李沛田，靳長勇

（1. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；2. 江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

基于BOM的船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究

李沛田1，2，靳長勇2

（1. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240；2. 江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

產(chǎn)品物料清單（Bill of Material， BOM）包含制造企業(yè)的核心數(shù)據(jù)，是企業(yè)各應用系統(tǒng)集成的紐帶；從造船廠BOM應用角度出發(fā)，對船體生產(chǎn)設計BOM結(jié)構(gòu)進行研究。船體生產(chǎn)設計在整個船舶設計過程中占據(jù)著非常重要的地位，是舾裝各專業(yè)建模的基礎，會產(chǎn)生大量的圖紙、三維模型及指令等數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理是國內(nèi)各大造船廠一直致力追求的目標。在分析當前國內(nèi)船廠船體生產(chǎn)設計的基礎上，應用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)定義船體BOM物料項及物料項之間的關(guān)系，建立一個通用的船體BOM結(jié)構(gòu)模型，研究從船體EBOM（Engineering BOM）到船體PBOM（Process BOM）的轉(zhuǎn)換機制，結(jié)合國內(nèi)某船廠實際運轉(zhuǎn)情況，介紹船體BOM結(jié)構(gòu)模型的運行示例。研究結(jié)果表明，基于BOM的船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)管理技術(shù)有助于保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性和一致性，提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量。

產(chǎn)品物料清單；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理；船體生產(chǎn)設計；Teamcenter

0 引 言

船舶設計是船舶產(chǎn)品建造周期中的核心環(huán)節(jié)，設計周期占整個交船期的 60%～70%；船體生產(chǎn)設計在整個船舶設計過程中有著非常重要的地位，是舾裝各專業(yè)建模工作的基礎，其數(shù)據(jù)的準確性直接影響著后道舾裝建模、船舶建造的準確性。船體生產(chǎn)設計階段會產(chǎn)生大量的交付件（如圖紙、三維模型、指令等），在大多數(shù)造船廠對這些數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一管理，僅對圖紙和文件進行簡單管理，下游生產(chǎn)部門很難獲取完整且準確的設計數(shù)據(jù)，給采購配套和生產(chǎn)準備帶來了很多困擾。近年來，國內(nèi)各大造船廠一直在尋求統(tǒng)一管理設計制造過程中大量技術(shù)資料的方案，進而實現(xiàn)對設計制造過程的跟蹤和信息的反饋，提高船舶設計質(zhì)量，降低設計成本。

物料清單（Bill of Material，BOM）是定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)文件，又稱為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹［1］。BOM包含企業(yè)的核心數(shù)據(jù)，是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)的重要管理對象。目前各大船廠主要是基于圖紙目錄進行數(shù)據(jù)的管理，尚未提出準確的BOM模型定義及BOM轉(zhuǎn)換機制，對三維模型、切割指令等非圖紙數(shù)據(jù)的管理較弱。這里主要針對船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一管理、各種BOM定義不清晰的問題，通過分析船體生產(chǎn)設計業(yè)務的特點定義船體生產(chǎn)設計的 BOM模型及其轉(zhuǎn)換方法，并結(jié)合Teamcenter軟件平臺構(gòu)建船舶產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化、過程化管理，有效保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性和一致性，從而提高船舶產(chǎn)品的設計質(zhì)量。

1 船體生產(chǎn)設計的特點

船舶設計建造是一項復雜的系統(tǒng)工程，分為初步設計、詳細設計和生產(chǎn)設計等多個階段。對于船廠來說，生產(chǎn)設計是其設計任務的主要部分。船體生產(chǎn)設計是在詳細設計的基礎上，按照現(xiàn)代化科學管理的要求，根據(jù)工廠的生產(chǎn)條件和技術(shù)水平，以合理的建造方法為指導，根據(jù)工藝階段和施工區(qū)域的生產(chǎn)與管理需要，繪制工作圖、管理表及提供相關(guān)的施工信息，用以指導和組織生產(chǎn)的設計過程，即解決“如何造船”的問題［2］。

國內(nèi)船廠船體生產(chǎn)設計的特點有：①設計流程長、環(huán)節(jié)多，包括結(jié)構(gòu)建模、組立圖設繪、套料、加工圖設繪、涂裝設計、焊接設計及數(shù)據(jù)抽取等多個環(huán)節(jié)，且各個設計環(huán)節(jié)之間存在相互依賴的關(guān)系；②設計數(shù)據(jù)體量大，零件數(shù)以十萬計，圖紙數(shù)以萬計，此外還有大量的模型和指令。

2 船體物料項的定義

一般情況下，BOM由主物料項、次物料項和BOM屬性組成［3］。針對船體設計建造的特點，應用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)定義船體BOM相關(guān)的物料項及物料項間的關(guān)系，為后續(xù)船舶BOM結(jié)構(gòu)模型定義提供支撐。

2.1 物料項定義

物料項是企業(yè)一切有形的設計、采購、制造及銷售對象的總稱，是構(gòu)成BOM結(jié)構(gòu)的基礎。準確定義船體生產(chǎn)各類物料項是定義船體BOM結(jié)構(gòu)模型的前提。

從船體物料項的用途分析，可將物料項分為直接用于產(chǎn)品制造的物料項和服務產(chǎn)品制造的物料項兩大類。

1） 直接用于產(chǎn)品制造的物料項即傳統(tǒng)意義上的物料（包括原材料、零件、組立、焊縫、焊材及油漆等），是船體工藝BOM和船體采購BOM的重要組成部分。每個物料項都是一個獨立的個體，具有自己的屬性和版本。該類物料項一般具有基本屬性、工藝屬性及計劃屬性等。以船體零件為例，其基本屬性有材質(zhì)、長度、寬度、厚度、質(zhì)量、重心及型材截面類型等；其工藝屬性有切割余量、收縮余量等；其計劃屬性有計劃切割時間、計劃加工時間及計劃裝配時間等。

2） 服務產(chǎn)品制造的物料項主要是指船體生產(chǎn)設計的產(chǎn)物（如二維圖紙、三維模型、切割指令等），既是當前造船廠進行船體生產(chǎn)設計分工的基礎，又是當前船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)重點管理的對象。與直接用于產(chǎn)品制造的物料項類似，該類物料項也具有自己的屬性和版本，其中屬性包括基本屬性、計劃屬性等。以二維圖紙為例，其基本屬性有圖號、工程號、圖紙類型、設計專業(yè)及設計階段等，其計劃屬性有計劃開始時間、計劃完成時間等。

2.2 物料項間關(guān)系

根據(jù)作用的不同，可將物料項之間的關(guān)系分為“使用”、“被使用”、“引用”及“被引用”4種［4］。

2.2.1 使用

使用關(guān)系用于表示存在裝配關(guān)系的物料項之間，父物料項包含子物料項的關(guān)系。若物料項A是由物料項B及其他物料項裝配而成的，則稱物料項A通過“使用”關(guān)系與物料項B關(guān)聯(lián)，物料項A可通過“使用”關(guān)系找到物料項B。例如，組立可通過“使用”關(guān)系找到下層的零件。

2.2.2 被使用

被使用關(guān)系用于表示存在裝配關(guān)系的物料項之間，子物料項屬于父物料項的關(guān)系。如“2.2.1”節(jié)所述，物料項B通過“被使用”關(guān)系與物料項A關(guān)聯(lián)，物料項B可通過“被使用”關(guān)系找到物料項A。例如，零件可通過“被使用”關(guān)系找到上層的組立。

2.2.3 引用

引用關(guān)系是指存在引用關(guān)系的物料項之間，主物料項與從物料項的關(guān)系。若物料項C通過某種非裝配關(guān)系與物料項D關(guān)聯(lián)，則稱物料項C與物料項D之間存在“引用”關(guān)系。例如，為使用戶更好地理解設計，某分段二維圖紙C引用了對應的三維模型D，二維圖紙C可通過“引用”關(guān)系找到三維模型D。

2.2.4 被引用

被引用關(guān)系是指存在引用關(guān)系的物料項之間，從物料項與主物料項的關(guān)系。如“2.2.3”節(jié)所述，若物料項D通過某種非裝配關(guān)系與物料項C關(guān)聯(lián)，則稱物料項D與物料項C之間存在“被引用”關(guān)系。例如，某分段二維圖紙C引用了對應的三維模型D，三維模型D可通過“被引用”關(guān)系找到二維圖紙C。

基于上述4種關(guān)系，得到船體物料項之間的關(guān)系示意見圖1。直接用于產(chǎn)品制造的物料項之間既存在使用關(guān)系（如整船與組立、整船與零件、組立與零件），又存在引用關(guān)系（如零件與原材料）；直接用于產(chǎn)品制造的物料項與服務產(chǎn)品制造的物料項之間一般只存在引用關(guān)系（如組立與二維圖紙、零件與二維圖紙）；服務產(chǎn)品制造的物料項之間一般只存在引用關(guān)系（如二維圖紙與三維模型、二維圖紙與切割指令）。

圖1 物料項之間的關(guān)系示意

在工程應用中，通過各種物料項及其關(guān)系的不同組合，可構(gòu)建滿足各種業(yè)務需求的BOM視圖，如設計BOM視圖、制造BOM視圖等，這些視圖即為BOM結(jié)構(gòu)。

3 船體BOM設計

BOM是一個廣泛的概念，階段不同、用途不同，BOM的內(nèi)容也不相同。根據(jù)船體生產(chǎn)設計和建造的管理需求，分別構(gòu)建船體EBOM（Engineering BOM）和船體PBOM（Process BOM）。

3.1 船體EBOM

船體EBOM即工程BOM，主要承載設計信息，來源于CAD系統(tǒng)，包含設計部門組織和管理的信息。

根據(jù)TRIBON軟件的特點及設計管理需求，得到船體EBOM示意見圖2。該EBOM從設計角度描述船體結(jié)構(gòu)，分為船、分段、板架及零件等4層。第1層為整船，一個系列船對應一個EBOM結(jié)構(gòu)；第2層為分段，是船體設計分工的基本單位（對稱分段按一個分段處理），一個分段由一個設計員建模完成，并與技術(shù)文件關(guān)聯(lián)；第3層為板架，與以零件為基本單位建模的三維設計軟件不同，TRIBON建模的基本單位是板架，每個板架包含一個或多個零件；第4層為零件，雖然建模時不能按單個零件建模，但可通過“板架分離”將板架拆分成單個零件，每個零件都有自身的屬性（材質(zhì)、質(zhì)量、重心及表面積等）和三維數(shù)模。

3.2 船體PBOM

船體PBOM即工藝BOM，用于描述產(chǎn)品工藝實施規(guī)劃過程和制造生產(chǎn)過程，通過調(diào)整EBOM結(jié)構(gòu)添加工藝件、工藝路線、工時定額及工裝等信息［5］。

船體建造包含切割、加工、小組立、中組立、大組立、總組及搭載等工藝過程，其中：切割、加工是鋼板、型材形成零件的過程；小組立、中組立、大組立、總組及搭載是零件通過裝配和焊接逐步形成整船的過程。為符合不同工藝的特點，將船體PBOM再分為切割PBOM和裝焊PBOM。

1） 船體切割PBOM示意見圖3，與EBOM相比，第3層是原材料（鋼板、型鋼等），不再是虛擬的設計板架。該BOM模型反映切割、加工物料項間的關(guān)系（如原材料與零件之間的關(guān)系，原材料與切割指令、切割版圖之間的關(guān)系等），可滿足船體切割、加工部門的需要。同時，模型、切割指令及圖紙之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，三者中任意一個對象發(fā)生更改時，都可通過引用或被引用關(guān)系找到另外2個對象，對其進行更改，避免模型、切割指令及圖紙三者版本不一致，給生產(chǎn)造成混亂。

圖2 船體EBOM示意

圖3 船體切割PBOM示意

2） 船體裝焊PBOM示意見圖4，該PBOM反映從零件到小組立、大組立、總段及巨型總段，再到最后形成整船的整個過程。組立與組立之間、組立與零件之間及組立與焊縫之間通過“使用”關(guān)系關(guān)聯(lián)，分段與工藝文件之間通過“引用”關(guān)系關(guān)聯(lián)。通過該BOM模型可快速提取任意組立的信息，輸出各種工程生產(chǎn)需要的報表。

圖4 船體裝焊PBOM示意

3.3 EBOM到PBOM的轉(zhuǎn)換

PBOM是在船體EBOM的基礎上形成的，EBOM通過去掉外協(xié)件和外購件，增加工藝組合件（如組立）或調(diào)整EBOM的結(jié)構(gòu)，最終形成PBOM。BOM結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的方式可歸納為增加零件、刪除零件、調(diào)整BOM結(jié)構(gòu)及細化分解BOM結(jié)構(gòu)等。船體EBOM向船體PBOM轉(zhuǎn)換的過程見圖5，PBOM中的所有零件都是借用EBOM中的零件，EBOM零件的三維模型和屬性信息自動傳遞到PBOM的零件中。若EBOM中的零件信息更改，則PBOM的零件信息也會更改，保證同一系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)更改的一致性。

4 基于Teamcenter的系統(tǒng)實現(xiàn)

國內(nèi)某船廠于2011年年底引進Teamcenter，實現(xiàn)了對船舶設計數(shù)據(jù)和設計流程的管理。分析船體的制造流程和設計流程，梳理船體設計與制造相關(guān)的物料項及其相互關(guān)系，制定滿足設計部門和生產(chǎn)部門需求的BOM，并結(jié)合Teamcenter平臺實現(xiàn)對船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)的管理。

船體EBOM通過數(shù)據(jù)接口將CAD系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提交至Teamcenter系統(tǒng)。首先從TRIBON軟件中提取相關(guān)信息，生成ugpart格式的BOM結(jié)構(gòu)；然后調(diào)用三維模型專函程序，生成JT文件；最后通過接口將BOM結(jié)構(gòu)和JT文件寫入到Teamcenter中。圖6為船體某分段EBOM結(jié)構(gòu)，左側(cè)為BOM結(jié)構(gòu)，右側(cè)為其對應的三維模型。左側(cè)BOM結(jié)構(gòu)的每一行代表一個對象（分段、板架、船體零件），船體零件關(guān)聯(lián)自身屬性（如材質(zhì)、長度、寬度、厚度）和三維模型。系統(tǒng)實現(xiàn)三維模型與BOM結(jié)構(gòu)的聯(lián)動，同時支持對三維數(shù)模進行剖切、顯隱及標注等，支持板架和零件的快速搜索。

圖5 EBOM向PBOM轉(zhuǎn)換過程

圖6 船體某分段EBOM結(jié)構(gòu)截圖

船體某分段的切割PBOM結(jié)構(gòu)見圖7，第1層為分段，第2層為船體物資（鋼板、型鋼等），第3層為船體零件。船體物資與自身屬性（切割長度、劃線長度等）、切割版圖及切割指令關(guān)聯(lián)，可通過該結(jié)構(gòu)抽取材料匯總表等清單。發(fā)生工程變更時，通過影響分析實現(xiàn) BOM、切割版圖及切割指令的關(guān)聯(lián)更改，保證數(shù)據(jù)的一致性。

船體裝焊PBOM結(jié)構(gòu)見圖8，該PBOM是在EBOM基礎上搭建組立樹、添加組立流向、確認組立父子關(guān)系后最終形成的。在系統(tǒng)中，裝焊PBOM中的零件與EBOM中的零件為同一對象，關(guān)聯(lián)了自身屬性和三維模型，支持從整船、總段、組立及零件等多個粒度查看模型。通過裝焊PBOM可抽取生產(chǎn)所需的各類托盤清單（如零件明細表），或直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到后道物資物流系統(tǒng)中。

圖7 船體某分段的切割PBOM結(jié)構(gòu)截圖

圖8 船體裝焊PBOM結(jié)構(gòu)截圖

通過實施和應用PDM項目，清晰定義了船體各種BOM；將二維圖紙、三維模型及切割指令等設計數(shù)據(jù)納入到系統(tǒng)中進行統(tǒng)一管理，信息透明清晰，解決了船體生產(chǎn)設計階段數(shù)據(jù)管理混亂的問題，也為管理決策提供了數(shù)據(jù)支撐；通過關(guān)聯(lián)更改，保證了數(shù)據(jù)的準確性和一致性，提高了產(chǎn)品的設計質(zhì)量。

5 結(jié) 語

研究實踐結(jié)果表明，基于BOM的船體數(shù)據(jù)管理具有可行性，可有效管理船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)（模型、圖紙及指令等），保證其有效性和一致性，實現(xiàn)在該領(lǐng)域中的突破。未來可向舾裝專業(yè)拓展，向前道初步設計和詳細設計延伸，實現(xiàn)對船舶全生命周期數(shù)據(jù)的管理。BOM 管理不僅能給企業(yè)帶來可觀的直接經(jīng)濟效益，更重要的是可使產(chǎn)品信息管理更加規(guī)范化、科學化、自動化。未來BOM將真正成為產(chǎn)品全生命周期的載體，保證不同視圖的BOM數(shù)據(jù)的完整性、正確性和一致性，有助于實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的集成、聯(lián)動和共享。BOM 是連接工程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)經(jīng)營的橋梁，是企業(yè)制造集成系統(tǒng)信息共享的關(guān)鍵，可有效消除產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）與企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）等系統(tǒng)之間的鴻溝。

［1］ 程控，革揚. MRP/ERP原理與應用［M］. 2版. 北京：清華大學出版社，2006.

［2］ 周啟學. 船舶生產(chǎn)設計［M］. 北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 吳寶榮. 基于BOM的制造信息系統(tǒng)集成的研究［D］. 沈陽：東北大學，2006.

［4］ 胡穎曉. 航天發(fā)動機數(shù)字化制造BOM結(jié)構(gòu)設計研究［D］. 西安：西北工業(yè)大學，2007.

［5］ 楊曉鎮(zhèn). 產(chǎn)品設計BOM信息自動化生成及管理的研究［D］. 大連：大連理工大學，2007.

Research of Hull Production Design Data Management Technology Based on BOM

LI Pei-tian1，2，JIN Chang-yong2

（1. Mechanical and Power Engineering College， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China；2. Jiangnan Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 201913， China）

Bill of Material （BOM） is the core data for manufacturing enterprises， which binds the company's application systems together. This paper studies the structure of BOM for hull production design based on the BOM application in shipyards. Hull production design plays a very important role in the whole ship design process. It forms the base of the outfitting modeling and produces a large amount of data such as drawings， 3D models and instructions. Therefore，comprehensive management of these data has become the common goal of the major domestic shipyards. After the characteristics of hull production design in domestic shipyards are analyzed and the object-oriented technology is applied to define the relationships between the materials in hull BOM， a general-purpose hull BOM structure model is established. Besides， the transformation mechanism from Engineering BOM（EBOM） to Process BOM（PBOM） is studied and a practical example in a domestic shipyard is presented to introduce the operation of hull BOM structure model. The research shows that the data management technology for BOM based hull production design is helpful to ensure data integrity， correctness and consistency， and thus to improve the design quality of products.

BOM； product data management； hull production design； Teamcenter

U673.2

A

2095-4069 （2016） 04-0072-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.014

2015-10-21

李沛田，男，工程師，1985年生。2008年畢業(yè)于天津大學機械設計制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事船舶設計工作。