摘要:飞机结构复杂、零部件众多，构型要求严格并且设计更改频繁，其制造过程是个复杂的、动态的、数据众多的系统工程。如何针对飞机制造过程特点建立简单完整的数据模型一直是对其制造过程进行信息化管理的难点。本文从飞机制造企业的实际需求出发，结合制造过程管理思想，对制造 BOM 数据的管理和应用进行研究。
　　本文首先分析了 BOM 在制造企业面向不同应用的各种视图，然后结合飞机制造企业实际需求，在全配置制造 BOM 有效性管理和基于 WBS 的分解方法方面进行深入研究，同时面向计算机应用研究了制造 BOM 存储结构及其遍历算法。
　　其次本文面向制造 BOM 在飞机部件装配工艺中的应用，对制造 BOM 中 AO 的结构化定义进行介绍，并就 AO 实例化流程进行研究；然后结合飞机部件装配作业过程中物料状态变迁，介绍了 AO 驱动的生产监控方案，并且在本章最后研究了基于三维工艺的作业指导。
　　另外针对飞机制造过程中制造 BOM 更改频繁的特点，本文对面向飞机制造过程的工程更改和墨水更改进行了研究；为了保证工程更改过程数据的一致性，在创建支持工程更改的数据对象模型基础上，提出基于工作流的流程管理和 BOM 一致性核对两种手段进行控制。
　　最后本文结合某飞机制造公司的实际需求，设计开发了一个飞机制造 BOM 管理系统，并结合前三章的研究对本系统实现的核心功能进行了详细分析说明。
　　关键词：飞机制造，制造物料清单，装配大纲，生产监控

目 录

摘要................................................................................................................I

1 绪论

1.1 课题来源 ............................................................................................. (1)

1.2 研究背景、目的及意义..................................................................... (1)

1.3 研究现状 ............................................................................................. (2)

1.4 研究思路及主要内容......................................................................... (5)

1.5 本章小结 ............................................................................................. (7)

2 基于构型的飞机制造 BOM 管理

2.1 BOM 视图............................................................................................ (8)

2.2 全配置 MBOM 与有效性管理 ........................................................ (10)

2.3 制造 BOM 分解技术.........................................................................(11)

2.4 制造 BOM 结构及其遍历算法研究................................................ (17)

2.5 本章小结 ........................................................................................... (22)

3 基于 MBOM/AO 的飞机装配工艺管理与现场作业指导

3.1 AO 结构化定义 ................................................................................. (23)

3.2 AO 实例化相关流程 ......................................................................... (25)

3.3 AO 驱动的生产过程监控 ................................................................. (26)

3.4 基于三维工艺的作业指导............................................................... (34)

3.5 本章小结 ........................................................................................... (35)

4 面向飞机制造过程的制造 BOM 工程更改管理与控制

4.1 工程更改管理的基本流程................................................................ (36)IV

4.2 墨水更改 ............................................................................................ (41)

4.3 更改一致性管理................................................................................ (43)

4.4 本章小结 ............................................................................................ (46)

5 面向飞机装配的制造 BOM 管理系统设计与实现

5.1 需求分析和功能设计....................................................................... (47)

5.2 系统开发和实现............................................................................... (50)

5.3 本章小结 ........................................................................................... (58)

6 总结与展望

6.1 全文总结 ............................................................................................ (59)

6.2 工作展望 ............................................................................................ (59)

致谢.......................................................................................................... (60)

参考文献.................................................................................................. (61)1 绪论
1.1 课题来源
　　本课题来自于“十一五”国家 863 重点项目：“大型飞机 i-plane 研制关键技术”的子课题——“基于三维数模的工艺及制造执行系统关键技术”。该 863 课题主要研究对象是大飞机制造工艺和生产过程中的关键技术，如何有效控制和管理飞机制造 BOM 是其主要内容之一。
　　1.2 研究背景、目的及意义
　　1.2.1 研究背景
　　飞机是一种复杂的高科技产品，其制造技术难度高、管理困难，并需要巨大资金投入，是一个知识密集、技术密集、资本密集的产业，反映着人类最新科技成就。中国经济的发展对飞机制造业带来了发展机遇，也提出了更高的要求。由于飞机结构复杂、零部件数量重大、构型要求严格等特点，制造和装配的难度极大。随着近些年计算机技术的发展，计算机应用已经渗透到飞机制造过程的各个环节，尤其是在产品数据管理方面，使飞机制造技术发生根本性变革。虽然很多飞机制造企业信息化工作取得很大成绩，但还存在很多诸如物料清单（Bill of Material，BOM）数据更改困难、一致性难以保证、集成性差、业务数据混乱不准确等问题。
　　1.2.2 研究目的
　　本文的研究目的是根据我国飞机制造企业的特点，研究一种满足飞机制造企业对产品制造 BOM 数据管理及应用要求的可行方案，并将该方案在实践中应用、改进，使之贴近我国飞机制造企业产品数据管理的应用实际。
　　1.2.3 研究意义
　　本文的研究具有以下理论意义和应用价值。
　　理论意义 分析飞机制造 BOM 特点，结合工作分解结构（Work Breakdown Structure，WBS）2方法，研究制造 BOM 与 WBS 之间的映射关系，并建立映射模型，为制造 BOM产品结构树的分解提供一种可行方法； 分析计算机应用中制造 BOM 存储结构，研究 BOM 树遍历算法，并在递归算法和分层算法基础上提出改进算法； 总结工程更改管理流程复杂、关联面广等特点，采用统一建模语言（UnifiedModeling Language，UML）建模方法建立支持工程更改的产品数据对象模型，并在其基础上给出工程更改版本变迁评估算法。
　　（2）应用价值 针对飞机批架次管理方式，有效性管理复杂问题，提出一种基于模块的简化有效性管理方法； 对飞机装配作业中的 AO 提出具有操作性的结构化定义方案和实例化流程； 分析装配作业中物料状态变迁过程，给出 AO 驱动的生产监控方案； 结合工程更改流程和墨水更改需求，给出一致性管理方案和基于电子流程的墨水更改方法； 在前面基础上设计开发飞机制造 BOM 管理系统，并将其应用于某飞机制造企业验证了该系统的有效性和可操作性，为飞机制造企业解决制造 BOM 数据管理和在生产中的应用提供了一套有效的解决方案。
　　1.3 研究现状
　　1.3.1BOM 管理研究现状
　　产品物料清单（BOM）是制造企业生产过程中重要的基础数据，用来表示产品结构及零部件之间的关系。BOM 作为计算机可识别的数据结构，被广泛应用在诸如计算机辅助工艺系统、计算机辅助制造、制造执行系统等制造企业信息系统中。产品 BOM 设计的好坏对制造企业信息系统的实施有重要影响[1,2]。鉴于 BOM 在制造企业中的重要地位，多年来国内外学者在 BOM 模型构造、算法遍历、动态配置以及应用等方面，对其进行了深入而富有成效的研究和开发工作。
　　在 BOM 模型构造方面，Blaha M.R.最早研究了 BOM 模型的构造方法[3]，TrappeyA.J.C.，Ting-KouPeng，Hsuei-Dian Lin 等研究了 BOM 系统的动态管理[4]；随着网络平台应用的发展，Elliott. L.研究了基于网络工作平台的 BOM 创建和管理方法[5]；S. Hsieh 和 K.-C. Tsai 最早研究了面向对象的 BOM 模型[6]；曹礼廉等人采用统一建模方3法对 BOM 进行建模，而且进一步在计算机集成制造系统中应用[7]；2004 年 Kalagnanam，Jayant 等人对 BOM 物料编号做了研究，并开发了编号自动生成系统[8]；2007 年Muh-Cherng Wu 和 Yang-Kang Hsu 研究了 BOM 构型设计与企业物流费用的关系，提出合理的 BOM 构型设计可以有效地降低企业物流费用[9]；Peter Y. Wu 和 Kai A. Olsen等人研究了可视化的 BOM 管理[10]；2004 年，王立松等人分析了 BOM 的特性，并且建立了面向对象的模型[11]；2003 年，蒋辉以飞机制造为例，分析了复杂产品 BOM 管理特点，并且在单一数据源基础上建立面向对象的 BOM 模型，并将其应用于飞机的动态产品结构与设计流程的有序管理中[12]。
　　在 BOM 遍历算法研究方面，一些学者对传统的递归算法和层次算法进行研究，并且提出改进算法。递归算法首先查找根节点，自上而下按层次进行搜索，将产品结构树的层次关系完整地表现出来，但是在实际使用时使用堆栈较多，尤其对复杂产品的结构树进行遍历时，占用的计算机资源比较多；层次遍历方法在一次搜索搜索节点的所有子节点，，因此搜索速度较快，但是物料的存放顺序难以展现 BOM 物料间的父子关系。改进的遍历算法主要是根据递归法和层次法的基本原理，利用临时表的方式提高效率[13,14]，此外还有一些综合二者的改进型算法[15]。杜杰，陆金桂在 2003 年，针对多级 BOM的特点，设计了改进算法，并在实际应用中得到验证[16]；王庆国和蔡淑琴等人在研究中评估了递归算法和分层算法资源占有和实用性，并在此基础上提出了一种综合二者优点的多级型遍历算法，并对算法软件的实现作了详细介绍[17]。
　　在 BOM 动态配置方面，研究主要集中在实现动态配置的手段及应用方面。实现动态配置主要有两种方式：模块化设计和参数化配置。模块化设计中，对于抽象出来的模块节点，只保存其模块代码，只有在其实例展开时才加载该模块。钱伟等人研究了从产品族生成物料清单的配置方法；王庆国等人提出了动态 BOM 的设计模型及基于数据窗口与 SQL 的算法；陈兵等针对电子行业 BOM 特点，设计了一种动态配置方法。在应用方面，钱炜、王天任.等人对汽车制造企业中的 BOM 应用进行了研究，给出了一个企业级解决方案[18,19]；单林庆对飞机制造企业 BOM 管理方法进行研究[20]；刘磊对飞机制造过程中的制造 BOM 管理作了介绍[21]；Carlsbad 研究了基于制造 BOM 管理的飞机制造管理系统[22]；蔡丽霞、白永红等介绍了 PDM 中 BOM 视图之间的转换以及管理[23]。
　　1.3.2 构型管理研究现状构型管理(Configuration Management， CM)是美国军方在大型装备研制过程中总结出来的管理体系[24]。随着飞机制造业的发展，构型管理也在飞机制造企业广泛应用，在4保证飞机设计、制造过程中产品数据一致性、有效性和可追溯性，提高研制效率等方面取得明显效果。构型管理以产品结构为组织方式，将产品生命周期中各阶段数据关联起来，并进行管理和控制。在飞机制造企业应用构型管理的目的主要有如下三点： 帮助飞机制造企业管理整机结构； 以有限的构型资源产生更多的构型，满足客户多样化需求； 对飞机构型信息进行管理，为产品生命周期各阶段提供技术尤其是产品工程数据方面的支持[25]。随着技术的进步，构型管理的内涵和功能得到扩展，将质量管理和项目管理纳入其中[26]，成为 CMII。CMII 不仅继承了 CM 通过配置规则管理构型状态的管理思想，还进一步将构型管理总的各项活动集成为统一的单元[27]，提升管理活动的效率。CMII 的核心管理思想就是通过管理需求来对产品、工具和过程进行管理，通过控制需求的变更和调整保证事务清楚、有效、简洁[28-29]。在飞机构型管理应用的研究中，关键技术主要有以下几点：
　　模块和模块化飞机结构复杂，零部件众多，模块式是构型管理研究中的一个重要内容。模块是由若干相关零组件组成的部件或子系统。模块化就是将系统分解为各个模块，通过模块对产品进行管理[30]。在模块划分方法方面，于海山介绍了基于 WBS（工作分解结构）的BOM 分解方法，指出 WBS 方法可以有效地映射飞机装配关系，便于工作任务的发放、成本管理和风险评估等[31]。
　　2）简化有效性定义由于飞机构型复杂，在产品结构树中包含多个飞机型别的物料项，在生产应用时需要通过有效性筛选才能生成某种型别的产品。传统的有效性通过在各层图纸上注明零部件有效性来进行控制，管理工作十分复杂。一些学者对有效性控制的简化进行研究，其中陶剑等人给出一种基于模块的有效性管理方法，通过将分布于各层的有效性控制上移至模块级别来简化有效性管理工作[32]。
　　3）工程更改工程更改管理是飞机构型控制的一项重要工作，会影响生产准备、库存管理以及进行中的作业，是造成企业数据不一致的重要因素[33,34]。胡斌研究了工程更改中信息更改机制[35]；在对更改过程中数据一致性控制方面，刘东升和胡提等人的研究表明，通过版本控制可以保证产品与技术状态的一致性[36,37]；王忠浩等人指出通过 BOM 一致性核对可以控制工程更改中数据一致性[38]。54）构型基线管理构型项和构型基线的管理是构型管理的两个重要对象，其中构型基线研制过程中某特定时点的构型状态，或者是某个已经确定的构型项[39]。基线的确定代表了各方对这一时点的技术状态的认可，它不一定用于整个构型，可以只是定义好的某一部分。在对基线的研究中，主要是针对构型基线的管理方法，目前有两种常用的管理方法：设计过程基线和阶段归档基线[40,41]。设计过程基线是子系统根据自身需要，自行固化的技术状态，是非受控基线；阶段归档基线是研制过程中每个阶段固化的技术状态，是受控基线。
　　1.4 研究思路及主要内容
　　本文主要研究基于构型管理的飞机制造 BOM 管理与应用。如图 1-1 所示，本文从企业制造 BOM 管理及信息化实际需求出发，按照制造 BOM 在飞机制造企业生成及应用过程，分析管理应用难点，并依次对飞机制造 BOM 管理、AO 在装配过程中应用以及装配过程中工程更改管理等问题进行研究。图 1-1 研究思路及关键技术本文共分六个章节，本文具体章节安排如图 1-2 所示。6研究背景1 绪论系统架构2 基于构型的飞机制造BOM管理关键技术3 基于MBOM/AO的飞机装配工艺管理与现场作业指导关键技术4 面向飞机制造过程的制造BOM工程更改管理与控制应用技术5 面向飞机装配的制造BOM管理系统设计与实现总结6 总结与展望图 1-2 论文结构
　　：绪论。阐述本文课题来源，研究背景、目的及意义，并对 BOM 管理和构型管理研究现状进行介绍。
　　第二章：基于构型的飞机制造 BOM 管理。本章首先简单介绍制造企业面向不同应用的 BOM 视图，然后重点分析了飞机制造企业全配置制造 BOM 及其有效性管理，进一步结合企业实际需要介绍制造 BOM 分解技术和单架次制造 BOM 生成与使用，最后面向计算机应用介绍了制造 BOM 存储结构及其遍历算法。
　　第三章：基于 MBOM/AO 的飞机装配工艺管理与现场作业指导。本章针对飞机装配工艺特点，介绍了 AO 结构化定义以及 AO 实例化过程，然后介绍基于 AO 的飞机装配作业特点，分析装配作业中物料状态变迁过程，并在此基础上设计生产监控方案。基于三维应用技术的发展，在本章最后介绍了三维技术在现场作业指导方面的应用。
　　第四章：面向飞机制造过程的制造 BOM 工程更改管理与控制。本章首先介绍了工程更改的基本流程，并对电子流程中的墨水更改方式进行研究。为了保证工程更改过程数据一致性，在创建支持工程更改的数据对象模型、基于工作流的过程管理以及一致性核对方面进行研究。
　　第五章：面向飞机装配的制造 BOM 管理系统设计与实现。结合某飞机制造公司的实际需求，设计开发了一个飞机制造 BOM 管理系统，并结合前三章研究的研究对此系统的主要功能介绍。第六章：总结与展望。对本文研究工作的总结和对接下来工作的展望。7
　　1.5 本章小结
　　本章介绍了本文的课题来源、研究背景及国内外 BOM 管理及构型管理的研究现状，论述了本课题的研究目的与意义，最后阐述了本文的研究思路及章节组织结构。