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技术 | 制造领域工程更改管理系统的技术研究


工程更改(EC,Engineering Change)是制造企业生产经营活动中的一项重要业务。企业能否有效地实施工程更改,决定了该企业是否能够有效地组织生产、不断提高产品性能、快速响应市场需求、保证产品质量,进而赢得激烈的市场竞争。高效的工程更改管理,还能够帮助企业逐步形成有自身特色的产品设计知识库,进而提高产品研发能力。同时,有效的工程更改也是保持产品制造数据的完整性、一致性和可追溯性,保证ERP等企业应用系统和业务活动正常进行的前提,因此对工程更改进行有效管理是企业管理的重要内容。

本文在分析工程更改的起因及分类的基础上,详细讨论了工程更改管理面临的主要问题、涉及的活动、支持的系统以及版本管理等,并从更改工具和更改方法方面分别总结了国内外的研究应用现状,对工程更改管理中的关键技术和发展前景进行了分析和展望。

工程更改问题描述

工程更改(也称工程变更)是指企业在产品设计和制造等全生命周期中,由于企业内部或外部的需要,对产品设计或工艺、相关文档、组件或装配、自制件或外购件、生产过程甚至供应商等的一系列更改和影响。工程更改管理(ECM,Engineering Change Management),即通过建立严格的更改业务流程,在手工或计算机工具支持下,使更改活动始终处于严格的可控状态,并记录更改涉及所有对象的变化,保证相关信息的一致性和完整性。产品数据在其整个生命周期中要经历三种状态的转变,即工作状态、预发布状态和发布状态。工作状态是指正在设计中的产品数据的状态;预发布状态是指已完成设计但尚未归档的产品数据的状态;发布状态是指已归档投入使用的产品数据的状态。工程更改管理是指管理处于预发布状态或发布状态的产品数据。

工程更改的起因及分类

通过研究EC的起因,理顺工程更改与客户需求、产品开发、生产管理等方面的关系,有效地管理和控制工程更改进而达到减少更改次数、缩小更改影响范围和降低更改成本的目的。从签订订单、需求分析、产品设计、工艺编制,直到制造装配、销售、使用维护和最终产品回收的产品全生命周期中,会有大量的原因导致工程更改的产生。从起源讲,在制造企业中产生工程更改的部门主要有设计/工艺、采购/供应商、生产车间、质量控制、销售服务/客户、库存管理等部门。其中,设计、生产车间和客户是产生EC的三个最主要来源.如图表1所示。

为了选择合适的更改流程及更改策略,需要对EC的分类进行研究。根据更改的4个关键特征——产品定义状态、更改复杂性、更改流程策略及处理速度对EC进行分类。根据工程更改的性质和影响范围,把EC分为以下五类:

  1)局部的设计勘误,不影响其他零部件;

  2)设计修改或版本升级,更改影响其他零件或装配;

  3)修改正在生产的部件或零件,从某批次或某时刻开始生效;

  4)设计改进,改善可能的安全及性能问题;

  5)弥补重大安全问题,必须返修所有产品。

工程更改中的主要问题

通常,一次工程更改会对相关产品数据或后续的作业过程引起一系列不同程度的变更,因此在工程更改之前就应准确的预测更改影响范围以及带来的成本增加、交货期延迟等后果。企业工程更改实践中往往由于流程不够规范,在工程更改需求出现后产生更改通知单,通过更改通知单在各部门之间的流转来传递更改信息。传统的工程更改管理虽然也建立了多级审批等制度来控制更改的实施,但由于信息不共享,缺乏必要的沟通与交流,必然导致一系列的问题:

  1)缺少专门负责工程更改的组织机构,更改过程较耗时。

由于某项EC的分析、批准与实施要涉及企业多个部门,无人对整个更改过程负责,造成更改效率低下,更改成本上升。更改通知单流转及多级审批制度虽然较为有效地控制了更改活动发生的随意性,并记录了更改相关信息,但大大延长了整个更改业务过程。

  2)更改准确性及完整性难以保证。

由于更改通知单与更改对象分离,常常出现要求更改的内容与实际更改的内容不一致,从而造成更改不完整或无效,甚至对整个产品数据带来损害。由于缺乏系统的控制机制,很难准确定位更改可能影响的部件或文档,差错和遗漏难以避免。

  3)无法对更改对象的多状态进行管理。

手工操作下的工程更改管理,无法方便地保存更改对象的多个状态,往往经过多次更改后,原有的更改对象只存在一两种状态。如果对象之间存在复杂的借用关系,则更容易造成混乱,严重影响产品数据的一致性。

  4)更改部门间缺乏必要的沟通和交流。

工程更改信息具有零散、突发、实时性强、涉及对象众多及关联性强等特点,因此对工程更改管理系统与其他应用系统的集成以及部门间的协调与交流提出了较高要求。

EC的主要活动及支持系统

OMG认为EC是一种流程,主要包括四个阶段:问题提出、更改申请、更改实现和更改通知。在ECM的不同阶段包含许多不同的活动,ECM中的典型活动有:

●建立一个清晰的EC流程    ●提出工程更改请求(ECR)    ●对EC分类并设定优先级   

●详细分析评审EC的可行性    ●根据要求更新相关文档    ●记录/更新/跟踪更改过程

●审批ECR,决定生效日期或生效方式   ●审计/评估EC的效果,形成更改知识库

由于EC涉及部门众多,影响范围广泛,因此详细评审ECR的可行性(如更改时间、更改成本、影响范围等)是ECM中的一项重要内容,相关部门应提供完整的评审意见及可行性论证结果。

传统基于纸张的手工更改管理,由于耗时长,无法实时访问EC数据,不能事先获得更改影响范围等限制,已不能满足现代激烈市场竞争、企业敏捷响应市场的需要,逐渐被淘汰。目前主要是基于信息技术的计算机辅助ECM系统(CAECM,Computer Aided Engineering Change Management),根据系统的管理重点不同可分为以下四类:

  1)基于企业应用系统(如CAD/CAPP/MRP等),扩展简单的ECM功能。虽然这些系统的主要任务并不是ECM,但它们都是EC影响或涉及的系统,应与ECM实现集成。

  2)专用CAECM工具,主要实现对ECM活动的管理。这类系统一般提供数据库来存储EC数据和电子表,如用于检索EC数据的工程更改请求(ECRs)和工程更改通知(ECNs)等,提供通用的功能来管理ECs的状态和历史。这类系统大都是为某个行业或企业专门开发的,很少有通用化的产品。

  3)配置管理(CM)系统,除了提供ECM的功能外,这类系统还提供额外的功能来处理产品配置问题,因为EC通常都涉及产品相关信息。

  4)产品数据管理(PDM)系统,一般都包含综合性的功能,如数据存储、设计流程、项目管理、工程更改和产品配置等功能,还考虑基于工作流的产品全生命周期制造信息管理以及工作中心配置等。

零部件变号与版本升级

零部件变号和版本升级是EC的两个重要方面,前者是指改变零部件的编号,产生一种新的零部件;后者是不改变零件编号,只升级相应的版本。由于零部件变号和版本升级都影响产品的结构,因此其变化应充分体现简化产品结构的思想。一种有效的控制原则是:如果零部件经过重新设计或者工程更改以后,外形、功能、装配和互换性等发生了显著改变,则需对零件编号重新指定;如果上述内容不发生变化,零件的更改只是修正设计错误或者小范围的局部修改以满足客户需求,则只需对零件的相关文档做版本升级。

专家提出一种设计文档的版本树模型,扩展了传统的线性版本模型。把原始的设计版本看作根节点,每产生一次新的更改,即在变更前的节点下面产生一个新的分枝,最终形成一个分层的树状模型。采用这种模型可以描述产品各版本的演化关系,具有较好的可追溯性。其缺点是没有与相应的文档管理系统结合,数据难以实时更新。

国内外的研究和应用现状

有关EC的研究主要分为两大类:更改工具的研究和更改方法的研究。前者侧重于工程更改中的管理问题,研究如何借助计算机系统对涉及工程更改的人员、数据和流程实施有效管理,尽量提高更改效率,降低更改成本;后者则研究如何减少工程更改,减少更改对生产制造和库存管理等的影响,如何预测更改的影响范围和更改成本,以及适应不同环境(如产品的复杂性、生产批量、分布虚拟环境等)下的工程更改。

国外相关研究

国外对EC的研究开始较早,且研究范围广泛。早期的研究集中在印刷电路板和大规模集成电路设计等的工程更改方面,一方面是由于这些产品设计规范的更改对EC需求较频繁,二是其更改过程相对规范(如添加或删除一个IC单元,或修改线路之间的连接等),更改的重点体现在如何尽可能多的利用已有的设计满足新的规范需求,更改的影响范围较窄。随着市场竞争的激烈制造业普遍提出对ECM的需求,工程更改研究逐渐扩展到生产制造、建筑工程等领域。

  EC方法研究

大多数EC都会影响到产品中其它零部件,如果没有经过事先分析和评估,EC的结果往往是代价高昂的。Cohen等提出一种能预测或评估工程更改结果的C-FAR(Change FAvorable Representation)方法,用以EXPRESS建模语言描述的产品信息模型实现EC的表示、传播和定性评估,把更改和更改评估推进到属性层次。C-FAR方法可以表示EC,同时也可合理的评估EC的结果。其缺点是须用EXPRESS语言表达产品信息模型,而实际应用中很少有企业用EXPRESS模型表达产品信息。Balcerak等提出根据EC的影响分类和紧急程度分级,通过采用不同的流程和优先级从总体上缩短更改周期,但其主要是进行定性研究,没有提及具体实现和实施效果。

加速工程更改单(ECO,Engineering Change Order)的处理是减小更改成本并缩短更改提前期的重要驱动力。针对ECM过程中出现的ECO拥塞问题,Loch等采用五个策略来减少ECO的处理时间:能力柔性,负荷平衡,合并任务,共享资源和减小批量。在分析产品复杂性和设计层次的基础上,提出五个因素:并行工程(CE,Concurrent Engineering)方法、流程定义、信息系统、交流通讯和组织结构,作为优化EC流程的标准。EC的每个具体流程都应根据对应的生产过程及产品的复杂类型等因素进行优化。

  EC工具的研究

讨论ECM的计算机辅助工具问题,针对企业实际采用系统与期望系统之间的差距,指出一个高效的ECM系统应具有四个基本特征:功能性、易用性、柔性和专用性,并详细解释了这四类特征的具体要求和之间的联系,以及它们在实际系统中的平衡问题。实现一个基于Web 的ECM系统原型,讨论了工程更改管理系统的设计、开发、配置与实现等问题。专家提出一个兼容STEP标准的产品数据和工程更改模型,包括产品定义、产品结构、形状表示、工程更改、审批和生产调度等六个模型,在数据访问层次上实现CAD/MRP等应用系统与EDM系统的交互,但文中没有给出具体的应用实例。专家通过设计的一个PDM与MRP集成框架,来评估工程更改对库存余料成本的影响,通过BOM转换模块和基于活动的成本模块实现PDM与MRP的信息集成,并详细讨论了PDM与MRP中的工程更改模型。但文中只考虑了产品单一配置的情况,多配置的情形要远比这个复杂。

  EC应用调查研究

在ECM企业应用现状的调查研究方面,专家从EC产生的数量、来源和影响三个方面分别考察了香港和英国制造业中的EC问题,并从EC涉及文档、组织和活动等分析了企业在ECM中采取的对策。通过对调查结果的比较研究获得两个重要结论:一是在激烈的市场竞争中EC问题是不可低估的,企业需要更多努力来高效且有效的处理它;二是企业普遍对当前应用的ECM不够满意,需要更好的ECM系统(包括方法或技术)来处理产品开发过程中的EC问题。

国内研究现状

国内针对EC工具的研究相对多些,重点分析更改流程以及更改中的主要问题和任务,如何保证更改数据的一致性、完整性和协同性等,并开发了相应的原型系统,缺少对企业实际应用情况的调查研究。在软件的实现策略方面可分为两类:一类是基于PDM系统,将PDM作为EC的主体软件和集成平台,补充更改信息控制模块;另一类是基于产品结构开发的独立工程更改管理系统。

  EC工具研究

通过把EC对象划分为元模型对象、更改控制对象和被更改对象等三类,提出一个通用的ECM对象模型,实现零件版本的自动升级,产品结构的自动维护和描述数据版本的半自动维护,并且对引起EC的原因和工程更改管理软件的功能需求进行了详细分析。结合Windchill系统的功能,采用工程更改请求、更改评估、更改分析、更改单、更改活动五个对象建立了一个闭环的工程更改流程,实现了产品数据间关联关系的配套更改检查和更改对象间的同步机制。

通过分析CIMS环境下工程更改信息流向,提出了CIMS环境下工程更改管理与控制的策略,并讨论了PDM/ERP集成方案下ECM的实现。在PDM系统集成的基础上研究EC技术,将ECM的全过程分为请求、评估和实施三个基本环节,抽象出七个工程更改对象,并给出了类图描述及类之间的联系,讨论了ECM中的工作流管理以及EC对象同步的问题。该研究主要是在Windchill环境下的二次开发,其通用性和其他环境下的适应性需要进一步研究。

  EC方法研究

工程变更方法的研究与具体企业的实际情况密切相关,特别是产品的复杂程度、生产组织方式和开发周期等因素的变化,在一个企业行之有效的方法到另一个企业可能行不通,因此研究应针对企业的实际需求进行,也要参考其他企业的成功经验和案例。

认为工程更改管理的三要素是:更改流程、人员组织和产品数据,并分析了三要素的特点及其相互联系。采用基于MBOM的分布管理模式研究了分布环境下的ECM。为了提高工程更改流程的柔性,将扩展的变迁时间间隔Petri网应用于工程更改流程的建模,从而满足流程处理中对并行性、同步性和回溯反馈等的要求,采用更改传播图对更改影响范围进行了定性分析。讨论并行工程环境下的ECM问题,将EC分类为有意更改和无意更改两种的类型,扩展了对EC的理解。

ECM的关键技术及发展趋势

实现高效的ECM系统应考虑的关键技术及其发展趋势有:

  柔性工作流技术 严格规范EC流程,采用柔性工作流技术驱动更改过程,对整个流程进行有效管理并不断优化,从而提高ECM的柔性和敏捷性。

  并行工程方法 采用并行工程方法可以有效克服串行更改过程中的诸多弊端:如更改周期长、信息单向流动、不能及时反馈等,加速EC的执行,提高更改执行的效率。建立满足EC需求的并行更改流程模型是采用该技术的关键。

  组织机构和协调交流机制 国内的研究往往侧重于更改流程的研究及软件功能的实现,较少考虑ECM中的组织结构及通讯交流等问题。提出ECM的五个关键要素中,除了信息系统、流程定义和并行工程外,还提到组织结构和通讯,专门的组织结构(如EC管理委员会)和便捷畅通的通讯交流是有效实现ECM的必要条件。

  形成产品更改知识库 短期来说EC是为了修补缺陷、更改性能等满足特定的需求;从长远考虑,通过不断的工程更改来达到推进产品升级、延长产品生命周期的目的。因此高效的ECM,通过建立企业自己的更改知识库,一方面可以指导未来的更改,优化更改流程;另一方面也可以指导产品开发,不断减少或避免不必要的更改发生。

  形成一套系统的设计指导框架 对企业的应用现状及需求进行系统调研及分析,结合已有的研究成果及国内外的成功案例,形成一套系统的满足国内企业需求的工程更改管理系统设计研究框架。

管理工程更改的能力有效地反映了一个企业的敏捷性,大多数产品都是通过发展的设计过程逐步得到改进和完善的,同时产品的设计需求也不断得到满足甚至提升,这样就延长了产品的生命周期。因此应改变过去错误的做法——被动的解决工程更改的问题,而要把EC看作一个主动的过程,通过它不断的提高产品性能。可见EC不仅是一般意义上的对产品开发过程中错误的修正,它还是产品更新换代的源动力。综上所述,工程更改管理的发展趋势可以概括为柔性化、并行化、协同化和知识化。


文章来源:e-works


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点击次数:  更新时间:2016-10-10 16:00:31  【打印此页】  【关闭