（机械制造及其自动化专业论文）支持精密成型产品协同开发的过程建模及应用研究.pdf

摘要 摘要 协同产品开发技术是并行工程和敏捷制造的重要使能技术。工作流技术的 兴起为协同开发提供了重要的方法和手段，成为协调企业业务过程、增强企业 应变能力和竞争力的重要技术。有效支持协同工作的工作流技术的研究将有助 于企业缩短产品开发周期，降低成本，提高产品质量和服务质量，从而赢得市 场的竞争。 针对精密成型过程的特点，以及当前精密成型企业开发和管理现状，在武 器装备关键件的精密成型过程中，建立计算机支持的协同开发平台，采用工作 流管理管理成型工艺和模具设计过程。在分析了计算机支持的协同工作环境的 特点，以及协同产品开发与工作流的关系的基础上，采用p d m 为核心建立协同 开发环境，构建了精密成型协同产品开发平台的工作流管理系统。 工作流建模是实现工作流管理的基础，建立面向协同产品开发的工作流模 型是实现协同产品开发过程管理的关键。本文在分析和研究了常用工作流建模 方法的基础上，针对当f j i f 精密成型企业的现状和信息化的要求，提出了带有时 间和优先级约束的基于活动网络的事务型工作流模型，符合工作流联盟的定义 标准，同时直观、简单，用户操作方便。 为弥补c s 模式协同产品开发环境的局限性，以及产品开发并行工程和全 生命周期的要求，精密成型协同产品开发环境增加了b s 模式的访问方式以及 协同决策和评估模块，让企业外的顾客、供应商以及外部专家等能够参与产品 的协同开发以及决策评估，提高产品丌发效率，缩短开发周期。 在精密成型协同产品开发环境下，通过建立企业的组织视图和过程视图， 采用事务方式进行任务分解后，建立工作流模型，根据组织视图，建立组织和 用户模型，进行访问和安全控制；对流程中的安全控制，采用了数字签名的实 现方法；采用了群件进行流程中的通讯和交互；对开发过程中的协同开发及决 策评估，采用基于w e b 的三维同步实时协同评估。在以上研究的基础上，实现 了精密成型协同产品开发平台的工作流管理原型系统。 关键词：协同产品开发，工作流管理，精密成型，工作流模型，活动网络，事 务，p d m a b s t r a c t a b s t r a c t c o o p e r a t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y i s a n i m p o r t a n t e n a b l e d t e c h n o l o g yo fc o n c u r r e n te n g i n e e r i n ga n da g i l em a n u f a c t u r i n g t h ed e v e l o p m e n to f w o r k f l o w t e c h n o l o g y p r o v i d e si m p o r t a n tm e t h o d s f o r t h ec o o p e r a t i v e p r o d u c t d e v e l o p m e n t t h et e c h n o l o g yg i v e sg r e a t ( o n t r i b u t i o nt oc o o r d i n a t et h eb u s i n e s s p r o c e s sa n de n h a n c et h ef l e x i b i l i t ya n dc o m p e t e n c eo fe n t e r p r i s e s t h ew o r k f l o w t e c h n o l o g ys u p p o r t i n gt h ec o o p e r a t i v ew o r ke f f e c t i v e l yc o n t r i b u t e sal o tt os h o r t e n t h ec i r c l eo fp r o d u c td e v e l o p m e n t ，r e d u c et h ec o s ta n di m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t a n ds e r v i c e ，a n de n a b l et h ec o m p a n i e st oe a r nt h eb i gs h a r eo fm a r k e t a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l t yo fp r e c i s i o nf o r m i n ga n dt h es t a t eo fc u r r e n tm i l i t a r y e n t e r p r i s e s ，ac o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ep l a t f o r mi sb r o u g h tu p t h ew o r k f l o w m a n a g e m e n ts y s t e mi nt h i sp l a t f o r mi su s e dt om a n a g et h ep r o c e s so ff o r m i n ga n dt h e d e s i g no ft h ed i e p d mi st h ec o r eo fc o o p e r a t i v ec i r c u m s t a n c e sf o rt h ep r e c i s i o n f o r m i n g a st h ew o r k f l o wm o d e li st h eb a s i so ft h ew o r k f l o wm a n a g e m e n t ，s e t t i n gu pa m o d e lc a t e r e dt oc o o p e r a t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n ti sak e yi s s u et or e a l i z et h e m a n a g e m e n to ft h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s a f t e ra n a ly z i n ga n dr e s e a r c h i n go n t h ec o m m o nw o r k f l o wm o d e l ，i no r d e rt ob ea c c o r d a n c ew i t ht h es t a t u sa n d i n f o m a t i o n i z a t i o no ft h ep r e c i s i o nf o r m i n ge n t e r p r i s e ，at r a n s a c t i o nw o r k f l o wm o d e l b a s e do na c t i v i t yn e t w o r ki s b r o u g h tu p ，w i t hc o n s t r a i n to ft i m ea n dp r i o r i t y i t a c c o r d st ot h ew f m sc r i t e r i o nt h a ti sv i s u a l ，s i m p l ea n df r i e n d l y i nv i e wo ft h el i m i t so ft h ec o n c u r r e n tp r o d u c td e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c e ，a n d t h er e q u i s i t i o no ft h ec o n c u r r e n te n g i n e e r i n ga n da l ll i f ec y c l eo fp r o d u c t s ，t h e a c c e s s i n gm e t h o da n dm o d u l eo fc o o p e r a t i v ed e c i s i o nm a k in gb a s eo nb sm o d e li s a d d e dt ot h i sp l a t f o r m ，w h i c hc a ne n a b l et h ec l i e n t s ，v e n d o r sa n do t h e re x p e r t s o u t s i d et h ee n t e r p r i s et o p a r t i c i p a t e i nt h e c o o p e r a t i v ew o r ka n di m p r o v et h e e f f i c i e n c ya n ds h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc i r c l e i nt h ec i r c u m s t a n c eo ft h ec o o p e r a t i v ed e v e l o p m e n to fp r e c i s i o nf o r m i n g ， l i o r g a n i z a t i o nv i e w sa n dp r o c e s sv i e w sa r ef i r s t l yb u i l tu p ，a n dt h e np r o c e s s e sa r e d i v i d e db vt h et r a n s a c t i o np r i n c i p l e ，t h e nt h ew o r k f l o wm o d e l sa r eb e e nb u i l t t h e s e c u r i t yo f t h es y s t e mi sg u a r a n t e e db yt h ea c c e s sc o n t r o lw h i c hi sc o n t r o l l e db yt h e m o d e lo fo r g a n i z a t i o na n du s e r sb u i l ta c c o r d i n gt ot h eo r g a n i z a t i o nv i e w ；d i g i t a l s i g n a t u r ei su s e dt oe n s u r et h es e c u r i t yo ft h ew o r k f l o w ；g r o u p w a r ei nt h i sp l a t f o r m i su s e df o rc o m m u n i c a t i o na n dr e m i n d e r t h e m o d u l eo fc o o p e r a t i v ed e c i s i o n s m a k i n gi s b a s e do nw e ba n d3 dg r a p h i ct e c h n o l o g y t or e a l i z es y n c h r o n o u s c o o p e r a t i v ea s s e s s m e n t t h i sp a p e rf i n a l l yd e s c r i b e dh o w t ob u i l daw o r k f l o wm o d e l f o rp r o c e s s e so fp r e c i s i o nf o r m i n ga n dt h ea p p l i c a t i o n o ft h i sm o d e li n t h i s c i r c u m s t a n c e i i lt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ep r o d u c td e v e l o p m e n t ，w o r k f l o wm a n a g e m e n t ，p r e c i s i o n f o r m i n g , w o r k f l o wm o d e l ，a c t i v i t yn e t w o r k ，t r a n s a c t i o n m o d e l ， p d m i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e i 丁, n 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 剐坎正 i 勘6 年3 月坫日 指导教师签名：歹隧印 学位论文作者签名：，1 长正 2 0 0 6 年3 月1 6 日2 0 0 6 年3 月1 6 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：1 丧臣 细占年乡月i b 日 第1 章绪论 第1 章绪论 科学技术的发展使市场竞争的焦点不断发生着改变。就制造企业而言，它 们在六十年代追求的是生产规模的扩大，七十年代追求的是生产成本的降低， 八十年代追求的是产品质量的提高，九十年代追求的则是市场的响应速度。而 全球化经济模式的出现，使得市场竞争变得更加激烈，市场以客户为导向，需 求变化呈现出多元，快速变化的趋势。冈此，如何利用当前迅速发展的先进制 造技术和管理思想、增强企业自身的竞争能力是摆在每个企业面前的现实问题 【l j 0 在全球一体化的背景下，产品的丌发逐渐衍变成一个非常复杂且信息量庞 大的过程，其中涉及到产品设计、生产制造、资源供应、销售与服务、财务核 算与控制和经营决策等主要过程和活动。企业必须以市场和用户为中心，快速 响应市场的需求，以最短的产品开发时i 日j ( t i m e ) ，最优的产品质= - 量( o u a l i t y ) ，最 低的成本价格( c o s t ) 和最好的服务( s e r v i c e ) ( 1 i l lt q c s ) 去满足用户和市场的要求， 才能赢得竞争。在此状况下，传统的运行模式和控制策略显然难以奏效1 2 1 。企业 必须综合利用各种先进制造技术，在刚络与信息技术的支持下，改进现行的生 产经营模式和组织结构，才有可能全面实现这些目标，并在未来的市场竞争中 赢得更多份额。 产品开发技术随着先进制造理念的发展而不断演化、更新，从早期的适应 大规模生产的串行产品开发逐步过渡到适应敏捷制造、虚拟企业、并行工程的 协同产品开发。产品开发在企业中增强自身核心竞争能力的重要作用日益受到 重视，企业希望通过提高产品丌发的效率和质量，获得群体参与下的产品开发 过程的成功，从而使企业在难以预料、持续变化的市场环境中能够保持并不断 提高其竞争能力。 1 1 研究背景 随着市场竞争程度的加剧，企业竞相采用先进的制造技术和制造战略，力 求在竞争中取胜，各种技术，特别足自动化技术、计算机技术和互联网技术都 被应用于现代制造企业，市场的小批量、多品种个性化趋势越来越明显，企业 第1 章绪论 为了快速响应市场需求，满足用户需求，采用并行工程和敏捷制造的生产模式， 通过建立协同开发环境，为并行工程和敏捷制造提供平台支持。 1 1 1 并行工程 传统的产品研制是一种串行的过程，即在前一个部门完成某个功能后将设 计结果移交给下一个部门进行下一步的设计工作。这种串行的产品研制方式存 在的严重不足是不同的设计开发部门之间缺乏交流，每个部门仅考虑其内部的 功能性要求，从设计时间和成本上进行局部的优化。但是，由于每个部门在进 行局部优化的过程中未考虑后续部门的要求和产品设计制造的周期中的各种因 素，所以会导致最终设计出来的产品的可制造性和可装配性差、产品制造周期 长、废品率高、产品成本高。在产品设计的早期阶段，产品设计的决策空间很 大，但是，随着设计过程的深入，产品设计空间越来越小。因此，在产品设计 的早期阶段，如果不考虑后续设计过程的约束，则在产品研制的后期，留给设 计者的余地就小了，有时甚至无法完成设计工作。在这种情况下，经常需要从 头开始修改设计，而从头开始修改设计导致所有部门的工作需要全部重做，造 成修改周期的延长，导致大量设计精力的浪费，直接引起产品研制成本的增加。 并行工程的定义是：集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程( 包括 制造过程和支持过程) 的系统方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始 就考虑到产品的整个生命周期( 从概念形成到产品报废) 中的所有因素，包括 质量、成本、进度计划和用户需求【3 1 ，如图1 1 所示。 并行工程所涉及的关键技术可以从过程集成、组织集成、产品集成、资源 集成和支持环境五个方面进行描述，包括： 过程集成1 4 j ：产品开发过程建模、重组、规划、仿真和优化。并行工程的核 心就是过程集成，这里并行包括两方面的含义，并发和协同，即开发过程的并 发进行和多学科小组的协同工作。而集成则是综合考虑产品丌发中的所有相关 过程。因此，必须从全局优化的角度出发，对产品i ：发的各个活动进行管理和 控制。 组织集成1 5 l ：并行工程的集成开发团队( i n t e g r a t e dp r o d u c tt e a m ，i p t ) 。i p t 成员来自于各个功能部门，代表产品生命周期的各个环节在产品开发阶段提出 意见，进行全局信息交换和共享。 2 第1 章绪论 修改反复频鬟 产品 ( a ) 串行开发流程 守 ( b ) 并行开发流程 图1 1 两种产品开发流程对比 产品集成【6 j ：产品的数字化建模和生命周期管理。产品模型是产品生产过程 的唯一数据源，各种不同平台上的计算机辅助工具( c a d 、c a p p 、c a e 、c a r d 、 d f a 等) 之间必须在产品生命周期内实现信息交换。因此，必须基于一定标准， 建立产品生命周期内的数字化模型，用以覆盖产品开发各环节的信息模型和交 换方法。 资源集成l7 1 支持并行工程的协同工作环境( c o m p u t e rs u p p o s e dc o o p e r a t i v e w o r k ，c s c w ) 和集成框架。研究基于一定集成框架下的并行工程工作环境，以支 持集成开发团队t 1 小组成员的协同工作。支持并行工程的系统环境应该具有协 同性、同步和异步并存、分布式知识库和消息映射等。研究基于资源约束下的 过程优化技术和资源的动态调度与分配问题。 支持环境：并行工程的支持环境已经从产品数据管理( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ，p d m ) 进一步扩展到产品生命周期管理( p r o d u c tl i f e c y c l e m a n a g e m e n t ，p l m ) 。p l m 相对p d m 强调对产品生命周期内跨越供应链的所 有信息进行管理刷利用的概念，可以说目前p l m 还是比较新兴的概念和一种 解决方案，目自，j 亿l 四内企、比中应用并不多。 并行工程所 形及技术以及体系结构图如图1 2 所示。 3 第1 章绪论 腮 曲禽t 。i i 蕊i 控的设计、 ( d f x ) 、 燃 辅助技未) ， 4 1 、i _ 【稳设计 一 锻朋f1 洲穗r 、搿麓 j 嬲锻吲鲈撇岳 越矬设计 支持拜曩 是鹰 糕絮 最统 图1 2 并行i ：程结构体系 自1 9 8 8 年美国国防部并行工程研究中心成立以来，世界各国都对并行工程 的研究和应用投入了极大的热情。如瑞士a b b 公司在开发火车控制系统时建 立了支持并行工程的计算机系统。西门子在研制重型雷达设备中建立“一次丌 发成功 技术中心，开发一种新的设计过程控制工具来跟踪循环中的时间延迟。 其他典型应用如波音7 7 7 的研制、r o c k e td y n e 的火箭发动机、f o r d2 0 0 c 3 p 车 型、c h r y s l e rv i p e r 车型、d e c 的t f 8 5 磁带存储器、g e 的可编程控制器等等。 这些应用都取得了非常显著的效益，平均缩短产品开发周期3 0 7 0 。 并行工程在国内的研究和应用开始于1 9 9 2 年，大致可以分以下几个阶段。 1 9 9 5 年前：8 6 3 c i m s 年度计划和国家自然科学基金资助了一些并行工程相关技 术的研究课题，如产品开发过程建模与仿真技术研究等。并组织清华大学等单 位，组成c e 可行性论证小组，提出存c i m s 实验工程的基础上开展c e 的 攻关研究。1 9 9 5 年5 月：8 6 3 c i m s 主题重大关键技术攻关项目“并行工程” 正式立项，投入大量资金开展c e 理论、方法、关键技术和应用实施的研究。 1 9 9 8 年起至今：航天并行工程攻关与应用以及在国内如齐齐哈尔车辆厂、南京 金城集团的应用实施，是在“并行工程”项目已有攻关成果上的进一步研究。 4 矗 群 ， 帆 第1 章绪论 1 1 2 敏捷制造 针对2 0 世纪7 0 - 8 0 年代美国制造业的衰退及应付来自己日本、德国和世 界许多其他国家和地区的激烈挑战，美国国会提出了重振美国制造业雄风的目 标并委托里海大学的i a c o c c a 研究所就此问题作一个调查、研究，提交一份执行 建议。里海大学i a c o c c a 研究所的教授们联合了美国1 3 家大公司的高级行政和 技术总裁以及一些著名的咨询和顾问公司的专家，经过半年多的艰苦工作，完 成了著名的“2 1 世纪制造企业发展战略”1 8 j 。在这份报告中，敏捷制造首次被 作为一种先进制造技术而提出，提出敏捷制造的直接原因是市场的需求。人们 对产品的性能和质量的要求越来越高，用户需求f 1 趋多样化、个性化，这些都 使企业处于一种连续多变、不可预见的全球市场环境中。如何抓住市场机遇， 快速响应市场，开发出高性价比的新产品，成为企业求得生存，赢得竞争、得 以发展的关键因素。目前，国内外均有不少企业自觉或自发地运用敏捷制造的 思想，从而取得了相当大的成功。 敏捷制造的基本思想是：通过将高素质的员工、动态灵活的虚拟组织结构 ( v i r t u a lo r g a n i z a t i o n ) 或动态联盟、先进的柔性生产技术进行全面集成，使企业能 对持续变化、不可预测的市场需求做出快速反应，由此获得长期的经济效益。 它强调人、组织、管理、技术的高度集成，强调企业面向市场的敏捷性( a 酉l i t y ) 9 1 。 敏捷制造作为一种新的制造哲理，有许多新的制造思想。敏捷化制造业需 要一些敏捷化的工具和信息系统为企业活动提供使能服务。比较典型的有决策 支持系统、多媒体协同工作环境、工作流管理系统、产品数据管理、计算机仿 真技术、供应链管理系统等。 协同技术、过程技术和产品数据管理是实现敏捷制造的众多支撑技术中的 三项技术，协同技术的典型代表是并行工程技术，过程技术的主要代表是工作 流管理技术。 产品数据管t 里( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) ，主要包括五种主要功能： 数据保存和文件管理、产品结构管理、过程管理、分类及检索、计划项目管理。 对任何。一个企业而言，信息共享均是企业取得成功的关键之一。面对激烈的市 场竞争，企业把降低产品成本和改进整个产品生命周期为奋斗目标，为了实现 该目标，离不开对产品数据实行有效和科学的管理。在整个产品开发生产过程 中，分布在不同部门或者分布在异地的来自各领域的丌发者针对自己的任务， 5 第1 章绪论 对整个产品的部分数据进行操作。在此过程中，开发者可能从他人处获得数据， 又将自己的处理结果发布出来，供有关人员共享。因而，有效地产品数据管理， 是实施协同开发的基础。 协同技术和过程技术是实现敏捷制造的众多支撑技术中的两项关键技术 i l ，协同技术的典型代表是并行工程技术，它是一种工作模式和设计环境，是 对产品及相关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行、一体化设计的一种系统 化技术。该技术要求产品设计人员在设计一开始就考虑到产品全生命周期( 从概 念形成到产品报废) 中的所有因素，包括质量、成本、速度、进度及用户要求等。 并行工程通过组成多学科的产品开发小组协同工作，利用各种计算机辅助工具 等手段，使产品丌发的各阶段既有一定的时序又能并行。同时，采用由上、下 游因素共同决策产品丌发各阶段工作的方式，使产品开发的早期就能及时发现 产品开发过程中的问题，从而缩短开发周期，降低成本，增强对市场的响应敏 捷度【引。 过程技术的主要代表是工作流管理技术，能够有效支持企业业务重组、业 务过程集成、业务过程仿真、业务过程优化与管理。工作流管理技术的出现和 迅速发展满足了企业组织结构重组与先进制造技术战略实施的客观需求。 1 1 3 协同产品开发环境 在信息化不断深入的趋势下，人们从不同的应用领域、不同的视角、不同 的侧面、不同的需求和不同的深度来认识制造企业，研究制造企业的信息化问 题，推出了各种各样的概念和应用系统。如产品设计方面的p d m ( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ，产品数据管理) ，企业资源管理方面的e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c e p l a n n i n g ，企业资源计划) ，企业业务过程方面的b p r ( b u s i n e s s p r o c e s s r e e n g i n e e r i n g ，业务过程重组) ，以及c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，并行r ：程) 等，大 大促进了制造业的发展与进步。 虽然这些概念和应用系统把复杂的问题分解、简化、抽象，降低了问题的 复杂程度，但是，这些处理方式必须以不影响制造企业各个过程川的相互协作 为前提。除此之外，还存在着很多的问题，例如：众多概念和应川系统之问的 横向扩展产生了交义和蓬叠，但不能相互取代：不同的开发人员刈：剐造企业进 行分解、简化、抽象的过程中出发点不同，目标不同，解决方案小l i i 】，采用的 6 第1 章绪论 技术不同，较少考虑与其它应用系统的协调与相互支持等等。基于这些问题， 计算机支持的协同工作应运而生。 计算机支持的协同产品开发是计算机支持的协同工作的一个重要研究领 域，也是利用分布在各地的资源( 制造设备、设计者的知识技巧和数据库等资源) ， 实现协同工作的一项关键技术。工作流管理系统的出发点是产品开发全过程的 管理与控制，它可以较好地将活动( 任务) 、角色、资源( 如人员和设备等) 管理起 来，通过它可以针对具体的产品开发过程建立过程模型并控制该模型的运行， 实现“在正确的时间，以j 下确的方式，将j 下确的信息传递给正确的人员，使其 做出正确的决策 【1 1 】，以满足基于协同产品开发的工作环境。 1 1 4 协同产品开发对工作流管理的需求 协同产品开发是指为了完成某一设计目标，由两个或两个以上设计主体， 通过一定的信息交换和相互协同机制，分别以不同的设计任务共同完成同一个 设计目标。协同产品丌发也是一个通讯密集型的过程，不同的设计任务和设计 数据之间需要相互交换、相互反馈、相互协调，多个设计人员之间也需要及时 通讯和协调。这一特点也要求建立一个行之有效的协同机制f 1 2 】，采用合理有效 的过程管理机制，提高工作效率。 协同产品开发中的过程管理思想可以归纳为：将产品开发中的孤立应用过程 ( 如c a d 、c a p p 、c a m 、p d m 等) 相互协同与集成，形成一个完整、协调的产 品开发系统。各个应用系统作为企业业务处理过程中的一个环节，只需要关心 如何实现本单元内部的产品开发目标，而将整个企业业务过程的设计、控制和 维护工作交由专门工具和人员负责，从而实现业务流程的自动化。而工作流管 理的主要目标则是实现企业业务过程的部分或全部自动化，使得工作流能够根 据一定的过程规则将文档、信息和任务在不同的执行者之间进行传递和执行。 因此，工作流管理实施的目标和协同产品开发过程管理的“应用逻辑与过程逻 辑相分离原则 是一致的。 工作流管理、并行工程和计算机支持的协同产品开发三个概念相辅相成。 并行工程主要是从控制和调度方面考虑设计、制造过程的并行性；计算机支持 的协同产品开发则主要是研究群体设计的本质和特征，以及如何促进群体工作； 工作流管理作为一种支持多人进行异地、异步协作的过程管理技术，其目标则 7 第1 章绪论 是实现业务过程的部分或全部自动化。因此，计算机支持的协同产品开发是并 行工程的发展，是c s c w 在并行工程中的应用；而并行工程、计算机支持的协 同产品开发为工作流管理提供了运行环境，工作流管理则为并行工程、协同开 发提供了技术支持。 在w f m s 中融合网络协同的设计理念，将基于网络协同的工作流框架应用于 企业的事务处理过程中，则能很好地解决w f m s 在业务处理过程中的数据交换、 信息汇集、分布协作处理方面的问题【1 3 l 。 以工作流管理技术为核心，建立以项目和任务为中心的协同设计任务多层 组织与管理模式，可以有效组织项目的协同丌发过程，实现分布式环境下多任 务、多群体间的有效协作与管理【1 4 l 。 因此，采用适合自己企业的工作流模型建立和描述方式，利用先进的技术 提高工作流管理系统的性能和可靠性，是现代制造企业保持竞争力的重要方式。 1 2 工作流管理技术研究现状与发展趋势 工作流管理技术是实现敏捷制造和并行工程的重要使能技术之一。而并行 工程本身就是一个典型的工作流实例，其所有的业务处理活动都是由一系列工 作流组成。从概念设计到生产制造，构成了非常复杂的工作流，其中既包含控 制流，又包含数据流，它涉及多个人和多个系统的操作。因此，利用工作流管 理技术可以为并行工程中涉及的产品信息、开发活动、企业资源和组织机构等 方面分别建立相应的工作流模型，并在模型f h j 建立映射关系，将各阶段有效地 组织起来。另外，工作流管理系统强调任务问的协同工作，这正是并行工程的 核心内容之一的协同工作环境所要实现的目标。 网络化协同产品开发中的工作流管理系统的研究是先进制造技术领域研究 的热点，也是现代制造企业在实施分布式网络化制造战略中需要解决的主要问 题之一，网络化协同产品开发中的工作流管理系统中的技术研究是工作流管理 系统实现的前提，工作流管理技术实现了协同产品开发中的过程集成，根据一 定的规则将文档、信息和任务在不同的协作者之i 日j 传递与执行，达到流程自动 化执行的目标1 1 5 1 倒。 8 第1 章绪论 1 2 1 现有工作流产品的不足 目前，市场上出现了上百种工作流产品，但真正成功地工作流管理系统产 品确很少，主要因为在工作流管理系统的开发的最初阶段缺乏统一的普遍遵循 的标准以及限于当时的软件支撑技术的水平，导致不同公司的工作流管理系统 在功能上以及所采用的支撑技术、开发技术和接口上都呈现出非常大的不同。 这是目前工作流系统存在问题的主要原因之一。目前在经营过程中采用工作流 管理系统的企业仍只是小部分，而且这些系统的应用范围也很有限，并不能全 方位地支持企业的关键业务流程。从企业用户应用的角度来分析产生这种状况 的原因，主要有以下几点【r 7 】 ( 1 ) 工作流的运行必须要有底层通信基础的支持：也就是说，工作流管 理系统必须要建立在适当的底层通信基础之上，以便实现执行工作流所需要 的分布式计算环境。 ( 2 ) 标准化程度差：不同的厂商所提供的工作流产品具有自己独立的一 套工作流模型、工作流定义语言以及a p i 函数。 ( 3 ) 实现的复杂性：企业应用工作流管理系统不仅仅需要完成过程的定 义，还需要做许多其他工作，总的说来，工作流管理系统在企业的应用是一 个复杂的实施过程。这个复杂的实施过程序要完成的任务包括：对外部的应 用系统进行包装以便工作流机能够在必要的时候激活它，建立：f 作流机运行 所必须的分布计算环境，设计开发相应的用户界面，还包括制订相应的管理 规程和用户操作规范等。另外，工作流管理系统的实施给企业带来的不仅是 技术上的变化，同时还会对企业原有的管理系统造成一定的影响，因此，企 业需要完善相应的管理体系，以便工作流管理系统能够发挥更大作用。 ( 4 ) 系统的安全性：目前的工作流管理系统对系统运行中出现的并发访 问和异常缺乏f 确和可靠的支持。 ( 5 ) 性能问题：目前大多数工作流产品无法满足企业对每天 - ) j 个，甚 至每小时处理几千个业务的需求。 ( 6 ) ：作流技术尚不成熟：工作流技术取得了很大进步，f i 并不成熟， 目前尚没有一种1 ：作流产品或原型系统能够在过程执行的可靠件与一致性 方面达到与关系型数据库管理系统同水平的功能。 工作流技术自身的不成熟，从工作流模型较为根本的几个层次 ? 来看，主 9 第1 章绪论 要表现在以下三个方面： 工作流模型描述：缺乏一种能够支持过程定义、过程演进以及过程分析的 形式化数学模型。工作流模型的核心就是对过程的定义，包括组成过程的基本 活动以及活动之间的顺序关系。目前的工作流模型大部分都是从直觉出发，以 图形语言或者文本语言来定义工作流过程。这种定义的方法本质上还是停留在 用户层上，即对用户而言是比较理想的方式，但并不利于实际系统的实现，也 无法对工作流的本质特征进行描述，因而也谈不上对过程的分析与评价。虽然 有的模型具有形式化的数学描述，比如w f n e t ，但从其模型所具有的描述能力 上距离对工作流过程本质的描述仍有差距，具体表现在模型元素不丰富，动态 性能不理想，仍离不丌图形语言的局限。由于模型缺乏良好的理论基础，所以， 工作流管理系统在应用的许多关键特性上无法得到保证，包括过程模型的柔性 定义、过程重用、事物管理、异常处理等，这都大大限制了工作流在企业应用 中的普及与推广。 工作流执行：缺乏一个标准化的集成框架来支持对企业常用的分布式应用 的集成。企业中应用工作流进行业务流程的运作时，最为关心的就是工作流管 理系统能否与企业原有的各个应用系统很好地集成起来，使它们成为一个完整 的业务流程的有机组成部分，而不是像原来那样处于一种“孤岛”状态。但目 前看来，制约工作流应用中的一个很严重的瓶颈问题就是工作流管理系统所能 支持的企业应用太少，在集成的方式上没有统一的标准，在很大程度上都要受 到外部应用的限制。另外，工作流机的分布式执行也是一种必然的发展趋势， 但同样也带来一些需要解决的复杂的问题，比如，不同工作流机之间的协调问 题、分布事务处理问题、系统中各类数据的维护问题、安全问题等。只有工作 流机真正实现可靠、稳定、高性能的分布，才能提高工作流管理系统在企业应 用中的实用性。 工作流仿真：尚处于一种几乎空白的状态。应该说，在缺乏仿真方面与仿 真工具支持的情况下，整个工作流管理系统是不完善的。针对工作流进行仿真 的难点在于仿真的性能指标难以确定、仿真的过程比较复杂。 1 2 2 研究现状 在工作流技术应用h 益得到重视的今天，对工作流技术的研究也正在向更 1 0 第1 章绪论 深层次进行。工作流技术研究的主要方向有两个：一是为工作流技术的发展解 决理论上存在的问题，探讨工作流模型和语义的形式化表示方法等：二是从工 作流技术实现的角度探讨利用先进的技术提高工作流管理系统的性能和可靠性 1 1 7 1 o 工作流技术研究的一些理论课题为： ( 1 ) 过程建模理论与建模方法：研究如何清晰、准确地表示实际应用中 的过程，特别是研究如何以形式化的方法表示过程模型，提高工作流系统的 稳定性。研究和发展能够支持事务的工作流模型可以从根本上提高工作流管 理系统的正确性和可靠性，因此关于事务工作流模型的研究也得到了充分的 重视。 ( 2 ) 模型验证和模型仿真方法。 ( 3 ) 分布环境下的资源协调和任务优化调度策略。 ( 4 ) 过程模型与其他模型的集成方法：在描述一个企业和一个应用领域 的问题时，仅有过程模型是不够的，还要有功能模型、信息模型、资源模型、 组织模型，甚至经济模型和决策模型等的配合，这些不同的模型描述了一个 应用领域的不同侧面，它们的集成可以完成对一个企业或一个应用领域的全 面描述。但是，如何集成这些模型还没有良好的解决方法。有些工作流建模 工具包括了对资源和组织的描述能力，但是，目前还没有一个方法来实现过 程模型和功能、信息模型的集成。这方面的研究对于促进集成化的企业建模 和信息系统有重要意义。 目前国内的研究较多集中在过程建模理论和建模方法上。武器装备关键件 精密成型工作流研究，主要集中过程建模方法以及对过程模型与其它模型的集 成方法上。 1 2 3 发展趋势 目前有，许多工作流管理系统供应商之i 只j 的竞争异常激烈，每个厂商都千 方百计地将其竞争者产品的优秀功能集成到自t z 产品开发的新版本中来，同时 设计一些新的产品特色作为独一无二的卖点。f 这些发展，我们可以看出这 此产品在彼此汇聚融合，尽管它们之间还有- - l i e 差异。当然，工作流管理联盟 所期望的功能还没有达到。同时，也没有足够f f ，尖践，让我们明确工作流管理 第1 章绪论 系统最终应该包括哪些功能。 多年来，国内外的研究人员在工作流管理技术的理论基础、实现技术与应 用等方面取得了许多研究成果，这些成果推动了工作流管理技术的进一步研究、 发展、应用与产品化1 1 8 j 。在工作流体系结构与模型定义上，国际工作流管理联 盟做了相当多的工作，如提出了工作流参考模型体系结构、工作流管理系统的 互操作接口定义、工作流定义语言等。 国外，m i c h e l l ec h e a t h a m 提出在协同环境中的人工智能的工作流管理，在 美国空军实验室的基于w e b 的协同平台k n o w l e d g e k i n e t i c s 上利用a i 技术做了 自动建立柔性工作流的探讨【1 9 ；佐治亚大学开发的支持大规模复杂应用的自适 应工作流管理原型系统m e t e o r ，该系统采用完全分布的体系结构，其提供了基 于w e b 技术的w e b w o r k 工作流执行系统；i b ma l m a d e n 研究中心进行的研究 项目e x o t i c a ，其开发的基于持久消息队列的分布式系统e x o t i ca f m q m 由许 多具有自治能力的节点组成，节点问的消息传递通过持久消息实现等；苏黎士 大学的基于“事件驱动 的系统：b r o k e r s s e r v e r 模型和e v e ( e v e n te n g i n e e r ) 平台是目前较具典型性和可行性的分布式w f m s 。 国内对工作流的研究起步较晚，但许多大学和研究机构己经预见到工作流 技术及产品的良好前景，逐步开展了一些研究。一些大学，如清华大学、浙江 大学、上海交通大学都开展了对工作流技术的研究工作。其中，清华大学范玉 顺教授设计、开发了c i m f l o w 工作流管理系统，提出了c i m f i o w 工作流模型： 史美林教授带领的课题组提出了一个基于w w w 的通用工作流管理系统： w o w w w w o r k f l o wo nt h ew o r l dw i d ew e b ，并将其与传统的c s c w 技术结合 起来；浙江大学研制了工作流过程描述语言( w o r k f l o w p r o c e s sd e f i n i t i o n l a n g u a g e ，w p d l ) 编译制导的工作流建模支撑平台，这些都取得了良好的研究成 果l2 0 1 。 目f i 工作流过程模型的研究中，下面的几种情况的研究比较活跃，预计仍 是近几年研究的焦点：基于o o t ( 面向对象技术) 的工作流过程模型| 2 ，基于 a l 的工作流过程模型，基于集成的工作流过程模型。本文就是对面向对象技术 的工作流过程模型和基于集成的工作流过程模型进行了研究和探讨。 1 2 第1 章绪论 1 3 研究意义 近几年来，工作流管理技术迅速发展，其产品广泛应用于办公自动化( o a ) ， 计算机集成制造系统( c i m s ) 、电子政务等领域。工作流管理系统( w o r k f l o w m a n a g e m e n ts y s t e m ，w f m s ) 依托计算机网络，整合企业内部各种资源( 信息资源、 组织资源) ，实现了对企业经营过程的明确定义，使企业的业务过程得以自动或 半自动化完成。同时，工作流管理系统提供工具，实现对过程进行跟踪、控制， 并可根据业务需要重组流程。 从目前的发展趋势来看，现代企业越来越需要运用工作流管理系统在大规 模分布式环境下高效地运转相互关联的任务，并且对执行的任务进行密切监控， 以使企业这一复杂系统在充满外部扰动与内部惰性的环境下仍处于稳定、最优 的状态。 现代设计制造过程中，来自多个学