周春柳，劉曉冰，潘瑞林，王元云

(1.安徽工業(yè)大學 管理科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業(yè)大學 復雜系統(tǒng)多學科管理與控制安徽普通高校重點實驗室，安徽 馬鞍山 243002；3.大連理工大學 經濟管理學院，遼寧 大連 116023；4.安徽工業(yè)大學 化學與化工學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

在產品全生命周期中，復雜產品運營階段是最長的，大約20年～50年。維修活動作為產品安全可靠運行的基本保障，貫穿于產品運營過程中。相對于日常產品維護活動，不同維修活動間隔時間可能是半年、一年、兩年或更長的周期。如果將產品運營時間描述為一條線，則多次維修活動類似于線上不同間距的散點，而且不同散點代表不同的維修級別。對每一次的維修活動來說，了解當前產品實際組成和零部件的維修歷史是進行本次維修活動的基礎。從維修角度來看，產品或零部件的變更是維修活動的天性，重要的是如何控制變更過程，準確記錄產品的維修變更，從而避免錯裝和產品數(shù)據不一致的情況。

從新造產品出廠服役到產品報廢的整個生命周期來看，維修活動會使產品組成和零部件狀態(tài)不斷發(fā)生變更[1]，尤其是大修活動，會根據產品實際狀態(tài)更換絕大部分零部件。維修活動的這種特性使得產品組成和零部件狀態(tài)隨著維修活動的執(zhí)行不斷變化。同時，由于復雜產品，尤其是可移動的復雜產品，存在不同維修服務商，產品維修信息會分散在各個服務商處。針對多次維修活動，需要保證每次維修數(shù)據的準確性和連續(xù)兩次維修數(shù)據變更的連續(xù)性，這種變更記錄形成了產品和零部件的維修履歷或維修歷史記錄。正常情況下，本次維修后的產品組成和狀態(tài)與下次維修前的產品組成和狀態(tài)需保持一致，但期間在日常維護或臨時修理過程中也存在由于零部件臨時故障引發(fā)的更換活動，使得產品組成或狀態(tài)發(fā)生變更，因此需要對產品修前和修后數(shù)據進行記錄和管控，避免產品數(shù)據不一致的情況發(fā)生。

目前的變更管理的研究主要集中在產品設計[2]和制造階段[3]，在維修階段產品數(shù)據變更管控研究較少。在數(shù)據模型方面，主要以BOM(bill of material)和構型管理為主，如飛機等復雜產品則以構型管理為主[1]。WHYTE等[4]通過對3個大型復雜項目產品交付過程或使用中的產品變更進行案例研究，說明了在大數(shù)據時代要依靠數(shù)字技術來管理大型數(shù)據集，提出通過基線管理和構型管理實現(xiàn)變更管控。胡浩等[5]以維修狀態(tài)BOM為設備維修狀態(tài)看板與管理工具，用維修狀態(tài)演化表記錄設備維修狀態(tài)和管理維修歷史。ZHOU等[6]根據產品設計、制造數(shù)據和維修需求建立了初始維修構型，由面向業(yè)務的通用維修構型和面向具體產品的實例維修構型組成。TEKIN[7]建立了As-built產品數(shù)據模型進行航空工業(yè)竣工產品的數(shù)據追溯，并將其分為需求管理和物料管理兩個層面。徐建新等[8]提出服務BOM(Service BOM, SBOM)的概念，基于構型理論，將SBOM與構型管理結合，實現(xiàn)在役飛機維修過程中的產品結構變化管理。相對于BOM，構型管理更加適合復雜產品或裝備的數(shù)據管理，并擁有一套成熟的理論體系來支撐構型的應用。產品構型數(shù)據指描述產品特征的所有數(shù)據，可以是和產品相關的全生命周期的數(shù)據，如需求數(shù)據、設計數(shù)據、工藝數(shù)據、生產數(shù)據、銷售數(shù)據、維護數(shù)據和財務數(shù)據等。構型管理是一個過程，它致力于在產品全生命周期中，建立和維護產品需求與產品構型數(shù)據及產品屬性之間的一致性[9]，可實現(xiàn)維修過程中產品數(shù)據的一致性維護。根據美國國防部制定的《構型管理手冊》[10]可知，構型管理五大功能中的構型計劃與管理、構型標識、構型更改管理、構型狀態(tài)紀實和構型驗證及審核等均可應用在維修管理中，用于解決維修數(shù)據變更管控的問題。因此，本文以構型管理理論為基礎，研究單個裝備在維修過程中的變更管控問題。

基線(baseline)可以用在建筑、管理、工程等領域，代表一個狀態(tài)的起點，是進行對象衡量和比較的基礎。在構型管理中，基線是描述產品在某個時間點的產品組成或產品特征屬性，也可以是某個時間點產品的技術狀態(tài)?；€管理是一種對照管理思想，通過對比之前的狀態(tài)來了解變更后的產品狀態(tài)。基線管理包含3個要素：①有固定的參考結構；②具有正式的審批環(huán)節(jié)；③具有里程碑式的事件發(fā)生或確定某一個具體的時間點。從產品全生命周期的角度來看，產品基線是按照客戶需求確定(as-required)、產品設計(as-designed)、產品制造(as-manufactured/built)、產品運營檢修(as-maintained)和產品報廢處理及回收(as-disposal/recycled)這幾個大階段進行劃分，下一個階段的產品數(shù)據管理均會繼承上一個階段的數(shù)據和信息。而在每一個階段內，根據過程復雜度和管理需求，又可設置若干個不同的基線，從而提高管理效率，保持整個過程的一致性。構型基線是進行構型變更管理的基礎，在進行構型計劃、批準或執(zhí)行構型變更時，需要了解當前的構型狀態(tài)及變更需求。構型基線應用于產品研發(fā)階段，該階段建立了功能基線、分配基線、開發(fā)基線和產品基線4種不同程度的基線，4種基線分別代表不同粒度或不同層級的構型項或零部件所關注的不同的功能，是實現(xiàn)產品一致性和變更連續(xù)性的重要技術。然而，基線管理在產品維修階段卻很少有學者提及或應用。面對復雜產品維修構型的變更管理，也可以定義不同的基線實現(xiàn)產品維修構型的一致性管理。

復雜產品維修變更管控從內容上來看，主要是在已有的構型模型基礎上，對維修業(yè)務產生的構型變更進行管理和控制?，F(xiàn)有研究多集中在維修數(shù)據的演化和追蹤管理上，并偏重技術實現(xiàn)。程曜安等[11]針對動態(tài)實例BOM的需求，提出借鑒數(shù)據起源思想，在履歷表中增加歸屬關系和維修操作描述，通過匯總履歷信息、提取歸屬關系、增加零部件增減變更操作得到某個時間點的設備快照或關鍵件的歸屬。任艮全等[12]利用數(shù)據起源分析產品維修階段的3種典型演化需求，實現(xiàn)任意時間段的產品BOM結構查詢、BOM演化追溯和零部件隸屬關系追蹤，提出了產品和零部件在維修階段的追蹤技術。李青等[13]研究了單個飛機運營期間的構型管理和追溯，通過對每一個構型項建立產品有效期檔案來管理產品數(shù)據和進行構型版本追溯。SUN等[14]提出了針對大修過程的識別、記錄、審核、跟蹤、追溯構型變化方法，將構型管理分為零件的狀態(tài)變化(物料狀態(tài)、技術狀態(tài)和質量狀態(tài))和構型需求(識別和記錄狀態(tài)、控制和審核、追蹤和追溯)。以上研究僅從變更結果上記錄變更內容，沒有從具體零部件類型或維修方式上分析作業(yè)層面的變更機制。

本文延續(xù)已有研究，將表達具體產品數(shù)據或信息的構型稱為實例構型，維修階段的實例構型稱為實例維修構型，隨著維修活動的開展而發(fā)生動態(tài)變化?，F(xiàn)有研究中提出的維修變更管理多從數(shù)據管理角度，研究實例構型多次維修下的數(shù)據演化和追溯技術。針對某次維修業(yè)務過程中的數(shù)據變更原理和不同維修業(yè)務的變更機制的研究較少，缺少與不同維修策略、不同維修方式以及零部件類型等具體業(yè)務情況下的數(shù)據變更或演化研究。本文兼顧復雜產品維修變更管控的宏觀視角和微觀視角，從系統(tǒng)層面提出相應的變更管控方法。

1 維修構型變更管控需求分析

復雜產品維修活動反復出現(xiàn)在產品運營階段不同時間點上，根據產品狀態(tài)開展具有不同深度和范圍的維修業(yè)務。從宏觀角度來看，復雜產品在不同維修事件下(尤其是大修活動，構型會發(fā)生較大面積的零部件變更)會發(fā)生多次構型變更。為了保證產品安全運行并快速應對緊急故障，需要時刻掌握產品構型結構及狀態(tài)并實時跟蹤復雜產品構型。從維修企業(yè)角度，復雜產品返廠大修涉及上萬個零部件的維保、更換、修理和升級等作業(yè)，同時也存在同一零部件在不同產品之間的周轉使用(周轉件)，企業(yè)在維修前需要確定產品的修前狀態(tài)，從而明確本次維修范圍和修后的效果，進行產品履歷的登記，并根據修后情況進行維修成本核算。同時，本次維修的修后構型又可作為下次維修的修前構型，進而實現(xiàn)產品構型的變更。維修后的構型狀態(tài)與維修前的構型狀態(tài)所產生的差異是本次維修活動造成的，產品中多個零部件會根據自身狀態(tài)經歷不同的維修作業(yè)，由作業(yè)驅動零部件數(shù)據的變更，形成新的構型數(shù)據。產品零部件的不同維修策略、維修方式和零部件類型都是影響零部件數(shù)據變更的因素。長周期上的多次維修變更與單次維修活動之間的變更管控關系如圖1所示。

根據所描述的維修階段產品構型的變更業(yè)務以及產品實例維修構型變更的特點，可以總結出在維修階段的產品構型變更管控需求：

(1)建立實例維修構型基線的需求

由于復雜產品在整個運營周期內會存在多次維修活動，每次維修活動之前，都需要明確產品目前的組成及狀態(tài)，從而為本次維修確定維修需求和制定維修計劃提供依據。在維修作業(yè)結束后，需要根據實際維修作業(yè)進行產品及零部件信息的更新，將更新后的產品組成和產品狀態(tài)作為下次維修決策的依據，故維修前后都需要對產品實例維修構型建立基線，并將關鍵維修信息作為基線內容。

(2)維修前后實例維修構型基線自動化變更需求

在信息化時代，所有實體產品都可以用數(shù)字化產品形式來表示。復雜產品實例維修構型即為實際物理產品關鍵信息的數(shù)字化表示，而維修作業(yè)過程是觸發(fā)實例維修構型變更的鑰匙。需要通過對維修作業(yè)和構型變更的關聯(lián)分析，總結維修構型變更的規(guī)則，實現(xiàn)維修構型的自動變更，進而提高產品數(shù)據變更的準確性和變更效率。

要實現(xiàn)實例維修構型的變更，需要對變更過程進行管控，才能實現(xiàn)整個變更流程的無差錯，確保變更后信息的準確性。需要明確作業(yè)如何驅動變更、信息以哪種形式傳遞、如何將維修業(yè)務過程和結果以數(shù)字化的形式反映在實例維修構型上。該過程會貫穿整個維修過程，從維修需求確定到所有維修文檔和產品相關信息更新完成，實現(xiàn)產品維修數(shù)據變更的無縫管理。

2 基于基線的多維修事件構型變更管理

2.1 維修構型基線的定義與實質

(1)復雜產品維修構型基線的概念

復雜產品運營階段會發(fā)生多次維修(大修)活動，每次維修都伴隨著產品構型的改變，這就需要不同的維修構型基線記錄對應關鍵時間點的產品技術狀態(tài)，為維修提供準確的數(shù)據。每次維修需要先確定維修前的產品組成和技術狀態(tài)，然后根據維修需求制定維修計劃。根據維修執(zhí)行情況進行產品數(shù)據的變更，形成修后的產品組成及技術狀態(tài)數(shù)據，作為下次維修的基礎信息。本文將復雜產品每次維修活動前后的產品技術狀態(tài)作為構型基線的設置點，建立維修前基線(Baseline before Maintenance, BBM)和維修后基線(Baseline after Maintenance, BAM)，控制產品實例維修構型的變更。維修構型基線是一種管理概念，指運用于產品維修階段的，用來描述某時刻或某階段的產品構型，即產品組成、零部件特征和相關技術狀態(tài)。維修構型基線所包含的內容并不是產品的所有數(shù)據，而是維修所關心的數(shù)據。當發(fā)生的維修活動對產品產生影響時，產品的組成和零部件信息會發(fā)生改變。維修構型基線的確立主要根據管理需求確定，并不是每時每刻的產品狀態(tài)都需要建立相應的維修構型基線。隨著維修活動的開展，復雜產品實例維修構型不斷變化，維修構型基線同樣處于不斷變化中。下文分別以“修前基線或BBM”和“修后基線或BAM”來代表不同的構型基線。

對于大修活動之間發(fā)生的臨時維修，則不單獨建立維修構型基線，本文將模仿飛機的“服務通告”概念，引入復雜產品“臨修通告”的概念，將所有涉及到產品構型變更的信息以臨時文件的形式存儲起來，在復雜產品下次入廠維修時，將該類通告信息及時更新到產品構型中。由于產品運營數(shù)據的變化和臨修活動的存在，使得復雜產品上次維修結束后的BAM與本次維修活動之前的BBM存在一些信息上的變化，故在本次維修活動開展之前，需要進行復雜產品的構型檢查，依照BAM進行產品現(xiàn)有結構組成及相關信息的確認，信息無誤后建立新的BBM，為本次維修活動提供數(shù)據基礎。對于同一次維修而言，BBM是維修開始的初始構型，隨著維修活動的進行，根據維修變更規(guī)則，實例維修構型發(fā)生變化，逐漸形成BAM，為下一次維修提供決策依據。與研發(fā)階段的基線管理相同，所有構型基線都需要各方利益相關者(復雜產品的所有者或運營商及維修主體)進行審核和確認。

(2)復雜產品維修構型基線的實質

維修前基線或維修后基線是產品實例維修構型在整個產品運營周期內不同時刻的描述，相當于動態(tài)產品數(shù)據在不同時刻的快照。從數(shù)據存儲角度來看，產品實例維修構型相當于動態(tài)變化的構型源數(shù)據(或實時數(shù)據)，而維修構型基線相當于根據某個時刻源數(shù)據建立的數(shù)據副本或快照，如圖2所示。

當源數(shù)據發(fā)生變化時，已經建立的數(shù)據快照不會發(fā)生變化，故數(shù)據快照可以理解為對復雜產品關鍵時刻產品狀態(tài)的歷史記錄。創(chuàng)建維修構型基線后，若實例維修構型發(fā)生變化，則快照系統(tǒng)會首先將原始數(shù)據拷貝到快照卷上對應的數(shù)據塊中，然后再對源數(shù)據進行改寫。在完成源數(shù)據和快照數(shù)據的改寫后，會生成一張映射表，源卷上數(shù)據變化的邏輯地址和快照卷上的數(shù)據變化的邏輯地址會在該表的兩列分別記錄。在上層業(yè)務數(shù)據發(fā)生變化時，實際上會發(fā)生兩次寫操作，一次是將源數(shù)據寫入快照卷，一次是上層業(yè)務數(shù)據寫入源卷中。

2.2 維修構型基線的內容與更新

(1)維修構型基線的內容

由于維修構型基線是具體時刻下的產品實例維修構型，故維修構型基線相對于產品實例維修構型來說要多一個基線本身的信息管理。維修構型基線的內容，類似于實例維修構型的內容，可以從結構要素和屬性要素兩個角度進行考慮。從結構要素角度，維修構型基線的作用主要是記錄需要進行全壽命周期管理的零部件(包括可維修件和周轉件)狀態(tài)(即構型項)，故對于維修構型中的必換件及不需要記錄全壽命周期信息的偶換件，維修構型基線無需記錄；從屬性要素角度，維修構型基線管理的構型項特征類似于實例維修構型管理的屬性特征，具體如表1所示。

表1 維修構型基線及構型項的管理內容

(2)維修構型基線的信息更新

通過對上次維修活動的修后基線與產品現(xiàn)有數(shù)據狀態(tài)進行核對，將上次維修的修后基線更新為產品目前的狀態(tài)，即形成了復雜產品的修前基線。需要更新的產品數(shù)據主要包括如下幾個方面：①產品運營數(shù)據更新，包括運營里程或時間、積累運營里程或時間；②臨修過程中的數(shù)據變更更新，如零部件更換等維修活動導致產品構型的變化、維修歷史的變化等；③配屬信息更新，如果運營過程中發(fā)生了配屬變化，則需更新產品配屬信息。如果沒有上次維修活動的修后基線，也可根據產品狀態(tài)臨時建立本次活動的修前基線，作為維修需求、備件準備和維修計劃等開展的基礎。修前基線建立時，需要產品運營商和產品維修商同時審批和發(fā)布，確保維修工作順利啟動。

本次維修業(yè)務執(zhí)行完成后，需要根據已完成的維修工作對本次維修修前基線進行信息更新，更新后的基線即可作為本次維修活動的修后基線。修后基線形成過程中需要更新的產品數(shù)據主要包括：①本次產品維修相關數(shù)據，如入廠日期、維修商、維修地點、修完日期；②周轉件數(shù)據更新，如已安裝周轉件的信息更新和周轉記錄，已拆卸周轉件的歸屬關系變更及其數(shù)據庫記錄；③產品實例構型零部件更新(等同于基線信息更新)，可根據通用構型確定的本次維修需求及執(zhí)行結果進行總體信息更新；④構型項的維修歷史更新，包括維修時間、維修地點、維修人員和維修內容等。修后基線形成后，也需要產品運營商和維修商雙方共同審批、發(fā)布和存檔，作為產品實例維修構型的一個節(jié)點狀態(tài)快照，也作為下次維修活動之前的產品狀態(tài)參考依據。

3 基于過程分析的單次維修構型變更控制

3.1 不同維度的維修變更內容分析

在維修過程中，可發(fā)生變更的數(shù)據往往是動態(tài)數(shù)據，產品層面數(shù)據包括產品結構(如零部件組成)、維修履歷、運營數(shù)據、故障數(shù)據、歸屬數(shù)據等；零部件層面數(shù)據包括零部件技術數(shù)據、壽命數(shù)據、結構數(shù)據、維修事件記錄、故障數(shù)據等。不同零部件在維修過程中的不同維修方式導致不同的變更內容，具體分析如下：

(1)不同的零部件類別和維修方式

根據可維修性[15]將零部件分為可維修件和不可維修件?？删S修件是指維修后可靠性能恢復到可用水平的零部件，一般是價值較高、壽命較長的零部件。該類零部件根據維修和裝配方式又可分為混裝件、互換件和原位原裝件?；煅b件是指同一產品中多個型號相同的零部件在維修過程中可以互換安裝位置的零部件;互換件是指可以在不同產品之間進行互換安裝的零部件;原位原裝件是指由于不能確定混裝件的影響或客戶要求必須在維修后裝配在原產品上的零部件。對混裝件而言，原位原裝件在維修拆卸管理和庫存管理上更加嚴苛?；Q件中比較特殊的一類零部件是高價周轉件，由于零部件的價值較高，維修周期較長，維修商會設置少量的周轉件庫存來支持產品快速維修。不可維修件包括實際故障不可恢復件和維修成本過高或維修后效果難以維持正常運行的零部件。不可維修零部件又可以分為必換件和偶換件，可以根據零部件磨損狀態(tài)及更換頻率來確定其具體類別。若更換周期小于或等于維修周期，為了維修管理方便，會將這些零部件在每次維修時都更換掉，該種零部件稱為維修必換件。若更換周期大于維修周期，稱為維修偶換件，需要根據每次維修時的零部件狀態(tài)來決定是否更換新件。

在產品研制階段，會考慮產品維修需求，根據零部件特性和成本分析，制定不同零部件的維修方式。維修方式決定了維修過程中的管理決策，可以分為如下幾種[16]：①免維修,適用于零部件在產品壽命周期內不會出現(xiàn)影響產品功能的嚴重缺陷的零部件，一般情況下不對該類零部件進行大修，僅在出現(xiàn)局部破損時，進行必要的修復性維修。②棄件修,適用于有明確壽命規(guī)定或無法有效維修或維修成本過高/維修不經濟的零部件，該類零部件在受損或有缺陷或壽命不足以支持產品運行時，通過報廢舊件更換新件的方式進行維修。③換件修,適用于臨時修或維修時間較長的系統(tǒng)或部件，可以有效縮短維修時間。通過使用完好件或修復件替換故障部件的維修方式來快速恢復產品可靠性。④一般性維修(原件修理),適用于在一定時間范圍內可快速修復的零部件，在維修過程中通過恢復零部件可用性，安裝到原來的產品上，直到零部件壽命到達極限后更換可用零部件。

由以上分析可知，必換件和偶換件使用的是棄件修策略，可維修件可以使用免維修、換件修(互換件或周轉件)和一般的修理方式(原位原裝)?？删S修件在不同維修方式和安裝位置下產生的產品數(shù)據演化過程如圖3所示，圖中：a、b表示零部件，T表示產品。

(2)不同零部件類別和維修方式下的數(shù)據變更內容

在維修過程中，免維修零部件構型結構不會發(fā)生變化，零部件不會被替換，僅需要對局部損傷進行修復。零部件僅會出現(xiàn)維修記錄和維修歷史的更新，同時運營里程/時間及剩余壽命也需要與產品同步更新。從產品維修構型上看，變更范圍包括維修記錄、維修歷史、運營數(shù)據及產品自身壽命數(shù)據等特征數(shù)據。對棄件修的必換件和偶換件，其在構型中的變更方式是由新的同類零部件進行替換。從維修構型變更角度來看，該類變更操作需要先將原有的零部件信息刪除，再將新替換的零部件的所有信息更新到維修構型中。但需要注意的是，該類零部件如果對產品正常運營有影響，需要記錄其供應商信息及零部件更換日期，當零部件更換供應商時，若出現(xiàn)嚴重問題，可根據更換信息進行質量追溯和責任追溯。對換件修的零部件，需要記錄產品具體位置的維修更換信息、保存被替換的零部件信息、關聯(lián)新裝配零部件信息到產品、更新替換件的拆裝履歷、更新產品維修歷史、更新周轉件狀態(tài)及配屬記錄等。圖4描述了不同維修方式、零部件類別和變更維度之間的關聯(lián)關系，表2描述了不同變更維度的具體內容。

表2 不同變更維度的具體內容

(3)構型變更內容分析

以上變更主要是根據零部件類別進行的變更內容的分析，同樣地，可以從復雜產品構型角度出發(fā)，探討復雜產品的變更方式。復雜產品構型相當于一種產品結構，可以從構型的結構和屬性兩種角度來分析維修構型的變更，主要包括如下4種情況：

1)零部件或部件結構不變，屬性或文檔變更。此類變更發(fā)生在零部件剩余壽命周期可滿足下次檢修時間的壽命需求，零部件無明顯故障，僅進行維護、清洗和性能試驗，更新試驗數(shù)據即可。記錄本次維修事件，如維修事件名稱、維修時間、維修地點和維修商等。

2)零件或部件替換，物料編碼或序列號變更。此類變更發(fā)生在換件修方式下或零部件已經到達或即將到達壽命期限，即將報廢或回收利用的零部件。在換件修方式下，對產品來說，產品結構所安裝的零部件實體發(fā)生變更，該位置所關聯(lián)的所有零部件數(shù)據都會隨著零部件的更換而改變。更換的零部件可以是滿足可靠性和壽命要求的舊件，也可以是新件。

3)零部件序列號不變，結構變更或軟件升級。該類變更往往是有構型項加裝改造、零部件升級、零部件具體維修等需求時，對零部件結構進行調整。零部件結構發(fā)生變化，其技術數(shù)據(如裝配圖、維修說明等)、供應數(shù)據(如供應商等)、壽命數(shù)據(剩余可用壽命等)一系列構型文件都要跟著改變。對軟件產品說來，軟件升級管理也在變更管理范圍內，需要在維修項目中說明軟件升級版本號、功能描述等。

4)產品變更。以上所有變更都會引起產品的變更，當零部件與產品的結構關系不變時，僅需對零部件變更進行管理；當零部件與產品結構關系改變時，需要分別管理零部件和產品，記錄歸屬關系的變更。例如周轉件，當產品更換替代件后，產品履歷中需要記錄周轉件的更換，并將更換件信息與產品關聯(lián)。而被替換件則會入庫、維修、恢復可用性，下次安裝到待修產品中。

3.2 基于配置的產品維修構型變更方向控制

不同零部件維修變更內容僅表明了已確定的零部件類別和維修方式所決定的該零部件在維修業(yè)務中數(shù)據會如何發(fā)生變化以及哪些數(shù)據會發(fā)生變化，在替換件、多供應商可選件和復雜的安裝約束情況下，維修配置管理決定著實例維修構型的變更方向。該配置功能可根據客戶需求和維修規(guī)程，在產品位置約束、組裝約束和有效性約束下，決定維修產品需要更換具體供應商零部件的最優(yōu)選擇。

之所以會存在復雜產品維修配置問題，是產品維修多樣化的需求，這些維修需求是產品維修變更的驅動力，因此需要將這些維修需求與產品變更方式關聯(lián)起來，具體如表3所示。

表3 維修配置對構型變更的影響

從表3可以看出，不同維修需求會對產品實例維修構型產生可預計的變更影響。在配置過程中，除了一般性的更換和維修作業(yè)，還需要一些優(yōu)化技術的支持。優(yōu)化技術體現(xiàn)在兩方面：①在滿足已有約束的情況下選擇不同供應商零部件時，通過成本優(yōu)化選擇較為合適的供應商零部件;②換件修的周轉件選擇需要考慮零部件剩余壽命和產品本次維修到下次維修之間的運營時長或里程，選擇合理的周轉件匹配，從而在滿足產品及零部件可靠性的前提下，降低維修成本，實現(xiàn)綠色維修。文獻[17]中提到軸箱軸承剩余壽命充分利用的實例：A零部件的使用壽命是270萬公里，在五級修時運營里程達到230萬公里，剩余的40萬公里無法滿足下一個檢修周期60萬公里的使用要求，如果直接報廢會造成零部件壽命浪費。在車輛運行過程中，當同類型部件B發(fā)生故障，如果距離下一次檢修小于40萬公里，可以更換上A部件，從而提高配件的利用率。同樣地，在多供應商選件時，可考慮成本、質量、時間等多目標進行備件選擇，實現(xiàn)產品備件配置的優(yōu)化。

3.3 基于IDEF0的維修構型變更過程分析

維修配置確定了服務級別、維修項、維修備件和后續(xù)作業(yè)等，但實際產品維修構型變更發(fā)生在維修業(yè)務執(zhí)行過程中，如零部件更換、可維修件的維修以及軟件的升級等。為了明確維修業(yè)務過程中的實際產品或維修構型數(shù)據的變化，本節(jié)利用IDEF0方法對維修業(yè)務過程中的活動和不同活動之間的信息流進行分析，進而形象化描述維修構型變更的過程、活動及關聯(lián)。

IDEF0是一種結構化的分析方法，通過一系列的圖形、語言和描述文字將復雜系統(tǒng)逐層分解成各個部分，使復雜系統(tǒng)更加容易被理解。IDEF0能同時表達系統(tǒng)的活動(用盒子)和數(shù)據流(用數(shù)據流)以及它們之間的聯(lián)系，同時考慮了活動、信息及接口條件。對新系統(tǒng)來說，IDEF0能描述新系統(tǒng)的功能和需求，進而表達一個能符合需求及能完成功能實現(xiàn)的系統(tǒng)。對已有系統(tǒng)來說，IDEF0能分析應用系統(tǒng)的工作目的，完成功能及記錄實現(xiàn)的機制[18]。IDEF0模型從系統(tǒng)的角度出發(fā)，客觀揭示了系統(tǒng)內部的活動、聯(lián)系、對象和各活動之間的信息輸入輸出關系，便于理解和交互[19]。IDEF0主要包含以下信息：用盒子代表活動，圍繞著每一個活動，都會有輸入、輸出、控制和機制。輸入(inputs)和輸出(outputs)表達的是“是什么(what)”，控制(controls)表明了“為什么(why)”，機制(mechanisms)表明了“如何做(how)”。這些數(shù)據元素可以用ICOM進行總體表示，ICOM與活動關聯(lián)起來，共同描繪系統(tǒng)流程、功能和數(shù)據流。

基于IDEF0自上而下的系統(tǒng)分解功能，將IDEF0繪制分為3個層次，從頂端的總體業(yè)務流程開始，到維修過程詳細業(yè)務及各業(yè)務之間的關聯(lián)，再到最終的維修業(yè)務執(zhí)行部分，對復雜產品實際維修變更作詳細的說明，如表4和圖5所示。根據維修流程，可將復雜產品維修業(yè)務分解為5個子活動，而產品或維修構型變更主要發(fā)生在維修執(zhí)行部分，故單獨對維修執(zhí)行部分進行具體業(yè)務活動的分解。在維修過程中不同零部件的維修內容是不同的，變更結果也不同，存在業(yè)務活動并列的情況，具體如活動組A43。同時，由于維修過程中存在返工返修的情況，故最底層的模型中存在活動的循環(huán)。

表4 復雜產品維修業(yè)務分解表

維修活動的分解和確定限定了IDEF0的主要范圍，由于本部分內容主要針對產品維修構型變更，故不對第二層模型中的其他活動進行深入分解。而第二層的IDEF0模型則體現(xiàn)了不同活動的關聯(lián)，闡述了維修業(yè)務執(zhí)行過程中的輸入和輸出。根據復雜產品維修業(yè)務流程的調研及相關知識的了解，本文從IDEF0的頂層到底層，進行活動分解和每個活動的ICOM要素分析。

復雜產品維修業(yè)務流程的輸入是待修產品、本次維修級別和本次維修特殊需求，所有維修活動都需要遵循維修規(guī)程，符合政府和行業(yè)的法律法規(guī)，滿足維修合同。維修部門根據通用維修構型和相關管理技術，執(zhí)行維修業(yè)務活動，從而獲得滿足客戶需求的可靠產品、產品及關鍵部件的維修履歷和具體維修明細，如圖6所示。

復雜產品維修過程類似于生產管理過程，都需要進行需求確定、計劃制定、資源準備和生產執(zhí)行等業(yè)務活動，各活動之間的關聯(lián)是活動順利進行的關鍵。所有活動都是為了使維修業(yè)務順利執(zhí)行，具體如圖7所示。

在具體維修業(yè)務執(zhí)行過程中，產品維修基本的活動為“拆卸—維修/更換—組裝”，根據不同零部件的維修策略和維修方式會有不同的維修內容，如圖8所示的A43系列活動組，共同構成了維修構型變更的基本活動，這些活動會記錄在產品維修記錄中，形成本次維修的產品和關鍵零部件履歷。

3.4 作業(yè)驅動的構型變更模型

(1)維修作業(yè)分類及數(shù)據變更分析

由3.3節(jié)內容可知，產品零部件在維修過程中會經歷拆卸、檢測、維護、維修、入庫、升級或技術加改、更換、報廢和組裝9類維修作業(yè)。其中：檢測主要對復雜產品或零部件的關鍵技術指標或性能指標的測量，也包括探傷作業(yè)等質量檢測，為維護、維修作業(yè)提供數(shù)據基礎；入庫是指舊件入庫待修，主要針對換件修，提高產品整體維修效率。復雜產品零部件都會經歷這些維修作業(yè)中的一個或幾個，這些維修作業(yè)則是維修構型變更的源頭，維修作業(yè)過程對維修數(shù)據的變更影響如表5和圖9所示。

表5 維修作業(yè)對維修數(shù)據的影響分析

(2)維修變更數(shù)據模型

假設實例維修構型用I表示，I包含了零部件節(jié)點集合P，物料編碼/序列號ID，位置描述O，零部件關系R和零部件屬性C，則維修前的構型可以表示為：

I=〈P,ID,O,R,C〉。

(1)

維修后的實例維修構型為I′，零部件、編碼、零部件位置、零部件結構和零部件屬性等均有可能發(fā)生變化。

為記錄維修變更過程，需要引入一些操作變量來表示維修過程中的作業(yè)，如表5所示，本文用雙字母來表示維修作業(yè)變量。同時，為了區(qū)別修前和修后的產品組成及特征，本文用構型基線內容來表示維修過程的輸入與輸出，將重點集中在全生命周期管理零部件上。變更數(shù)據模型中的修前基線用BBM表示，修后基線用BAM表示，維修作業(yè)變更用Pr表示，維修作業(yè)集合用OP表示，針對單個零部件的維修作業(yè)或維修作業(yè)組合用Op表示，則有如下形式化表達：

Pr={Pr1,Pr2,Pr2,…,Pri}；

(2)

OP={Ds,Ms,Me,Re,Iv,Up,Ch,Sp,As}。

(3)

單個維修作業(yè)OP如表5中的“作業(yè)名稱”欄所示，組合作業(yè)情況如圖9的“作業(yè)組合”所示，這些作業(yè)共同組成了OP集合，作為維修作業(yè)的輸入。不同的操作對維修構型的影響不同，數(shù)據變更也不同，定義Fp為維修作業(yè)下的零部件數(shù)據變更邏輯，F(xiàn)p的變更邏輯來源于表5所示的單項作業(yè)變更邏輯和圖9所示的組合作業(yè)變更邏輯，是連接輸入、操作和輸出的關鍵。數(shù)據變更主要體現(xiàn)在零部件或構型結構、編碼、位置、零部件關系及屬性等的變化上。針對每個操作，也需要對操作發(fā)生和終止的時間進行記錄，代表著數(shù)據變更的開始時間和結束時間。對每種變更處理，都有相應的輸入、操作和輸出，輸入和輸出依靠變更邏輯Fp來進行數(shù)據的變更。

對于每種維修作業(yè)Op，都有相應的作業(yè)代碼IDop、作業(yè)名稱Naop、工藝Pro、所需設備Ma、人力La、作業(yè)開始時間Ts和作業(yè)結束時間Te等信息，表示如下：

Op=〈IDop,Naop,Pro,Ma,La,Ts,Te〉。

(4)

維修作業(yè)變更過程Pr的表示如式(5)，其中，In表示維修作業(yè)前的產品或零部件構型狀態(tài)，Out表示維修作業(yè)后的產品或零部件構型狀態(tài)，從In到Out需要有作業(yè)輸入和變更邏輯的輸入，從而控制產品維修構型的變更。

Pri=〈Ini,Opi,Fp,Outi〉；

(5)

Ini=〈pi,idi,oi,ri,ci〉；

(6)

(7)

綜上可知，Pri最終作為零部件pi的履歷記錄。對于多個零部件變更的修前基線和修后基線，可以表示為：

BBM=〈{In1,In2,In3,…，Inm},Cb〉；

(8)

BAM=〈{Out1,Out2,Out3,…，Outm},Cb〉。

(9)

其中：m表示本次維修對象數(shù)量;Cb表示基線屬性，包含基線名稱、基線建立時間等屬性。

當獲得了修后基線BAM后，即可對比BAM中的零部件節(jié)點與實例維修構型I中的對應節(jié)點，進行信息的更新，獲得最新的實例維修構型I′。

4 以轉向架輪對組成為例的維修構型變更管控案例

動車組轉向架是動車組八大關鍵部件之一，是動車組正常運行和安全保證的核心部件。動車組轉向架維修是動車組每次高級修的必修內容，而且隨著維修級別的增加，轉向架的維修范圍和維修深度也逐級增加。如CRH380AL型號列車的轉向架三級修共有27項檢修內容，四級修增加到了37項，在維修范圍上更加廣泛。由于轉向架較為復雜，涉及的數(shù)據量較大，本文以動車車廂轉向架的關鍵部件“輪對組成”(下文用“輪對組成(M)”表示)為例，研究動車組轉向架維修過程中的產品構型變更管理與控制。

輪對組成(M)結構如圖10所示，其實例維修構型信息如表6所示，選擇動車車廂的“輪對組成(M)”作為研究對象的原因如下：①輪對組成(M)包含了提供動力的齒輪箱此類關鍵部件，是高級維修中的重點；②齒輪箱所屬的供應商部件，可能存在委外維修的情況；③輪對中的各零部件會存在多種維

修方式(如換件修理、車輪可修后混裝在不同位置)和多種維修作業(yè)類型(如拆卸、檢測、維護、維修、更新、報廢等作業(yè))，子件均需進行全壽命周期管理和履歷記錄。該案例對象足以展示維修過程中動車組的構型變更和輪對中的關鍵件的全壽命周期履歷記錄的管控過程，具有典型性和代表性。

表6 輪對實例維修構型基本信息

在動車組高級修中，不同的維修級別(如三、四、五級修)代表維修范圍和零部件的維修深度。但是對于關鍵零部件來說，維修級別僅代表不同的里程或者時間對應的維修點，僅需根據維修參數(shù)要求(如表7所示)，對比零部件狀態(tài)，進行維修作業(yè)。

為了全面展示對裝備維修變更信息的管控，以動車組從新車投入到經歷完整的三、四、五級修為完整時間線，對動車組及輪對組成(M)在多次維修中的構型變更和單次維修作業(yè)中的關鍵零部件輪對履歷變更進行描述，從而全面驗證本文方法的可用性。

表7 輪對組成(M)各零部件維修要求

續(xù)表7

案例描述：動車組A從2012年9月16日新造出廠投入運營開始到2016年11月18日完成五級修，表8說明了每次維修前的累計行駛里程、修前修后時間、對應維修基線，以及修理完成后根據修后基線更改的產品實例維修構型。為了降低數(shù)據量，對輪對組成(M)的每次維修范圍、修前狀態(tài)和維修作業(yè)，本文僅選取部分具有代表性的維修事項，闡明本文方法的應用過程，具體描述如下。

表8 動車組多次維修事件及對應構型和基線信息

輪對組成(M)三級修修前基線BBM1是根據本次維修范圍，從實例維修構型I0中抽取出來的零部件狀態(tài)信息。由于三級修主要進行狀態(tài)檢修，針對車軸表面的劃痕進行手工打磨，故BBM1的對象為車軸，修前狀態(tài)In=車軸,0010+2234,無,父節(jié)點為輪對組成(M),軸徑=D，維修作業(yè)Op=作業(yè)組合1+3,手工打磨,打磨工藝,無,工人甲,t1,t2，維修完的車軸狀態(tài)Out=車軸,0010+2234,無,父節(jié)點為輪對組成(M),軸徑=D′(注：下劃線代表存在數(shù)據變動，下同)，此時的Fp主要為圖9中的“1+3”作業(yè)組合變更，主要變更內容為軸徑參數(shù)變更，增加維修記錄。Pr展示車軸從修前狀態(tài)經過打磨作業(yè)到修后狀態(tài)變更的全過程。BAM1相對于BBM1增加了車軸的參數(shù)變更和維修記錄，以及營運里程或運營時間等運營信息的更新，便于實時更新關鍵零部件的剩余壽命。維修基線變更記錄在車軸的履歷中，實例維修構型I1相對于實例維修構型I0僅存在車軸軸徑的參數(shù)變化和運營數(shù)據的變化。對于關鍵零部件來說，都存在運營數(shù)據的變化，下文不再強調，主要突出維修作業(yè)帶來的產品零部件數(shù)據的變更。

輪對組成(M)四級修維修任務包括：拆卸和組裝輪對組成、齒輪箱加裝溫度傳感器和輪對修形及報廢，則本次的修前基線主要包括輪對組成、齒輪箱和車輪3類零部件的狀態(tài)參數(shù)。用In1表示齒輪箱的修前狀態(tài)，In21表示車輪[一位側]的修前狀態(tài)，In22表示車輪[二位側]的修前狀態(tài)，則有In1=齒輪箱,0030+4234,無,r,c，維修作業(yè)Op1=<作業(yè)組合0+1+5+8,加裝改造,加裝改造工藝,設備組1,工人組1,t1,t2>，Out1=齒輪箱,0030+4234,無,r′,c，r′相對于r增加了子節(jié)點溫度傳感器及其屬性信息，F(xiàn)p為圖9中的“0+1+5+8”作業(yè)組合對應的拆裝記錄和改造記錄。車輪修形主要涉及到輪徑參數(shù)，修前狀態(tài)In21=車輪,0020+3234,一位側,r,輪徑=D，維修作業(yè)Op21=<作業(yè)組合1+3,鏇輪,鏇輪工藝,設備組2,工人組2,t3,t4>，Out21=車輪,0020+3234,一位側,r,輪徑=D′，F(xiàn)p涉及到輪徑參數(shù)變更，增加維修記錄。對于報廢車輪，則需要記錄報廢原因(如輪徑達不到要求)，并更換新的車輪。該變更主要發(fā)生在輪對組成上，并記錄在輪對組成(M)履歷中。In22=車輪,0020+3235,二位側,r,輪徑=D，維修作業(yè)Op22=作業(yè)1+7,報廢,報廢流程,測量設備,工人組1,t3,t4，Out22=車輪,0020+3236,二位側,r,c，F(xiàn)p涉及到報廢記錄的增加，車輪替換記錄，將新車輪的屬性增加到輪對組成(M)中。對于輪對組成(M)，經歷了拆卸、輪軸超聲波探傷、組裝、檢壓測試、動平衡測試和標記刻打等作業(yè)，同時子部件結構的變更會影響到父件，故輪對組成(M)狀態(tài)變化較多。用In0表示輪對組成的修前狀態(tài)，In0=輪對組成,0000+1234,無,r,c，維修作業(yè)Op0=作業(yè)組合0+1+3+5+6+8,輪對組裝維修,輪對組裝維修工藝,設備組3,工人組3,t0,t5，Out0=輪對組成,0000+1234,無,r,c，F(xiàn)p涉及了拆解、維修、加裝改造、更換新件等作業(yè)，需要增加拆裝記錄、填寫零部件替換記錄、填寫加改記錄以及檢測記錄。每一個零部件的維修變更都存在一個對應的Pr記錄，形成對應零部件的維修履歷。本次四級修的修前基線BBM2={In1,In21,In22,In0},{2014-9-11,四級修前，維修廠A}，本次維修的修后基線為BAM2={Out1,Out21,Out22,Out0},{2014-10-18,四級修后，維修廠A}。實例維修構型I1對比BAM2中的零部件進行對應信息的更新，形成實例維修構型I2。

同樣的，五級修中也會存在輪對組裝的拆解、輪對修形、輪對更換、齒輪箱拆解等作業(yè)，這里假設更為復雜的情況，車輪修形后存在位置調整(混裝情況)，將轉向架車輪一位側安裝序列號為3236的車輪，二位側安裝序列號為3234的車輪。此時，相對于四級修案例，修前狀態(tài)In和修后狀態(tài)Out中的位置信息和輪徑數(shù)據需要同時變動，在履歷記錄Pr中也會體現(xiàn)，這種位置變動也會體現(xiàn)在實例維修構型中。若存在不同列車之間共用的周轉件(委外維修需求或維修時間較長，為了縮短總維修時長而設置的零部件)，存在產品和零部件的關系r變更，類似于四級修案例中換新件的流程。

以上案例足以代表不同零部件維修過程中的變更過程和方法，無論多么復雜的維修過程，根據以上變更管控過程，均可實現(xiàn)維修履歷的記錄和實例維修構型的更新，以及產品和零部件的全壽命周期管理。

5 結束語

本文利用修前基線和修后基線來控制多次維修事件之間的數(shù)據變更，確保了長周期離散時間點上維修構型變更的連續(xù)性，同時修前基線為單次維修業(yè)務變更提供了維修數(shù)據變更的起點。根據不同維度的維修變更內容分析和變更方向控制分析，利用IDEF0進行維修過程分解，將維修變更具體到每一個維修作業(yè)，實現(xiàn)作業(yè)驅動的維修構型變更管理。提出的復雜產品維修構型變更管控方法可支撐維修業(yè)務過程管理信息化，為產品履歷管理、備件管理、維修計劃管理等提供了準確的數(shù)據基礎，可作為維修管理信息系統(tǒng)基礎數(shù)據管理模塊的基本技術。

本文雖然對維修數(shù)據變更做了細致的研究，但在維修構型審核等內容上只做了簡單的說明，未來可進一步研究維修構型管理流程。同時，在數(shù)字化時代，區(qū)塊鏈技術和數(shù)字孿生技術等新一代信息技術均可應用在復雜產品維修中，如HUANG等[20]將區(qū)塊鏈技術應用在數(shù)字雙生產品全生命周期管理中，從而實現(xiàn)了產品數(shù)據管理的高效性和安全性；張旭輝等[21]將數(shù)字孿生技術應用在設備維修指導中，提升了設備維修的效率。因此，復雜產品維修構型變更的未來研究也可結合區(qū)塊鏈技術和數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)更大范圍和更加高效的產品數(shù)據管控。