基于設(shè)計(jì)環(huán)境的圖紙BOM管理系統(tǒng)

羅年猛， 肖祖安， 朱 林

（華中科技大學(xué)國(guó)家企業(yè)信息化應(yīng)用支撐軟件工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074）

在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，如何有效的管理大量的工程圖紙，并提高其重復(fù)利用的效率成了非常棘手的問題[1]。PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理），作為對(duì)企業(yè)設(shè)計(jì)過程管理，已經(jīng)在國(guó)外一些著名企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，但是在國(guó)內(nèi)，部分企業(yè)的PDM在應(yīng)用中困難重重，周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集和處理難，缺乏準(zhǔn)確性，PDM實(shí)施成功率低成了普遍現(xiàn)象，這樣的企業(yè)在我國(guó)為數(shù)不少，大多是一些中小型企業(yè)，它們把CAD僅僅作為繪圖工具來使用，經(jīng)過多年的積累，存在大量無序的電子文檔，企業(yè)一方面需要把這些寶貴的信息整理成可查閱的電子資料庫(kù)，而另一方面實(shí)施PDM等管理軟件又存在高成本、高風(fēng)險(xiǎn)等問題。而且企業(yè)往往需要進(jìn)行大量的改造，投入很多的人力，這不是所有中小企業(yè)都可以承受的，但是他們又迫切的想擺脫手工編制 BOM（Bill Of Material，物料清單）的繁瑣。因此，這些企業(yè)急需一種簡(jiǎn)單易用的“圖紙BOM管理系統(tǒng)”。它不需要PDM、PLM中過于約束的功能、繁瑣的流程管理，只需要實(shí)現(xiàn)零件圖紙的查看、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的管理、BOM 數(shù)據(jù)的提取和輸出等基本功能[2]。因此，本文提出了一種簡(jiǎn)潔、高效的圖紙BOM管理的方法，從邏輯上對(duì)圖紙進(jìn)行劃分，以某一產(chǎn)品（或產(chǎn)品的某一部件）的所有圖紙（一套圖紙）為對(duì)象，幫助設(shè)計(jì)者管理和維護(hù)該套圖紙，并且方便輸出各種形式的BOM數(shù)據(jù)報(bào)表。

1 圖紙BOM管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

1.1.1 系統(tǒng)需要具備的功能

利用計(jì)算機(jī)來輔助企業(yè)生產(chǎn)管理，首先要使計(jì)算機(jī)能夠獲取產(chǎn)品的構(gòu)成及相關(guān)的物料，為了便于計(jì)算機(jī)識(shí)別，必須把用圖示表達(dá)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成某種數(shù)據(jù)格式，這種以數(shù)據(jù)格式來描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的文件就是物料清單，即是BOM[3]。在設(shè)計(jì)過程中，BOM 的數(shù)據(jù)來源主要是整套產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙中的標(biāo)題欄和明細(xì)表中的信息。標(biāo)題欄主要記錄了該零件或是部件的名稱、圖號(hào)等信息；明細(xì)表則記錄了部件或子部件所引用的零件的名稱和數(shù)量等信息。故圖紙中的標(biāo)題欄和明細(xì)表不僅反映了該零件（或部件）的物料信息，還反映了零件之間的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系。在國(guó)內(nèi)一些中小型制造企業(yè)中，設(shè)計(jì)圖紙的無序化、BOM 報(bào)表的手工編制和人工管理嚴(yán)重的阻礙了知識(shí)的共享和重用，工作人員大量的時(shí)間和精力都花在了重復(fù)的勞動(dòng)上，制約了企業(yè)的發(fā)展，降低了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，故對(duì)于這些企業(yè)來說，如何有效的管理設(shè)計(jì)圖紙和BOM數(shù)據(jù)是其企業(yè)信息化的關(guān)鍵一步。

對(duì)于上面所描述情況，這些企業(yè)需要一種圖紙BOM管理系統(tǒng)，來規(guī)范的管理他們的圖紙和BOM數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)必須具備如下4個(gè)功能：

1）實(shí)現(xiàn)圖紙的批量管理、快速查看和查找；

2）能夠從圖紙中提取所需的BOM信息；

3）直觀的生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的管理；

4）生成多種形式的BOM報(bào)表。

最后，考慮到設(shè)計(jì)人員習(xí)慣于CAD繪圖環(huán)境并且要對(duì)圖紙進(jìn)行快速查看，故該系統(tǒng)集成于CAD環(huán)境中。

1.1.2 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖紙數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和存取，系統(tǒng)的底層采用數(shù)據(jù)庫(kù)支持，數(shù)據(jù)庫(kù)是現(xiàn)在應(yīng)用非常廣的數(shù)據(jù)管理技術(shù)，常用的數(shù)據(jù)模型有如下3種：

1）層次模型(Hierarchical Model)，使用樹形結(jié)構(gòu)來表示數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；

2）網(wǎng)狀模型(Network Model)，使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表示數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；

3）關(guān)系模型(Relational Model)，是一種理論最成熟,應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)模型。在關(guān)系模型中，數(shù)據(jù)存放在一種稱為二維表的邏輯單元中，整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)又是由若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的二維表組成的。

與層次模型和網(wǎng)狀模型相比，關(guān)系模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用了人們習(xí)慣的表達(dá)形式，易于掌握。它以關(guān)系理論作為指導(dǎo)，可以通過集合運(yùn)算、謂詞演算來表示查詢。因此，本文的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用了關(guān)系模型[4]。

整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)分為3個(gè)層次：底層數(shù)據(jù)、中間處理和CAD平臺(tái)。底層數(shù)據(jù)中，“工程圖紙”是原始數(shù)據(jù)，圖紙中標(biāo)題欄和明細(xì)表信息被提取到“圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)”中，這些數(shù)據(jù)是生成BOM報(bào)表的基礎(chǔ)。然而，對(duì)于用戶來說，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是與他們的操作直接相關(guān)的“原始數(shù)據(jù)”，數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖紙數(shù)據(jù)和“工程圖紙”中的圖紙文件有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這個(gè)是為了方便用戶對(duì)圖紙進(jìn)行查找和查看；“中間處理”主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)再次抽取的過程，提取用戶需要的數(shù)據(jù)并且進(jìn)行相關(guān)的解析，為最終的輸出做準(zhǔn)備；“CAD平臺(tái)”則是用戶直接操作的環(huán)境，主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化或是視圖化的過程。這樣的層次結(jié)構(gòu)使得圖紙數(shù)據(jù)和管理程序相對(duì)獨(dú)立，降低了整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)成本，同時(shí)，在保證數(shù)據(jù)完整性的前提下，管理程序以后的擴(kuò)展也非常方便。

圖1 圖紙BOM管理系統(tǒng)的架構(gòu)

1.2 關(guān)鍵技術(shù)和算法實(shí)現(xiàn)

由1.1節(jié)可以得知，系統(tǒng)的主要功能是圖紙數(shù)據(jù)的提取和數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)數(shù)據(jù)流的樞紐，所以圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、圖紙數(shù)據(jù)的提取和數(shù)據(jù)的導(dǎo)出是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，其中，數(shù)據(jù)的導(dǎo)出主要包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的生成和BOM報(bào)表的輸出。

1.2.1 圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的樞紐，是用戶操作的直接數(shù)據(jù)來源，故數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)非常的關(guān)鍵。

由圖1可以看出，圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中首先必須包含如下數(shù)據(jù)：

1）數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)和圖紙的映射關(guān)系；

2）圖紙之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系；

3）圖紙的BOM數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但是如何有效的組織數(shù)據(jù)則直接影響到系統(tǒng)的檢索性能，故需要對(duì)原始圖紙數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分類。在數(shù)據(jù)庫(kù)中主要采用如圖2所示的幾個(gè)表來存儲(chǔ)圖紙的主要信息。

圖2中，“圖紙定義文件表”、“定義文件和字段值映射關(guān)系表”和“字段屬性表”包括了整個(gè)圖紙的標(biāo)題欄和明細(xì)表的定義屬性，包括各個(gè)屬性代表的名稱和在圖紙上的偏移坐標(biāo)，這些定義信息是識(shí)別圖紙的基礎(chǔ)。工程上圖紙的管理通常是通過產(chǎn)品來劃分的，在這里系統(tǒng)以“項(xiàng)目”的概念來分別管理不同的產(chǎn)品的圖紙?！皥D紙信息表”中主要是標(biāo)題欄的信息，它和“明細(xì)表信息”表中的明細(xì)表信息是“圖紙關(guān)系表”的數(shù)據(jù)來源，這3個(gè)表最終匯總成了“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息”表。對(duì)于一個(gè)項(xiàng)目來說，主要的信息有：項(xiàng)目ID、圖紙ID、明細(xì)表信息ID、定義文件ID和字段屬性ID，在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)這些信息進(jìn)行合理劃分，分別存放在不同的表中，用各自的ID 做索引值，來進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索。這樣的信息組織減少了數(shù)據(jù)冗余，提高了應(yīng)用程序的查詢效率，同時(shí)，數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔清晰，方便用戶的管理和維護(hù)。

圖2 圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)圖

1.2.2 圖紙的批量錄入

圖紙管理以“項(xiàng)目”為劃分，每個(gè)“項(xiàng)目”的圖紙都可以批量錄入，指定文件夾或是多個(gè)dwg文件都可以。對(duì)于單張圖紙的錄入過程如圖3所示，圖紙的批量錄入是循環(huán)執(zhí)行單張錄入的過程。

圖3 單張圖紙的錄入過程

圖3 “遍歷圖紙”是對(duì)圖紙中所有實(shí)體的迭代過程，從中找出標(biāo)題欄和明細(xì)表，然后對(duì)整個(gè)標(biāo)題欄和明細(xì)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，這是圖紙數(shù)據(jù)讀取的關(guān)鍵部分。對(duì)圖紙數(shù)據(jù)的讀取主要有3種方法：“模板匹配法”、“塊屬性定義”和“圖紙屬性定義文件”。其中，“模板匹配法”要求現(xiàn)有的圖形和預(yù)先定義的模板的形式完全一致，這樣就可以根據(jù)模板中的位置來提取圖紙中的數(shù)據(jù)，該方法主要用于一些格式比較固定的純表格類數(shù)據(jù)的提取，對(duì)圖紙的要求非常嚴(yán)格[5]；“塊屬性定義”是現(xiàn)在用的非常廣的一種圖紙數(shù)據(jù)提取方法，在AutoCAD中提供一種塊編輯器功能，可以對(duì)圖塊進(jìn)行屬性定義或是在圖塊中填寫擴(kuò)展數(shù)據(jù)來標(biāo)識(shí)圖形，在獲取數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)圖紙進(jìn)行遍歷，找到之前定義的屬性塊，這樣就可以通過定義的屬性提取出填寫在圖紙中的數(shù)據(jù)[6]；“圖紙屬性定義文件”則主要適合一些自由表格圖形的數(shù)據(jù)提取，通過在屬性表中定義的圖紙屬性和相應(yīng)的相對(duì)坐標(biāo)及坐標(biāo)偏移量就可以找到一個(gè)包容盒，這樣包容盒中的文字?jǐn)?shù)據(jù)就可以很方便的提取了[7]。這里，系統(tǒng)提供了“塊屬性定義”和“圖紙屬性定義文件”這兩種方法來提取圖紙數(shù)據(jù)。下面主要是以“塊屬性定義”為例，圖紙中標(biāo)題欄和明細(xì)表都被定義成帶屬性的塊，完整定義信息是由定義文件和保存在圖塊中的擴(kuò)展數(shù)據(jù)組成的。圖紙的遍歷僅執(zhí)行一次，遍歷的算法過程如圖4所示。

圖4 圖紙的遍歷過程

“讀取標(biāo)題欄信息是否成功”，是檢查遍歷的圖紙的結(jié)果中是否存在標(biāo)題欄的ID，如果存在則讀取標(biāo)題欄中保存的擴(kuò)展數(shù)據(jù)，找到相應(yīng)的定義文件，定義文件中保存了標(biāo)題欄的字段的定義信息，然后根據(jù)定義信息可以得到標(biāo)題欄中各個(gè)字段的填寫區(qū)域，從而可以獲取到標(biāo)題欄中填寫的所有信息，例如：圖號(hào)、名稱、圖幅等。“讀取明細(xì)表信息是否成功”的過程也是類似的。程序的基本流程圖如圖5所示。

圖5 讀取標(biāo)題欄定義的過程

“檢查是否存在遞歸包含”的作用是檢查一張圖紙是否在明細(xì)表中又包含了自己，如果存在遞歸包含則不會(huì)被添加到圖庫(kù)中，因?yàn)檫@在輸出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹時(shí)會(huì)引起一個(gè)類似死循環(huán)的結(jié)構(gòu)。如果要添加的文件已經(jīng)存在圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中，則刪除原來已經(jīng)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)圖紙信息，重新添加一次。

1.2.3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹輸出

在圖紙的標(biāo)題欄和明細(xì)表信息的錄入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在圖庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)中新建1個(gè)“圖紙關(guān)系表”（如果已經(jīng)存在，則或刪除重建），用來管理錄入圖庫(kù)中的圖紙之間的關(guān)系。“圖紙關(guān)系表”中主要記錄了3個(gè)字段：項(xiàng)目ID（根據(jù)項(xiàng)目新建的順序，從1開始順序取值）、圖紙ID（按照?qǐng)D紙?zhí)砑拥捻樞?，?開始順序取值）、父圖紙ID。圖紙的父子關(guān)系主要是根據(jù)圖紙中的明細(xì)表的引用關(guān)系來確定的：如果a圖紙的明細(xì)表中引用了b圖紙，則認(rèn)為b圖是a圖的零件，a圖是b圖的父親。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的輸出過程如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹輸出過程

“建立文檔父子關(guān)系”是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的關(guān)鍵步驟，其過程主要分為3步：

1）從“圖紙信息表”中獲取圖紙ID；

2）根據(jù)圖紙ID在相應(yīng)的“明細(xì)表信息表”中查詢?cè)搱D紙明細(xì)表中所引用的圖紙的ID，保存到一個(gè)數(shù)組中；

3）根據(jù)獲得的圖紙 ID數(shù)組逐個(gè)的查詢，這樣就得到了文檔的父子關(guān)系，然后添加到“圖紙關(guān)系表”中；

“檢查是否存在遞歸包含”的依據(jù)是“圖紙關(guān)系表”中圖紙ID和其父圖ID是否相等，如果相等，則認(rèn)為是存在遞歸包含，不相等接著進(jìn)行下一步，插入到結(jié)構(gòu)樹的相應(yīng)位置進(jìn)行顯示。

1.2.4 BOM報(bào)表輸出

BOM報(bào)表可以輸出多種格式：txt、xls、dbf和dwg。圖紙的數(shù)據(jù)包含標(biāo)題欄和明細(xì)表信息，數(shù)據(jù)按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的層次來輸出。BOM 報(bào)表輸出的數(shù)據(jù)來自“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息”表，這個(gè)表中的數(shù)據(jù)是“圖紙信息表”和“明細(xì)表信息表”的綜合，包含的數(shù)據(jù)量非常大，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的性能，“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息”表不會(huì)自動(dòng)刷新，用戶在需要時(shí)手動(dòng)刷新。txt、xls和dbf格式都是按照順序直接寫出數(shù)據(jù)，是比較通用的格式，而dwg格式報(bào)表則是把數(shù)據(jù)填寫在dwg格式的表格中，這是很多管理軟件沒有的報(bào)表格式，dwg格式的報(bào)表在工業(yè)實(shí)際中應(yīng)用非常廣泛，符合設(shè)計(jì)人員的使用習(xí)慣，方便修改和維護(hù)。dwg格式報(bào)表需要預(yù)先定義一個(gè)報(bào)表格式和相應(yīng)的表格定義文件，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)dwg表格模板和定義文件中定義的字段選擇性的提取“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息”表中的數(shù)據(jù)填寫到表格中，從而輸出dwg報(bào)表。

2 圖紙BOM管理系統(tǒng)實(shí)例

圖紙BOM管理首先是要建立圖庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中主要包含圖紙的定義信息，和各個(gè)用于存儲(chǔ)圖紙信息的數(shù)據(jù)表，這些信息都是以后圖紙的信息提取和保存的基礎(chǔ)。然后可以新建項(xiàng)目、添加圖紙，新建的項(xiàng)目和添加的圖紙信息都會(huì)被保存到先前建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)最終會(huì)根據(jù)圖紙的信息生成一個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，可以對(duì)樹中的任意一張圖紙進(jìn)行查看，填寫等操作，對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目都可以輸出報(bào)表，選擇輸出報(bào)表，可以得到如表1所示的報(bào)表數(shù)據(jù)。

針對(duì)這個(gè)網(wǎng)格中數(shù)據(jù)，可以輸出成多種格式：txt、dbf和dwg。對(duì)于dwg格式的報(bào)表需要預(yù)先定制好輸出的表格形式，表2是輸出的dwg報(bào)表。

3 結(jié) 束 語

圖紙BOM管理系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)企業(yè)使用，如：成都成工工程機(jī)械有限公司等，系統(tǒng)直接集成在CAD環(huán)境中，操作簡(jiǎn)單直觀，符合設(shè)計(jì)人員的使用習(xí)慣，提高了圖紙數(shù)據(jù)的重復(fù)利用率，減少了設(shè)計(jì)者的重復(fù)勞動(dòng)，得到了用戶的一致好評(píng)。未來該圖紙BOM管理可以朝著網(wǎng)絡(luò)協(xié)同方面發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多用戶并行工作和圖紙數(shù)據(jù)的完全共享，這將又會(huì)是一次大的飛躍。

表1 報(bào)表數(shù)據(jù)

表2 輸出dwg報(bào)表

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