（机械工程专业论文）基于全局关联的过程建模在喷涂生产线中的研究与应用.pdf

j。， 独创性声明 j ilr l l rl l l 1l lli i iiiii y 17 8 8 8 4 2 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鱼l 叁日期：堡：堇：垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： l 呈兰导师签名：日期：! ! ：茎：6 一 | j i 摘要 摘要 随着市场竞争的不断激烈、产品结构的复杂性不断增加，企业必须在保证产 品质量的前提下，缩短产品的开发周期和开发设计成本才能在现在市场环境下取 得成功。因此，对产品开发过程进行分析、改进、监控和管理，建立一个能够准 确描叙和分析产品开发过程的过程模型，已成为实现对产品设计资源的充分有效 管理利用，提高产品设计效率，提成企业竞争力的关键。 本文在查阅和分析有关文献资料的基础上，对产品的开发过程进行了深入的 分析和研究，依据发展趋势阐述了过程建模的必要性。根据产品开发过程建模的 思想、内容和步骤，对现有一些过程建模的方法的研究和比较，提出了一种新的 基于全局设计和关联关系的过程建模方法。 新的建模方法研究了产品设计中部件结构的关联关系，根据过程建模和全局 设计思想来进行新产品开发，依据与模型对应的过程评价模型，通过引入反馈机 制的优化原则，增加了对象过程模型的描叙能力和新产品设计的灵活性，并将该 方法应用到汽车喷涂生产线设计中，为生产线的快速构建提供了技术支持。 结合计算机辅助设计的功能，利用微软提供的v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 开发工具和 a c c e s s 数据库，对c a d 平台进行相应的开发。使c a d 平台支持生产线设计过 程中的零部件自动加载、组装，当生产线设计完成后的系统可以实现零部件编号、 明细表、图纸说明书、产品零部件价格清单等说明文件的自动生成，为新的过程 建模方法提供软件支持，更好的应用到实际生产中。 关键字过程建模；全局设计；关联；反馈 北京t 业大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u e di n t e n s ec o m p e t i t i o ni nt h em a r k e ta n dt h ec o m p l e x i t yp r o d u c t s t r u c t u r ei n c r e a s e d ，t h ee n t e r p r i s e sm u s tn o to n l ys h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l ea n dt h ec o s t si nt h ec u r r e n tm a r k e te n v i r o n m e n t ，b u ta l s oe n s u r ep r o d u c tq u a l i t y t ob es u c c e s s f u l t h e r e f o r e ，b u i l d i n gap r o c e s sm o d e lw h i c hd e p i c t sa n da n a l y s i st h e p r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s t oi m p r o v ea n dm a n a g et h ep r o d u c td e v e l o p m e n t p r o c e s si st h ek e yt om a k eu s e f u lo fd e s i g nr e s o u r c e sa n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f p r o d u c td e s i g n ，w h i c ha l l o w se n t e r p r i s e st og e tm o r ec o m p e t i t i v e b a s e do nt h ei n s p e c t i o na n da n a l y s i so ft h er e l a t e dl i t e r a t u r e ，t h i sp a p e rc o n d u c t e d i n - d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s sa n de x p l a i n e dt h e n e e df o rp r o c e s sm o d e l i n ga c c o r d i n gt ot h et r e n d t h e na c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s sm o d e l i n gi d e a s ，c o n t e n t ，a n ds t e p s ，t h i sp a p e rp r o p o s ean e w p r o c e s sm o d e lm e t h o d sb a s e do ng l o b a ld e s i g na n da s s o c i a t e dd e s i g n t h en e wm o d e l i n gm e t h o ds t u d i e st h es t r u c t u r eo fp r o d u c td e s i g na n d c o m p o n e n ta s s o c i a t i o n , a n dd e v e l o p sn e wp r o d u c t sb a s e d0 1 1t h eg l o b a ld e s i g na n d p r o c e s sm o d e l i n g a c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o np r o c e s sm o d e la n dt h eo p t i m i z a t i o n p r i n c i p l eo ff e e d b a c km e c h a n i s m ，t h en e wm e t h o di n c r e a s e st h em o d e l sa b i l i t yi n d e s c r i p t i o na n df l e x i b i l i t y a n d t h em e t h o dw a s a p p l i e dt o a u t o m o b i l ec o a t i n g p r o d u c t i o nl i n e ，i no r d e rt oq u i c k l yb u i l dt h ep r o d u c t i o nl i n et op r o v i d et e c h n i c a l s u p p o r t w i t ht h ef u n c t i o n so fc o m p u t e r - a i d e dd e s i g n , u s i n gm i c r o s o rd e v e l o p m e n t t o o l sv i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5a n da c c e s sd a t a b a s e ，t h i sp a p e rd e v e l o p st h ec a d p l a t f o r mt o s u p p o r tt h ea u t o m a t i cl o a d i n go fp a r t s ，a s s e m b l yi nt h ep r o d u c td e s i g np r o c e s s ，a f t e r t h ep r o d u c t i o nl i n ed e s i g ns y s t e mb e i n ga c h i e v e d ，t h es y s t e mc a na u t o m a t i c a l l y g e n e r a t er e l a t e dd o c u m e n t a t i o n ，s u c ha ss c h e d u l e s ，d r a w i n g sb r o c h u r e s ，p r i c el i s t se t c t h en e wc a dp l a t f o r mp r o v i d e st h en e wp r o c e s sm o d e l i n gm e t h o d sw i t ht h en e w s o f t w a r es u p p o r t ，w h i c hc a nb eb e t t e ra p p l i e dt oa c t u a lp r o d u c t i o n k e yw o r d sp r o c e s sm o d e l i n g ；g l o b a ld e s i g n ；r e l e v a n c e ；f e e d b a c k i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1 ：】： 第l 章绪论1 1 1 课题研究意义1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 产品开发过程描述4 1 2 2 产品开发过程规划5 1 2 3 产品开发资源建模研究5 1 3 存在的问题分析6 1 3 1 产品开发过程的描述6 1 3 2 产品开发过程模型的性能分析6 1 3 3 产品开发过程中的资源建模6 1 4 本课题研究内容6 第2 章产品开发的过程建模9 2 1 产品开发过程9 2 1 1 产品开发过程的特点9 2 1 2 产品开发过程管理的特点9 2 2 过程建模的方法1 3 2 3 过程建模的内容1 8 2 3 1 过程建模的要素1 8 2 3 2 过程建模的步骤1 9 2 4 小结2 0 第3 章基于全局设计和关联关系的过程建模方法2 l 3 1g a 过程建模的总体结构设计2 1 3 1 1 零件层2 3 3 1 2 任务层2 4 3 1 3 参数层2 4 3 2 常用的评价方法介绍2 5 3 2 1 评价的基本原则2 5 3 2 2 简单评价法2 6 3 2 3 模糊评价法2 7 3 2 4 层次分析法2 8 3 3g & a 过程建模的评价模型与优化分析3 1 3 3 1 分解3 2 3 3 2 简化3 2 3 3 3 综合3 3 3 3 4 再综合3 5 3 3 5 得出结果3 5 3 4g & a 过程建模在汽车喷涂生产线中的应用3 6 3 4 1 需求分析3 6 3 4 2 喷涂生产线设计系统的建模3 9 北京工业大学1 = 学硕i ：学位论文 3 5 小结4 2 第4 章支持汽车喷涂生产线建模的设计平台开发4 3 4 1 开发前准备4 3 4 2 生产线设计系统数据库的构建4 4 4 2 1 系统数据分类4 4 4 2 2 建立数据表4 5 4 3 设计平台的功能实现4 7 4 3 1 “文件 模块的功能与实现4 8 4 3 2 “导出 模块的功能与实现5 l 4 3 3 “目录树模块的功能与实现5 3 4 4 设计平台的安装部署5 4 4 5 小结5 5 结论5 6 参考文献5 7 攻读硕士期间所发表的学术论文6 1 致谢6 2 i v 第l 章绪论 1 1 课题研究意义 第1 章绪论 产品设计作为人们运用科技知识和方法，有目的的创造产品的构思和计划过 程，与人们的生产、生活密切相关。自从人类以制造工具使自己区别于其他动物， 人就开始设计，也就逐渐萌生设计理论和方法的研究。近年来人们提出现代设计 理论和方法的命题，是因为设计在制造业中的作用已经比以前任何时期都更加突 出；完成一项设计任务所涉及的知识领域，也比以前任何时期都更为复杂、更为 广泛【1 1 。随着市场竞争日益激烈和经济全球化，用户对产品要求的个性化和多样 化，产品创新的空间空前扩大，对于创新程度的要求越来越高，同时产品( 或系 统1 的复杂程度越来越大，涉及的技术和科学领域越来越多，竞争压力迫使制造 业对新创意、新技术更为强烈地追求，这些新创意、新技术都需要通过合理的设 计使之转化为现实的生产力和市场上具有足够竞争力的新产品，从而使小到一个 企业、大到一个国家在日新月异的国际市场上以自己的知名品牌得到社会的尊 重。 产品设计是一个反复迭代、复杂的决策过程，开始经常是设计要求的识别， 然后是一系列的找寻问题优化求解的过程，最后给出产品的详细描述t 2 1 。随着人 类市场需求的不断增加和竞争激烈程度的不断加剧，无论是所设计的产品，还是 设计的方式和手段，都在发生着深刻的变化。设计对象变得越来越复杂，设计过 程也愈加复杂，设计者较以往承担了更多的责任。为了提高设计的水平和质量， 研究者开发出了各种设计方法和工具。设计在发生着深刻变革的同时，也提出了 各种新的挑战。 研究与实践表明：整个产品生命周期约8 3 的费用是由产品设计过程的工作 所决定，而这一阶段本身所需费用则占不到总费用的3 t 引。产品设计过程，即 从产品定义到产品批量生产之前这一段时间，在产品生命周期中的重要性，促使 企业将目光集中在发展出高适应性的设计方法，以管理产品设计过程及资源【4 j 。 这使得对于产品设计过程管理的研究日益受到重视。 北京工业大学t 学硕上学位论文 图1 - 1 产品设计过程示意图 f i g 1 1t h ep r o c e s sm a po f p r o d u c td e s i g n 图1 1 中可以看出产品设计过程管理在设计过程中所处的地位。无论是作为 设计资源的设计团队、技术与设计工具，还是作为软实力的企业文化，以及最终 的产品或服务，都与产品设计过程中的管理活动有着直接的、不可分割的密切联 系。产品设计过程管理是综合支配和挖掘各设计元素，推动设计过程高效进行的 动力。 在产品复杂性增加和开发时间与成本减少的变化趋势下，加强产品设计过程 改进、优化、管理等方面的研究对提高企业产品设计效率、增强企业自主研发能 力、提高产品市场竞争力具有重要的意义，主要表现在： ( 1 ) 对产品设计过程管理的研究在提高产品设计过程中信息技术、管理技 术的应用水平方面具有重要的意义当今社会信息技术越来越广泛的应用于社会 的各层面，管理技术在信息技术的推动下也产生了革命性的变化。计算机网络不 再只是用来进行绘图、数据处理之类的辅助设计技术，而已成为推动产品数据管 理、工作流管理、协同设计等新的产品设计管理的核心力量。利用信息科技对产 品设计流程进行分析、重组、仿真，减少过程中的反复，提高设计过程的效率， 逐渐成为企业提高产品竞争力的关键。 ( 2 ) 对产品设计过程管理的研究在促进产品设计的多领域、多学科技术支 持方面具有重要的意义现代企业的产品设计过程己不再是局限于设计领域内的 简单技术问题，而是涉及了多领域、多学科知识的系统化组织管理问题，涵盖了 从产品定义到产品领域支持的所有活动的过程【5 1 。产品设计跨领域、跨学科的特 性使得产品设计过程变得更为复杂，传统的过程管理方法已不适应现代企业的需 要。因此，必须不断的改进产品设计过程管理方法，建立与之相促进的设计过程 管理模型，能够使其支持多学科的智力资源服务，以适应企业产品设计的技术需 求。 ( 3 ) 对产品设计过程管理的研究在促进跨企业的合作、共享资源的应用等 第1 章绪论 方面具有重要的意义企业规模的逐渐增大和专业化程度的不断提高，使得企业 之间的交流和合作越来越多，企业以动态联盟等形式组成多种虚拟组织成为产品 设计的主要形式，以此合理地利用有限的资源，开展企业内部或企业之间的协作 【6 】。跨企业的设计使得设计资源的分布已不再局限于企业高墙之内，而是凝聚于 更广泛的共享资源乃至商业化的资源服务之中，这使得社会资源的管理与利用效 率相对于传统设计过程得到进一步提升，同时过程管理的复杂程度也随之提高。 针对产品开发过程的科学管理及先进设计与制造技术的运用，国内外许多专 家学者及研究机构进行了大量广泛而深入的研究，先后提出的许多制造系统理 论、方法和技术【7 , 8 , 9 1 ，已经得到广泛应用，并取得了可观的成效。大量的研究和 应用已经充分证明，通过对产品开发过程的科学管理和优化控制，对提高制造系 统适应全球性制造的趋势和解决实现问题的能力，是非常有效的。产品开发过程 建模是全面、系统地认知产品开发过程的一种科学手段，产品开发研究的首要问 题就是过程建模。 过程建模属于过程描述的范畴。过程建模就是建立过程模型。而所谓的过程 模型就是一种通过定义组成活动及其活动之间的逻辑关系来描述过程的模型。在 过程管理中，过程建模是过程诊断、过程设计、过程仿真优化以及决策支持的基 础，是过程分析和过程改进的重要依据。 1 2 国内外研究现状 在现代市场竞争环境下，如何将产品以最短时间推向市场己成为市场竞争的 焦点。作为一个加快产品开发过程的支持技术产品开发过程管理，已经成为 近年来一个新的研究热点。不同学科的研究者从不同角度研究了产品开发过程建 模。目前产品开发过程管理的两大主要研究领域是管理科学领域与工程设计领 域。管理科学将产品开发看成是一个工程和管理过程。他们的研究重点集中在产 品开发过程分析、改进与重组的方法学，以及产品开发过程组织形式、产品开发 过程规划等。而在工程设计领域，特别是机械产品的开发领域，研究者们以现代 产品开发模式，如并行工程、协同设计为研究背景，注重产品开发过程的应用与 实践，研究主要集中在产品和过程的信息化集成、产品数据管理、知识管理、产 品设计技术的改进、设计决策和冲突协商等，以实现加快产品开发过程进程的目 的。事实上，这两大领域的研究是产品开发过程管理密不可分的两个方面，相辅 相成，相互促进了产品开发过程建模的研究和实践。 对有关产品开发过程建模研究的大量文献进行归类，可归纳为以下几个方面 的内容。 北京工业大学工学硕e 学位论文 1 2 1 产品开发过程描述 产品开发过程的描述就是采用什么样的模型来描述产品开发过程。在现代产 品开发过程建模中，主要有下述几种方法：即事件网络图方法( a c t i v i t y n e t w o r k s ) ， 该方法包括c p m ( c r i t i e a lp a t hm e t h o d ) 和p e r t ( p r o j e c te v a l u a t i o na n dr e v i e w t e c h n o l o g y ) 方法，i d e f ( i n t e g r a t i o nd e f i n i t i o n ) 系列方法f 1 0 】【11 1 ，d s m ( d e s i g n s t r u c t u r em e t l l o d ) 方法【1 2 】和p e t r i 网及其扩展方法【1 3 】【1 4 1 。这些方法的产生都有其各 自的背景，并在其相应的领域均有一定的应用。下面对各个方法在产品开发中的 研究进展进行比较。 c p m p e t r 方法目前在产品开发项目管理中还有一定的应用，该方法可以简 单地用图示的方法表示产品开发任务之间的顺序关系，可以计算出项目开发中的 关键路径，进而实现项目的管理规划。但是随着产品的复杂性的提高，用 c p m p e t r 方法表示起来比较复杂，同时，该方法还不能表示在产品开发过程中， 诸如循环( 迭代) 等特性。e l m a g h r a b y 对c p m p e t r 进行了深入的综述【1 5 】。 i d e f 方法是一种结构化的方法，在产品开发过程中，使用该方法可以清晰 地描述产品开发过程中的每一个设计活动，描述活动之间的关系，并可以实现层 次化的分解。但是i d e f 方法只是对产品开发过程一个静态的描述，对于产品开 发过程所关心的时间问题也常常忽略。k u s i k a t l 6 】以及z a k a r i n a t l 7 】使用i d e f 建模 方法对机械制造过程实施了过程再造。a m f l 8 】采用了i d e f 系列方法对制造企业 进行了一个全面系统的建模。s h i n 和i c e l l l 【1 9 】使用i d e f 0 模型构造了一个企业联 盟( i n t * e n t q m s e ) 电子商务模型。j a n g 2 0 1 使用i d e f 方法对制造企业的商业过 程进行了流程再造。k i m a 2 l 】考虑到i d e f 方法和统一建模语言方法( u n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ：u m l ) 的相似性，将这两种方法集成在一起对企业过程进行建 模。很多研究人员注意到i d e f 方法缺乏动态分析能力，因而采用了与其他过程 模型结合的方法，如i d e f 和d s m 结合的方法【2 2 1 ，i d e f 和p e t r i 网集成的方法 嘲2 4 1 。 d s m 方法是近年来研究得比较多的方法之一。该方法用矩阵的形式简洁地 表示产品开发任务之间的各种关系。现在d s m 有4 种不同的矩阵形式，即：基 于任务的d s m ，基于数字的d s m ，基于组织的d s m 和基于模块的d s m 。这些 不同的矩阵形式可以分别解决各自关心的问题，并实现定量化仿真和分析， s i n e 【2 5 】对d s m 方法进行了介绍和综述。s t e w a r d 2 6 】和、s i n e 【2 7 】研究了分割 技术( p a r t i t i o n i n g ) ，将d s m 矩阵重新组织成为一个不包含反馈的低三角的矩阵形 式。s m i t h 2 8 1 以及b r o w n i n g 2 9 】【3 0 】和c a r r a s o c a s 3 1 佣基于数字的d s m 来描述设计 任务的重复的可能性和任务间的影响，并对产品开发过程的时间和成本进行了估 算。m c c o r d 和e p p i n g e r t 3 2 】提出了用基于组织的d s m 来分析汽车发动机开发过 第1 章绪论 程中组织结构的方法。p i m m l e r 和e p p i n g e r t 3 3 】采用了基于模块的d s m 来进行汽 车控制系统的模块分析。s h a r m a n 3 4 】【3 5 】将d s m 矩阵集结成几个子集，使得子集 包含大部分的交互而减少了子集间的交互。现在d s m 过程建模方法已经应用到 汽车【3 2 】【3 6 1 、飞机【3 0 】、建筑3 刀等行业。 1 2 2 产品开发过程规划 产品开发项目规划需要做出很多的决策，其中产品开发过程模型可以给项目 规划提供很多的决策依据。在产品开发项目规划中，项目完成所需要的时间、成 本、资源、风险性等都是需要重点考虑的问题。 早期对于项目时间和成本的估算和预测，基于c p m 和p e r t 是一个最常用 的方法，e l m a g h r a b y 1 】对其有一个综述。除此，关键路径法也是一个常用的方法。 但是这一些方法一般不考虑过程的重复，不能很好地表示产品开发过程，后来很 少有人采用。b e l h e 和k u s i a k 3 8 】为了计算过程的时间，采用了i d e f 3 方法，列举 了所有可能的路径，其中考虑了过程的循环。e p p i n g e r ( 3 9 】和a h 锄d i 【删采用信号 流i 虱( s i g n a lf l o wg r a p h s ) 来确定不同路径的时间。c a r r a s o c s a 3 1 】结合马尔可夫链 ( m a r k o v ) 和d s m 方法来构造过程模型，其中还考虑了部分的任务的迭代，以及 对产品开发项目总体时间的影响。b r o w n i n g 和e p p i n g e t d h 采用交互的活动改善 曲线( a c t i v i t yi m p r o v e m e n tc u r v e s ) 和活动重复风险( r e w o r kr i s k s ) 来仿真项目时 间、成本和风险。 在产品开发项目规划中，有很多因素会影响过程运行的结果。通常在对一个 因素进行估计或者优化的时候，假定其它的变量是固定的。这个假设并不合理， 一个好的项目规划应该取得在各个方面的权衡。e l m a g h r a b y 1 j 介绍了一些时间和 成本权衡的例子，不过假定任务是不能迭代的。c o h e n 等【4 2 】建立了一个两阶段过 程模型来确定技术性能和时间上的平衡。l u h 4 3 】探讨时间和资源的协调。b r o w i n g 和e p p i n g e r 4 1 】贝0 力图构造一个任务网络图来实现时间、进度和风险的权衡。 m i h m 删也分析了在时间和技术性能上的折衷方案。一个好的产品开发过程模型， 应该考虑到时间、成本、资源、技术性能和风险等参数的协调，可是现存的模型 并不支持它们之间的混合决策。因此需要进一步进行研究。 1 2 3 产品开发资源建模研究 对于资源约束和分配的问题，也有很多人进行了研究。b r u c k c l l 4 5 】对有资源 约束的项目规划问题进行了综述，但是这些模型大部分不支持产品开发项目中任 务的循环( 除了o g e r t ) 。a d l e r 4 6 1 提出了一种任务迭代排队模型，并考虑了其中 北京工业人学工学硕：e 学位论文 几种因素对项目所需时间以及资源利用率的影响。b e l h e 和k u s i a k 4 7 】通过任务所 产生信息的重要程度，动态地规划产品开发任务间的资源约束，使得“总的权值 延迟 最小。l u l l 4 3 l 使用随机的动态规划处理有循环迭代的资源约束问题，保证 准时完成的可能性最大。y a h 4 8 】贝0 采用了一种随机网络模型，在一定的资源约束 下，规划资源使得项目总的完成时间最短。资源约束问题是产品开发过程建模中 的一个重要问题，在这方面的研究有待加强。 1 3 存在的问题分析 尽管很多研究者对产品开发过程进行了一系列的研究，在实际的产品开发项 目的管理、规划、协调、仿真和优化中也取得了重要的作用。但是，正如前面所 述，产品开发过程是一个复杂多变的过程，因而还有一些问题需要继续研究。 1 3 1 产品开发过程的描述 现代产品的复杂程度越来越高，再由于现代产品开发模式的采用，使得现代 产品开发过程是一个非常复杂多变的过程。要分析这么一个复杂的过程首先需要 描述这个过程，即，描述在产品开发过程中大量的行为、各种现象。而如何准确 全面地描述这个过程就成为产品开发过程建模的重要课题。原来的方法都是为了 解决特定的问题而提出来的，因而各自都有自己的优缺点，并不能确切完全地表 达现代产品开发过程模型。有必要提出一个产品开发过程描述模型或者将原有的 过程模型进行扩展或者集成，形成新的产品开发过程描述模型并具有上述模型的 优点，例如，表达能力强、可以验证和仿真等特点，以更好地实现产品开发过程 建模。 1 3 2 产品开发过程模型的性能分析 现代产品开发过程模型是对产品开发过程的静态的描述，但是产品开发过程 是一个动态多变的复杂的过程，因而产品开发过程模型在描述产品开发过程的静 态特性的同时，也应该可以描述其动态的执行，捕捉产品开发过程的动态特性， 应该能够验证过程模型的正确性并预知各种可能发生的情况，进而对产品开发过 程进行有效管理和控制。更重要的是，如何以最低的成本，在最短的时间内开发 出满足用户需要的产品是产品开发的根本目的。产品开发过程模型应该可以对产 品开发过程中涉及的时间和成本等因素进行仿真，能够通过建立的模型来定性和 定量地分析设计过程，找出最优化的过程路径，实现过程优化和产品开发过程的 第1 章绪论 再造。 1 3 3 产品开发过程中的资源建模 资源建模是产品开发过程建模的一个重要内容，因为在产品开发过程中，合 理有效的分配有限的资源是加快产品开发速度，提高产品开发效率的有效途径。 目前的产品开发资源建模大多数采用数学规划方法来进行资源建模，但是产品开 发过程是动态的，什么时候执行什么任务并不能事先确定，因而资源的分配也是 一个动态的过程，如何在一个动态的环境下，把有限的资源在正确的时间以正确 的方式分配给正确的任务是一个亟待解决的问题。 综上所述，过程建模方法广泛的应用在产品设计过程当中，每种过程建模的 方法都有其优点和缺点，但总的来说，这些方法的缺点主要体现在以下四点： ( 1 ) 策略过程模型没有充分体现过程中的产品信息、组织、资源等要素， 缺乏全方位的过程管理和人机协同工作的策略； ( 2 ) 管理缺乏对分布式的多功能队伍并行、协同的工作过程进行有效管理 的能力； ( 3 ) 需求缺乏对设计对象本身特征的描述，难以适应不同产品设计具体情 况的需要； ( 4 ) 能力缺乏有效的分析模型能力，对过程模型的分析主要局限于静态分 析。 1 4 本课题研究内容 有关产品开发过程管理的内容十分广泛，如过程建模、过程度量、过程评 估、过程执行与仿真、过程分析与规划、过程改进和过程重组等。本文研究了产 品设计中部件结构的关联关系，根据过程建模和概念设计思想来提高新产品开发 及其选择方案决策的效率问题。引入反馈机制的分层原则，构造了一种新的过程 建模方法，增加了对象过程模型的描述能力和新产品设计的灵活性。并将该方法 应用到汽车喷涂生产线的快速设计当中，对计算机辅助产品开发过程建模系统进 行了需求分析，建立了功能模型，完成了数据库结构的设计，在此基础上完成了 系统软件的开发，为生产线的快速构建提供了技术支持。 论文讨论的主要内容如下： 第1 章：产品开发过程建模的研究。通过查阅和分析有关文献资料和实例， 对产品及产品开发过程的特点和发展趋势进行了分析和研究，并总结了当前存在 的一些问题。 北京t 业大学。f 学硕一卜学位论文 第2 章：描述了产品的开发过程和产品开发过程管理的一些特点，详细介 绍了现有的一些先进的过程建模方法，并研究和分析了各种建模方法和模型的优 点及不足。 第3 章：提出了一种基于全局设计和关联关系的过程建模方法，详细分析 了该方法所得到的过程模型的整体结构。并对几种常用的系统评价方法进行了阐 述，结合本文所提出的过程建模方法，提出相应的过程评价模型。并将新的过程 建模方法应用到实际的汽车喷涂生产线中 第4 章：结合汽车喷涂生产线的实例，通过对整个系统进行需求分析和全局 设计规划，实现了喷涂生产线快速设计系统软件平台的开发。接着对系统的功能 进行了介绍，分析了系统开发过程中所遇到的问题及其解决方案。最后简单介绍 了软件的应用部署情况。 小结课题的研究内容，对过程建模进行的展望。 第2 章产品开发的过程建模 曼曼皇曼曼曼曼曼璺曼曼鼍曼曼皇曼量曼曼曼曼皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼量曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼鲁量置曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇皇兽i n n 第2 章产品开发的过程建模 产品设计过程建模的目的是在具有较高理论抽象和概括的基础上，创建产品 设计过程的具有预见性的模型，以指导或改进过程管理决策。也就是说，过程模 型的创建是以分析、改进和决策为目的，它必须为过程管理提供可预见性的参考 价值，使产品的开发过程实现并行、协调，并能面向全面质量管理做出决策分析。 因此，过程模型就必须从产品特征、开发活动的安排、开发队伍的组织结构、开 发资源的配置、开发计划以及全面的调度策略等各个侧面来考虑它们对产品开发 过程的影响。过程模型应当支持企业过程重组，支持产品生命周期各个阶段的建 模和管理。下面对产品开发过程模型建立过程进行阐述与分析。 2 1 产品开发过程 2 1 1 产品开发过程的特点 产品开发过程是指以产品开发工作组为执行实体，以产品信息结构为操作对 象，以企业资源为物质基础，以过程间逻辑和时序关系约束为执行纽带的产品开 发活动。产品开发过程指企业从市场调研、可行性分析、设计、制造到产品最终 完成的全过程。虽然产品呈现多样化的趋势，但其开发过程却有着内在的相似性。 通常，产品都要经过可行性论证、设计、制造、装配、销售等一系列过程。过程 的相似性是过程建模的前提。另一方面，产品的日趋多样决定了产品开发中局部 过程差异的扩大。完全固定化的开发模式已不能满足产品多样化的要求，企业过 程再造正在成为企业发展的潮流，这些都决定了过程建模方法要具备一定柔性， 能适应不同的企业环境和不同的产品。集成化的产品开发过程概括起来有以下特 占 n 、 ( 1 ) 随机性过程中的活动是高度随机的，这是因为设计活动的主体是人， 而人的设计活动具有创造性和不可预见性，这就决定了产品开发过程具有高度的 随机性。 ( 2 ) 复杂性过程中的关系是异常复杂的，过程活动组成了整个产品生命周 期，从信息流的角度来看，整个过程涉及到产品信息流、过程信息流和组织信息 流，这些信息流相互结合，彼此关联，在整个产品开发过程中各自的信息不断更 新，丰富和完善，最后物化到产品中。 ( 3 ) 协调性过程中的冲突是不可避免的，过程的活动与资源的分配和使用 是密切相关的，而产品开发过程之间的关系是逻辑上的，并没有严格的界限，这 就不可避免带来了“冲突 问题，因而，建立过程的协调和监控机制就非常必要。 北京工业大学工学硕上学位论文 从以上的分析可知产品生命周期中的活动具有高度的随机性，另外，活动的 结果可以是物料类也可以是信息类。因此，活动完成的标志不能简单地用产生了 数据来定义。因为数据所隐含的信息直接决定了下游过程是否能够进展，而错误 的数据可能导致整个设计失败。 产品生命周期的过程之间没有严格的界限。产品开发过程上下游之间的关系 主要是逻辑上的。它存在的基础是设计工具之间、设计人员之间、设计任务之间 保持相互独立。在实际开发过程中，由于活动本身的随机特征，例如，由于设计 人员之间的讨论和信息交换，过程之间的逻辑关系变得模糊了。i p t ( i n t e g r a t e d p r o d u c tt e a m 集成开发团队) 就是要打破各个活动之间的界限，通过成员之间的协 作产生问题的解。并行过程产品开发的本质是过程重构。这需要对企业现有的产 品开发流程进行深入分析，找到影响产品开发顺利进展的根本原因，重新构造一 个能为有关各方面所接受的新模式。这个新模式的实现需要组织的重组和计算机 的支持。 2 1 2 产品开发过程管理的特点 为了赢得市场和最大限度地满足用户需求，各大企业竞相采用缩短新产品的 开发周期、提高产品质量成为的市场竞争手段。并行工程是适应这一需要的管理 方式和研究前沿，它要求在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到 产品报废的诸多因素，产品设计的上游阶段及早地考虑下游阶段和制造的需要， 消除产品设计完工以后的大返工、大更改的不良作用，从而达到缩短产品开发周 期、降低产品成本和提高产品质量的目的，增强企业的新产品开发能力及市场竞 争能力。 新产品开发的重要性在最近的数十年内有了极大的体现，成为工业界竞争的 决定性驱动力。近五年里众多的工业领域依靠开发新产品来获得占年收入5 0 以上的效益。然而，新产品开发的失误率仍然是很高的，许多项目无法获得商业 化的产品，3 3 至6 0 的上市的新产品不能获得经济回报。开发周期决定了公司 具有怎样的竞争力和公司获得经济回报的速度，如果一种生命周期为5 年的产品 延迟6 个月上市，就会损失其1 3 的利润。人们逐渐认识到产品开发的长周期、 高成本是产品缺乏竞争力的症结所在，于是开始将注意力集中在对于产品开发过 程的改进和管理上。为了能够补偿产品开发的代价，并且在快速的产品退化和市 场波动的环境下获得经济回报，公司的产品开发必须实现两个重要的目标： 第一减少上市时间到最小； 第二最大限度地满足客户的需求。 过程管理是并行工程中过程活动的框架。自8 0 年代中期并行工程思想的提 第2 章产品开发的过程建模 出以来，各种为适应并行工程要求的技术及工具得到广泛的探讨和研究。作为团 队工作模式，并行工程要求集成环境和并行工作，其中过程管理工具成为衔接并 行活动的纽带，但到目前为止还没有形成系统的过程和过程管理的理论体系。 成功的新产品开发过程是如下因素的综合：组织的因素；工作组或项目的因 素；技术工具因素。 ( 1 ) 组织的因素组织级的过程管理通过减小设计、制造间差别的负面效应 来有效地改进产品开发过程，它的作用包括有支持功能集成的作用，影响除设计 和制造外其它的组织功能。 ( 2 ) 工作组或项目级因素该因素中，设计与制造在物理位置上的接近能增 加相互影响的可能性和改善工作组成员间的人际关系，从而减少可能产生的冲 突。 ( 3 ) 集成工具和技术的使用该因素中，使用可制造性的指导方针，或者说 使用能提供制造信息的设计工具( 可制造性、可装配性、可测试性等) 能导致早期 发现和防止设计技术参数与制造能力间的不匹配，从而使新产品开发达到既定的 目标，比如成本、时间、质量和性能。 由于产品开发是一种社会( 或集体) 行为，从组织层次角度看，可以将产品开 发分为五个层次，即经营环境层、公司层、项目层、团队层和个体层【4 9 1 。从行为 层次角度看，又可分为组织行为层、团队动态层、个体认知和动态行为层。产品 开发过程不单单只面向开发人员，同时面向整个团队和项目组，更重要的是它还 属于某个具体的开发组织。对这些不同组织层次的产品开发行为进行分析，可以 发现不同层次行为具有不同规律。从研究产品开发过程的建模、实施、管理和改 进各种行为来看，产品开发过程同样存在多个层次，通常是由组织标准化产品开 发过程向项目既定产品开发过程转化的过程。集成产品开发包括了产品开发过 程、产品生命周期、人的思考和工作方式、团队合作、整体组织方法、创新的技 术和通信与信息的扩展形式等多方面的内容，其核心思想是通过集成产品开发团 队，以过程为中心来组织产品开发。 产品开发过程的趋势和特征对于产品开发过程管理提出了比历史上任何阶 段都更高的要求，这就促成了先进制造系统各种理论、方法的提出和对产品开发 过程概念的新理解。 2 1 2 1 建立产品开发过程模型由于产品开发系统是一个高度非线性、高度复 杂和庞大的系统，局部的不协调可能引发全局的混乱，甚至于系统整体性能的下 降和目标的难以实现等。对这样一个系统实施科学管理和优化控制，必须首先建 立其管理、控制模型，依据模型进行科学管理与优化控制。换言之，要保证这样 一个系统整体运行成功和整体性能提高，必须建立一个可操作、可控制的系统或 过程( 管理与控制) 模型，建立个能够实现系统动态监控和动态性能分析的系统 北京t 业大学丁学硕：f = 学位论文 或过程模型。不难想象，如果没有一个可操作、控制、监控和分析的系统或过程 模型，要对这样的系统实施科学管理和优化控制，使其各过程实现并行和集成， 从其中寻找出无效环节并予以剔除，以及使其实现技术、管理和人等的集成，是 非常困难的，甚至于不可能。 2 1 2 2 产品开发过程组织和管理应具有的特性在产品开发过程模型的基础 上，对产品开发过程及其开发进程的科学管理和优化控制，必须要支持如下一些 特性： ( 1 ) 支持技术、管理和人组织