面向動態MRO活動的SBOM演化研究

李婷玉，劉 剛，高 琦

(1.山東大學 機械工程學院，濟南，250061;2.山東大學 高效潔凈機械制造教育部重點實驗室，濟南，250061;3.山東大學 機械工程國家級實驗教學示范中心，濟南，250061)

在企業向服務型制造模式轉型的趨勢下，服務化不斷向制造業進行滲透[1]，服務逐漸成為產品生命周期的重要環節之一[2]。MRO是服務階段中進行的各種維修、維護和大修等活動的總稱，是產品價值增長的重要來源[3]。

物料清單文件(Bill of Material ,BOM)，是組織產品數據的一種有效方式，反映了產品的層次結構，也是產品服務數據管理的核心[4]。不少學者對MRO服務過程中的服務物料清單的構建進行了相關研究。任艮全[5]通過分析各類維修信息資源，提出了由中性物料清單、物理物料清單和實例物料清單組成的復合式維修BOM。Zhou C[6]提出了一種復合靜態SBOM，實現了位置信息管理和可替代部件管理等MRO服務。針對復雜裝備的檢修服務，劉曉冰[7]提出了具有不同需求的3種檢修物料清單結構。李浩[8]基于SBOM結構，構建了復雜產品MRO業務信息集成模型。Liu[9]基于維修部件的追蹤性，定義了維修物料清單中三種特殊零件形式及轉換規則。李玲[10]基于設備的工程物料清單(Engineering BOM ,EBOM)和服務需求，構建了復合式維修物料清單。

目前MRO服務中的SBOM研究主要集中于SBOM結構和EBOM向SBOM的轉換過程，對于服務生命周期中SBOM的演化過程關注較少。對于飛機、機車等復雜裝備而言，MRO活動的實施不僅需要產品設計、制造和維修相關知識和資料[11]，同時活動實施過程中又會依據不同的服務需求產生動態多變的MRO服務記錄[12]，大大增加了MRO服務數據的管理難度。為了識別及追蹤航空發動機大修過程中的服務活動，Hu[13]提出了三維配置管理模型。Shi L[14]以在役大型民用飛機為研究對象，分析各種飛機維修保障作業引起的構型特征變化，構建了在役飛機構型數據模型。李青[15]提出單機構型的追溯方法，實現了使用服務階段中任一追溯時間點的飛機構型結構的獲取。當前所研究的動態服務數據模型，一般只以單個產品為管理粒度，忽略了服務生命周期中不同粒度的管理需求。因此，建立面向不同管理需求和服務需求的產品服務數據模型是亟需解決的問題。

動態MRO活動實施過程中，一方面SBOM在不同管理需求下結構具有差異性，另一方面在不同服務需求下的SBOM變更類型也不同。本文基于動態MRO業務中產品的數據特點，定義了 SBOM的節點及節點間約束類型，用形式化的表達描述了不同類型SBOM間的演化關系模型、不同服務需求下SBOM的動態演化模型，并在此基礎上提出了基于SBOM的兩種MRO服務追溯機制，為動態MRO活動中的SBOM服務數據組織和追溯提供了理論模型。

1 動態MRO業務中的SBOM結構

1.1 節點和節點間約束的定義及分類

對于零件數量眾多、結構復雜的產品而言，SBOM節點并非包括全部零件，例如螺栓、螺母這樣的標準件不需要在SBOM中進行管理[6]。將產品在MRO服務過程中需要記錄與管理的零件表示為SBOM的節點，需要關注的零件間的結構關系表示為SBOM的節點間約束。在服務過程中，一方面，零件裝配位置或者供應商的差異性會造成MRO服務的不同，需要關注的零件結構關系也可能不同；另一方面，零件在不同MRO任務下可能會展現出不同的結構關系。因此從零件的裝配位置、供應商以及MRO任務這三個方面出發，將SBOM的節點和節點間約束進行如下分類并給出定義：

定義1通用節點。通用節點表示MRO服務要求與裝配位置無關的零組件。

定義2位置節點。位置節點表示MRO服務要求與裝配位置相關的零組件，位置節點需要體現位置信息。

定義3可選節點。產品某位置處的可選節點表示該位置處允許裝配的具有不同供應商來源的同類型零組件。

定義4通用約束。通用約束表示同類型零件在不同的裝配位置和MRO任務中都需要關注的零件裝配關系。

定義5可變約束。可變約束表示只在特定裝配位置處的MRO任務中需要關注的零件裝配關系。

1.2 面向不同管理需求的SBOM分類

SBOM是一種面向產品MRO服務的復合物料清單，管理產品初始靜態屬性數據和動態服務數據。即便同一批產品具有相同的初始狀態，但是后續服務過程中產品的動態演化過程也可能不同，因此SBOM必須管理到單件產品。而單件產品在服務全生命周期中，需要進行多次MRO服務，不同MRO服務之間存在大量重復的基礎數據，增大了服務數據的管理難度。為了提高MRO服務信息的重用性，減少MRO服務數據冗余，本文提出了管理批次產品的通用SBOM、管理單件產品的實例SBOM和管理單次MRO服務的任務SBOM，不同類型的SBOM間關聯關系如圖1所示。

圖1 不同類型的SBOM間關聯關系Fig.1 Relationship between different types of SBOM

1.2.1 管理批次產品的通用SBOM

通用SBOM節點關聯的是批次產品與服務相關的共性信息，包括零件的三維模型、各類的維修規程和專用設備等。由于不同位置運行環境的差異性，具有相同設計要求的零件可能具有不同的服務標準，一般使用位置節點進行管理。根據共性服務信息與位置的相關性，將通用SBOM劃分為中性BOM和位置BOM。中性BOM用于組織與位置無關的共性服務信息，位置BOM 用于組織與位置相關的共性服務信息。位置BOM是中性BOM的附加物料清單，在中性BOM的基礎上，將位置節點進行拆分，如果零組件的MRO服務要求與裝配位置均無關，則位置BOM不存在。同時考慮到服務過程中允裝備件具有多種供應商來源，可能會產生不同成本，因而在通用SBOM中采用具有不同物料號的可選節點進行管理。

1.2.2 管理單件產品的實例SBOM

實例SBOM節點關聯的是單件產品的個性服務信息，管理服務生命周期中的實物產品信息，記錄和跟蹤實物部件的MRO業務信息，為日常的檢查、維護和跟蹤提供依據。通用SBOM向實例SBOM轉化的過程中，如果位置BOM存在，則以位置BOM為核心；如果位置BOM不存在，則以中性BOM為核心，依據制造履歷選定允裝備件的供應商，刪去同位置處其他可選節點，同時獲取零件的序列號、供應商和出廠時間，添加到通用SBOM節點中，將其轉換為實例SBOM節點。一個通用SBOM可以序列化成多個實例SBOM。

1.2.3 管理單次MRO服務的任務SBOM

進行MRO服務時，由于產品運行狀態的不同，會產生不同的服務需求，服務內容也不同。以某時刻實例SBOM的節點參數為輸入數據，服務人員依據維修規程和實際業務需求實施MRO服務。任務SBOM用于管理單次MRO服務下需要關注的產品結構，涵蓋了一次MRO服務的全部內容，包括服務內容、服務方法、服務所需的資源等，用于對MRO服務過程的指導。單次任務SBOM基于MRO服務需求，選定服務節點和節點間的可變約束，對實例SBOM進行部分映射而成。一個實例SBOM可以映射成多個任務SBOM。

2 不同類型的SBOM演化關系模型

2.1 通用SBOM的內部演化關系

通用SBOM包含產品全部的MRO服務范圍，是產品服務生命周期的數據源頭，采用三元組KG=〈PG,RG,CG〉進行表示，其中PG、RG、CG指通用SBOM中的節點、節點間約束和屬性集合。通用SBOM節點p一般以物料號BMNp為標識符號，同一批次或型號的零件具有相同的物料號，節點p的數量為np，在產品通用SBOM中表示為(np)p，則節點集合PG可表示為∑{(np)p}。依據SBOM的節點分類，還可將PG表示為三種類型節點集合的并集，即PG=Psg+Psp+Psr，其中Psg表示通用節點集合，Psp表示位置節點集合，Psr表示可選節點集合。RG指零件間的裝配關系即節點間約束集合，依據SBOM的節點間約束分類，可將其表示為通用約束集合Rsu和可變約束集合Rsc的并集，即RG=Rsu+Rsc。節點p的裝配約束關系為

Rp={rp|rp=,p≠pj,(npj)pj∈PG,npj∈N+,z1∈Z}

(1)

式中z1為節點p和節點pj的裝配約束數量關系。當z1>0時，p是pj的父項；當z1<0時，p是pj的子項；當z1=0時，p和pj無父子關系。

因此通用SBOM中的節點間約束集合可以表示為

(2)

節點p的靜態屬性集合Cp中包含多種不同類型的屬性cp，即Cp=∑{cp}，則通用SBOM中所有節點的靜態屬性集合CG可表示為

(3)

將中性BOM表示為KGM=〈PGM,RGM,CGM〉,其中PGM、RGM、CGM指中性BOM中的節點、節點間約束和屬性集合，可表示為

PGM=∑{(npm)p}

(4)

(5)

(6)

式中：npm指節點p在中性BOM中的數量，RMp、CMp指節點p在中性BOM中的節點間約束和通用屬性集合。

位置BOM不僅繼承了中性BOM結構，同時又將中性BOM中的位置節點進行拆分，并添加位置相關屬性。位置BOM可以表示為KGP=〈PGP,RGP,CGP〉，其中PGP、RGP、CGP指位置BOM中的節點、節點間約束和屬性集合，可表示為

PGP=∑{(npp)p}

(7)

(8)

(9)

式中：npp指節點p在位置BOM中的數量，RPp、CPp指節點p在位置BOM中的節點間約束集合和位置屬性集合。

通用SBOM為中性BOM和位置BOM復合而成的物料清單，因此節點p在這三類BOM中的數量和屬性的關聯關系為

np=npm+npp

(10)

Cp=CMp+CPp

(11)

對于中性BOM中的任一位置節點p((np)p∈PGMand(np)p∈Psp,np∈N+)，按照其位置管理要求，在位置BOM中需要將裝配數量關系為|z2|(|z2|>1,z2∈Z)的p節點約束拆分成|z2|個裝配數量關系為1的p節點約束，則位置節點在中性BOM和位置BOM中的節點數量及節點間約束的關聯關系為

npp=npm+|z2|-1

(12)

RMp={rmp|rmp=〈p,pj,z〉,p≠pj,(npj)pj∈PG,npj∈N+,|z2|>1,z2∈Z}

(13)

RPp={(|z2|)rpp|rpp=〈p,pj,1〉,p≠pj,(npj)pj∈PG,npj∈N+,|z2|>1,z2∈Z}

(14)

位置節點在通用SBOM、中性BOM和位置BOM中的節點間約束的關聯關系為

Rp=RMp+RPp

(15)

而對于中性BOM中的非位置節點p((np)p∈PGMand (np)p?Psp,np∈N+)，其在中性BOM和位置BOM中具有相同的節點數量和節點間約束：

npm=npp

(16)

RMp=RPp

(17)

非位置節點在三類BOM中的節點間約束關聯關系為

Rp=2RMp=2RPp

(18)

2.2 通用與實例SBOM間的演化關系

實例SBOM在通用SBOM的基礎上，根據零組件的供應商確定可選節點的物料號，刪去同一位置處的其他可選節點，并增加實例零件的序列號、零件剩余壽命等動態屬性。實例SBOM節點可以看成是通用SBOM節點與實例零件的組合，以零件安裝時間為關聯關系，采用六元組KI=〈PI,RI,CI,PC,AC,T〉進行表示，其中PI、RI、CI表示單件與批次產品相同的節點、節點間約束和屬性集合，PC表示實例SBOM中裝配的實例零件集合，AC表示實例零件的動態屬性集合，T表示實例SBOM的時間戳。p′表示節點p處安裝的實例零件，以序列號USN為標識符號。通用SBOM中可選節點集合Psr包含了所有位置處的可選節點，可選節點位置數量為nsr，任一i(i∈Zand 1≤i≤nsr)項位置的可選節點集合Psr(i)為

(19)

式中：n(i)為第i項位置處可選的供應商數量，nsr(i)為第i項位置處的零件數量關系，節點psr(i,j)指第i項位置處由第j個供應商制造的零件。

可選節點集合Psr可看成是各個位置處的可選節點集合之和，表示為

(20)

初始實例化SBOM時，需要選定可選節點位置處的供應商，同時刪去該位置處的其他可選節點。設定第i項節點位置處選用的零件由第j(i)(j(i)∈Zand 1≤j(i)≤n(i))個供應商提供，則通用SBOM與實例SBOM之間的關聯關系可表示為

(21)

(22)

(23)

2.3 實例與任務SBOM間的演化關系管理

任務SBOM是根據MRO服務需求對實例SBOM進行部分映射而成，涵蓋了單個產品的單次MRO服務的全部內容。每次任務執行后，實例SBOM會根據服務需求發生變更，因而任務SBOM也是會隨著時間而改變的。進行MRO服務時，首先需要根據維修規程和產品狀態確定此次MRO服務的范圍以及內容。產品具有不同級別的MRO服務范圍和深度，例如在機車小修時只需要檢查轉向架，而中修時則需要對轉向架進行拆檢，因而在不同的任務SBOM中具有不同的節點和節點間約束；而產品在不同時間段也會進行相同的MRO服務，不同的任務SBOM中也有相同的節點和節點間約束。為了提高MRO服務信息的重用性，構建了通用模板-實例模板-服務實例即CIS三層結構(Common Templet-Instance Templet-Service Instance)管理任務SBOM，如圖2所示。

在以CIS結構為核心的數據管理模式中，通用模板是面向型號產品的，實例模板和服務實例是面向單件產品的。由于同一批次或型號的產品共用一套維修規程，因而具有相同的MRO服務，使用通用模板對這類MRO服務進行管理，對應著同型號的N個實例產品，并存儲在通用模板庫中。而單件產品具有使用環境多變、故障復雜的特點，可能會產生超出維修規程范圍的MRO服務，例如附加檢修等，因而同一批次或者型號的產品的MRO服務模式具有差異性，使用實例模板對實例產品的MRO服務進行管理。實例模板在通用模板的基礎上，根據實際的MRO服務需求進行增刪改，與實例產品是一一對應的關系，并存儲在實例模板庫中。對某個產品實施MRO服務時，可從該產品的實例模板庫中獲取相應的任務模板，并根據任務執行時間確定安裝的實例零件，擴展實例屬性，生成任務SBOM，并作為服務實例存儲在服務實例庫中。任務SBOM是對實例SBOM的部分映射，表示為KIT=〈PIT,RIT,CIT,PCT,ACT,TT〉，其中PIT、RIT、CIT、PCT、ACT、TT分別表示任務SBOM中的節點、節點間約束、靜態屬性、實例零件及其動態屬性集合和任務時間戳，任務映射主要體現在節點和節點間約束上，可以表示為PIT?PI,RIT?RI。

圖2 基于CIS三層結構的任務SBOM的管理模式Fig.2 Task management mode of SBOM based on CIS three-tier structure

一個實例模板會產生N個服務實例，但是存在某些加改裝任務由于初次實施找不到相對應的任務模板的情況，此時需要根據當前的MRO服務需求構建新的任務SBOM。而當該項任務執行次數過多時，經服務人員決策后，可以將其轉化成實例模板，添加到實例模板庫中。此外，生產廠家還可以根據實際的MRO服務情況，對維修規程中不合理的地方進行修改，并應用到同型號產品的MRO服務中去，從而改進該型號產品的MRO服務質量，實現MRO服務過程中的閉環信息反饋。

3 不同MRO服務需求下的SBOM動態演化模型

在服務階段，MRO服務的實施會帶來單個產品在結構、組成零件或者性能參數的改變。MRO服務需求一般分為維護、修復、更換和加改裝四種，通過分析不同服務需求對產品結構關系和裝配零件產生的影響，將SBOM節點的變更分成兩種：第一種為節點和節點間約束的變更，該變更類型下通用SBOM和實例SBOM均發生了改變；第二種為實例零件及動態屬性的變更，該變更類型下通用SBOM不變，實例SBOM發生了改變。對每一種變更類型下的節點狀態進行分析，討論不同節點狀態下通用SBOM和實例SBOM的動態演化過程。

3.1 節點和節點間約束的變更

產品在投入使用后，會有較長的產品服務周期，使用環境也在不斷發生變化。當運營商發現零部件或者軟件版本不滿足現有的使用要求時，會向生產商提出改裝、加裝或者軟件升級的服務需求；或者是生產商通過產品的歷史服務記錄，發現重大的質量缺陷，對已經出廠的產品召回后進行設計結構或者生產工藝的更改服務。這類服務需求往往先由設計人員評定分析，對產品的設計制造結構或者屬性進行更改后，再調整通用SBOM的產品結構、零件屬性和維修規程。由于實例SBOM是對通用SBOM的序列化，因此不僅節點的需求版本或節點間約束會發生改變，安裝的實例零件的版本也會發生變化。在這種變更類型下，節點具有新增、刪除和升版三種狀態。

3.1.1 新增狀態

3.1.2 刪除狀態

3.1.3 升版狀態

圖3 節點和節點間約束變更類型下的節點狀態Fig.3 Node status under node and inter-node constraint change types

3.2 實例零件及動態屬性的變更

在對產品進行維護、修復和更換服務時，由于產品通用SBOM節點不會發生改變，因而其實例SBOM中的產品結構及零件靜態屬性也不會發生改變，該變更類型下只討論實例SBOM中實例零件及動態屬性的變化。節點具有修復和更換兩種狀態，而更換分為整體更換和拆卸更換，整體更換時，該組件及其所有子件都會同時發生變更，而拆卸更換只會更改部分子件。

3.2.1 修復狀態

3.2.2 零件更換狀態

3.2.3 組件更換狀態

圖4 實例零件及動態屬性變更類型下的節點狀態Fig.4 Example parts and node states under dynamic property change types

4 應用實例

基于上文對SBOM演化模型的研究，本文以某機車轉向架的部分結構為例，描述產品服務生命周期中面向不同管理需求和服務需求的SBOM演化過程。其中，機車轉向架的通用SBOM、實例SBOM和任務SBOM結構及其之間的轉換關系如圖5所示。

對于部分關鍵節點，需要對其整個服務生命周期進行管理，要求能快速追溯到該節點處特定時間安裝的實例零件以及實施的MRO活動，實現MRO服務追溯。服務追溯一般是基于實例SBOM而言，依據節點追溯目的本文定義了兩種MRO服務追溯機制：

1)節點在特定時間點t0安裝的實例零件追溯。依據追溯節點的物料號BMN和t0，基于實例SBOM結構，確定該時刻安裝的零件序列號USN。

2)節點在特定時間段[ts,te]的安裝歷史序列追溯。依據追溯節點的物料號BMN、開始時間ts和結束時間te，確定初始和末尾追溯時刻安裝的實例零件序列號USNs、USNe，并沿著時間坐標生成該節點在此時間段的安裝歷史序列[tsUSNs…USNete]。

圖5 面向不同管理需求的機車轉向架SBOMFig.5 SBOM of locomotive bogie for different management requirements

本文以該機車轉向架的實例SBOM在T0-T3期間的三次MRO服務下的動態演化過程為例，對MRO服務追溯機制進行驗證。初始時刻T0時，機車實例SBOM結構如圖6(a)所示。T1時刻，維修人員在出發前對機車轉向架中的輪對電機組裝一組進行齒輪油位的外觀檢查任務，該服務下的任務SBOM如圖6(b)所示。通過檢查發現齒輪油位較低，因此按照維修說明對齒輪箱進行了加油操作。該MRO服務下，齒輪箱節點為修復狀態，加油后的機車實例SBOM結構如圖6(c)所示。T2時刻，維修人員在日常檢修時對機車轉向架的輪對電機組裝一組進行了拆檢任務，需要將輪對電機拆下后再進行檢查，該服務下的任務SBOM如圖6(d)所示。檢查后發現牽引電機故障，按照維修說明對該牽引電機進行了更換操作。該項MRO服務下，牽引電機節點為零件更換狀態，其零件序列號及其他動態屬性均發生了改變，而其他節點保持不變，更換后的機車實例SBOM結構如圖6(e)所示。T3時刻，由于機車在運行過程再次出現了牽引電機異常的情況，維修人員再次對機車轉向架的輪對電機組裝一組進行了拆檢任務，該MRO服務下的任務SBOM如圖6(f)所示。為了避免再次出現異常情況，按照維修說明對輪對電機組裝一組進行了整體更換。該項MRO服務下，由于更換了輪對電機組裝一組，輪對電機組裝一組的子件也會隨之進行更換，因此輪對電機組裝一組為組件更換狀態，其子件為零件更換狀態，兩者的零件序列號及其他動態屬性均發生了改變，整體更換后的實例SBOM如圖6(g)所示。

5 結 論

本文通過分析動態MRO業務特點，定義了SBOM的節點和節點間約束，建立了不同類型SBOM間的演化關系模型，以及不同服務需求下的SBOM動態演化模型，并以某型號機車轉向架為例進行了演化模型及MRO服務追溯機制的驗證。演化模型將動態服務需求與產品結構結合起來，實現了SBOM對于動態MRO活動的支持，為復雜裝備企業提供了產品服務生命周期中動態數據的管理方法。