制造数据结构的概念
制造数据结构（Manufacturing Data Structures）是表达和组织制造对象及其制造过程的信息体系。在制造业信息化中，制造数据结构是一个最最基本的概念。一般来说，制造过程是非结构化的。为了利用计算机技术进行制造过程的管理，首先必须将制造数据结构化，将制造的对象：产品、各种零组件、采购件和外包外协件的属性用计算机能够识别的数字、符号来描述。同样，对制造过程和约束制造过程的制造环境也必须完成这种数字化表达。所有这些描述制造对象和制造过程的数字和符号的集合就是通常所说的制造数据。这个过程就是通常实施ERP数据准备的第一步——数据收集和编码过程。产品和组成它的零组件之间、每个零组件和它的加工或装配过程之间、制造过程和与其关联的资源之间都存在着内在的或按有效制造和装配的安排而形成的逻辑关系。“结构”就是用来表达制造数据相互关系的。没有结构，即组织得不好的数据是无法或难以为ERP所利用的。因此完整的“制造数据结构”包括：
v 产品的数字化表达和产品组成之间的相互关系的描述，
v 制造过程（步骤）的数字化表达和每个制造步骤之间的相互关系的描述，
v 制造环境，包括生产组织、设备、工具及其布置、以及它们与每个制造过程的关系的数字化描述。
除了制造的直接对象和直接过程之外，制造数据结构有时还涉及制造过程的副产品、协产品。显然，制造数据结构与软件数据库的数据结构并不是一回事，后者是前者在数据库系统中的实现。
因为制造数据结构包括了制造对象、制造过程和制造环境及约束等几乎所有的重要数据，使制造数据结构成为设计和实施MRP/MRPII/ERP或一切数字化制造系统的基础。Oliver Wight咨询公司（因从事ERP实施效果的ABCD等级评价而闻名）的Jerry Clement等人是目前有限的几本制造数据结构专著之一的作者。早在上个世纪的九十年代中期他就指出：企业保证MRPII成功有3个必须具备条件：
v 有充分理解和掌握MRPII知识的人，
v 有正确和完整的制造数据结构，
v 有适合企业应用的软件。
Jerry Clement将制造数据结构作为运行ERP的基本功和基石，是企业向成功实施ERP迈出的第一步。所以实施ERP企业的数据准备不单单是数据的收集和录入，而构建好的制造数据的结构才是数据准备的关键。好的制造数据结构首先是由ERP系统本身保证的，ERP软件提供制造数据结构的框架，如同房屋的构架一样。ERP软件的设计在很大程度上决定了制造数据结构的优劣。另外，制造数据结构也取决与应用企业的数据组织，如同房间内部的装饰和布置。完整、正确、方便的数据结构最终是与应用企业对制造数据结构的理解、经验直接相关的。所以创建好的制造数据结构是软件供应商、咨询公司和企业自身的技术和协同的结晶。
制造数据结构的表达
从出现制造企业的管理信息系统和物料需求计划软件MRP开始，人们就在研究制造数据结构，使用最多的是大家所熟悉的 “物料清单BOM（Bills of Materials）”。BOM是用来描述制造产品结构的。因为MRP相关需求原则的应用，使BOM成为制造数据结构的主要形式，事实的行业标准。但它仅仅是制造数据结构的一部分。因为BOM只解决了“制造什么?”的问题，而对于“如何制造?”和“用什么来制造？”，即对制造过程和制造资源的结构化描述则缺少规范和标准，在很长的时期内显得十分薄弱和混乱。某些软件可能只有堆积的“数据”而没有系统化的“结构”，缺了后者，ERP就不能完成生产计划和控制的任务，资源优化更无从谈起。对制造过程和制造资源描述不清的ERP软件，处理离散制造企业的计划和现场执行业务就很困难。所以目前对于制造过程的结构化描述成为面向离散制造业ERP软件的关键能力。
这仅仅是问题冰山的一角。在产品由一家一户的企业独立制造的时期，或者孤立的ERP应用阶段，矛盾并不突出。随着供应链管理、精益企业或动态联盟虚拟企业这些新制造模式的推行，使产品的设计和制造过程跨过了独立企业的边界。基本上标准化了的产品数据结构BOM较好的适应在跨企业环境中的数据交换和设计协同。而在多个供应链伙伴企业的ERP之间进行制造过程和制造资源的数据交换，将因为制造数据结构的方式不同而变得十分困难。这种局面直到2000年以后随着数字制造技术的发展，制造数据结构的全面表达才有了比较好的解决。
目前表达制造过程和制造资源结构的方法渐趋一致，尽管有不同的名称，如Tecnomatix的e-Bill of Processes (eBOP)，Dassault Systemes的 PPR Hub (Product, Process and Resources Hub)、LeanERP的集合BOM（Aggregate BOM）等，都采用了与产品BOM的树型结构相类似方法。在名称上，本文将带有倾向性的使用“e-BOP—电子过程清单”这个术语。
e-BOP也采用层次结构的组织方式，采集和和汇总了一个产品制造过程的所有信息，如按装配顺序排列的所有的零组件，按加工或装配时序排列的所有零组件的制造或装配工序、每个工序中的工步内容、所用的设备、工具、人力资源、工时标准、质量要求和试验过程，以及编制和执行制造过程制造所需要的信息，如车间布置、成本、生产线的能力和功效、作业的工作说明书等等。
e-BOP显示界面的形式较BOM更为多样，除了常见的树形表之外，还有用工作流方式表现产品或组件的制造过程，以及用计划评审PERT图的方式表现零件的制造过程等。在这些图形中，与制造过程相关的信息以属性的方式即时展开。
制造数据结构的构建和传递
在90年代中期，或非集成制造环境中企业没有采产品数据管理PDM系统，制造数据结构都是在MRPII/ ERP系统中手工采集和构造的。因此出现了关于制造数据结构的准确性、完整性、校准和评估问题。当时企业的希望是直接将CAD的物料表转移到ERP中来。90年代后半期，PDM流行的结果，有关产品的数据结构有可能直接从PDM传递到ERP中。但是复杂的离散制造出现了工程EBOM和制造MBOM的区分。ERP中使用的MBOM是在CAPP中产生的，ERP则转而与CAPP集成和传递MBOM。某些企业将制造过程作为文件也放在PDM中管理，ERP的产品数据结构又从PDM中来。但这些仅仅是产品数据结构BOM数据的传递。有关制造过程的数据的创成和集成则成为制造业信息化的空白地带。大量的制造过程数据和过程数据的结构始终主要依赖于简单的数据导入和手工处理，形成BOM与路线、路线与资源数据的分离和ERP数据准备瓶颈。直至目前，我国的许多制造企业，PDM/CAPP的应用状态仍然不理想的情况下，ERP需要的制造数据结构仍旧主要靠手工输入。
刚刚进入21世纪，制造业信息化出现了一种新的应用方式——制造过程管理（Manufacturing Process Management ，MPM）。MPM是扩展企业（供应链、精益企业或动态联盟虚拟企业）间协同开发、优化和管理制造过程的业务战略。MPM 可以使多场所的多用户如同在一个企业一样地整体进行制造过程开发。制造过程管理的核心是建立产品的e-BOP，并且将它存在公共服务器上，并在网上发布。各种应用，如ERP、MES、SCM等系统，以及企业内部的工厂车间、供应链伙伴、供应商等各种用户直接通过访问，可以共享和使用e-BOP进行协同过程设计和提早向加工现场发布过程设计。
制造过程管理MPM的出现填补了制造数据结构中关于制造过程和制造资源管理内容的空白。目前MPM又与新兴应用软件——产品生命周期管理PLM相集成，成为PLM的一部分。这样PLM成为整个企业、乃至整个供应链的协同平台和统一数据源，从而改变了整个离散制造业制造数据结构的创建、传递和应用的模式。制造数据结构更趋于集成，包括ERP在内的各种应用的数据准备将更加简单。当然，ERP本身的系统结构也必须适应这种转变，最重要的是ERP自身的制造数据结构框架应该与PLM-MPM的制造数据结构体系一致或趋同，并且支持3D制造过程结构数据的处理和模拟优化。这将是数字制造时代ERP的发展趋势之一。
制造数据结构的类型
在产品整个生命周期中，有多种BOM形式。如：
v 工程BOM或EBOM（Engineering BOM），是以设计和功能的角度描述产品的结构，
v 工艺BOM或MBOM（Manufacturing BOM），是以装配和加工过程的角度描述产品的结构。MBOM是在EBOM基础上，按照制造或装配过程的顺序进行调整得到的。
v 成本计算用的成本BOM，
v 用于ATO生产模式的计划BOM和模型BOM等。
以下我们将关注比较被人忽视的一种BOM形式——生产BOM。工程EBOM和制造MBOM是众所周知的应用较多的2种形式。我们认为，EBOM和MBOM以及工艺设计结果的BOP都是技术层面的概念，是制造数据结构的技术文件。在生产过程中将落实在加工指令FO（Fabrication Order）和装配指令AO（Assemble Order）、或者是电子工作指令EWI( Electronic work instructions)中，直接用来指导制造过程。EBOM和MBOM上零件一个都不能少，仅仅是位置和次序有变化，BOP的制造过程也一步不能缺，否则工人就不能高质量的施工。
但是，根据我们在复杂产品离散制造企业实施ERP的经验，还有另外一种BOM和BOP存在，我们称其为“生产BOM”或PBOM（Production BOM），是使MBOM适应制造过程的组织状态和生产模式所作的变型。例如同样的产品和制造过程，在功能型车间制造和在制造单元里制造，PBOM是不一样的。我们认为，真正在ERP中起作用的恰恰是这个生产PBOM，它才是编制计划、现场组织、工艺布置和物料流转的依据。与EBOM和MBOM不同，生产BOM是管理范畴的概念。尽管PBOM经常被忽视，但它对制造的计划和现场的组织有重大的影响，对实现精益制造和企业结构扁平化更有重要的意义。
制造数据结构的层级构造制造数据结构有2个要素：第一是结构，即前几节介绍的如何来组织物料或制造过程。第二就是结构的深度，也就是BOM和BOP由多少层组成。在产品数据结构的BOM中，每一对父子件关联就建立了一层“结构”。同样，零件的制造工序的步骤就是BOP的层次。目前几乎所有复杂的离散制造行业都踏上了精益制造的历程，几乎所有的企业都转向重过程的不间断而逐渐淡化分工。工厂的结构开始发生重大的变化，扁平化和现场决策自主化成为几乎所有离散制造企业的追求。这种趋势必然反映到所有制造数字化系统中来，对于PDM/MPM或PLM的影响是企业内外的协同和DFA/DFM，对ERP的影响则是扁平化。有一种说法是“先有扁平的BOM，才有扁平的企业”，“精益制造就是精益BOM”。说明制造企业的扁平化在很大程度上将取决与制造数据结构的扁平化。 但是一般认为，BOM的层级是由产品本身的复杂程度和制造过程的路线长度所决定的。一架不大的飞机，BOM的层次是30多层，复杂零件的工序过程达到300余个。但在制造现场，并不是如此。例如，某种陆用燃气涡轮机的火焰筒是由5种耐热合金材料和10个零件组成。制造过程有2种做法： 方案1：先在钣金制造单元下料、成型，造出10种零件来，中间库存或不库存直接转移给焊接制造单元焊接成火焰筒。 方案2：钣金制造和焊接同在一个“钣金综合制造单元”完成。零件下料、成型接着进行焊接形成火焰筒。中间没有制造单元间的转移、库存和组合前的配套作业。 在制造工艺过程完全相同的条件下，方案1的生产BOM起码有3层：原材料、零件、成品件。而方案2则仅仅需求2层：原材料和成品件。在ERP里，方案2根本不需要给火焰筒的零件编号，生产BOM也没有它们，而只有这些零件所使用的原材料（注意：在FO/AO/EWI上是不可缺少的）。 同样，路线或BOP的层次也是起码有2种方案： 方案3：在方案1的前提下，如果每个零件都有10个工序，焊接装配也是10道工序，原原本本地将工艺转成为路线，这时总过程起码有20层。 方案4：在方案2的前提下，从原材料到最后的火焰筒仅仅作为1道工序（这个工序的内容囊括了整个火焰筒全部零组件的全部FO/AO/EWI的内容），这时火焰筒的路线只有1层。 显然，方案3和4是两个极端情况。用方案3生产时，BOM有3层、工艺有20层。ERP将产生5个采购定单PO、11个工作定单，10个（零件）入库单（原材料的采购入库不计算在内）和和15个出库单。方案1的BOM层级过多、冗长的制造路线都需要更多的数据维护，大量的报表和移动处理，会转移和淡化了对关键过程的关注。方案4的BOM只有2层，路线只有1层。ERP仅仅需要5个采购定单和1个工作定单，仅仅需要5个原材料出库单即可。但是它太粗糙，起不到管理和控制的作用。 火焰筒产品的制造数据结构层级定义
那么应当怎样定义制造过程的结构呢？我们给出以下原则。 1 管理的“度”和数据的“量”管理必须有个“度” 。“度”就是计划、进度和成本控制的期望水平。或者说是管得粗一些还是管得细一些。按精益制造的观点，并不是管理得越细越好。计划期段的“粒度”和生产的对象及生产节奏有关。控制的越细，需要的数据越多，计划项目越多、数据采集越多。ERP就越不易于实行。同样，管理过程自身的浪费也就越多。一个企业产品的零件成千上万，虽然在装配时一个也不能少，但由于零件的复杂程度、制作的难易、成本的多少，在生产过程中，对它们的关注并不是同等的。有些零件，必须控制制作它们的每一个工序甚至每一个工步。而另外大约70-80%的零件可以不花精力去控制它的过程，制造单元的工人能很轻易的保证供应，或者在制造单元中，能够很平顺地流转。当然，本篇文章立意于每个企业很了解自己管理的“度”。 在传统的大量生产模式下，用精细的分工和低等级工人打散了连续的制造过程。而为了控制实际存在、但是被抹杀的过程，又采用了多层级的管理和大量的报表来恢复过程的原貌。很多企业在实施ERP时，在这种传统思想蛊惑下，总以为受控零件“越全越好”、计划“越细越好”，报表“越多越好”，这是个很大的误区。为了某一个细节，可能需要你化费数倍于所得的精力和时间。最后你的大叠的报告，可能没有一个人去仔细看它，还会引起反感。 必须牢牢记住，多一个零件号，或者多一个工作定单号，会增加十几倍的额外工作量。因此，在离散制造业建立制造数据结构时，首先要确定自己管理的“度”，和数据的“量”。适度的控制范围和适度的管理“粒度”将大量减少ERP实施过程的数据准备工作量，减少系统开通的时间，减少错误，减少日后的数据维护工作量。而在必须重点控制的“点”上，可以施以浓墨重彩。 2 对物流中断的容忍度对生产BOM和BOP的层数最重要的决策依据是：企业在生产过程中，容忍物流中断的次数或中间状态物料存储的次数。 在制造过程中对必须进行暂停、存放、需要制订计划和控制它的进度的物料，或者必须清楚和单独控制它在制造过程指定阶段的某些信息，如成本、提前期、订货策略等，才需要设定独立物料项目和BOM层级。用精益思想指导制造过程越来越为企业所看重，企业趋向于不库存，不制定工作定单和不维护相关的报表。这就决定了BOM需要简化和BOM的深度趋浅。效果是物流由于较少的中断而更加平顺流畅，生产周期大大减少。 确定制造路线的步骤也是同样道理。设立工序是为了控制阶段进度、确定能力和过程监控和排序。必须进行半成品转移的、必须控制的工序则必须在路线中出现，而不必特别关注的过程则不必在路线中，可以减少路线的层次。达到减少数据采集、消灭报告报表，减少维护数据的工作量的目的。 3 简化制造单元内部的过程控制一般采用制造单元组织生产时，单元作为一台设备或一个不间断的生产线对待。这时仅仅需要控制制造单元的进出就足够。没有完全反映制造过程的必要。所以单元制造、多面手工人和看板生产是实现工艺路线扁平化的重要手段。 ERP中制造数据结构层级的确定关于如何确定制造数据结构的层级，我们的结论是；BOM和路线的层数是由原材料或采购器件到最终产品的制造过程中，如何处理半成品或中间件的策略、管理和控制的粗细程度和生产组织方式所决定的。在上述火焰筒的例子中的方案5是：若在10种零件中只有一种是关键件需要特别关注，该零件必须在BOM中出现，并且全程控制它的制造过程。组合焊接是需要按工序控制质量，则生产BOM的层级为3，过程的层级是20，但是ERP只要生成2个工作定单WO、每批需要2个入库单和6个出库单。这是一个优化的方案。 这个例子说明，生产BOM或BOP的构成仍旧以产品和工艺结构为基础，但可以根据生产方式和控制粒度的不同有很大的差异。不能够教条地搬用MBOM和BOP的结构。实施ERP时制造数据结构的构建决不是产品结构的复制品或翻版，也不是工艺过程的映像。而是按企业制造过程对产品结构的重构。什么样的制造数据结构就决定了什么样的制造过程。在涉及CAD—ERP、CAPP—ERP或统一为PDM/MPM/PLM—ERP集成时，必须考虑这些差异，要经过一次细致的重新评估和构建，并不是单纯的数据传递和接口过程。只有在精益企业环境中，采用了综合产品团队IPT、用DFM/DFA方法开发产品时，才能实现MBOM和生产BOM的一致。 任何企业都有自己的产品，生产过程、市场以及自己的生产节奏和个性。因此企业构造制造数据结构时，既需要企业的员工的经验，也需要借助外部专家的理论和最佳实践的指导。如何构建制造数据结构对企业很深远的影响，实现结构优化需要全员的理解和支持。 结束语ERP实施的瓶颈是什么？我们认为，在离散制造业，数据是成功实施ERP的严重瓶颈。众所周知，在同样的企业环境中，网络和OA的应用比较容易。为什么？因为OA应用的数据准备工作量较小。CAD的应用为什么推广较快？同样因为除开准备各种标准库以外（有时是供应商可以提供，或者可以买到），数据准备量也不大。CAPP也是产生数据的，如果将CAPP当作文本编辑器使用，可能也比较容易使用，但如果是真正“创成”或即便是“范成”工艺过程，就要用到更多的数据和标准，成功实施CAPP也不是轻而易举了。而ERP、特别是离散制造业的ERP系统中，企业数据是买不来的，不经过痛苦的数据准备过程根本运行不起来。目前已经成为规律：无论那个行业的什么样的IT应用（CAD、CAM、PDM、ERP、CRM、OA）、无论是什么样的业务（财务、销售、库存、计划和执行现场），那里的数据准备工作量大或复杂，那里的应用就不顺利。或者即使系统运行但不能取得预期效果。可见数据对于实施ERP的重要。但是知道数据准备的重要性是一回事，而会不会准备数据则又是另一回事。制造数据结构就是研究离散制造企业实行ERP中如何进行数据准备的。 终究制造数据结构是个十分深刻和广泛的题目，除了本文已经涉及到的制造数据结构的创建、传递、集成和层级问题以外，还有：在手工参与数据结构的输入和构建时对结构正确性和完整性的评估、校对方法问题；面向大规模定制生产的客户化产品的数据结构的快速创建及产品构型管理问题；制造数据结构的工程更改、版本管理和有效性控制问题；制造数据结构的重用和知识积累问题；虚拟环境中由3D模型创建制造数据结构和对其进行3D模拟优化问题等等，有太多的事情要作。我们希望从事ERP的企业、供应商、咨询提供商和各位关专家共同关注制造数据结构问题，创造最佳实践，为打开离散制造业ERP的瓶颈共同努力。 （本文以鲁康、赖惠、陈绍文共同署名在《CAD/CAM与制造业信息化》期刊2004年4月号首发。） |
