方泳澤， 謝書童， 陳建海， 吳 旭

（集美大學，福建 廈門 361021）

企業(yè)為了適應(yīng)市場變化、技術(shù)創(chuàng)新、提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率，經(jīng)常發(fā)生工程變更。但工程變更耗費時間和財力，對于生產(chǎn)的運行產(chǎn)生影響；它們往往涉及多個部門、人員和多種設(shè)計數(shù)據(jù)，具有較高的復(fù)雜性。因此，對工程變更申請的分析審查要十分嚴謹，需要采用科學的方法和工具。

變更傳播是指在工程變更中一個零件的形狀或性能指標發(fā)生改變時，要求其他相關(guān)零件的設(shè)計、工藝等相應(yīng)變更，進而還可能繼續(xù)引起新的變更。變更傳播常呈隱性，由于客觀困難和工作方法不當，往往直到變更實施后人們才察覺，導(dǎo)致工程變更不得不多次進行。當變更經(jīng)過不同人員分別開發(fā)的部分傳播時這種情形更容易發(fā)生。此外，變更傳播還使變更數(shù)據(jù)增加、分散，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致、不完整的錯誤，需要良好的組織形式。

因此，變更傳播的研究受到高度重視[1]。文獻[2-3]把變更傳播劃分為水波式傳播、開花式傳播、雪崩式傳播3類；文獻[4]引入了風險和可能性的概念來預(yù)測變更傳播的影響的大??；文獻[5-7]利用設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣，通過對產(chǎn)品零件聚類和劃分產(chǎn)品零件模塊在變更傳播中的不同類型，達到預(yù)測變更傳播影響的目的。但它們都著眼總體，側(cè)重于新產(chǎn)品開發(fā)中初期的模塊化結(jié)構(gòu)的規(guī)劃和分析，以減少變更傳播造成的影響。未能針對局部性具體的零件變更分析提供支持。

文獻[8]應(yīng)用預(yù)定義的知識庫和動態(tài)工作流技術(shù)來系統(tǒng)地支持變更傳播中每個局部變更的具體分析。它是在對工程變更分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)傳播過程中每個變更所預(yù)定義的影響引導(dǎo)變更分析逐項展開。該方法實現(xiàn)了微觀分析與宏觀總結(jié)的統(tǒng)一，但其工作能力取決于對所有局部變更的類型劃分及定義的完整性、全面性，這使該方法的應(yīng)用存在一定的局限性。

文獻[9]在對一大型汽車制造企業(yè)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)：企業(yè)面臨的變更中有1/3與以前處理過的變更相類似，有經(jīng)驗可借鑒；將這些變更經(jīng)驗引入到變更分析過程中，就能大大提高變更分析效率和質(zhì)量。該文獻提出了基于本體的產(chǎn)品設(shè)計知識和案例表示方法，能夠推斷變更的傳播范圍、指導(dǎo)新的變更分析。但是，支持工程變更分析的產(chǎn)品設(shè)計知識本體的創(chuàng)建是一個規(guī)模和復(fù)雜程度都很高的工程，創(chuàng)建本行業(yè)的全面的本體模型工作量巨大，很難實現(xiàn)。

因而，當前開展工程變更分析的研究應(yīng)當注重以下方面：

1）探索新的機制，以求充分揭示所有隱性傳播，直觀、集中、完整地表達全部變更件及相互影響的信息。

2）利用已有相似產(chǎn)品或零部件的變更數(shù)據(jù)和經(jīng)驗來指導(dǎo)新的變更；同時，避免系統(tǒng)過于復(fù)雜的困難。

本文研究基于有向圖的工程變更傳播分析方法。首先討論運用有向圖指導(dǎo)、記錄工程變更分析的問題和方法，然后介紹在PDM系統(tǒng)上開發(fā)相應(yīng)的工程變更分析子系統(tǒng)，較好地滿足了上述要求。

1 基于有向圖的變更傳播分析

1.1 變更的傳播、吸收與傳播模圖、傳播實圖

變更傳播可用有向圖 G(P,E)表達，其中P={ pi|i=1,2,…,n}是有向圖頂點的集合，pi表示變更零件；E={< pi,pj> | pi,pj∈P 且i≠j }為從頂點pi到頂點pj的有向邊< pi,pj>的集合，< pi,pj>表示由于零件 pi（稱為傳播主件）變更導(dǎo)致零件pj（稱為傳播從件）做相應(yīng)的變更。如果變更傳播是由于某個零件的變更所引起的，則稱該零件為傳播源件。

當工程變更在部件間傳播時，通常通過不同部件中的某些相關(guān)零件傳播。假設(shè)部件A上的零件(as,at,…)工程變更時會直接要求部件B上的零件(bm,bn,…)發(fā)生變更，則稱零件(as,at,…)為部件A對B的部件傳播主件,(bm,bn,…)為部件B對A的部件傳播從件。

基于有向圖的變更傳播分析面向裝配圖。部件裝配圖的基本組成元素是零件和部件，后者在該圖中沒有分解，可以等同于零件；總裝圖的基本組成元素是部件。因此，對于產(chǎn)品總裝圖或部件裝配圖都可以都使用統(tǒng)一的方法研究。

在裝配體中，零件對變更傳播具有一定的“吸收”能力。如：軸徑加大要求軸承內(nèi)圈加大，一般要求軸承外圈加大，導(dǎo)致軸承座內(nèi)孔加大。變更由軸、軸承、軸承座逐個傳播。但軸徑在一定的變動范圍內(nèi)，如果合理地選擇軸承，可使其內(nèi)孔加大但外圈的外徑保持不變，則變更僅由軸傳播向軸承，軸承座不發(fā)生變更，即軸承吸收了變更的傳播。對于有向圖G中的有向邊< pi,pj>，如果零件pi發(fā)生變更但它吸收了變更傳播，不再引起零件pj變更，則該變更傳播< pi,pj>撤銷。

包含裝配體可能會發(fā)生的零件變更及其傳播的變更傳播有向圖稱為傳播模圖MG，而記錄確定要發(fā)生的零件變更及其傳播的變更傳播有向圖稱為傳播實圖RG。RG是MG的子圖。

1.2 變更傳播的協(xié)調(diào)與控制

每個零件px可能實現(xiàn)的變更有一定范圍或程度，設(shè)px的第y個參量的變動區(qū)間為Spx,y=[MINpx，y,MAXpx，y],(x =1,2,…；y =1,2,…)。在具體分析變更傳播時，要協(xié)調(diào)變更。即，合理確定有向邊兩端各零件的各變動參量Cpx,y的值，使Cpx,y∈Spx,y，同時，它們的功能都滿足變更的設(shè)計要求。Spx,y的非零區(qū)間的存在，使協(xié)調(diào)變更成為可能。如果無法協(xié)調(diào)，原拓補結(jié)構(gòu)必須修改。

圖1變更的傳播與協(xié)調(diào)

圖1總結(jié)了變更傳播有向圖中的基本變更傳播形式。圖1(a)中，傳播從件pj的變更程度需要依據(jù)傳播主件pi的變更程度確定，在確定傳播主件pi的變更程度時往往要考慮傳播從件pj的可變更范圍。圖1(b)中，傳播從件pj發(fā)生的變更是由m個傳播主件的變更導(dǎo)致，則pj的變更必須同時適應(yīng)這m個傳播主件的變更要求；圖1(c)中，零件pi變更會引起零件pj發(fā)生變更，零件pj變更會引起零件pi發(fā)生變更，二者同時發(fā)生時也需要協(xié)調(diào)；圖1(d)中，有向圖中出現(xiàn)了環(huán)，但并不意味著死循環(huán)，通過協(xié)調(diào)可以使圖示的循環(huán)停止。

頂點p的入度ID(p)表示將其變更傳播給零件p的零件數(shù)量。P的出度OD( p)表示受到零件p變更傳播的零件數(shù)量。如果 ID(p)=0且OD(p)>0，則零件p的變更會引起其他零件變更，但不會受其他零件變更的影響；它是傳播源件。如果ID(p)>0 且 OD(p)>0，則零件p的變更會引起其他零件變更，也會受其他零件變更的影響而引起自身的變更；它是傳播放大件。如果ID(p)>0 且 OD(p)=0，則零件p的變更不會引起其他零件變更，但會受其他零件變更的影響而引起自身的變更；它是傳播吸收件。

頂點p的度TD(p)=ID(p)+OD(p)表示與零件p有交互影響的零件數(shù)量，值越大表示越多變更都通過它實現(xiàn)。OD(p)-ID(p)是零件p影響其他零件與受其他零件影響的差，數(shù)值大表示該零件在變更傳播中處于主導(dǎo)地位，具有很強的變更傳播能力。當部件B上的部件傳播從件是傳播放大件時，部件A上相應(yīng)的部件傳播主件的變更可能在會在部件B中擴散。

因此，對出度、度的值較大的零件及部件傳播主件、部件傳播從件應(yīng)當在圖中警示用戶，盡量控制這幾類零件的數(shù)量，減小其變動參量Cpx,y的值。

2 工程變更分析子系統(tǒng)

2.1 子系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)

子系統(tǒng)功能如下：

1）以變更模圖引導(dǎo)用戶跟蹤變更傳播，逐件分析，便于用戶更加關(guān)注隱性傳播。并支持多用戶的變更分析工作流。

2）集中管理變更原因、變更方案、變更數(shù)據(jù)、變更影響評估、變更結(jié)果評價等數(shù)據(jù)，以EC分析單做統(tǒng)一的用戶界面支持全過程。

3）檢索、使用歷史案例，并以成功的變更案例擴充案例庫。

EC分析單上部是圖形區(qū)，顯示傳播模圖背景下的傳播實圖，如圖2所示。下部有多重頁框：“問題報告”、“變更零件詳細信息”、“受影響數(shù)據(jù)”、“方案總結(jié)”、“變更結(jié)果評價”，分別記錄相應(yīng)信息。當用戶選擇圖上某頂點，可通過數(shù)據(jù)鏈接和彈出界面查看該零件相關(guān)數(shù)據(jù)、工作圖，并在下部的“變更零件詳細信息”頁框中填寫或顯示當前頂點零件的名稱、代號、傳播詳情、計劃做的變更的說明及變更成本、工時評估等詳細變更信息。

圖2 氣缸套長度變更的傳播分析

2.2 傳播模圖的生成

系列產(chǎn)品的部件結(jié)構(gòu)具有很高的相似性，作用同樣的零件形成零件族，通常冠以相同或相似的名稱；同一零件族中各具體零件以不同代號或不同版本號命名、區(qū)分。基于相似性，可用部件典型結(jié)構(gòu)創(chuàng)建樣板生成該系列部件的傳播模圖。

下面給出樣板圖上由于傳播源件（名稱為p）變更在部件（名稱為 s）內(nèi)引起相關(guān)零件變更的傳播模圖MG (s,p)的生成算法。其中，樣板的零件表PT (零件ID，部件ID，零件名稱，入度，是否部件傳播主件)和部件表AT（部件ID，部件名稱，部件代號）分別由樣板的部件裝配圖和總裝配圖明細表取得；樣板的直接傳播表 ET（部件ID，傳播主件零件ID，傳播從件零件ID）預(yù)先由專家根據(jù)經(jīng)驗定義。

步驟1sID = s在表PT中的部件ID；pID=p在表PT中的零件ID；標記傳播源件的頂點；

創(chuàng)建表MGPT（部件ID，零件ID，是否部件傳播主件）；/*記錄傳播主件頂點*/

將sID、pID記入表MGPT；

創(chuàng)建表MGET（部件ID，傳播主件零件ID，傳播從件零件ID，特征）；/* 記錄有向邊*/

創(chuàng)建臨時表T（部件ID，傳播主件零件ID，傳播從件零件ID，特征）。

步驟 2將表 ET中滿足條件：傳播主件零件ID= pID的記錄添加到表T。

步驟 3遍歷表T，對每條記錄r執(zhí)行以下操作：

1）在 MG(s,p)上畫有向邊：r.傳播主件零件ID→r.傳播從件零件ID；

2）如果表MGET中存在滿足以下條件的記錄v：

( v.傳播從件零件ID= r.傳播從件零件ID )或( v.傳播從件零件ID= r.傳播主件零件ID 且 v.傳播主件零件ID= r.傳播從件零件ID )

或 ( r.傳播從件零件ID= p在表PT中的零件ID )

則：r. 特征=“匯集”。

步驟4將表T中所有記錄添加到表MGET中。

步驟5在表MGET中尋找一條特征≠“匯集”且 特征≠“展開”的記錄f。

步驟6如果 f 存在

則：pID= f.傳播從件零件ID；

將sID 、pID記入表MGPT；

f.特征=“展開”；

刪除表T中所有記錄；

重復(fù)步驟2。

否則：與表PT比較，判別并標記表MGPT中存在的部件傳播主件；

結(jié)束。

如果同時還有其他傳播源件引發(fā)變更傳播，可依據(jù)以上算法，構(gòu)造由它引起的傳播模圖；然后對兩傳播源件引起的傳播模圖做并運算。

用戶在EC分析單上生成傳播模圖時，首先輸入傳播源件的名稱、代號及其所屬部件的名稱、部件代號，調(diào)用以上算法生成該部件變更的傳播模圖，并顯示在EC分析單上部的圖形區(qū)；系統(tǒng)根據(jù)部件代號查詢該部件裝配圖明細表；通過與明細表的零件名稱匹配，傳播模圖各頂點建立與其相應(yīng)的零件代號的對應(yīng)關(guān)系，進而實現(xiàn)與相應(yīng)零件的數(shù)據(jù)鏈接。

如果存在待變更部件與傳播模圖的拓補結(jié)構(gòu)不一致的部分，可以交互式地在圖形區(qū)刪除或增加頂點、有向邊，定義或編輯零部件名稱、代號。

2.3 變更分析的過程與記錄

用戶在EC分析單的傳播模圖上從傳播源件的頂點開始交互式的工程變更分析。然后考察其有向邊所代表的傳播是否被吸收；如果沒有，則選擇該有向邊所指頂點為當前頂點，配合瀏覽、批注具體圖紙、數(shù)據(jù)，設(shè)計該零件的變更計劃；登記受影響數(shù)據(jù)；并在EC分析單下部填寫它的變更說明、變更成本、工時。繼續(xù)沿有向邊類似地處理剩余頂點。對于有向圖中存在的環(huán)，分析過程可以反復(fù)迭代和協(xié)調(diào)。對于入度>1的頂點，該零件變更通過協(xié)調(diào)滿足多個零件的變更要求。隨著分析的進行，有向圖中用粗實線逐一標識用戶確定實施變更的頂點和傳播，在傳播模圖背景上逐步轉(zhuǎn)化成傳播實圖，并在變更零件表 CPT上記錄確定要發(fā)生變更的節(jié)點的信息。如果產(chǎn)品各部分是由不同人員開發(fā)的，該EC分析單可以在分析工作流中提交給相應(yīng)用戶，分別完成各部分的變更分析。采用基于用戶－數(shù)據(jù)－狀態(tài)的動態(tài)訪問控制[10]，系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶、數(shù)據(jù)和狀態(tài)確定每個用戶的讀、寫權(quán)限。

如果傳播實圖中存在部件傳播主件，則可能發(fā)生部件間的變更傳播。根據(jù)專家事先建立的樣板部件傳播主件與部件傳播從件關(guān)系表 APRT（主部件ID，部件傳播主件ID，從部件ID，部件傳播從件ID），繼續(xù)以部件傳播從件為傳播源件，開展在另一個部件的變更傳播分析，方法同上。

EC分析單集中記錄了問題報告、完整的變更方案及變更影響評估，鏈接了相關(guān)數(shù)據(jù)。變更分析過程可以進行多次，每一個變更方案用一個EC分析單表示，之后比較、分析。

2.4 變更分析案例庫及案例重用

變更方案經(jīng)批準后投入實施。完成后還要檢查變更分析和實施的效果，評價前面所做的變更分析，并與實際工時、變更費用等一同記錄在EC分析單上，以利于修改或形成經(jīng)驗。如果變更實現(xiàn)預(yù)期，則該EC分析單表達的案例可以導(dǎo)入案例庫，變更結(jié)束。否則，修改該EC分析單、進入下一輪變更循環(huán)。

圖3 案例的創(chuàng)建及使用

案例庫可按變更原因、變更源件、變更零件、變更部件、有向邊、變更日期、批次等條件檢索案例。當接到變更申請且決定展開變更分析和變更時，用戶根據(jù)對變更申請的初步判斷，檢索案例庫，尋找最相似的案例。然后將其導(dǎo)入到 EC分析單上進一步修改，形成新的變更方案。新建或編輯一個EC分析單時還可以再打開其他案例的EC分析單參考，以提高方案質(zhì)量和工時、費用判斷的準確性。全過程如圖3所示。隨著工程變更數(shù)量增加，案例庫自動擴充、豐富。

3 總 結(jié)

本文提出了基于有向圖的變更傳播分析方法；分析了變更的傳播、吸收、協(xié)調(diào)與控制；用傳播模圖引導(dǎo)工程變更分析和影響評估的過程；用變更實圖表達變更傳播的范圍、路徑并鏈接變更數(shù)據(jù)；以EC分析單為統(tǒng)一界面支持多用戶的變更分析全過程，集中記錄問題報告、完整的變更方案、變更影響評估和實施后的評價；提出了案例的建立和重用方法，促進使用歷史變更經(jīng)驗；實現(xiàn)了相應(yīng)算法和實例。

[1] Naveed A,David C,Wynn P,et al. Information models used to manage engineering change: a review of the literature 2005-2010 [C]// International Conference on Engineering Design. Copenhagen,Design Society:2011: 1-12.

[2] ECKERT C M,ZANKER W,CLARKSON P J.Aspects for a better understanding of changes [C]//Proceedings of the 13thInternational Conference on Engineering Design. Burry St Edmunds,UK:Professional Engineering Publishing. 2001: 147-154.

[3] JARRATT T A W,ECKERT C M,CLARKSON P J,et al. Product architecture and the propagation of engineering change [C]//Proceedings of the 7th International Design Conference. Zargreb,Croatia:Design Society,2002: 75-80.

[4] CLARKSON P J,SIMONS C,ECKERT C M.Predicting change propagation in complex design [J].Journal of Mechanical Design,2004,126(5): 788-797.

[5] 唐敦兵,徐榮華,唐吉成,等. 基于設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的工程變更影響分析[J]. 機械工程學報,2010,46(1):154-160.

[6] 劉建剛,唐敦兵,楊 春,等. 基于物理 DSM 與行列變換的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)聚類劃分[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2008,30(10): 1904-1908.

[7] 何 睿,唐敦兵,薛建彬. 基于設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣的工程變更傳播研究[J]. 計算機集成制造系統(tǒng),2008,14(4): 656-660.

[8] Nikhil A J. Methodologies for improving product development phases through PLM [D]. University of Michigan,2007.

[9] Hong J L,Hyung J A,Jong W K. Capturing and reusing knowledge in engineering change management: a case of automobile development [J].Inf Syst Front,2006,(8): 375-394.

[10] 方泳澤. PDM系統(tǒng)中權(quán)限管理的研究[J]. 工程圖學學報,2006,27(3): 48-54.