工程变更(Engineering Change，EC)是指在产品设计确定后，对于产品或组件的形状、尺寸、装配、功能、原材料等设计进行的变更和修订。其发生原因主要有：用户需求发生变化；产品设计中存在错误；零部件用途发生变化；产品质量存在问题；生产成本需要进一步降低；需要进行新功能的扩充等。EC是贯穿产品生命周期的重要活动，它影响企业多个部门，容易造成产品开发周期延长，开发成本增加，生产计划调整，库存报废，交货期延长等。但EC在制造业竞争环境下又是不可避免的，EC的有效管理能力是体现企业敏捷性的重要标志之一，目前国内外学者为此进行了相关研究，按其实现策略可归纳为如下几类：
①基于流程的工程变更：将分散式资源和工作流程的集成，设计流程重组，商用软件Winchill、Teamcenter等也有用专用流程模块。
②基于产品结构的工程变更：以产品结构为基础，给出了基于产品结构的详细变更流程，并对其实现过程进行了描述。基于多层产品结构，利用条件概率的思想，对其组成单元的变更灵敏度进行了研究。
③基于设计结构矩阵(Design Structure Matrix，DSM)的工程变更：对DSM进行扩展，利用扩展DSM的变更来满足设计活动的动态改变，对设计活动进行动态规划；利用DSM对变更传播进行了分析，并对设计变更的知识管理进行了研究；利用DSM提出了一种通过零件聚类和分级来预测变更传播影响的方法。
以上研究是基于单个产品实例通过不同途径实现工程变更管理，取得一定的成果。然而对于整个产品族来说，零部件之间存在着复杂的关联关系，局部零件的变更会影响到产品的装配、制造、功能和整体性能；同一产品在产品生命周期中存在不同的BOM视图，不同的产品之间存在着复杂的零部件借用关系。因此需要研究一种针对产品多BOM视图的变更过程易于控制、变更信息易于传播、变更零部件方便借用的的工程变更管理方法，为此，本文在研究产品生命周期的BOM演进基础上，引出BOM知识体(Knowledgebody based on BOM，KBOM)的理念，研究了BOM结构工程变更物理实现模型，建立了相应的工程变更管理信息模型，进而开发了基于KBOM的变更管理模块。
1 基于产品生命周期的BOM演进
BOM(Bill of Material)是表征产品结构的物料清单，在产品生命周期不同阶段，表现为不同的BOM视图：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(Requirement BOM，RBOM)，利用质量屋(House of Quality，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结构(Function BOM，FBOM)；产品设计阶段对应结构域和工艺域，主要任务是根据FBOM确定产品的组成结构即设计BOM(Engineering BOM，EBOM)，在根据EBOM中零部件特性确定相应制造工艺，得到工艺BOM(Process planning BOM，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(Manufacturing BOM，MBOM)、客户BOM(Customer BOM，CBOM)、质量BOM(Quality BOM，QBOM)等。BOM视图间的内在联系如图1所示，为了保证产品生命周期中BOM数据的一致性，本研究中各种BOM视图在形成和演化时都须以相应的KBOM为知识源头进行。
2 KBOM的知识内涵
KBOM是基于产品族BOM各种知识的有效集成体，一个KBOM和一个产品族对应，KBOM可以简洁描述为一个三元组，KBOM=(GUS，CUS，GUR)。
(1)GUS为产品类单元集合，类单元是对相似可选配置单元组成集合的抽象，是一个有效的知识集成体，本研究将一个类单元视为一个知识体，类单元中的配置单元具有相似的功能；相似的产品结构和相同的外部接口关系。第i个类单元可表示为GUi=(GID，GA，Gs，CN，GUi(CU)，GT，GR)，其中：①GID为类单元的标识；②GA为类单元的属性集合。③GS为类单元的关联资源集合；④CN为类单元的配置数。⑤GUi(CU)为第i个类单元的可选配置单元组成集合，表示为GUi(CU)={CUi1，CUi2，…，CUin)其中CUii为可选配置单元。⑥GT为类单元的类型，类单元的类型分为虚拟类单元(Virtual General Unit，VGU)、实例类单元(Instance General Unit，IGU)和混合类单元(Blend General Unit，BGU)；VGU指类单元中无具体配置单元实例，一个VGU中可以包含一个或多个版本（如图1所示）；IGU中必须包含一个或多个配置单元；BGU中既包含VGU，又包含具体配置单元实例。⑦GR为配置规则集合，可表示为：GR=(GRS，GRU，GRV，GRC)，GRS为类单元的描述参数集合，CRU为参数单位，CRV为参数值，GRC为参数选配条件。
图1 BOM在产品生命周期中的演进
(2)CUS为可选配置单元集合，配置单元是产品族基本构成对象的明确的形式化的规范表示，可将其视为一个五元组CU=(CUID，CUA，CUR，CUP，CUC)，其中：①CUID为配置单元的唯一标识，由其对应的零部件的编码和版本组成；②CUA为配置单元的属性集合；⑧CUR为配置单元的关联资源集合；④CUP为配置单元的参数集合；⑤CUC为配置单元的约束规则集合，是个二元组，表示为CUC=(CUD，CURS)，CUD为约束条件集合，CURS为配置结果。可以将约束分为如下几类：可选约束，选择约束，排斥约束，矛盾约束，依赖约束，优先级约束，势约束，权约束，端口约束。
(3)为产品类单元层次结构关系。KBOM视图的表示在这里用扩展的“与/或”图来完成，“与/或”图是一种超图，它包含“与(AND)”、“或(OR)”两种关系，“与”关系表示构成父项的某几个子项选择时必须同时选择，“或”关系表示构成父项的某几个子项选择时只能选择一个。父项和子项关系包含“必选”和“可选”两种，“必选”表示子项必须选择；“可选”表示子项可以根据需求进行取舍；图2为KBOM的表现视图。
图2 KBOM结构视图
3 基于KBOM的BOM结构工程变更
基于KBOM的BOM结构工程变更实质上是以BOM为变更数据对象和变更组织形式，实现变更的实施、传播、发布和追踪，其变更过程的IDEFO图如图3所示：
图3 变更过程IDEFO图
3.1 变更请求
变更建议的提出人员可以是用户、设计员、工艺师和供应商等。针对某产品，变更建议可以是具体化的更改说明，如对处于发布状态零件的修改；也可是相对模糊的更改描述，如提高部件性能等。无论何种变更建议，都可以和变更建议者使用的BOM视图中的一个或多个零部件的修改相对应，进而可以映射为KBOM中的配置单元(CU)的修改。
3.2 变更评估
变更评估包含两个方面的内容：变更影响分析和变更评估。
(1)变更影响分析工程变更影响分析就是对于一个给定的工程变更确定它对产品结构中的其它零部件的影响度，在本研究中BOM结构工程变更实质是KBOM中配置单元CU的修改，工程变更影响分析就是当某个或几个配置单元修改后确定对KBOM其它配置单元的影响度。由于变更在配置单元间具有传播性，非常复杂，这里给出其实现步骤如下：
Step1确定变更配置单元CU1及其变更元素，写出CU1变更向量δCU；Step2确定配置单元之间的影响关系矩阵，CUi对CUi的关系矩阵表示为R{CUi，CUi}；矩阵关系系数表示两个配置单元的可变更元素间的影响程度，其值参照图4所示的刻度由领域专家确定。Step3以δCU1为基础，利用变更的传播性，按公式(1)计算δCU1对其KBOM中配置单元的影响度。
图4 影响程度刻度
式中：n表示KBOM中的共有n个配置单元；△CUk，i表示在δCU1影响下，配置单元k对配置单元i的影响度；γCUk，i为△CUk，i的各元素的影响值之和；γ1，i表示δCU1对配置单元i产生的总影响量；γ1，KBOM表示对KBOM对应产品族产生的总影响量；
算例：假设有一个KBOM包含三个配置单元：CU1、CU2和CU3，其中CU1有3个可变更元素，CU2有2个可变更元素，CU3有2个可变更元素，相应的关系矩阵表示如下：
又假设CU1的第一个元素因为某种原因发生变更，现分析该变更对KBOM产生的影响。
计算结果表明：CU1中的第一个元素发生变更时对CU2的两个可变更元素影响很大；对CU3的第1个可变更元素影响小，对于第2个可变更元素影响大。对KBOM对应产品族的影响量为2.97△。由计算机程序完成整个过程的计算。
(2)变更影响评估工程变更一方面有促进产品改进，提高产品可制造性等作用，能为企业带来收益；另一方面工程变更会引起一系列相关产品的下游活动的变化以及不同详细程度的操作过程变化，对企业产生一定花费。变更收益可以按式(2)进行计算。
式中：Q变更收益；Q1避免产品滞销损失带来的收益，Q2产品销售量提高带来的收益，Q3产品生产效率提高带来的收益，Q4其它收益；C1在制品的报废费用，C2库存变更产品的零部件报废费用，C3变更所需的新工艺装备所发生的费用，C4其它费用。
(3)变更决策。根据变更的影响分析和评估决定是否进行变更，变更决策考虑下面因素：
①变更影响传播：变更影响传播分三类：水波式传播，即初始变更引起的传播只会引起少量的其他变更，然后变更数量迅速减少；开花式传播，即起初变更传播引起其他变更大量增加，但之后变更数量逐渐减少，最后传播引起的变更数量可以保持在一个合理的数量上；雪崩式传播，即变更传播引起变更数量不断增加，如同雪崩效应或滚雪球效应，最后变更影响的数量非常巨大。对于雪崩式的传播，原则上不考虑下一步变更实施。在本研究中，当配置单元变更影响数量超过临界值的时候定义为“雪崩式变更”，对于某个产品族的“变更影响数量临界值”由领域专家依据经验确定，变更影响数量由计算机程序对图6中“变更影响单元”、“影响关系矩阵”遍历统计完成。
②变更总影响量：对某个产品族的“变更影响量临界值”由领域专家依据经验确定，当变更总影响量超过临界值的时候，原则上不考虑下一步变更实施。
③变更收益：当变更收益小于零时，原则上不考虑下一步变更实施。
3.3 变更实施
变更实施是对以KBOM为基础产生的各种BOM视图根据变更需求进行改变，本研究变更实施是以EBOM为源头进行，变更操作有四种：①添加，在BOM结构上增加零部件；②删除，将BOM结构上已有的零部件删除；③替换，将BOM结构上的零部件用别的零部件替换；④版本升级，将BOM结构中的某个零部件进行版本升级。为了保证BOM结构的完整性，本研究定义了如下的变更规则：
规则一：变更以具体的BOM视图为单位，在变更实施启动时，BOM视图设定为变更状态，只有在变更完成后，该BOM视图才可以允许进入下一轮变更。
规则二：变更状态的BOM节点分为锁定节点和未锁定节点，只有未锁定节点才能进行变更操作，锁定节点不能进行变更操作；锁定节点有两种：一种是变更影响分析得到的不变更单元对应的BOM节点，另一种是所有子节点为锁定节点的BOM节点。
根据上面描述，下面以图1所示的KBOM为例说明变更实现过程。假定图5所示的M-01为以图1的KBOM为基础演进的一个EBOM视图，由于某种需求，A-01需要进行变更，通过影响分析，C-01为不变更单元被锁定，其余BOM节点均可进行变更操作，A-01变更后版本从01升到03，件号变为A-03；A-03的配合件B根据配置规则(GR)和约束规则(CUC)选定为B-02；A的父件Ml完成版本升级变为M1-03，M1-03下新增F-01来实现A-03和B-02的有效配合；M1-01的配合件D-01同步修改后版本升级为D-03．C-01不变；M1的父件版本升级为M-03，这样就完成了M-01到M-03的变更。变更完成后将M-03、Ml-03、D-03、A-03、F-01归结到KBOM中各自的类节点处，并将新配置单元D-03、A-03、F-01所产生配置单元间关系矩阵录入到数据库中，作为知识供后续产品设计、变更等使用。变更操作在具体实施时是以变更任务的形式分解到相应的人员进行执行。
图5 变更实例
3.4 变更传播和发布
变更实施后，会产生一个新版本EBOM视图，该视图中的变更零部件需要在相应的各种BOM视图及其组件中的传播；传播的实质是解决变更零部件的相关使用问题。结合项目组BOM管理多年研发经验，给出变更零部件传播使用规则如下：
(1)变更零部件在新版本EBOM对应的各BOM视图中传播时，各BOM视图必须以该EBOM为基准，相应的KBOM为知识源进行修订获得，修订时要确保数据一致性。具体可以理解为：当EBOM的某零部件变更升级为新版本零部件时，它就成为了KBOM中某个类单元中的配置单元，其它部门的BOM视图在该类单元处选择配置单元时，必须选择该新版本零部件。
(2)变更零部件在其它BOM视图中传播时，在各EBOM视图中搜索所有引用该零部件的组件，计算机根据配置规则(GR)和约束规则(CUC)进行替换校核，如果校核不合格、原则上不进行替换；如果校核合格，由组件负责人进行决策是否替换，替换后相应的EBOM要进行版本升级，而基于该EBOM的其它BOM视图必须进行同步替换，从而得到各部门基于升级版本EBOM的BOM使用视图。当企业使用多个信息系统的时候，变更后的产品结构信息以EBOM表视图的形式进行发布，供其它系统使用。
4 BOM结构工程变更信息模型
根据前面对工程变更的研究，建立工程变更管理IDEF1x信息模型如图6所示：模型中实体“产品族”、“KBOM”、“类单元GU”、“配置规则GR”、“可选配置单元集合CUS”，“与/或关系”，“约束规则CUC”、“关联资源GS”、“配置单元CU”，“配置单元参数CUP”、“文档模型”等共同构成KBOM的底层数据结构；实体“变更建议”、“变更影响单元”、“影响关系矩阵”、“变更对象”、“变更收益”、“变更任务”、“文档模型”等共同完成工程变更系列活动相关信息记录；实体“产品”、“BOM”、“配置单元CU”，“配置单元参数CUP”、“文档模型”等用于表述产品生命周期活动中的各种BOM视图。
图6 IDEF1x信息模型
5 工程应用
根据以KBOM为知识源的BOM视图演进规律和相应的BOM结构工程变更物理模型，在建立完成BOM结构工程变更的信息模型后，作者采用J2EE技术标准和JBOSS4.2，JBuilder9，ORACLE91，JDK1.4等工具开发了PDM系统中的BOM结构工程变更管理模块。下面以某摩托车减震器弹簧座变更来说明该软件模块的实现过程：售后服务部门在工作中发现顾客需要摩托车QC-0051-01的减震器弹簧座的极限荷载进一步提高，便基于QC-0051-01的客户BOM提出相应变更请求，软件模块自动将其与相应KBOM的类单元和EBOM节点相对应，研发部门据此形成变更建议并提交审核，审核时软件模块为变更决策提供变更影响分析和评估；变更建议的管理页面如图7(a)所示，对于通过审核的变更建议将转化为具体的变更任务进行实施，变更任务管理界面如图7(b)所示，实施时首先由研发部门实施人对QC-0051-01的EBOM结构及其关联的资源进行变更操作，然后其它部门实施人员以此EBOM为基础、以相应的KBOM为知识源变更各自的BOM视图；实施的工作界面如图7(c)所示，实施完成后软件模块将实施结果在系统中发布，可供企业的其它信息系统使用。
图7 实例应用
6 结束语
通过对产品生命周期中的BOM演进的研究，揭示了以KBOM为知识源的BOM视图演进规律，深入剖析了KBOM的知识内涵，进而深入研究了基于KBOM的BOM结构工程变更物理实现模型，揭示了变更请求、评估、实施、传播和发布等变更环节间的内在联系，给出了相应技术实现策略，以此为基础建立了BOM结构工程变更信息模型，解决了摩托车、五金、灯具等产品BOM结构变更信息化管理的关键技术问题，开发了相应的软件系统，该系统具有如下特点：①系统采用J2EE架构，底层将关系数据库和FTP文档库结合，实现了模型、文档和管理信息的融合；另外中间层采用JBOSS，大大降低了系统的使用成本。②BOM结构变更都是以EBOM为源头、KBOM为知识载体，各种BOM视图的使用部门相互协同完成，有效地保证BOM视图之间的数据完整性、正确性和一致性。③系统提供了变更影响评估算法，能方便企业进行变更决策。④在进行BOM结构变更时，将计算机自动运行和人机交互操作相结合，保证了系统工作有效性。从系统在佛山市南海区金沙下安宏业五金电器厂、佛山市南海区金沙珠江五金实业有限公司、中国嘉陵工业股份有限公司、建设摩托股份有限公司等企业的推广应用来看，有效完成了企业BOM结构变更管理，运作效果良好。
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本文标题：基于KBOM的BOM工程变更研究
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