基于GBOM和CSP的車型配置管理模型的研究

邵 康，柳 偉，周雄輝

(上海交通大學(xué)模具CAD國(guó)家工程中心，上海 200030)

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展與人民生活水平的提高，汽車行業(yè)已從之前的單品種、大批量生產(chǎn)發(fā)展到如今的多品種、多系列生產(chǎn)，并逐漸向著個(gè)性化、定制化的方向發(fā)展。為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的車企開(kāi)始采用客戶化定制的生產(chǎn)模式，從而給車型快速配置及生成準(zhǔn)確的BOM帶來(lái)挑戰(zhàn)。

產(chǎn)品配置[2-4]是基于預(yù)定義的零部件集合以及它們之間的配置規(guī)則，通過(guò)零部件之間合理的組合，構(gòu)造出滿足客戶個(gè)性化需求的產(chǎn)品。作為連接銷售和生產(chǎn)的紐帶，產(chǎn)品配置被認(rèn)為是客戶化定制的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一[5]。合理的產(chǎn)品配置管理及其支撐軟件的開(kāi)發(fā)，能有效地組合企業(yè)已有可配置組件，生成唯一、可靠的BOM實(shí)例數(shù)據(jù)，并協(xié)調(diào)、組織生產(chǎn)，從而快速提供客戶滿意的產(chǎn)品。

目前車企普遍采用“一車一單”的單一BOM產(chǎn)品配置方式，即一種具體車型配置需求對(duì)應(yīng)一份物料清單。這種針對(duì)特定規(guī)格的車型而建立的BOM，忽略了各個(gè)配置可變體之間的相似性，數(shù)據(jù)冗余度高。同時(shí)增加產(chǎn)品配置的復(fù)雜性，導(dǎo)致效率低，且容易出錯(cuò)，難以滿足和快速響應(yīng)客戶的個(gè)性化需求[6-7]。

基于上述現(xiàn)狀，本文研究和構(gòu)建基于GBOM和CSP的車型配置管理模型GCCM(GBOM and CSP based Configuration Model)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車型的配置管理，生成準(zhǔn)確、可靠的EBOM(Engineering BOM,工程物料清單)數(shù)據(jù)。同時(shí)配置管理模型與PLM(Product Lifecycle Management，產(chǎn)品生命周期管理)、ERP(Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃)系統(tǒng)進(jìn)行集成，將生成的EBOM數(shù)據(jù)直接作為其他形式BOM數(shù)據(jù)的生成基礎(chǔ)，有效支持企業(yè)客戶化定制生產(chǎn)。

1 基于GBOM和CSP的車型配置管理模型

車型配置管理模型應(yīng)具有描述任一類車型系列的能力，可以滿足目標(biāo)客戶群體的多樣化需求。同時(shí)該模型還應(yīng)該支持在正確理解用戶需求的基礎(chǔ)上，方便地進(jìn)行實(shí)例化，迅速準(zhǔn)確地配置出符合要求的車型，并生成EBOM實(shí)例數(shù)據(jù)。車型配置管理模型的具體目標(biāo)如下：

(1)提供不同類型的產(chǎn)品族模型，滿足不同客戶的個(gè)性化需求；

(2)集中管理車型數(shù)據(jù)資源；

(3)快速配置出車型實(shí)例；

(4)支持與PLM、ERP系統(tǒng)的集成，保證各部門物料清單的一致性。

Hegge等人[8]提出的GBOM用一個(gè)通用的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)來(lái)表示一個(gè)產(chǎn)品族的結(jié)構(gòu)信息，提供了一種以有限數(shù)據(jù)描述大量產(chǎn)品品種的方法。基于GBOM的產(chǎn)品族模型適合表示結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜的產(chǎn)品，可以清楚地表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系、聚集關(guān)系，同時(shí)BOM作為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件[9]，使用GBOM建立的模型也易于實(shí)現(xiàn)與PLM、ERP系統(tǒng)的集成。

基于GBOM的配置求解涉及配置約束與約束滿足問(wèn)題。約束滿足問(wèn)題(CSP)可以表示為一個(gè)三元組R={V,D,C}。其中V表示一組變量的集合，D表示相應(yīng)變量值域的集合,C表示作用在不同變量上的約束集合，R為最終的結(jié)果，表示每個(gè)變量取其值域上的一個(gè)值，并同時(shí)滿足所有約束集合[10-11]。基于CSP建立的模型，可以將部件間的約束關(guān)系描述為約束滿足問(wèn)題，從而轉(zhuǎn)化為抽象的數(shù)學(xué)問(wèn)題，方便地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品配置問(wèn)題的求解[5]。

為了實(shí)現(xiàn)上述車型配置管理目標(biāo)，本文提出圖1所示的基于GBOM和CSP的車型配置管理模型。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制包括基于GBOM的產(chǎn)品族模型的建立和配置求解與實(shí)例數(shù)據(jù)生成兩個(gè)階段。產(chǎn)品族模型建立階段：通過(guò)獲得的客戶群需求并結(jié)合整車部件之間的相關(guān)配置約束，構(gòu)建出滿足目標(biāo)市場(chǎng)的產(chǎn)品族模型和相應(yīng)的配置規(guī)則；配置求解與實(shí)例數(shù)據(jù)生成階段：將基于GBOM的產(chǎn)品族模型結(jié)合客戶的個(gè)性化需求映射為CSP模型，并采用回溯算法進(jìn)行配置求解，生成車型實(shí)例。最后將生成的EBOM數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LM、ERP系統(tǒng)中去，作為后序生產(chǎn)制造的驅(qū)動(dòng)源。

圖1 基于GBOM和CSP的車型配置管理模型

2 基于GBOM的產(chǎn)品族模型的建立

汽車模塊是由多個(gè)零部件組成的具有特定功能的零部件集合。對(duì)于一款車型來(lái)說(shuō)，通常由40～50個(gè)模塊組成。在車型設(shè)計(jì)階段，只考慮組成汽車的模塊以及模塊之間的配置約束關(guān)系。為了方便對(duì)這些模塊進(jìn)行管理，將汽車的模塊分為：主要模塊和配置模塊。主要模塊組成的集合對(duì)特定車型來(lái)說(shuō)是不變的，是區(qū)分不同車型的根本依據(jù)。如某款客車系列的主要模塊有發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)型式、后輪狀態(tài)、變速箱、車門類型等；配置模塊無(wú)關(guān)車型系列，其決定了該車型的高低配，用來(lái)滿足客戶的個(gè)性化需求。常見(jiàn)的配置模塊有音響系統(tǒng)、車身顏色、汽車內(nèi)飾、車輪類型等。

模塊具有功能、結(jié)構(gòu)、性能等基本屬性，可以有不同的選項(xiàng)值，比如車門類型有三個(gè)選項(xiàng)值V={前手動(dòng)門，前手動(dòng)門側(cè)拉門，前電動(dòng)門}。通過(guò)確定組成車型的每一個(gè)模塊選項(xiàng)的值，就可以唯一確定一款車型。

配置模型在建立的時(shí)候會(huì)有相應(yīng)的配置約束規(guī)則，表達(dá)了車型的設(shè)計(jì)要求，常見(jiàn)的約束有以下幾種：①依賴約束，兩個(gè)模塊之間存在依賴關(guān)系。對(duì)于某款車型，選定某個(gè)模塊值，必須選定另外一個(gè)模塊值，記為v1&v2; ②互斥約束，兩個(gè)模塊值不能同時(shí)出現(xiàn)。對(duì)于某款車型，選定某個(gè)模塊值，另外一個(gè)模塊值不能選擇，記為v1|v2; ③結(jié)構(gòu)性能約束，比如重量的限制、尺寸的限制、成本的限制等等。

根據(jù)銷售部門獲得的客戶群需求，結(jié)合模塊選項(xiàng)之間的約束配置關(guān)系，可以得到如圖2所示的基于GBOM的某客車系列產(chǎn)品族模型。每個(gè)模塊下面都對(duì)應(yīng)著至少一個(gè)選項(xiàng)值，組成車型系列的模塊值見(jiàn)表1。模塊之間會(huì)有相應(yīng)的約束關(guān)系，約束關(guān)系見(jiàn)表2。

圖2 某客車系列產(chǎn)品族模型

模塊選項(xiàng)選項(xiàng)集合發(fā)動(dòng)機(jī){EG001,EG002,EG003}變速箱{GT001,GT002}車門類型{前手動(dòng)門,前手動(dòng)側(cè)拉門}總質(zhì)量{3.5T,4.0T,4.5T}車身高度{中頂,高頂,低頂}……

表2 某客車系列配置約束規(guī)則

建立的基于GBOM的產(chǎn)品族模型采用面向系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可以清晰表達(dá)車型系列下的所有車型的組成結(jié)構(gòu)。但是由于GBOM利用一個(gè)BOM表示了一個(gè)車型系列的通用結(jié)構(gòu)，并不是某個(gè)具體車型的BOM結(jié)構(gòu)，因此無(wú)法直接指導(dǎo)生產(chǎn)。需要結(jié)合客戶的個(gè)性化需求和模塊之間的配置約束關(guān)系，對(duì)產(chǎn)品族模型進(jìn)行配置求解。

產(chǎn)品族模型配置求解時(shí)，對(duì)于組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車來(lái)說(shuō)，每個(gè)模塊下面有2～4個(gè)選項(xiàng)值，那么將會(huì)有150個(gè)左右的選項(xiàng)值以及幾十條模塊選項(xiàng)之間的約束關(guān)系，此時(shí)很難依靠人工進(jìn)行配置求解。根據(jù)產(chǎn)品配置的概念可知，配置問(wèn)題的求解實(shí)質(zhì)上是可以轉(zhuǎn)化為約束滿足問(wèn)題的求解。因此，可以將基于GBOM產(chǎn)品族模型轉(zhuǎn)化為約束滿足問(wèn)題，利用求解算法解決車型實(shí)例化的問(wèn)題。

3 基于CSP模型的配置求解

3.1 產(chǎn)品族模型映射為約束滿足問(wèn)題

基于GBOM的產(chǎn)品族模型與CSP求解模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。產(chǎn)品族模型中的模塊對(duì)應(yīng)CSP的變量，模塊值對(duì)應(yīng)CSP中變量的值域，模塊之間的配置約束關(guān)系對(duì)應(yīng)CSP中變量之間的約束。同時(shí)，客戶的個(gè)性化需求是客戶對(duì)車型配置的意圖體現(xiàn)，也是CSP中一種約束。最終，可以將車型配置問(wèn)題轉(zhuǎn)化為約束滿足問(wèn)題R={V,D,C}進(jìn)行求解。

表3 產(chǎn)品族模型與約束滿足問(wèn)題模型元素對(duì)應(yīng)關(guān)系

為了高效的進(jìn)行約束滿足問(wèn)題求解，對(duì)約束按照維數(shù)分為：一維約束和多維約束。一維約束指的是該約束只對(duì)一個(gè)單獨(dú)的變量(模塊)起約束作用，通過(guò)該約束可以將變量vi對(duì)應(yīng)的值域D(vi)中不滿足約束條件的實(shí)例去除。對(duì)于整個(gè)車型配置而言，該變量中不滿足一維約束的變量值不會(huì)出現(xiàn)在CSP的任何一個(gè)解中。例如一維約束：車身顏色選擇阿爾卑斯白。此約束只對(duì)車身顏色一個(gè)模塊起約束作用，車身顏色變量值域中的其他顏色值都可以去除；多維約束表達(dá)的是兩個(gè)及兩個(gè)以上的變量之間的約束關(guān)系，比如發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間的約束關(guān)系，涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱兩個(gè)變量。

3.2 基于CSP模型的配置求解

將基于GBOM的產(chǎn)品族模型映射為約束滿足問(wèn)題，并對(duì)CSP模型中的變量V、值域D、約束C進(jìn)行了形式化的定義后，即可進(jìn)行求解，得到的變量實(shí)例的集合R即為最終的車型配置結(jié)果。

在求解非二維約束問(wèn)題的眾多算法中，回溯算法(Backtracing，BT)是其中效率最高的算法[10]。BT算法采用深度優(yōu)先的策略，在搜索嘗試過(guò)程中尋找問(wèn)題的解，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不滿足求解條件時(shí)，就“回溯”返回，嘗試新的路徑，直到搜索完所有的路徑返回結(jié)果。

基于CSP模型的BT算法分為兩個(gè)部分：

(1)一維約束縮減值域和約束空間：因?yàn)橐痪S約束只對(duì)一個(gè)變量起作用，通過(guò)一維約束可以縮小值域，達(dá)到“剪枝”的作用。基本思路為：從約束集合C中找到并取出一維約束，新建一維約束集合{c1,c2…}及其對(duì)應(yīng)的變量集合{v1,v2…}。然后遍歷一維約束集合，根據(jù)約束關(guān)系，逐一去除掉變量vi中不滿足ci約束的值域D(vi)中的值。用CC表示多維約束的約束集合，用DD表示通過(guò)一維約束縮減后的值域。

(2)回溯算法求解：通過(guò)給CSP模型中的部分變量賦值，然后對(duì)賦值的變量進(jìn)行約束檢查，如果滿足，則在此基礎(chǔ)上繼續(xù)賦值，直到找到滿足所有約束條件的變量集合。在搜索的過(guò)程中，如果不滿足則回退到上一層重新賦值，算法框架如下：

Step4：重復(fù)Step2、Step3，當(dāng)V中所有變量均被賦值，且T滿足CC約束時(shí)，將T放入R中。當(dāng)最終程序搜索完所有路徑后，結(jié)束B(niǎo)T過(guò)程，R中即為最終可選解的集合。

若程序最終返回R為空則表示無(wú)解，即變量集合在當(dāng)前約束條件下，無(wú)法得到符合要求的變量值。如果返回R集合只有一個(gè)解的集合，則得到CSP的配置結(jié)果。如果返回R集合有多個(gè)可選解，則需要根據(jù)公式(1)對(duì)每個(gè)可選解進(jìn)行綜合評(píng)估。該公式計(jì)算每個(gè)可選解的多個(gè)變量在不同考慮因素下分?jǐn)?shù)的累加和，其中綜合分?jǐn)?shù)最高maxScore(ri)對(duì)應(yīng)的可選解即為符合客戶要求的配置方案。

(1)

例如在得到多個(gè)可選解之后，客戶希望選擇價(jià)格低和交貨期短的汽車，同時(shí)價(jià)格權(quán)值60%，交貨期權(quán)值40%。根據(jù)公式(1)首先計(jì)算每個(gè)模塊的價(jià)格和交貨期，然后得到每個(gè)車型實(shí)例的價(jià)格和交貨期，根據(jù)權(quán)重計(jì)算出綜合分?jǐn)?shù)。分?jǐn)?shù)最高的即為可選解中更符合客戶需求的解。

最終得到的配置解是包含每個(gè)模塊選項(xiàng)值的集合，查詢每個(gè)模塊值的屬性特征，可以生成如表4的EBOM，通過(guò)與其他系統(tǒng)的集成，在EBOM基礎(chǔ)上生成PBOM (Process BOM,工藝物料清單)、MBOM(Manufacturing BOM, 制造物料清單)，從而驅(qū)動(dòng)車型的生產(chǎn)、制造。

表4 某客車車型EBOM

4 車型配置管理模型的應(yīng)用實(shí)例

本文以C#和DevExpress開(kāi)發(fā)的車型配置管理系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)某車企的平臺(tái)部投入使用。設(shè)計(jì)人員根據(jù)銷售部門整理的不同客戶群體的需求構(gòu)建基于GBOM的產(chǎn)品族模型來(lái)表示不同種類的車型系列，在特定客戶個(gè)性化需求的驅(qū)動(dòng)下，使用基于CSP的方法進(jìn)行求解。該車企在使用車型配置管理系統(tǒng)之前，產(chǎn)品配置完全依靠設(shè)計(jì)人員的手工配置，不僅效率低下，而且極其容易出錯(cuò)，最終影響汽車生產(chǎn)，而使用該系統(tǒng)可以避免上述問(wèn)題。如圖3所示的是客戶需求訂單到達(dá)時(shí)，設(shè)計(jì)人員輸入客戶需求以后，系統(tǒng)首先根據(jù)需求確定所在產(chǎn)品族模型，然后根據(jù)約束關(guān)系求解得到車型配置結(jié)果，即EBOM數(shù)據(jù)。在車型配置的整個(gè)過(guò)程中，除了輸入客戶需求需要人工操作外，其他過(guò)程完全由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行，大大降低了人為操作出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了車型配置的效率。

圖3 某客車車型具體信息

5 結(jié)論

在客戶化定制的背景下，本文提出了基于GBOM和CSP的車型配置管理模型，并詳細(xì)介紹了該模型建立和配置求解方法。最后，給出基于車型配置模型開(kāi)發(fā)的管理系統(tǒng)在車企的應(yīng)用實(shí)例。實(shí)例結(jié)果表明：①基于GBOM的產(chǎn)品族模型能夠清晰地表達(dá)車型系列結(jié)構(gòu)，有效降低數(shù)據(jù)冗余。②產(chǎn)品族模型結(jié)合客戶的個(gè)性化需求，通過(guò)CSP配置求解，相比較人工配置，可以準(zhǔn)確、高效地得到車型實(shí)例數(shù)據(jù)。③當(dāng)出現(xiàn)配置結(jié)果有多個(gè)時(shí)，可以對(duì)每個(gè)可選方案進(jìn)行綜合評(píng)估，得到更符合客戶需求的產(chǎn)品配置方案。