（机械制造及其自动化专业论文）基于任务的产品设计过程管理研究.pdf

大连理工大学硕+ 研究生学位论文 摘要 随着计算机技术、网络技术和先进制造技术的逐步发展和相互促进，计算机支持的 产品设计过程管理成为企业实现信息化管理的一种趋势。 产品设计过程具有层次性、反复性和协同性等特点，如何合理的规划和管理设计过 程，是企业提高设计效率、增强创新能力和快速响应市场需求变化的关键问题。因此， 需要分析设计过程要素，研究信息化环境下的产品设计过程管理。 本文从理论方法和应用实现两方面对产品设计过程管理进行了研究，对任务分解、 任务调度优先级确定等问题进行了深入探讨，并对网络环境下产品设计过程管理系统进 行了总体设计和初步实现。论文工作围绕以下几方面展开： ( 1 ) 总结国内外研究现状和理论方法，分析了产品设计过程的特征和管理要素以任 务为核心建模，描述了产品设计过程管理的主要对象“任务”的属性定义、操作行为， 以及任务状态转移关系。 ( 2 ) 针对任务分解缺乏有效的任务粒度划分手段，通过分析任务的内聚性和耦台性， 建立了任务内聚度量模型。该模型通过任务内部之f 司的活动信息约束关系，对任务粒度 设计提出了一种新的定量与定性结合的方法。 ( 3 ) 针对任务调度单一优先级冲突问题，提出了启发式顺序优先级序列的概念。用层 次分析法( a h p ) 建立不同任务属性对调度系统总体性能的重要度排序，在此基础上提出 了一个基于任务属性的顺序优先级调度策略。 ( 4 ) 应用验证方面，根据基于任务的产品设计过程管理思想，对任务管理应用系统进 行了原型设计。以某机床厂下轴承座钻孔倒角机床的产品设计为例，开发了基于w e b 的产品设计过程任务管理系统，并初步实现了系统部分功能。 关键词：产品设计；过程管理：任务建模；任务内聚度量；任务优先级 陈洪娜：基于任务的产品设计过程管理研究 t h er e s e a r c ho nt a s k - b a s e dp r o d u c td e s i g np r o c e s sm a n a g e m e n t a b s t r a c t c o m p u t e r - s u p p o r t e dp r o d u c td e s i g np r o c e s sm a n a g e m e n ti s t h et r e n df o re n t e r p r i s e st o r e a l i z et h ei n f o r m a t i o n a lm a n a g i n gw i t ht h eg r a d u a ld e v e l o p m e n ta n dt h ei n t e r p r o m o t i o no f t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i n t e m e tt e c h n o l o g ya n da d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t h e c h a r a c t e r i s t i c so fp r o d u c td e s i g np r o c e s sa r eh i e r a r c h i c a l ，i t e m f i v ea n dc o l l a b o r a t i v e ，s oh o w t op r o g r a ma n dm a n a g et h ed e s i g np r o c e s sp r o p e r l ya r et h ek e yp r o b l e m st ot oi m p r o v et h e d e s i g ne f f i c i e n c y ，e n h a n c et h ec r e a t i v ea b i l i t ya n dt or e s p o n dt h er a p i dm a r k e tr e q u i r e m e n t c o n s e q u e n t l y ，i ti sa ne s s e n t i a la n dn e c e s s a r yt a s kt or e s e a r c ht h ed e s i g np r o c e s sm a n a g e m e n t t h r o u g h a n a l y z i n gt h ef a c t o r si nt h ed e s i g np r o c e s s t h et h e s i ss t u d i e st w oa s p e c t sw i t hb o t ha c a d e m i ca n di m p l e m e n t a t i o na r e a si np r o d u c t d e s i g np r o c e s sm a n a g e m e n t ，e s p e c i a l l yf r o mt h e i s s u e so ft a s kd e c o m p o s i t i o n ，t a s kp n o r i w s e l e c t i o na n dt h ep r o t o t y p i n gs y s t e md e v e l o p m e n t t h em a i nr e s e a r c hw o r ki se x t e n d i n ga s f o l l o w s ： ( 1 ) s u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hc o n d i t i o n sa n dt h e o r e t i c a lm e t h o d s ，t h ep a p e rm a i n l ya n a l y z e s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm a n a g i n gf a c t o r si nd e s i g np r o c e s sa n dm o d e l st h ea b s t r a c tc o n c e p t i o n o f t h e “t a s ko b j e c t s ”i nd e t a i l s ( 2 ) a i m e da tt h el a c ko fm e t h o d t ot a s kg r a n u l a r i t yd e s i g n ，ac o h e s i o nm e m cm o d e li ss e t u pt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i po ft a s kc o h e s i o na n dc o u p l i n g t h em o d e lp r o v i d e s an e w q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o dc o m b i n i n gw i t ht h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i st od e s i g na n dp a r t i t i o n t h et a s kg r a n u l a r i t yt h r o u g hs t u d i n gt h ei n f o r m a t i o nc o n s t r a t i o nb e t w e e na c t i v i t i e s ( 3 ) t h en o t a t i o no fh e u r i s t i cs e q u e n t i a lp r i o r i t ys e q u e n c ei sg i v e na c c o r d i n gt ot h ee x i s t e d c o n f l i c t i o ni nt h et a s ks c h e d u l i n gw i t hs i n g l ep r i o r i t y o r d e r i n gt h ei m p o r t a n c eo ft a s k a t t r i b u t e sw h i c ha r er e l a t i v et ot h et o t a lp e r f o r m a n c eo ft h es c h e d u l i n gs y s t e mu s i n ga n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) m e t h o d ，a n das e q u e n t i a lp r i o r i t yd y n a m i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m b a s e do nt a s ka t t r i b u t e si sp r e s e n t e df i n a l l y ( 4 ) t h ep r o p o s e dt a s k - b a s e dp r o c e s sm a n a g e m e n ti d e a s a r ea p p l i e di n t ot h ep r o t o t y p e s y s t e md e s i g nu s i n gac e r t a i nt y p eo fm a c h i n et o o ld e s i g na se x a m p l e t h ep a p e rd e v e l o p sa w e b b a s e dt a s km a n a g e m e n ts y s t e mf o rp r o d u c td e s i g n a n dr e a l i z e sp a r t so ft h ef u n c t i o n so f t h es y s t e mp r e l i m i n a r ya tl a s t k e yw o r d s ：p r o d u c td e s i g m p r o c e s sm a n a g e m e n t lt a s km o d e l i n gt a s kc o h e s i o n m e t r l e s ；t a s kp r i o r i t y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 陈洪娜：基于任务的产品设计过程管理研究 1 绪论 11 选题背景 1 1 1 先进制造业发展概况 ( 1 ) 计算机集成制造 计算机集成制造系统( c i m s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 的核心 在于集成，包括集成的方法和原理，是人、技术、经营管理和信息流、物流的有机集成 和优化 ”。它将分散在企业各部分的自动化技术、信息技术和制造技术，通过计算机及 其软件有机的集成起来，形成一个高智能、高柔性的智能制造系统。 ( 2 ) 敏捷制造 所谓敏捷，就是要快速响应市场的变化，提高企业对用户反映的灵敏度，缩短产品 丌发时问。敏捷制造是美国在1 9 9 1 年提出的一种全新概念的生产方式，是美国2 l 世纪 的制造战略【”。 随着企业市场战略由原来的面向产品向面向客户的变化，市场竞争越来越以客户为 中心，敏捷制造的实施需要动态联盟企业从过程重组、产品重组以及对未来变化的适应 能力等多方面专业化考虑，不仅仅是简单的关注企业的柔性和当前要求p j 。 ( 3 ) 虚拟制造 虚拟制造( v m ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 是利用计算机仿真技术和虚拟现实技术，通 过仿真模型来模拟和仿真产品制造过程，从而预估和发现产品功能、性能和可制造性等 方面可能存在的问题，并相应地解决问题【4 。 虚拟制造实现了制造过程的无设备生产和全过程评估，减少设计生产过程中的多次 反馈和重复工作，大大的降低了开发成本并且缩短了开发周期。 1 12 产品开发模式演变 ( 1 ) 串行开发模式 传统的产品开发过程是“抛过墙”式的串行设计模式，因为产品信息得不到及时的 交流和传递，前期设计时存在的问题往往直到后阶段的装配和制造过程才发现，需要大 规模的返工来重新修改设计和工艺，增加了工作量并延长了整个开发周期。 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 并行开发模式 并行工程要求从产品设计一开始就考虑整个生命周期和各方面的因素，下游的活动 在产品开发的早期就参与上游的设计当中，使得产品的设计者在设计产品的时候能够同 时考虑到后期工艺、制造和装配的问题，及时改进结构和设计矛盾，减少了因为反复修 改而造成开发周期延长。 ( 3 ) 协同开发模式 协同设计是在计算机支持的环境下，一个群体协同完成一项设计任务，目标是设计 各种各样的协同工作的应用系统。协同设计与传统产品设计方式的本质区别，在于它把 产品开发的各个活动视为一个集成的过程。 频篱反馈 协同开发并行开发 串行开发 图1 1 产品串行、并行和协同开发模式生命周期比较 f i gl | 1l i f e s p a nc o m p a r i s o nb e t w e e nt h r e ec l a s s i c a ld e s i g nm o d e s 产品的协同开发模式把工程设计及制造技术与科学管理方法进行了融合，实现了计 算机环境支持下的更加经济高效的协同工作方式。 陈洪娜：基于任务的产品设计过程管理研究 图1 1 是典型的三种产品开发模式过程比较，可以看到，协同设计模式的产品生命 周期最短，它可以实现立体、交互、多学科团队的协同合作方式进行产品开发，设计过 程更加紧凑。 1 13 信息化企业先进管理方式 新的制造技术、新产品和新工艺的大量涌现，必将导致新的管理模式和生产方式、 组织结构和决策方法的出现【5 】。 企业信息化必须把先进的信息技术、制造方式和管理技术结合起来，建立和完善科 学的管理方式和方法。 ( 1 ) 集成产品开发团队 集成产品开发团队( i p t ，i n t e g r a t e dp r o d u c t i o nt e a m ) 是现代化生产企业实行先进制 造技术的一种重要组织方式。不同职能部门组成跨学科跨部门的多学科小组，进行集成 产品的开发，能够增强相互的协调性和提高开发效率。 ( 2 ) 产品开发过程重构 产品过程重组可以根据经营过程重组的概念定义为：对产品丌发过程进行彻底或根 本性的改变，以达到产品开发在时间、成本、质量和服务上的改进 4 。 制造业业务过程的流程再造的主要e t 的之一就是缩短完成单位业务流程所花费的 时间，提高工作效率，产品开发过程重构的首要目标也是缩短产品开发周期，加快产品 上市速度。 ( 3 ) 供应链管理 供应链管理是对从原材料加工到成品并送到客户手中这一过程中涉及的合作企业 和部门所组成的网络系统中的物流、信息流、资金流进行计划、管理和协调的工作 6 。 供应链使得产品开发的全生命周期从单一的一个公司内部延伸到纵向的企业与企 业之间的协调，是一种更高层次和更大范围内的协同工作模式。 1 2 选题意义 在我国制造业2 0 多年的信息化过程中，有着“三分技术、七分管理”的说法，即 在企业信息化过程中，计算机技术的难度只占三分，而要改变传统落后的管理模式则是 难度更大的工作【7 1 。因此，如何管理计算机支持下的产品设计过程是企业面临的一个新 问题，也是现代制造业在信息化环境下开发新产品取得良好效益和成果的关键。 大连理工大学硕士研究生学位论文 121 产品设计的流程 产品设计是将入们头脑中思考的物体变成实际物体的形式，从整体规划到最终产品 的生产制造可以看作是一个完整的设计过程。 产品设计的一般流程可以归纳为如图1 2 所示的一系列活动过程：整体计划是产品 设计的首要步骤，主要确定产品制造活动的内容；设计计划确定设计的内容及设计活动 的内容；概念设计阶段将头脑中的构思加以展开，描绘在图面上形成草案图；方案设计 阶段将构思具体化，并制定最终想要制造物体的全部信息的计划图；详细设计阶段主要 是绘制为指导生产所需的零件图，并在纸面上试组装：生产制造阶段按照零件图、装配 图和零部件明细表进行产品的制造，最后，对制造出的物体是否符合设计要求加以检查。 反 复 整体计划 图1 2 产品设计过程沉程图 8 】 f i g1 2f l o wc h a r to f p r o d u c td e s i g np r o c e s s 嘲 本文研究的产品设计过程管理系统不包括整体计划和制造阶段，主要指狭义概念上 的设计。项目总负责人和企业经理在接到设计任务后，经过整体计划后对客户要求进行 进一步的细化和具体设计。 tk旧睫怿上 陈洪娜：基于任务的产品设计过程管理研究 1 2 2 产品设计过程的特点 要进行产品设计过程的管理，首先要了解产品设计过程的特点，分析产品设计过程 的特点可以归纳如下： ( 1 ) 产品设计过程的复杂性 设计过程中会产生与产品开发相关的各种信息和基本数据，这些信息和数据来自于 不同组织结构的人员和部门，并通过设计过程的演进流转、传递和交互。这些数据、资 源和设计方法的交融使得产品设计过程成为一个复杂的系统工程。 ( 2 ) 产品设计过程的层次性 产品设计过程从过程实施的角度来看具有一定的层次性。通常将产品设计过程分为 四个层次【4 j ：组织标准化产品设计过程层、项目既定过程层、项目与团队开发计划层以 及具体任务层。层次的划分是按照产品的设计在整个丌发过程中从抽象到具体，从整体 到局部的逐渐演进的过程，不同的层次之间可以相互映射和转化，上一个抽象的层次可 以映射到下一个层次形成更为具体的目标和任务。 ( 3 ) 产品设计过程的反复性 一个新产品的成功开发要经历反复多次的修改和评审。在产品信息的相互传递和反 馈过程中，其主要内容与相关过程会发生各种冲突，解决设计、制造中的冲突问题就是 个产品设计过程中反复迭代和循环的过程。 ( 4 ) 产品设计过程的协同性 产品设计是一个跨学科、跨部门的过程，需要各个领域人员共同协作完成。设计过 程协同工作的目的是为了缩短产品开发周期，压缩生产成本。借助于信息化技术和网络 的连接，能够更好的实现在异地分布式环境下的范围更广的产品设计的协同工作。 12 3 产品设计过程管理的重要性 一个好的设计项目如果没有好的管理就不能顺利展开，因此，产品设计过程管理是 产品开发成功施行的必要保障。具体可以从以下几方面来说明产品设计过程管理的重要 性： ( 1 ) 产品设计过程管理是协调冲突保证开发任务按时完成的需要 产品设计活动是一个团队合作共同完成一项任务，设计本身存在着大量的问题和冲 突，需要通过协商的方式解决。 设计的冲突问题由于涉及到产品开发过程的整个生命周期，在不同的设计阶段都可 能出现问题和矛盾，需要通过过程管理的方式在各个阶段协调来自不同部门的设计人员 大连理工大学硕士研究生学位论文 的决策、方案和意见的不一致，建立相应的冲突和协商决策模型来进行有效的管理和控 制。 ( 2 ) 产品设计过程管理是维护产品信息完整性和安全性的需要 产品设计过程中会产生一系列的产品数据信息，传统的设计模式下，由于缺乏有效 的过程管理体制，产品的数据都是通过分散在各个部门，且以纸面文档的形式进行传递， 容易造成信息的丢失和损坏。 在计算机环境支持下的产品设计过程，可以实现对这些数据的集中管理和维护，加 强它们之间的有效传递和转换，通过设计过程管理实现企业内部和企业之间的产品信息 集成，使得企业最终在产品的创新和推向市场的速度方面获得竞争优势。 ( 3 ) 产品设计过程管理是实现资源合理化分配的需要 一个产品设计团队的资源往往存在一定的限制，不是无限可取的，在资源有限的状 态下，需要合理安排并行设计任务，达到设计过程的资源优化使用。通过产品设计的过 程管理能够从宏观上令面管理开发过程的设计任务，是进行任务动态调度和资源合理化 配置的关键。 ( 4 ) 产品设计过程管理是改进和优化丌发过程的需要 当产品技术发生较大突破，原有设计不能满足市场竞争的需要，要重新考虑设计过 程，通过过程重组来达到产品设计过程的优化。 过程重组的前提是进行产品设计过程评估，而产品设计过程管理是进行过程评估和 优化的一种重要手段，在对设计进行过程管理的同时，会对产品设计过程有整体的了解 和认识，能发现设计过程存在的问题和不足，从而为过程重组和过程优化提出具有建设 性的意见和建议。 1 3 研究现状与问题分析 产品设计过程管理就是要对产品的设计过程进行规划、控制、分析和监视，并且在 此基础上对产品设计过程提出的进一步改进方案和优化方法。 产品的设计过程管理需要运用一定的运筹方法和优化手段进行过程管理问题的建 模和分析，解决过程管理中的任务和资源、时间和成本之间的优化分配及效益矛盾问题， 从而实现产品设计过程的有效实施和顺利运行。 1 3 1 国内外研究现状 目前，关于产品设计过程管理方面还没有形成统一和完善的理论体系，研究的范围 涉及广泛，本文总结国内外产品设计过程管理相关的研究领域的文献资料，对产品设计 过程管理的研究从理论和应用两方面进行了归类： 陈洪娜：基于任务的产品设计过程管理研究 f 1 ) 产品设计过程管理的理论研究 产品设计过程管理本身属于过程管理研究范畴，过程管理在理论研究方面的内容主 要侧重于过程描述和过程控制。 甘特图( g a n t tc h a r t ) 方法、关键路径法( c p m ，c r i t i c a lp a t hm e t h o d ) 和计划评审 技术( p e r t ，p r o g r a me v a l u a t i o na n dr e v i e wt e c h n o l o g y ) 都是比较传统的进行科学的过 程管理的计划模型，这些方法用来对过程进行静态的分析和规划：设计结构矩阵( d s m ， d e s i g ns t r u c t u r em a t r i x ) 方法用于设计过程的规划和任务分解，通过任务之间关系矩阵 分解，可以对耦合任务进行割裂和重新规划；产品设计过程任务调度是过程管理中进行 冲突解决主要方法之一，可以通过有效的任务调度策略来实现设计任务的动态分析和规 划，合理分配有限的资源，提高项目完成效率；过程重构技术和理论在经营过程管理上 有着，1 。泛的应用，产品设计过程的重构是实现产品设计过程管理优化的有效方法。 通常，甘特罔用一段水平线段表示不同任务的工作阶段，线段的起点和终点分别表 示任务的开始时间和完成时间。甘特图可以动态表示每个任务在项目中的当前进度以及 项目的总体开发进展情况，它的缺点是不能够表示多个活动之间的反复祸合逻辑关系， 不能支持活动的迭代和循环h j 。 计划评审技术和关键路径法是采用活动网络图来对一个项目从开始到结束过程的 任务进行描述，主要是通过描述产品开发过程任务和活动的执行顺序来估计整个开发过 程的完成时间，并对开发过程做出相应的调整，对活动过程的描述能力并不强。s i m m o n s l f 提出了对c p m 和p e r t 建立的活动模型进行动态仿真的方式来提高项目管理的灵活 性【9 1 。i n g a l i s 等人研究了用p e r t 图进行资源调度的1 7 题，并将定性仿真图结合到p e r t 的调度问题中【l ”。 设计结构矩阵( d s m ) 是一个使用广泛的任务规划和过程设计方法，也是用来进行过 程建模和分析的一个重要手段。b r o w n i n g 对设计结构矩阵的四种应用进行了详细的回顾 和蜕明，并对今后的发展方向进彳亍了分析 1 “。董明等人则提出了一种基于模糊设计结构 矩阵的并行设计规划方法，并应用于蜗杆传动制造过程【12 1 。熊光愣等人则将设计结构矩 阵、遗传算法和专家系统有机结合起来，能够使p d m 系统智能地分析产品开发过程。 任务调度是产品设计过程中解决资源冲突的方法之一，也是产品设计过程管理中研 究比较多的一个方面。吴澄等人提出一种基于资源约束的优化调度算法 1 。曹健和张友 良等人针对产品协同设计特点，提出一种事件触发的任务调度策略，并用遗传算法对该 调度模型求解【l5 1 。徐立云等人根据c p m 和p e r t 的不足，提出了基于p e t r i 网的项目任 务的动态调度和监控【1 6 l 。u p e n d r ab e l h e 等人提出资源约束下的协同设计过程分层调度 模型及解决方法【1 7 1 。 大连理工大学硕士研究生学位论文 过程重构技术 18 】用于产品设计过程管理对于管理层来说可以实现设计项目的过程 管理的柔性。合理的任务粒度设计是对设计过程进行重构和优化的关键，关于任务粒度 设计的研究在工作流系统设计中研究比较多，在协同设计过程管理方面研究较多的是关 于项目任务的分解问题。常用的过程重组方法是通过基于d s m 的算法识别耦合任务， 对复杂设计过程的活动进行划分，以达到设计过程的优化和重组【1 ”j 。也有通过任务的 合并来优化过程模型，减少任务之间的延时，从而减少整个流程的等待时间拉”。 ( 2 ) 产品设计过程管理系统的应用实施 工作流技术、p d m 技术、项目管理技术都是进行流程管理的主要使能技术，这些 技术的研究都不是互相独立的，而是相互联系，彼此交融的。工作流技术本身就是为了 实现过程管理，主要体现在流程的控制和信息传递上。而p d m 与项目管理中会用到过 程管理，很多p d m 和项目管理系统中都有工作流管理的功能。目前很多关于叻、同设计 系统环境的构建中，都将工作流作为协同设计系统集成体系的一部分，丌发了些基于 工作流的协同设计过程和生产过程管理系统 2 2 2 3 。 过程管理实现过程中可能会用到数据库技术与a g e n t 技术，数据库技术是开发任何 一个信息系统的基础，目前产品设计日趋于分布式环境，在这种情况下，分布式数据库 技术的研究成为产品设计过程管理的一个首要问题，如关于基于x m l 的异构数据集成 方法研究是目前解决异构数据交互的方法之一。 a g e n t 技术是一种人工智能技术，它可以作为一个独立自主的计算实体，用来处理 事先无法预知的、动态变化的信息处理问题，在协同设计研究领域中被广泛用于设计过 程的冲突协商和协同管理。曹键、张友良等人提出一种基于a g e n t 的结构灵活、适应性 强的产品并行开发过程管理系统【2 4 1 。李德敏等人针对多a g e n t 处理环境下为了提高工作 效率，给出了一个协同管理a g e n t 的协同工作模型并给出了基于任务管理的决策算法 2 5 1 。 产品设计过程管理在应用实施方面的另一个重要研究方向是关于产品设计过程管 理系统框架的构建和并行工程环境下应用系统的集成。在并行工程环境下，如何将这些 系统有机结合起来，实现并优化过程管理系统是应用实施领域的一个热点也是难点。 k o e o u r e k 分析了设计过程特点，构建了基于设计规划功能的过程管理框架和系统原型 口“。陈先鹏等人将产品设计过程管理按项目管理、流程管理和产品数据分成不同层次， 并以此构建了过程管理模型2 。”。 另外，关于基于网络的产品设计过程管理的研究越来越多，网络协同管理成为过程 管理研究的一个重要方面，基于w e b 的层次化管理思想也正在成为网络化环境下针对 产品设计过程管理研究的一种新的趋势 2 8 1 。钱亚东等人对网络环境下的协同设计过程进 陈洪娜：基于任务的产品设计过程管理研究 行了研究和分析，构建了网络化协同设计过程管理方法的层次结构，并给出了每一层次 相应的体系结构 2 9 。z h a o 等人比较详细地分析了w e bs e r v i c e 技术对过程管理的影响， 并阐述了将w e b 服务和过程管理两者结合起来的一些新的研究方向 3 。林贵校等人则 从产品设计过程管理系统的功能出发，提出了基于公共对象请求代理结构c o r b a 规范 的产品设计过程管理结构框架，实现了分布式计算环境下的异构应用系统间的信息交换 和共享。 目前，以协同设计为主导的产品开发过程管理的研究已经成为计算机集成制造领域 研究的一个重要方面，在这方面相关的研究中，国内比较著名的研究学者有：清华大学 的吴澄、范玉顺、熊光愣、史美林，南京理工大学的张友良，西安交通大学的谢友柏， 同济大学的张曙等，另外，北京航空航天大学、中科院计算技术研究所、华中科技大学、 山东大学、浙江大学c a d & c g 国家重点实验室等不少高校和实验室也相继承担了国家 的8 6 3 c i m s 项目，并在这方面开展了不少的研究工作。 13 2 存在问题分析 产品设计过程管理是一个结合了技术和管理的综合性研究领域，分析这一领域的国 内外研究现状，还存在着一些问题需要进一步的深入研究和解决： ( 1 ) 产品设计过程管理的理论研究 目前，对于任务分解和重构方面的研究多用d s m 的解耦与割裂算法对复杂任务结 构的过程进行重新描述，减少耦合和迭代程度。但是d s m 方法只考虑现有的任务与任 务之间的顺序安排关系，没有考虑任务之间及内部的紧密联系程度，不利于进行过程的 优化和重构。从产品设计过程管理层来说，在进行项目的过程管理中，任务之间有时需 要进行合并和再分解，以便于适应资源和组织变化的要求。任务如何合并，怎样合并都 是设计过程管理值得研究的问题，以往很多可能依靠经验，没有给予一定的定量定性的 分析方法，使得在过程管理中进行过程优化和重构相对困难，缺乏过程管理的灵活性。 其次，任务调度是一个传统的研究方向，关于任务调度的研究在并行计算和生产车 间管理中都有深入研究。但是目前针对协同设计过程的任务调度研究的并不是很多，研 究的问题多集中在单一目标的优化，有限资源的静态分配等。由于产品设计过程涉及的 调度资源比较特殊，需要对企业的组织结构进行建模和研究。因此，研究协同设计过程 的任务调度要在引用传统的调度理论的同时加以延伸和创新。 关于产品设计过程管理中还有一个冲突和协调问题，这方面研究多用智能a g e n t 模 型来解决设计过程中的冲突。但是这种基于a g e n t 的计算机模型往往不能很好的解决复 杂多样的冲突问题，很多时候还是要借助于人本身来进行协调，因此，如何引入协同学 大连理工大学硕士研究生学位论文 理论，如何用如p e t r i 网等有利于动态分析的建模工具建立冲突和协商建模，是解决过 程管理中的设计冲突问题需要进一步研究和讨论的一个重要方面。 ( 2 ) 产品设计过程管理的应用实施 工作流技术是一个有待进一步研究和提高的关键技术，特别是在过程管理中，工作 流技术往往贯穿过程管理的始末，一个合理的工作流模型就是一个非常关键的一步。关 于工作流建模的研究现在是工作流理论研究领域的热点，如何提高工作流的柔性和灵活 性是目前工作流模型存在的普遍问题，另外，如何对工作流模型进行有效仿真，以及加 强工作流与其他系统的集成和信息交互能力是工作流技术亟待解决的一些主要问题。 分布式环境下的产品协同设计环境的研究是产品设计过程管理系统构建的基础，而 设计过程中的不同数据类型之间的交互和传递则是分布式异构数据库管理的一个难点。 目前，对于解决分布式异构数据集成和管理的研究还处于发展和探索时期，很多自动化 孤岛和系统不兼容的现象仍然存在，还不能实现不同数据之间的充分共享和交互。 此外，在针列分布式环境下的协同产品设计过程及过程管理系统的体系结构和层次 模块的划分也都没有形成统一的共议和标准，不同的研究者都在提出自己的框架结构和 模型原型，但是真正成功开发并实施这些原型的产品协同设计过程管理应用系统并不 多，不少还都是在p d m 和项目管理软件的框架结构内进行改进和开发。因此，构建有 效的适合产品开发的计算机协同设计环境，开发能够进行辅助产品设计过程管理的应用 系统是当前协同设计领域的一个具有挑战性和难度的研究方向。 产品设计过程管理系统在应用实施上还存在很多分歧和难点，依赖于计算机技术和 网络通讯技术的进一步发展和提高，更有依赖于企业管理者思想的转变和企业组织结构 的变更。如何将计算机软件技术和科学管理方法有效的结合起来，是产品设计过程管理 成功应用和实施的关键。 1 4 本文研究工作 针对计算机集成制造和制造业信息化研究领域的实践性比较强，本文对大连某机床 有限公司进行了实际调研，了解该企业产品设计过程和基本生产管理流程，发现该企业 在设计过程管理中主要存在以下两点问题： ( 1 ) 对产品设计过程中任务管理的柔性较差，缺乏有效的对设计任务进行规划和管理 的方法及手段； ( 2 ) 缺乏对设计资源的有效管理，任务调度过程中存在一定的资源冲突，使得协同产 品的设计效果差，设计效率低。 针对以上问题，本文的研究工作主要从以下几方面展开： 陈洪娜：基于任务的产品设计过程管理研究 ( 1 ) 总结国内外研究现状和理论方法，分析了产品设计过程的特征和管理要素，以任 务为核心，描述了产品设计过程管理的主要对象“任务”的属性定义、操作行为，以及 任务状态转移关系。 ( 2 ) 针对任务分解缺乏有效的任务粒度划分手段，通过分析任务的内聚性和耦合性， 建立了任务内聚度量模型。该模型通过任务内部之间的活动信息约束关系，对任务粒度 设计提出了一种新的定量与定性结合的方法。 ( 3 ) 针对任务调度单一优先级冲突问题，提出了启发式顺序优先级序列的概念。用层 次分析法建立不同任务属性对调度系统总体性能的重要度排序，在此基础上提出了一个 基于任务属性的顺序优先级调度算法策略。 f 4 ) 信息系统的设计与初步实现。对应分布式环境下的产品设计过程管理的要求，用 j s p 和j a v a 编程技术设计开发了在网络环境下的基于任务的产品设计过程管理系统原 型，并实现了部分功能界面。 论文的章节结构如图1 3 所示，各章节安排和每部分内容如下： 绪论 产品设计过程管理的 相关理论和技术 产品设计过程的 任务建模 产品设计过程的 任务调度 基于任务的产品设计 过程管理系统原型设计 结论与展望 图1 3 论文章节结构 f 远1 3p a r a g r a p hs t r u c t u r eo f t h et h e s i s 第一章，绪论。论述课题的研究背景和研究意义，对国内外的研究现状和存在问题 进行了总结与分析，最后简述了论文的研究思路。 大连理工大学硕士研究生学位论文 第二章，产品设计过程管理的相关理论和技术。介绍了开发过程管理的基本概念、 理论基础和主要技术应用，根据基于任务的产品设计过程管理模型的层次结构，分析了 以任务为核心的产品设计过程管理的管理要素。 第三章，产品设计过程管理的任务建模。给出了一个任务粒度设计的内聚度量模型 以及模型的应用方法，为产品设计过程管理的任务重构提供了种定量参考方法，加强 了过程管理的柔性。 第四章，产品设计过程管理的任务调度。总结了调度问题的基本研究现状，分析了 产品设计并行过程中的调度算法存在的问题和不足，给出了一个基于启发式顺序优先级 的任务调度算法，并通过算例加以院明。 第五章，基于任务的产品设计过程管理系统原型设计。针对产品设计过程的特点和 要求，构建了一个分布式环境下的基于w 曲的产品设计过程管理系统原型，并对系统 的相应功能模块进行了设计。通过j a v a 和j s p 技术进行系统的开发，初步实现了产品设 计过程管理的基本功能界面和部分功能。 第八章，结论与展望。总结文本的研究工作，对今后的研究方向进行了展望。 1 5 本章小结 本章首先介绍了信息化技术支持下当今制造业的发展概况，对产品开发模式的演变 过程进行了比较和小结，并对信息化企业出现的先进管理方式进行了阐述。在此基础上， 描述了本文的研究背景和研究意义。另外，归纳总结了在产品设计过程管理研究方面相 关研究内容以及国内外的研究现状，分析了目前研究中存在问题。最后，泌明了本文的 研究思路和主要研究工作。 陈洪娜：基于任务的产品设计过程管理研究 2 产品设计过程管理的相关理论和技术 研究过程管理问题就是要对过程从整体上进行计划、组织、控制和监督，使之按照 一定的规则、顺序和方法协调有效地执行，从而保证过程中各个环节信息正确及时的交 互以及人员的协调工作。 目前，产品设计过程管理理论体系并不不完善，且系统性不强，本章对产品设计过 程管理相关的理论研究内容和使能技术进行了较为全面地论述和概括，并针对产品设计 过程特点阐述了基于任务的设计过程管理层次结构。 2 1 产品设计过程管理的相关概念 211 协同设计内涵 从协同设计的基本特点、应用方法、系统开发等多方面来分析，可以将协同设计的 涵义归纳如下【0 。刮： ( 1 ) 协同设计基本思想是应用并行工程理念，即在产品设计的早期考虑到产品开发后 期可能出现的问题和矛盾。 ( 2 ) 协同设计核心思想是产品的体系优化建模和产品开发过程的集成。 ( 3 ) 协同设计的本质特征是实现全部工作的计算机化，实现无图纸的设计和生产。 ( 4 ) 协同设计是个团队工作方式，需要建立一个来自不同企业和同一企业不同部门的 技术与管理人员团队，进行群组的协同工作。 ( 5 ) 协同设计过程中成员之间的协同和上下游决策通过信息交互完成，协同设计工作 平台和工作环境的构建是实现协同设计的前提。 ( 6 ) 设计行为是一种创新性、变化性和重复性的工程，设计活动的协调需要通过过程 管理来实现，通过加强协同设计过程的管理和控制能够保证协同设计的有序开展和实 施。 2 1 2 过程与过程工程【4 j ” 过程是一系列定义好了且具有一定约束条件的活动，这些活动可以在一定的资源辅 助下实现任何输入到输出形式的转换。简单说，过程是代表从输入到输出转化的抽象实 体。图2 1 所示为一个最简单的过程定义，也是过程模型中的基本单元结构。 一个过程单元由输1 ( i n p u t ) 、输出( o u t p u t ) 、控制( c o n 仃0 1 ) 、机带1 ( m e c h a n i s m ) 来表述。 产品设计过程的输入是不同用户的需求，是在过程中需要被消耗或变换成输出的东西。 产品设计过程的输出是产品的最终计划图，是产品设计过程活动的结果。产品设计过程 大连理工大学硕士研究生学位论文 不是一个随意的过程，有一定的条件和要求，通过过程控制来进行约束管理。产品设计 过程遵循一定的设计顺序和规则，是一定机制下的人、设备等资源共同合作进行的。 图2 i 基本过程定义 f i g21b a s i cd e f i n i t i o no f p r o c e s s 产品设计的过程工程来自于一般意义的“过程工程”概念，就是把产品设计过程看 成是个特殊的产品，对产品设计过程的建立、实施、改进和重组进行探讨和研究，通 过对产品设计过程的抽象研究，来讨论企业改进实施产品丌发项目的方法和策略。 过程工程有几个核心活动 4 1 ：过程建模或定义、过程监控、过程执行、过程度量和 过程改进。这几个活动之间的关系如图2 2 所示。 圈2 2 过程工程核心活动关系 f i g2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nk e ya c t i v i t i e so f p r o c e s se n g i n e e r i n g 过程单元的清晰合理地描述是进行产品设计过程的结构化定义和分析的前提，过程 单元的设计是否合理是过程描述的基础，过程单元的粒度大小是否合适，将影响过程管 理的优化和任务调度的柔性。另外，过程控制又是过程执行的关键，一个不受控的过程 更谈不上过程的不断改进和提高。 陈洪娜：基于任务的产品设计过程管理研究 2 1 3 过程管理 设计和制造出一个好的产品离不开一个高质量的开发过程，过程是高质量产品生成 的一个经过，而过程管理则是保证产品质量，实现开发项目成功完成的关键。 过程管理的概念最早来源于2 0 世纪8 0 年代的i b m 公司为了提高企业经营操作能 力而进行的整体质量管理，m e l a n 把过程管理定义成是一种通过对一系列动作或业务行 为的直接实施或操作来分析这业务过程本质的方法【3 4 1 。现代产品的开发不仅指传统意 义上的生产过程，而是泛指企业内所有活动组成的有序集合，包括产品设计、工艺过程 设计、生产制造等都是通过一定的过程完成的，过程的质量决定了过程产品的质量【3 “。 产品设计是产品开发的首要步骤，对整个产品开发过程起着决定性和先导的作用。因此， 对设计过程进行有效管理是保证产品开发过程质量的关键。 a s s i n e 等人提出管理现代产品设计过程有四个主要方面：( 1 ) 对设计过程信息和活动 间耦合关系进行过程建模。( 2 ) 对设计过程的任务执行顺序进行过程计划和管理。( 3 ) 减 少任务的反复次数和循环任务的数量，降低因菜一任务失败造成的风险。( 4 ) 发觉减少产 品开发周期的各种因素和机会1 3 。 因此，产品设计过程管理的主要任务是通过建立各级设计进程问的资源满足关系和 同级设计子任务问的资源约束关系，从而建立各设计进程间的时序和逻辑关系，维护和 记载设计进程中产生的过程数据，向产品生命周期中的相关人员提供信息，使各个设计 活动之问