柔性BOM实现企业的智能制造

前言 　　日益剧烈的市场竞争，与日俱增的生产技能，如精益生产、并行工程、智能排程、绿色制造、制造资源筹划等，推动着企业生产方法不断创新。在衡量企业与供应链竞争力的指标中，柔性与成本、质量和交货期同等重要的。柔性不仅涉及其实现过程的技术问题，还涉及企业与供应链运作管理中的决策与协调问题。 供需关系的改变使得传统大批量生产方式难以维持，个性化需求的日益强劲推动大规模定制化生产的方式应运而生。柔性制造是实现企业大规模定制化生产方式的基础，是企业实现智能转型的保障。柔性生产方式的特点主要体现在两个方面：制造设备的柔性响应能力，即设备产能的利用率；企业供应链执行系统的精准、敏捷反应能力，通常体现在制造系统对单个需求的快速响应的能力上。定制化生产方式的核心是要提升单个产品需求的订单快速响应能力。 智能企业柔性制造定义的不断完善和演进 　　传统意义的柔性是指柔性制造系统（FMS），它是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量的生产。FMS主要由下列三部分组成：数控机床加工系统、自动化的物流系统、计算机控制系统组成的自动化制造系统。随着数字化时代的到来，工业互联网，人工智能、数字驱动，万物互联成为数字化时代的方向标，柔性的定义被扩展到各个领域。 如何理解柔性呢？智能时代下制造系统的“柔性”体现在设计和制造的各个领域之中： ●设备柔性—当要求生产一系列不同类型的产品时，机器能随产品变化而加工不同零件。 ●工艺柔性——使用不同的材料、不同零件按工艺加工要求完成不同产品或零组件的加工。 ●产品柔性——产品具备组合能力和模块间的高互换性，通过产品的变种迅速构建满足客户的新产品。 ●作息柔性——在线处理故障的能力，并能使用替代路线继续制造一组给定的部分或产品类型。 ●生产能力柔性——具有迅速提高或降低生产水平，或者迅速地将生产能力从一个产品（服务）转移到另一种产品（服务）的能力。 ●扩展柔性——以模块化的方式逐步扩展的潜力。 从柔性制造系统的定义可以了解，制造柔性的实现是多方面柔性能力的提升。总体归为三大方面的柔性能力：设备端的柔性加工能力、物料的柔性供应能力、通过数据驱动的计算机应用系统。这三大能力既保持各自独立性，又紧密关联。计算机应用系统是以PLM/CRM/ERP/MES为核心的企业级的应用管理平台。通过产品主数据驱动企业内部订单交付的操作，并通过后台应用系统与设备的柔性加工及物料的自动供应的配合，实现企业的柔性制造供应能力。 此外，柔性制造能力还可以表述为两个方面：系统适应外部环境变化的能力，可通过系统满足新产品要求的程度来衡量；系统适应内部变化的能力，可通过在有干扰(如机器出现故障)情况下，系统的生产率与无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量。“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产，其优点是生产率很高，由于设备是固定的，所以设备利用率也很高，单件产品的成本低，但设备价格相当昂贵且只能加工一个或几个相类似的零件，难以应对多品种中小批量的生产。 在数字化时代，具备柔性能力的范围已延伸到企业订单全流程。具体包括：从客户需求搜集到产品设计、产品物料资源计划、生产排程、物料的供应、生产制造全过程的无缝衔接，以及各系统独立的自适应及柔性能力。单一或局部的柔性制造实现并不能实现真正意义上的柔性化制造，更多只是加工自动化局部能力的提升；对于小批量多品种产品订单，自动化的加工技术如果没有适配的数据应用系统的支持反而会严重影响生产效率和成本。特别是客户产品需求无法精准预测的情况下,企业如何在产品订单大幅波动的情况下，具备快速的订单交付能力，实现批量生产的成本。 基于此，企业的柔性能力应不只局限在制造环节，应实现跨部门、跨领域、跨系统以及系统与设备之间的无缝衔接，还包括不同应用系统之间信息快速转化，与订单相关的产品信息各环节进行关联。通过对订单全流程的分析不难看出，BOM是贯穿企业订单流程的核心信息，是驱动订单流程的核心。 构建BOM协同能力是构建智能企业柔性能力的关键 　　企业构建订单执行柔性能力的核心包括市场前端客户需求的高效搜集、面向制造的设计、制造的快速导入、智能排程、柔性物料供应等。要实现基于柔性的智能化转型，企业需构建全局的信息化协同与柔性能力。 　　图1智能企业构建的核心协同能力 在企业的协同关系中订单全流程的执行过程是企业最重要与复杂的协同处理过程，从全局的协同关系分析可以看出，产品的BOM信息成为驱动订单流程执行的关键基础信息，所有订单经过的业务环节都不同程度的跟产品的BOM相关。例如，客户需求的搜集必须基于可销售的产品功能进行选择和确认；研发需要依据客户的功能要求完成产品详细功能的设计，生成产品设计BOM；当产品进入供应链加工制造时，不同的业务部门都必须依据BOM进行业务需求的分解、整合，成为订单分解执行的依据。所以在企业会存在明暗两条信息流程，表面上是客户订单的信息流转，体现订单生成到订单交付的全流程，而暗线则是以BOM信息为核心的产品数据驱动。各部门以不同视图的BOM为业务操作的基准，通过BOM驱动业务的操作。BOM信息是实现系统互联的最基本信息，实现BOM互联是企业实现柔性能力的基本保证，是构建智能企业最核心、基础的软实力。企业级柔性能力构建的切入点要从BOM开始。 产品BOM信息是企业最关键的数据。企业订单的交付过程是以产品的BOM信息为基础，但不同的职能部门因为业务侧重点的不同，使用BOM信息的内容也会有所不同。在并行协同的模式下，以研发的GBOM为BOM的数据源，按照订单执行的不同阶段，GBOM需要不断的按业务部门的需求进行演变,并时时保证与GBOM的技术状态同步。不同的职能部门会有不同的BOM视图，不同视图的BOM会有共性的信息，也会有差异部分，共性信息都是基于研发设计GBOM继承而来,在其它BOM视图中不能被改变，且其它BOM视图必须随着EBOM视图的改变而改变。 BOM信息是驱动业务的关键信息，订单的执行状态是受BOM视图快速转变能力制约的。BOM视图不能快速的转换，转换的正确性不能保证，GBOM的技术状态变化不能迅速的在不同视图BOM中时时更新，会严重影响订单的执行过程，物料资源的规划，打乱生产制造的节奏，无法发挥人力和设备资源的有效产能。因此，BOM的协同能力是企业首要构建的企业级的协同能力， 科学合理的BOM架构设计及视图关系定义是构建柔性能力的基础 　　产品BOM架构设计是企业数据信息的主要承载体，所有与产品相关的信息都依托BOM结构进行数据关系定义。合理的BOM架构设计可以使企业的数据信息呈现更加清晰，数据处理效率大幅提升、数据的清洁度更高，数据的关系定义更清晰。 　　图2以BOM为核心的主数据模型的定义 BOM结构没有固定统一的模式，BOM结构及复杂度因不同企业性质及制造方式而有所不同。企业BOM架构的定义与企业的产品特性、加工制造策略都有很大的关系，但适用的BOM种类基本是一致的。按BOM的使用功能可分为：GBOM、EBOM、PBOM、MBOM、SBOM。 GBOM：是指研发产品的原形BOM，体现产品或产品系列所有的设计功能模块的组成及关系以及各功能模块的装配关系零部件的组成。GBOM是所有种类BOM的原型和数据源，GBOM的结构一般可从产品的功能层到实现层一直分解到材料级甚至是物质级，是产品信息的最完整的体现。 图3 GBOM的BOM功能层级定义   EBOM：表征产品设计的结果，是产品设计数据的结构化表达。在设计阶段形成，反映产品组成的物料清单（包括硬件、软件或其集合体），是工程数据架构之一，需直观展现出产品设计的意图以及任务，明确产品及组件结构关系、数量等信息。 EBOM是计划、制造、采购等BOM的源头，EBOM同GBOM的差别是EBOM通常中指某一固定配置产品设计BOM，而GBOM则是某一系列产品的全集BOM。 　　图4 EBOM的功能层级定义 计划PBOM：主要供应链进行产品资源计划安排时需要针对产品EBOM进行分解，并按不同种类的零组件分类汇总，分解不同加工种类的物料需要的资源和时间。这类BOM主要包括了工艺BOM、外购件BOM等。 制造MOM：表征制造工艺设计的结果，产品制造数据的结构化表达。反映产品制造物料清单，是生产拉动计划、物料需求计划以及成本核算的依据，反映了零件制造装配制造之间的关系。 销售SBOM：主要是指可以独立销售的产品或产品族的功能组件的集合，SBOM作为客户可选配的产品功能组件BOM，BOM中的所有子项都具备独立的定价和销售属性。销售BOM通常是GBOM中的功能层BOM。 BOM使用对象不同，BOM视图的定义也不同，与BOM关联的信息也会扩展。建立数据驱动业务的模式就是建立以BOM为载体并在BOM的视图的动态转化过程驱动业务的运作，同时提供业务操作需要的信息。BOM视图的分类并没有固定的模式，不同的企业可以根据业务的模式定义企业内部的BOM视图，但不同BOM视图转换需遵循统一的原则。 如何进行企业BOM拓扑结构的设计 　　如果说BOM视图的定义是柔性制造的基础，不同BOM视图之间的自动转换能力则是实现柔性的关键。定义企业BOM的拓扑线路结构关系是企业的业务架构设计或IT系统架构设计的基础，设计核心流程可以明确不同的业务领域需要的BOM种类及BOM之间的关联关系。设计企业的BOM拓扑结构要从企业的订单执行流程入手，通过订单执行的主流程分析不同订单处理环节需要的BOM信息的内容，不同处理环节的BOM数据信息的关系。 　　图5典型企业订单执行流程 不同需求BOM视图之间进行映射时存在着不同的映射关系。一般视图的基本映射类型为： ●遗传映射：指在映射前后BOM(视图中节点之间的关系没有发生变化,只是节点的属性发生了变化的映射 ●变异映射：指在映射前后视图中的节点属性没有发生变化，只是节点之间的关系发生了变化的映射 ●综合映射：指在映射前后视图中的节点属性发生了变化，节点之间的关系也发生了变化的映射。 在进行BOM关系映射时确定源BOM和目标BOM之间的结构和相关属性变化是非常重要的。GBOM是企业的源BOM，其它BOM的类型都是源于GBOM映射而来 实现不同BOM视图映射时需要考虑几个关键的条件： ●定义不同目标BOM视图的BOM表述内容及与GBOM之间的转换对应关系。不同BOM视图的模板及对应规则一旦确定就要保持要稳定，基础信息改变对应用系统和业务的冲击较大； ●定义BOM自动转换的规则，通过系统自动进行不同BOM视图间的转换。由于BOM是动态变化的，人为跟踪BOM的变化及不同BOM视图的转换，订单交付周期会大大延迟； ●定义不同BOM视图转换的条件和时间也是正确进行BOM信息传递的关键，订单必须按产品的交期及制造的产能进行平衡，BOM的视图生效的时间必须依照生产精确的排程时间来转换，提前或滞后都会打乱制造的节奏，而造成生产混乱、影响产品的交期、质量和成本。 不同视图的BOM进行转换时，需要对BOM中进行映射关系的处理。例如：分离BOM加工件和外购件，对同类加工项编码进行抽取、合并等。基于BOM和3D模型进行工艺加工信息的提取和整理，这些数据是物流配送和自动机床加工需要的底层数据，如果通过人工处理，数据的正确性与及时性无法保证，物流和加工的节奏会被打乱，严重影响加工的效率和成本。 柔性制造过程应用的最关键信息是产品的BOM。BOM柔性的关键体现在从不同的工具软件中自动提取BOM信息、对BOM数据的处理能力，BOM自动变型处理的能力越强，企业制造的柔性能力就越强。 企业级BOM架构的设计包括以下几部分：BOM种类的定义；研发BOM主结构的定义，研发BOM信息要涵盖其它种类BOM的基本信息，并体现出所有信息的相互依存的关系；不同种类BOM的应用场所，应用条件和BOM视图的基本结构及信息的定义。另外，依据企业订单主流程定义不同BOM视图的转换规则或顺序时需要确定不同BOM视图生成的必要条件、前后逻辑关系和BOM信息生成的数据源。在BOM变更控制中实施参照基准BOM进行多个BOM视图的配套变更控制，所有BOM视图涉及的信息需要进行全面的标准定义，确保定义信息的准确性，一致性和可用性以及不同BOM视图之间的同步变更。 　　图6企业多视图BOM的转换模型 结语…