1 引言
MRO(Maintenance，Repair and Overhaul/Operation)是产品在使用和维护阶段所进行的各种维修、维护、大修和操作等制造服务活动的总称，是产品全生命周期的重要组成部分。MRO支持技术是制造服务业的核心支撑技术。它将现代MRO理论、网络信息技术和企业管理方法相结合，利用产品知识对MRO数据和过程进行有效管理，支持产品制造商、用户和维修服务商在整个产品生命周期中共享产品相关信息的关键使能技术，开发和应用大型装备MRO支持系统是延伸制造业价值链、提高企业竞争能力和可持续发展的重要支撑。为此，863计划专门设立了“大型装备维护、维修与大修(MRO)支持系统”重点项目，本文内容是该项目研究成果的一部分。
MRO业务主要涉及六个方面：装备运行信息管理、维修资料和知识管理、维修需求及计划管理、维修物料管理、维修监控与确认、维修执行管理。需要实现与产品的设计、制造、销售、使用与维护、报废与回收等生命周期阶段之间的信息交互与反馈，其中涉及与PLM(Product Lifecycle Management)、CRM(Customer Relationship Management)、ERP(Enterprise Resource Planning)、MES(Manufacturing Execution System)、SCM(Supply Chain Management)等各种应用系统和决策支持工具之间的信息交互。装备在使用和维护阶段的核心业务如图1所示。
图1 产品维修核心业务示意图
维修计划是产品MRO业务管理的核心。本文首先将探讨如何设计维修BOM结构以有效组织海量MRO数据，提出由中性结构和实例结构组成的复合式维修BOM结构，接着通过分析维修需求和计划管理的主要业务对象，重点讨论如何实现维修BOM驱动的维修需求及计划管理。最后通过一个实例来说明如何利用维修BOM来实现维修需求及计划管理。
2 维修BOM结构设计
诸如飞机、舰船、发电设备、工程机械等大型复杂装备的各种维修技术支持与服务涉及到设计、制造、使用、维修等多个阶段的技术资料、维修知识、维修历史等海量数据信息资源。与设计制造阶段利用设计BOM、制造BOM的做法相同，MRO支持系统也要利用BOM来组织和管理装备数据信息。维修BOM不但用来描述装备的物料组成及物料之间的关系，更重要的是要用于组织和管理使用维护阶段的海量的装备信息资源。对于同型号或同批次批量装备，尽管初始的维修BOM完全相同，但在使用过程中装备结构会因为关键零部件的更换而发生变化，维修BOM所关联的运行信息、维修历史信息等会不断增加，因此必须管理到单件具体装备的维修BOM，也就是说，必须对每件装备都要建立一个维修BOM。这点与设计BOM和制造BOM等对应的是同型号或同批次批量装备的数据管理不同。如果采用和设计BOM和制造BOM相同的单树式BOM结构，同型号或同批次的批量装备所对应的大量结构高度相似的维修BOM会存在大量的数据冗余，维修BOM数据的一致性也难以保征。
为提高装备MRO源数据的信息组织和管理效率，设计了一种复合式的维修BOM结构，如图2所示。与采用单树式BOM相比，这种维修BOM结构能更好地组织和管理海量的产品维修信息资源，降低维修信息资源组织的数据冗余度。
图2 复合式维修BOM结构图
定义1(中性结构)是维修BOM的核心结构，是虚拟的单树式BOM结构，其数据节点关联的都是具有共性的结构数据或维修资料和知识数据，用于组织共性的维修资料和维修知识。
中性结构反映的是多件装备的共性结构，同型号或同批次的多件装备的中性结构是完全相同的，因此尽管每一件装备都要对应一个维修BOM，但同型号或同批次的多件装备可以共用一个中性结构。
定义2(实例结构)是中性结构在客观世界的真实反映，是用来描述某件具体的物理装备在某个时间真实配置数据和元数据的单树式BOM结构，其元数据节点部是个性元数据节点，用于组织单件具体装备的MRO业务数据。
实例结构是中性结构在客观世界的实例化，每件装备都对应一个实例结构。对于共用中性结构的多件装备而言，实例结构和中性结构是多对一的关联关系，一个中性结构对应多个实例结构。
通过复合式维修BOM可以将维修资料和知识、MRO业务数据等海量信息资源有效地组织起来，某型飞机有前、左、右三个起落架，其中左起落架和右起落架为主起落架，其结构相同。但前起落架的结构与主起落架不同。以该型飞机为例，维修BOM的组织图如图3。
图3 飞机起落架维修BOM
定义3(中性物料)用于标识同型号或同批次的同一种装备，中性物料是对同种类型的不同实际物料的统一描述。中性物料之间存在从属关系，利用这个关系形成中性结构。使用唯一性的物料代码来唯一标识。
定义4(实例物料)实例物料是中性物料批次化或序列化产生的具体物料。通过实例物料和实例物料关联可以建立起描述一个现实的实例结构。
中性物科和实际物料之间是抽象和具体的关系，如：东风内燃4B型机车和第12台东风内燃4B型机车，轮轴和第18号轮轴。
3 主要业务对象和流程管理分析
维修需求管理模块的主要类和类之间的关系如图4所示，上半部分表示维修需求阶段的主要类型，包括：中性物料、维修需求、工艺卡、工序等。下半部分表示维修计划和执行过程中的主要类型包括：实例物料、维修活动、工单、作业卡、作业任务、实例BOM变更报告和不一致报告。下面对各个类进行详细说明。
图4 基于BOM的维修业务对象组织
维护需求相关信息一般来自于共享的维修文档和知识，维修需求管理主要业务对象设计如下。
(1)维修需求：维修需求上关联一个或多个中性物料对象，用以指明该维修需求需要触发哪些子件中性物料的何种维修需求或维修项目。
(2)维修项目：维修项目是对一项维修工作的描述，包括维修项转换成维修活动的条件、需要完成的工作、完成任务需要的人力资源，维修项目通过计算维修活动能产生真正的维修活动对象。
(3)工艺卡：是对维修项目过程中需要完成各项工作的描述。工艺卡中包含需要完成的工序、完成过程中需要人员具备什么技能以及执行过程中需要用到的中性物料。工艺卡代表需要完成的任务集合，在一次维修中可能涉及到几方面的工作，因此可以用多个工艺卡表示一个需要执行的维修项目。
(4)工序：对将要执行的工艺卡中某个具体步骤的描述，包括需要的技能和物料的需求，工序中可以包含子任务，子任务是对工序的更详细描述。在MRO系统计算维修活动时工序将转换成作业任务。
(5)维修需求判定标准：描述在什么情况下维修项目可以转化成维修活动。在进行维修活动计算时，系统将根据实例物料生命特征参数的取值判断该判定标准是否满足，如果满足则将维修项目转化成维修活动。例如：飞机发动机定期保养的维修需求上指定的维修需求判定标准为：飞行小时达到200小时后保养一次，假设发动机的使用寿命为5000飞行小时，那么按照该需求判定标准计算的得到的维修活动为25次。
3.2 维修计划阶段业务对象分析
维护计划数据主要是当前和历史维修业务数据，维修计划管理的主要业务对象列举如下。
(1)维修活动：表示一次实际执行的维修工作，MRO系统在进行维修活动计算时将维修需求转化成维修活动。维修活动中包含一个或多个作业卡，作业卡来自于维修需求关联的工艺卡。
(2)工单：是一系列作业卡的集合，用户可以调整工单包含的作业卡，如：添加作业卡、复制作业卡等。工单和维修活动之间存在关联关系，工单最初包含的作业卡来源于维修活动。在执行维修工作时以工单为单位下达维修计划，如果需要，工单可以包含子工单。
(3)作业卡：表示维修需要执行的一项工作，在维修活动计算时工艺卡将实例化成作业卡，作业卡中包含具体的作业任务和负责工艺卡执行的监控人员，该监控人员将负责各个作业任务的人员分配。
(4)作业任务：代表维修活动中需要执行的一项具体任务，作业任务是工序的具体实例，在作业任务中包含实际的人员分配和实际的物料分配。由于工序包含子工序且作业任务是工序的实例化，因此作业任务也包含子作业任务。
4 BOM驱动的维修业务对象管理框架
4.1 BOM驱动的维修业务对象组织
维修需求阶段和维修计划阶段的各种业务对象可通过中性BOM和实例BOM来进行组织。这些对象及其之间的关系如图4所示。
中性结构主要用于组织维修需求、维修项目、工作卡、维修任务等共性维修资料和知识。这些业务对象之间的关系如下：
(1)中性结构中的一个中性物料可以关联一个或多个维修需求。一个中性物料，其对应的实例物料如果安装在不同的产品上，那么该中性物料可以关联不同的维修需求。
(2)关联到中性物料的一个维修需求可以关联一个或多个维修项目名单，每个维修项目名单可以包含多个维修项目。一个维修项目可以关联一个或多个工艺卡，多个维修需求可以关联同一个维修项目。
(3)一个工艺卡就是一条工艺路线，可以包含一个或多个工序。多个不同的维修项目可以关联到同一个维修工艺卡。
(4)一个工序可以根据实际情况包含一个或多个子工序，一个子工序也可以包含一个或多个子工序，从而形成多层次的工序树。
(5)实例结构表示的是一个物理存在的实际产品如一架飞机或一台发动机的结构信息。实例结构用于组织维修计划管理所涉及的维修活动、作业卡等业务对象。这些业务对象之间的组织关系描述如下：
1)实例物料对应的维修业务对象必须被关联到实例结构中对应实例物料节点。
2)一个工单是作业卡的集合，对应一个或多个维修活动。一个维修活动可以包含一个或多个作业卡，每个作业卡可以包含一个或多个作业任务。
在生成维修活动后，其对应的作业卡形成一个集合。此时可以根据各个作业卡的执行人、执行时间等情况，从中选择一个或多个作业卡打包生成一个工单。因此，工单是作业卡的集合，这些作业卡可能涉及到一个或多个维修活动。
4.2 维修需求和计划的创建流程
大型复杂装备在使用过程中会发生很多不同的故障，需要进行不同的维护或维修。针对这些故障现象或维修要求，首先要确定进行维护或维修所需要的人力、工具、设备、零件等资源需求，然后再根据需求进行工序和维修资源分配，制定维修计划。要基于维修BOM及与其关联的相关维修需求，根据实际故障现象或维修要求，确定维修需求并制定维修计划，具体过程如图5所示。
图5 维修需求及维修计划的创建流程图
在计算某个实例物料的维修活动时，首先要确定对应中性物料维修需求，当根据维修项目产生维修活动时，中性物料所关联的维修业务对象将转换为实例物料所关联的维修业务对象，其转换关系如表1所示。
表1 维修需求和维修计划各业务对象之间的转换关系
4.3 一个实例
在此以一个铁路机车的维修为例，来说明BOM驱动的基于维修需求产生维修活动的整个过程，如图6所示。假设对于代号为DFNR4B的一类铁路机车而言，其一个维修需求判定标准为每行驶20万公里就需进行一次中修，进行一次中修需要完成的子件的维修项目或维修需求、工艺卡、物料需求等如图6中中性BOM下关联的对象所示。假设通过计算得知具体代号为DFNR4B-7802的铁路机车自去年中修以来已行驶200500km，因此需要马上组织一次中修。此时需要生成DFNR4B-7802的一个中修维修活动。根据机车中修需求所对应的维修项目可知，机车中修时，其主发电机需对应进行一次中修，因此计算机车维修活动时会自动产生一个主发电机的中修维修活动。主发电机的中修维修需求转化为DFNR4B-7802的主发电机的一个中修维修活动。维修需求下所关联的工艺卡、工序等业务对象将按照表1所示的对应关系转换为一个或多个相应的维修计划业务对象。
图6 铁路机车的维修需求和计划业务对象之间关系示意图
基于上述的业务对象管理框架，已经开发了一个煤矿设备MRO支持系统的原型，该系统基于清华大学软件学院自行研制的MRO基础平台实现。MRO基础平台实现采用Oracle10g数据库作为后台支持，中间层应用服务器采用JBoss应用服务器，前端采用GWT(Google Tool Kit)技术实现。煤矿设备MRO支持系统的原型已经实现并在山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司进行了初步应用。原型系统的验证和业务逻辑推理的结果表明，该框架对各种产品而言是灵活和切实可行的，特别是对复杂的产品。该框架的优势主要体现如下：
(1)与单树式BOM结构相比，复合式维修BOM设计能大大减少数据冗余，提高数据的一致性”。
(2)通过维修项目列表和可分为多层子工序的工艺卡，该框架可适用于各种产品特别是复杂产品的维修需求管理和维修计划生成。
(3)工单所包含的作业任务最初是根据其包含的维修活动生成，用户可根据某些规则对其进行调整优化，打包生成各种子工单，每个子工单包含的作业任务可以分属不同的维修活动。例如可将需要同一人执行的作业任务打包生成一个子工单。这样就可以为各种工单及作业任务的执行提供充分的灵活性。
(4)维修需求判断标准中的判定规则可以是自定义的，它使得系统更容易集成各种维修辅助决策支持工具。
在上述框架中并没有考虑到一些重要和常见的业务需求。例如，一架飞机的一台发动机可以是三种不同型号发动机之一，在飞机的中性BOM中如何管理其各种业务对象；一台发动机在其生命周期内可能曾被装配到十几架飞机上，如何管理和跟踪这台发动机的历史数据。在今后的工作中应集中研究这些问题。
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