顏仕柱

(中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司 信息檔案中心，哈爾濱 150066)

目前，大部分的制造企業(yè)都使用物料清單(Bill Of Material，BOM)作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來管理數(shù)據(jù)，同時也是MES(Manufacturing Execution System)和ERP(Enterprise Resource Planning)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在產(chǎn)品研制單位具有廣泛的應(yīng)用價值。但基于以下四個方面的原因:(1)產(chǎn)品BOM在不同設(shè)計生產(chǎn)環(huán)節(jié)有不同的表現(xiàn)形式，如設(shè)計BOM(EBM)、工藝BOM(PBOM)、制造BOM(MBOM)等，且來源于企業(yè)的各個不同部門甚至不同單位，從而使BOM管理異常復(fù)雜和混亂；(2)隨著相關(guān)技術(shù)的長期應(yīng)用，包括 Model Based Definition(MBD，譯為基于模型的定義)、Model Based Definition Enterprise(MBE，譯為基于模型的企業(yè)，基于模型的企業(yè))等技術(shù)得到了充分的研制，促使BOM所涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化、大數(shù)據(jù)等特征；(3)管理BOM的核心平臺軟件PDM功能越來越強大，逐步轉(zhuǎn)化為PLM(product lifecycle management，產(chǎn)品生命周期管理)，其中所存儲的數(shù)據(jù)規(guī)模越來越大，具備了工業(yè)大數(shù)據(jù)的許多特征；(4)無論是本質(zhì)特征，還是表現(xiàn)形式，BOM數(shù)據(jù)的組織與展示都屬于典型的樹形結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的關(guān)系模型進行存儲，本身就存在掣肘。然而，傳統(tǒng)集中式存儲及基于關(guān)系模型的物料清單管理系統(tǒng)在讀寫、存儲、訪問、可用性的效率以及相關(guān)性能等方面存在許多問題，使其性能受到嚴重影響，因此，基于NoSQL的云存儲架構(gòu)是未來發(fā)展的趨勢之一。

眾所周知，BOM數(shù)據(jù)是企業(yè)的最重要的核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之一，通常具有高度機密性(軍工企業(yè)尤為如此)，通常意義上的云存儲架構(gòu)不能保證企業(yè)的保密要求，企業(yè)私有云環(huán)境就成了唯一的選擇方案。

綜上所述，在分析當前BOM變化趨勢及突出問題的基礎(chǔ)上，總結(jié)了基于RDB的BOM數(shù)據(jù)管理的不足與性能上的掣肘，考慮到NoSQL技術(shù)在處理大數(shù)據(jù)上的優(yōu)勢與良好的系統(tǒng)性能等特點，本文提出一個企業(yè)私有云環(huán)境下構(gòu)建基于NoSQL的單一BOM數(shù)據(jù)源系統(tǒng)架構(gòu)。

1 相關(guān)工作

對BOM的研究中，文獻[1-4]研究了物料清單所涉及的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及優(yōu)化算法；其次， 文獻[5-8]研究了物料清單中的數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化算法；再次，文獻[9-11]研究了全生命周期下多物料清單集成技術(shù)，分析了物料清單的數(shù)據(jù)變化；文獻[12-15]介紹了對物料清單的映射轉(zhuǎn)換研究，引出物料清單的映射管理體系。上述研究均以RDB作為底層存儲系統(tǒng)，其訪問事務(wù)受ACID特性的束縛，且存在數(shù)據(jù)冗余度高、查詢效率低和數(shù)據(jù)一致性差等問題。而NoSQL的易擴展、高性能、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)勢使得其在存儲海量數(shù)據(jù)方面是個有效的解決方案。文獻[16-24]對基于NoSQL的PDM關(guān)鍵技術(shù)體系進行了系統(tǒng)研究，提出了一個 PDM中單一BOM數(shù)據(jù)源的NoSQL數(shù)據(jù)組織，并給出了詳細的實現(xiàn)技術(shù)，對本文有很好的啟示作用。

國內(nèi)近年來在NoSQL和大數(shù)據(jù)方面的研究有很大進展，文獻[25]針對大數(shù)據(jù)管理的新需求，介紹了大數(shù)據(jù)的特點與支持大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題的前沿研究和挑戰(zhàn)，針對基于key-value 數(shù)據(jù)模型的 NoSQL 數(shù)據(jù)庫的相關(guān)研究進行了綜述；文獻[26]闡述了大數(shù)據(jù)管理的相關(guān)概念和技術(shù)問題，指出在處理大數(shù)據(jù)時，云計算和NoSQL技術(shù)的結(jié)合具有很大優(yōu)勢；文獻[27]通過比較RDB、NoSQL兩種技術(shù)的模型特點后，為了徹底解決云計算的大數(shù)據(jù)量存儲問題，設(shè)計了一種全新的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型。

目前，BOM數(shù)據(jù)幾乎全部集中式地存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(RDB)中，但在MBD模式下，BOM歷史數(shù)據(jù)大量積累，版本更迭，且出現(xiàn)了越來越多的準結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。此時BOM數(shù)據(jù)的處理需求與RDB所管理的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)有顯著區(qū)別。歸納起來存在以下幾個問題。

(1)成本較高。企業(yè)需要投入高額的資金，主要由于供應(yīng)商所給的授權(quán)費用高。

(2)授權(quán)捆綁問題。目前BOM管理軟件是對授權(quán)進行捆綁的，對企業(yè)而言，“擴點”意味大量資金的二次投入，“不擴點”則不能滿足使用需求。

(3)二次開發(fā)問題。物料清單的相應(yīng)軟件無法直接滿足企業(yè)的需求，企業(yè)需要自己或者委托外包廠商對軟件進行個性化開發(fā)，這也產(chǎn)生了更多的成本問題。

(4)軟件版本更迭頻繁。物料清單軟件升級較為頻繁，因此給企業(yè)帶來了很多不利之處，如資金的大量投入、大量歷史數(shù)據(jù)的遷移、員工的培訓(xùn)和對新軟件的操作等等。

(5)RDB固有性能問題。針對半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的BOM數(shù)據(jù)，RDB目前在讀寫、存儲、訪問等方面存在一定的問題。

綜上所述，以數(shù)據(jù)為著眼點，中國的智能制造需要盡快研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的BOM管理系統(tǒng)。

2 基于企業(yè)私有云的單一BOM數(shù)據(jù)源系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的BOM系統(tǒng)均以RDB為數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，通常借助于某些專用的軟件平臺進行存儲(如EBOM、PBOM通常都存儲在PDM系統(tǒng)中)。而在企業(yè)私有云環(huán)境下，基于NoSQL的BOM系統(tǒng)則是在企業(yè)內(nèi)部，或在特定的幾個企業(yè)群內(nèi)(通常為產(chǎn)品的設(shè)計、制造單位分離，或多單位協(xié)同研制，由專用的網(wǎng)絡(luò)進行連接)，搭建形成一個分布式的，集存儲、傳遞、處理應(yīng)用于一體的綜合信息系統(tǒng)，并以NoSQL數(shù)據(jù)庫作為底層數(shù)據(jù)存儲環(huán)境。

在企業(yè)私有云環(huán)境下，BOM作為單一數(shù)據(jù)源進行存儲。換句話說，在產(chǎn)品研制的不同階段，所有與BOM有關(guān)的信息，都按照時間先后次序不斷進行完善，并按照合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行存儲；針對不同的用戶群體和不同應(yīng)用需求，按照不同的BOM類型予以提取、展現(xiàn)。本文提出的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 企業(yè)私有云環(huán)境下的單一數(shù)據(jù)源BOM管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示架構(gòu)分為兩個大的層次——私有云存儲平臺和BOM軟件，包含了基礎(chǔ)設(shè)備層、存儲管理層、應(yīng)用接口層和用戶訪問層四個功能層次。

(1)設(shè)備管理層。包括企業(yè)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、中間件等各類硬件資源，以及基于NoSQL的單一BOM數(shù)據(jù)源底層數(shù)據(jù)存儲，位于企業(yè)私有云環(huán)境下系統(tǒng)架構(gòu)的最底層，通過存儲設(shè)備的邏輯虛擬化管理、多鏈路冗余管理，以及硬件設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和故障維護等實現(xiàn)硬軟資源的虛擬化、服務(wù)化。

(2)存儲管理層。包括HDFS(Hadoop Distributed File System，Hadoop分布式文件系統(tǒng))、數(shù)據(jù)備份與容災(zāi)和數(shù)據(jù)流引擎等技術(shù)，是企業(yè)私有云存儲的最核心內(nèi)容，同時也是最難以實現(xiàn)的部分。通過多存儲設(shè)備間的協(xié)同工作，對外提供統(tǒng)一服務(wù)，并提供更加強大的數(shù)據(jù)訪問性能。其中基于Hadoop架構(gòu)的分布式文件系統(tǒng)保證了海量文件數(shù)據(jù)的有效存儲，數(shù)據(jù)備份與容災(zāi)保證了數(shù)據(jù)的完整性與穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)加密技術(shù)保證了數(shù)據(jù)的安全性。

(3)應(yīng)用接口層。包括應(yīng)用軟件、集成工具和系統(tǒng)服務(wù)等應(yīng)用，根據(jù)企業(yè)的實際業(yè)務(wù)需求開發(fā)不同的應(yīng)用服務(wù)接口，通過Web Service、PLM(PDM)等功能，提供相應(yīng)的服務(wù)。另外，數(shù)據(jù)流引擎技術(shù)被用來保證存儲管理層和應(yīng)用接口層間的傳輸效率。

(4)用戶訪問層，包括數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)共享和CURD操作等功能，用戶通過授權(quán)登錄企業(yè)私有云單一BOM數(shù)據(jù)源系統(tǒng)，可以實時動態(tài)維護各自的BOM信息，系統(tǒng)按照既定的方案統(tǒng)一存儲。不同用戶按照自身需求可以從單一數(shù)據(jù)源中獲取不同展現(xiàn)方式和不同展示內(nèi)容的BOM信息。這里可以根據(jù)企業(yè)的不同訪問需求，提供不同用戶的定制化的物料清單服務(wù)。

3 單一數(shù)據(jù)源BOM管理系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

隨著MBD、MBE技術(shù)在制造業(yè)的廣泛應(yīng)用，對產(chǎn)品描述的各類數(shù)據(jù)(如設(shè)計、仿真、制造、維保等)均以三維模型方式呈現(xiàn)，且融合了諸如構(gòu)型管理(版本加有效性控制)、零部件(產(chǎn)品)成熟度等新的理念，使BOM中的表現(xiàn)形式和內(nèi)容與傳統(tǒng)相比有了較大變化，因而其構(gòu)建技術(shù)與以往相比有較大差別。在企業(yè)私有云環(huán)境下，基于NoSQL的單一數(shù)據(jù)源BOM管理系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)體系可用圖2表示。

圖2 管理系統(tǒng)技術(shù)體系

技術(shù)體系的層次結(jié)構(gòu)主要包括：基于NoSQL的單一BOM數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)組織研究、基于NoSQL的企業(yè)私有云存儲云技術(shù)、面向MBD的基于NoSQL的BOM軟件相關(guān)技術(shù)研究和MBD環(huán)境下的大數(shù)據(jù)管理研究。

3.1 基于NoSQL的單一BOM數(shù)據(jù)源

單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源(Single Source of Product Data，SSPD)由波音公司在實施DCAC/MRM計劃時提出，將分布在不同物理存儲系統(tǒng)的獨立異構(gòu)數(shù)據(jù)，集成為邏輯上的單一數(shù)據(jù)源，構(gòu)建邏輯上的同構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

單一BOM數(shù)據(jù)源是在企業(yè)私有云環(huán)境下，整合PDM系統(tǒng)中相對獨立、異構(gòu)的三種BOM數(shù)據(jù)庫為同型同構(gòu)數(shù)據(jù)庫，來實現(xiàn)物理層上的單一數(shù)據(jù)源，從而保證BOM在全生命周期中的數(shù)據(jù)一致性。

圖3分別給出了SSPD和單一BOM數(shù)據(jù)源的組織結(jié)構(gòu)，從圖中可知，與SSPD不同的是，NoSQL中單一BOM數(shù)據(jù)庫取代RDB中相對獨立的EBOM、PBOM和MBOM數(shù)據(jù)庫，在物理層上完成單一數(shù)據(jù)源，而非邏輯層上的SSPD。基于NoSQL的單一BOM數(shù)據(jù)源研究內(nèi)容主要包括異構(gòu)BOM數(shù)據(jù)庫的整合、單一BOM數(shù)據(jù)源的物理組織與邏輯組織、數(shù)據(jù)的索引優(yōu)化與查詢優(yōu)化、BOM數(shù)據(jù)的完整性與一致性等技術(shù)。

圖3 SSPD與單一BOM數(shù)據(jù)源

3.2 基于NoSQL的企業(yè)私有云存儲

基于企業(yè)網(wǎng)構(gòu)建的企業(yè)私有云，其構(gòu)建與運行者、資源提供者和使用者是企業(yè)及其下屬相關(guān)廠所、研究單位等，旨在提高企業(yè)內(nèi)制造能力，優(yōu)化制造資源使用率，減少重復(fù)資源和能力的重復(fù)構(gòu)建，降低企業(yè)投入成本、提高核心競爭力。

基于NoSQL的企業(yè)私有云存儲相關(guān)技術(shù)主要包括存儲虛擬化、集群優(yōu)化、分布式文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)和服務(wù)器負載均衡、數(shù)據(jù)備份和容災(zāi)等技術(shù)。

3.3 基于NoSQL的BOM多視圖映射

BOM作為產(chǎn)品全生命周期內(nèi)企業(yè)各部門信息傳遞的橋梁和紐帶，不同的部門有著不同形式的BOM視圖，每種視圖與產(chǎn)品的設(shè)計制造過程密切相關(guān)，因此，保證BOM多視圖映射過程中的數(shù)據(jù)一致性和完整性至關(guān)重要。

基于NoSQL的BOM多視圖映射相關(guān)研究包括BOM映射數(shù)據(jù)完整性和一致性驗證、BOM多視圖映射模型和BOM多視圖映射算法等。

3.4 MBD模式下的海量數(shù)據(jù)的管理方式

海量數(shù)據(jù)的管理方式中，一般使用PDM軟件挖掘企業(yè)數(shù)據(jù)中相關(guān)高層管理人員和高級工程師等的信息，通過這些信息的實施，提升數(shù)據(jù)的自身價值，充分利用企業(yè)信息來實現(xiàn)價值提升。

3.5 BOM系統(tǒng)構(gòu)建的技術(shù)路線

圖4給出了NoSQL的單一BOM數(shù)據(jù)源系統(tǒng)的技術(shù)路線圖，來描述其設(shè)計、開發(fā)等步驟。

圖4 數(shù)據(jù)源系統(tǒng)實施技術(shù)路線

(a)基于MBD模式的單一物料清單的數(shù)據(jù)源系統(tǒng)工程難度較大，需要一個較長的過程，由多方進行協(xié)同開發(fā)來完成此工程。在完成這種多方下協(xié)同的工程時，首先需要設(shè)計一個完善的業(yè)務(wù)架構(gòu)；其次還需要有成形的技術(shù)團隊和規(guī)范來確保工程的順利實施。

(b)NoSQL技術(shù)的使用是開發(fā)本項目的數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的研發(fā)基礎(chǔ)。由于物料清單數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化特征較弱，通過放大化NoSQL的技術(shù)特點和優(yōu)勢，可以更好地開展物理組織和邏輯組織方面的研究，這樣關(guān)系到物料清單數(shù)據(jù)在本文所提環(huán)境下的存儲模式，并影響NoSQL實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹、產(chǎn)品配置管理等BOM功能在后期開發(fā)中的使用。

(c)使用NoSQL來完善企業(yè)私有云存儲技術(shù)。通過實施對云和MBD/MBE等技術(shù)的融合，本文所涉及的云存儲技術(shù)采用NoSQL技術(shù)作為底層方案，提供包括集群方法、網(wǎng)絡(luò)部署與通信、分布式存儲等高性能功能。

(d)PDM除了可以提供文檔管理和數(shù)據(jù)存儲等功能，還可以作為產(chǎn)品生命周期管理、信息共享等功能的主要技術(shù)支撐方案。因此，需要將本文所涉及的產(chǎn)品的生命周期管理等PDM系統(tǒng)功能作為這部分的研究重點。

(e)整體系統(tǒng)中NoSQL等技術(shù)的應(yīng)用是本文研究內(nèi)容的主要支撐部分。需要對原型系統(tǒng)進行實施，檢驗各項技術(shù)，從而達到技術(shù)向生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的效果。

(6)對MBE的深入研究進一步擴展了對PDM的各方面屬性的深入研究，可以保證解決制造企業(yè)的存儲問題，并實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)再利用的價值，是未來我國智能制造的重要組成技術(shù)。

4 結(jié)論

目前，從國內(nèi)制造企業(yè)的信息化環(huán)境來看，探索一條大數(shù)據(jù)時代的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的BOM解決方案，從根本上解決全行業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)受制于國外大公司的被動局面，對制造型企業(yè)的未來發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。借助NoSQL的存儲機制和靈活的分片功能對BOM數(shù)據(jù)進行組織與部署，可有效避免MBD模式設(shè)計帶來的多表連接操作，減少單一BOM數(shù)據(jù)源系統(tǒng)的開發(fā)和企業(yè)實施的周期。同時，基于企業(yè)私有云存儲的單一BOM數(shù)據(jù)源系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)BOM系統(tǒng)設(shè)計和實施觀念，可以加快MBD生產(chǎn)環(huán)境的建設(shè)和制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

基于企業(yè)私有云存儲的BOM系統(tǒng)具有高擴展性、并發(fā)性強、訪問效率高等特點，為解決海量數(shù)據(jù)、版本眾多、周期短和高價值等特征的企業(yè)大數(shù)據(jù)問題提供了一個高效的解決方案。同時，在企業(yè)私有云環(huán)境下，也更好地保證了在數(shù)據(jù)資源化、數(shù)據(jù)共享聯(lián)盟等大數(shù)據(jù)趨勢下數(shù)據(jù)安全性問題，并為大數(shù)據(jù)管理走向知識化、智能化打下基礎(chǔ)。