離散制造業(yè)中分解BOM與組合BOM模型建立及應(yīng)用

姜麗蘋，史海波，劉 昶

（中國科學(xué)院沈陽自動化所 信息技術(shù)事業(yè)部，沈陽 110016）

0 引言

產(chǎn)品物料清單即BOM(Bills Of Material) 反映了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中所有零部件的構(gòu)成層次關(guān)系和數(shù)量關(guān)系。它定義了生產(chǎn)特定產(chǎn)品所需物料、數(shù)量及其相關(guān)屬性，又被稱為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。BOM作為制造業(yè)的核心數(shù)據(jù)，是生產(chǎn)計劃、材料計劃、成本核算等多個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是聯(lián)系企業(yè)各項業(yè)務(wù)的紐帶。一個具有良好結(jié)構(gòu)模型的BOM最重要的是能清晰表達(dá)企業(yè)產(chǎn)品的組裝層次結(jié)構(gòu)，并方便用戶在各個系統(tǒng)中的應(yīng)用、降低數(shù)據(jù)冗余量。

目前已經(jīng)提出了很多適合不同企業(yè)應(yīng)用的BOM模型。如郭鋼等人提出適合于產(chǎn)品零部件數(shù)量繁多的企業(yè)應(yīng)用的單層BOM模型和適合產(chǎn)品數(shù)量較少的企業(yè)應(yīng)用的多層BOM模型[1]。賈淑紅等人提出的層次編碼BOM模型比較適合于零部件具有規(guī)則編碼并且數(shù)量不多的企業(yè)應(yīng)用[2～5]，這三種BOM模型在現(xiàn)實中應(yīng)用較為廣泛。上述BOM模型與已提出的矩陣BOM[2,5]、差異BOM[2]、模塊化BOM[2]等模型主要是針對組裝式BOM進(jìn)行研究的。目前對分解式BOM和組合式BOM的研究較少，但實際中存在一些木制品、日用品等制造企業(yè)，在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中存在分解過程或者兼具分解與組裝過程。本文在研究了離散制造業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，并分析了現(xiàn)有BOM模型的基礎(chǔ)上，提出了可應(yīng)用于上述企業(yè)應(yīng)用的分解BOM模型和組合BOM模型。

1 離散制造業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點與分類

離散制造業(yè)主要包括機械制造、電子電器、汽車制造等典型制造業(yè)和木制品、日常用品制造等一些特殊的制造行業(yè)。分析這些企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可知，組成產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)元素（簡稱基元）包括正三角基元和倒三角基元。正三角基元表示一個部件或產(chǎn)品由多個物料組裝生成的一種父子結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1表示A由2個B、1個C和2個D三種物料組成。倒三角基元表示多個產(chǎn)品或部件由一個物料分解生成的一種父子結(jié)構(gòu)。本文約定將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖中上層稱為父層，下層稱為子層。圖2表示一個典型的倒三角基元結(jié)構(gòu)，2個B、1 個C和2個D均是由同一個物料A分解生成的。

圖1 正三角基元圖

圖2 倒三角基元圖

離散企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本上都能夠以正三角基元和倒三角基元組合方式表達(dá)。若一個產(chǎn)品BOM可以用若干個正三角基元組合方式表述，稱為組裝BOM，如圖3所示。圖3為一個由3個正三角基元組成的BOM。組裝BOM是多個物料經(jīng)過組裝或加工，最終形成一個成品，并且產(chǎn)品生產(chǎn)中只存在組裝過程。若產(chǎn)品BOM可以用若干個倒三角基元組合方式描述，稱為分解BOM，如圖4所示。圖4為一個由兩個倒三角基元組成的BOM。分解BOM是將物料分解為多個產(chǎn)品，并且產(chǎn)品生產(chǎn)中只存在分解過程。還有一種在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中即存在正三角基元又存在倒三角基元，稱之為組合BOM，如圖5所示。組合BOM即存在分解過程，又存在組裝過程。

2 現(xiàn)有主要BOM結(jié)構(gòu)模型

現(xiàn)階段對BOM的研究主要是針對組裝BOM，對分解BOM和組合BOM的研究很少涉及。目前應(yīng)用的BOM模型主要包括單層BOM、多層BOM、差異BOM、矩陣BOM和層次編碼BOM模型。

2.1 單層BOM模型

所謂單層BOM是采用單層父子關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述零部件之間的裝配關(guān)系，相同的結(jié)構(gòu)關(guān)系只記錄一次[1]。采用單層BOM結(jié)構(gòu)方便更改BOM配置，且數(shù)據(jù)冗余少。但其描述整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過多次關(guān)聯(lián)獲得。

2.2 多層BOM模型

多層BOM詳盡地記錄了從產(chǎn)品到零部件的每個層次結(jié)構(gòu)與零部件配置關(guān)系，即相同零部件結(jié)構(gòu)可重復(fù)出現(xiàn)[1]。采用多層BOM能快速準(zhǔn)確地描述產(chǎn)品各層次零部件配置關(guān)系，產(chǎn)品之間和內(nèi)部零部件的結(jié)構(gòu)也互不影響。其缺點是數(shù)據(jù)冗余大，修改維護(hù)繁瑣。

2.3 差異BOM模型

差異BOM又被稱為“比較式”或“異同式”BOM。它以標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品為基準(zhǔn)，規(guī)定增加或去掉哪些零件[2,5]。這種方法能有效地描述不同產(chǎn)品之間的差異，但不太適用于MRP等計算。

2.4 矩陣BOM模型

矩陣形B0M也稱為標(biāo)志位法BOM。它將零件作為行，產(chǎn)品作為列，中間數(shù)據(jù)為產(chǎn)品使用零件數(shù)量。它對具有大量通用零件、模塊的產(chǎn)品系列特別適用，能夠很快查出零件適用的產(chǎn)品，但沒有規(guī)定產(chǎn)品制造方式和零件裝配關(guān)系[2,5]。因此不能用于指導(dǎo)多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造過程。

2.5 層次編碼BOM模型

層次編碼BOM首先要定義層次碼編碼規(guī)則，從每個零部件的層次碼可以清楚其所在層次和底層結(jié)構(gòu)[4]。它可清楚體現(xiàn)產(chǎn)品復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系。其缺點為數(shù)據(jù)冗余量較大。

3 分解BOM模型

有效的BOM模型不僅要體現(xiàn)產(chǎn)品與物料之間的組裝層次關(guān)系和數(shù)量關(guān)系，還要支持生產(chǎn)與物料管理等操作。本文提出的分解BOM模型根據(jù)分解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，并考慮BOM的關(guān)聯(lián)性采用單層反序方式，從低層物料層到上層產(chǎn)品層的逐層分解方式來描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的。

以分解BOM模型描述圖4所示分解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1采用了由子件到父件的倒序關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，以單層BOM方式進(jìn)行描述的。其中標(biāo)識列若為P表示父件為最終產(chǎn)品；為D則表示父件為部件，需要再次分解。表1前三行表示物料A生成了2個產(chǎn)品B、2個產(chǎn)品D以及1個部件C。后兩行表示C生成了1個產(chǎn)品E和2個產(chǎn)品F。表1描述的結(jié)構(gòu)與圖4所示的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是完全吻合的。

表1 分解BOM模型描述表

分解BOM模型也可方便的應(yīng)用于生產(chǎn)和物料管理。設(shè)計劃生產(chǎn)b個產(chǎn)品B、d個產(chǎn)品D、e個產(chǎn)品E和f個產(chǎn)品F，計算需要備料信息。計算步驟如下：

1）建一張產(chǎn)品物料需求表PMT，用以存儲每種產(chǎn)品對物料的需求量，如表2所示。

表2 產(chǎn)品物料需求表PMT

2）以深度搜索方式分別檢索每種產(chǎn)品對物料的需求量（由分解BOM的分解特性可知，特定父件有且僅有一個子件）。下面以產(chǎn)品F為例，計算其物料的需求量。從表1數(shù)據(jù)可得F對子件C的需求量Cost(F,C)=ceil(f/2)，其中Cost(M,N)表示生成M需要消耗原材料N的數(shù)量、ceil(M)表示對數(shù)M進(jìn)行向上取整運算；然后再以C為父件檢索其對子件A的需求量為：Cost(C,A)=ceil(Cost(F,C)/1)；再次檢索發(fā)現(xiàn)A為物料，則F對最終物料A需求量計算完成，Cost(F,A)= Cost(C,A)= ceil(Cost(F,C)/1)= ceil((ceil(f/2))/1)，存入表PMT中。產(chǎn)品B、D、E對物料的需求量計算同理可得。最終可獲得產(chǎn)品對物料需求量如表2所示。

3）將表PMT中數(shù)據(jù)以物料進(jìn)行分組，對每組取最大值，即為滿足生產(chǎn)對每種物料需求量。表2中只存在A物料，設(shè)X表示對物料A的需求量。則

X=Max(Cost(B,A),Cost(D,A),cost(E,A),cost(F,A))

分解BOM模型不僅清晰的表達(dá)了產(chǎn)品的構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)，也很方便生產(chǎn)和物料管理等業(yè)務(wù)。同時它集成了單層BOM模型的數(shù)據(jù)冗余量少，更改維護(hù)方便等優(yōu)點。

4 組合 BOM 模型

組合BOM兼具組裝與分解兩種特性。本文結(jié)合組裝BOM的單層表示法和分解BOM的單層反序表示法提出了組合式BOM模型。它同時采用了由父件到子件的正序關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)和由子件到父件的倒序關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)來表述復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

下面以一個文件夾生產(chǎn)企業(yè)為例進(jìn)行描述。生產(chǎn)一個文件夾首先需要用一張紙板A切割成三張規(guī)則紙板，2個B（外皮）和一個C（隔板）；然后它們和2個D（PVC膜）一起組裝為一個文件夾E，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖5所示。

以組合式BOM模型描述圖5所示的組合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如表3所示。表中若個數(shù)列為負(fù)數(shù)，表示為倒三角基元，采用子件到父件的倒序關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)；若為正數(shù)，表示為正三角基元，采用父件到子件的正序關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)。子標(biāo)識列表示子件屬性：M表示子件為物料，不可再分解；D表示子件為另一個倒三角基元中的父件；L表示子件為另一倒三角基元中的子件；Z表示子件為另一個正三角基元中的父件；S表示子件為另一個正三角基元中的子件。父標(biāo)識列表示父件屬性：P表示父件為產(chǎn)品；D、L、Z、S的含義與子件相同。組合式BOM模型用個數(shù)的正負(fù)確定屬于哪種基元（組裝過程或分解過程），通過子標(biāo)識列和父標(biāo)識列的值確定了上下層關(guān)聯(lián)關(guān)系。它有效的表示了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組合BOM。

表3 組合BOM模型描述表

表3前兩行表示一個倒三角基元，以A為物料生成2個B和1個C。后三行表示一個正三角基元，產(chǎn)品E由2個D、2個B和1個C組成。通過組合BOM模型描述的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與圖5所示的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)吻合。為說明組合BOM模型在生產(chǎn)與物料管理方面應(yīng)用，設(shè)計劃生產(chǎn)e個產(chǎn)品E，計算需要備料信息。計算步驟如下：

1）建立一張產(chǎn)品物料PMT表，用以存儲每種產(chǎn)品對物料的需求量，如表4所示。

2）以廣度搜索方式檢索每種產(chǎn)品對各種物料的需求量。設(shè)裝配每個E需要子件P的個數(shù)為N，若以產(chǎn)品E為父件的結(jié)構(gòu)為正三角基元，則對子件P的需求量為y=e*N；若以E為父件的結(jié)構(gòu)為倒三角基元，則y=ceil(e/N)。由此可獲得E對每個子件的需求量，并存入結(jié)構(gòu)同表4相同的臨時表TempTable中。然后以每個子件為父件再次循環(huán)檢索計算，用結(jié)果數(shù)據(jù)更新臨時表TempTable，直到所有路徑檢索完成，將最終物料需求信息記錄到表PMT中。最后獲得每個產(chǎn)品對物料的最終需求量如表4所示。

表4 產(chǎn)品物料需求表PMT

3）將表PMT中數(shù)據(jù)按物料進(jìn)行分組，獲得對每種物料需求的最大值，即為滿足生產(chǎn)對每種物料的實際需求量。

組合式BOM模型可清晰表達(dá)產(chǎn)品組裝結(jié)構(gòu)、滿足生產(chǎn)和物料管理的計算，同時兼?zhèn)鋯螌覤OM優(yōu)點。

5 應(yīng)用實例與結(jié)束語

圖6 組合BOM模型管理

圖6是一個為某文件夾制造企業(yè)建立的組合BOM模型實例界面。在該模型中增加了裝配工藝、產(chǎn)品族、供應(yīng)商等參數(shù)信息，并將該模型成功用于生產(chǎn)計劃下達(dá)和物料核算等業(yè)務(wù)。本文基于現(xiàn)階段對組裝產(chǎn)品BOM研究較多，對具有分解過程的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研究較少的現(xiàn)狀，利用單層反序表示方法，提出了分解BOM模型。并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合分解BOM模型和用于組裝結(jié)構(gòu)的單層

BOM模型，對兼具分解和組裝過程的組合式產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提出了組合BOM模型。并給出了分解BOM與組合BOM模型應(yīng)用于生產(chǎn)與物料管理等業(yè)務(wù)的算法，

最后在將組合BOM模型成功應(yīng)用于某文件夾制造企業(yè)。在實際應(yīng)用中，企業(yè)需要針對自身不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型，選擇不同的BOM模型進(jìn)行應(yīng)用。

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