結構信息，如果未找到，轉步驟5)；否則取得該結果行的第一行信息，轉步驟3)。
3)如果該行是零件信息，則在配置規則庫中查找對應的物料配置條件，并將生效、失效日期與當前日期比對后，確定該零件配置條件是否有效，如果有效則完成配置；如果該物料是部件，則轉步驟4)進行；如果無效，則取當前結果集的下一節點進行配置，重復步驟3)。
4)取出當前行部件的父物料號放在變量ppno中，對該部件查找相應的部件配置條件，完成部件配置，以確定該部件選用的結構有效性及版本有效性情況，將pno替換成ppno再進行配置；重復步驟2)～步驟4)；直到產品或部件全部配置完成，轉步驟5)。
5)將臨時BOM樹結果轉存至數據庫配置BOM表中。
算法步驟1)～步驟5)得到的數據庫配置BOM表可根據某部件或零件逐級正向查詢產品樹的組成關系(反映裝配順序關系)。如果配置效果不滿意，則修改配置規則重新配置，以滿足用戶的定制需求。
3 塞拉門產品配置應用實例
由項目組自行研發的某高速列車塞拉門配置系統實現了上述算法，塞拉門產品配置管理系統部分配置界面如圖4所示。圖4中：①是變量定義與取值窗口，主要設置零/部件哪些屬性變量需要配置，并給出變量允許值的范圍；②是根據客戶需求構造配置條件并進行組合約束，形成配置規則；③是某塞拉門產品所有版本零/部件構成的BOM模板庫；④是按照版本配置規則對塞拉門產品進行配置的結果。
圖4 塞拉門產品配置管理系統部分配置界面
4 結語
產品配置與管理是PDM系統的核心功能之一，是產品設計、客戶需求、ERP計劃及制造的聯系紐帶。國內PDM系統的PCM功能由于各種原因普遍薄弱，對PCM的模型研究、算法尚不成熟且與軟件開發脫節。研究給出的數據邏輯模型建立在數據庫系統之上，實現配置變量與配置規則入庫管理，并基于產品樹的遞歸算法實現了產品配置管理功能，操作簡單，易于用戶交互。在一定程度上滿足用戶的產品定制要求與產品配置。基于面向對象的開發技術，使開發的系統能夠重用、容易維護，基于數據庫的BOM樹配置功能更容易與企業CAD、CAPP、CAM、CAE、MC、ERP進行集成，實現多種BOM的信息共享與數據一致性。目前該配置系統的配置決策能力尚顯不足、配置規則庫尚不豐富，需要進一步完善。
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本文標題：PDM環境下產品配置管理技術的研究
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