（机械工程专业论文）基于并行工程的产品开发过程规划方法研究.pdf

r e s e a r c ho nm e t h o d so fp r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s sp l a n n i n g b a s e do nc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g b y y a n gl i p i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rd e n gq i a n w a n g m a y ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：喝7 刀洋 日期锄1 年j 月近日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：啊晷7 7 狮期： 别磁辄1 她飙 b o t1 年，月莎日 砂f f 年j 月丛日 基于并行工程的产品开发过程规划方法研究 摘要 在当前竞争激烈需求变化非常迅速的市场环境下，企业要取得成功，必须采 用先进的开发模式来提高产品的开发周期、质量、开发成本及客户服务水平，以 此来提升企业的竞争力。随着现代产品复杂程度的提高，产品开发过程管理和规 划的难度也越来越大。为了加强产品开发人员之间的交流和协作，并对产品开发 过程进行合理的规划和改进，建立能够准确地描述和分析产品开发过程及活动间 信息关系的产品开发过程模型已成为成功实现产品开发的重要手段。 为了解决产品开发过程中引入并行工程而导致开发过程复杂，难以高效执行 的问题，本文通过研究分析并行工程下任务间的信息关系，提出了基于任务间耦 合信息影响度的模糊设计结构矩阵，并以此为基础对整个开发过程和耦合任务集 内的活动的次序进行了合理规划。此外，本文还对下游任务的介入时间做了定性 的分析。 为了更深入地研究分析开发过程的资源分配，解决资源分配过程中的冲突问 题，针对产品并行开发的特点，提出了资源分配优先级算法。通过构建了资源协 调机制模型，实现了产品开发过程中资源的动态分配，优化资源的分配和利用。 然后以资源协调机制为核心，提出层次资源调用过程模型。通过引入了层次着色 p e t r i 网，以c p nt o o l s 仿真平台为基础，构造了一个基于产品开发过程的资源管 理仿真模型，再对开发过程中的资源调度过程进行仿真分析，实现了资源的优化 配置。 关键词：产品开发；并行工程；模糊d s m ；过程建模；着色p e t r i 网 硕士学位论文 a b s t r a c t a sm a r k e t c o m p e t i t i o nb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei n t e n s i v ea n dc u s t o m e r r e q u i r e m e n t sc h a n g i n gm o r ea n dm o r ef a s ti nc u r r e n tm a r k e tc i r c u m s t a n c e t o d a y s c o m p a n i e sh a v et oa d o p tt h ea d v a n c e dd e v e l o p m e n tp a t t e r n st oi m p r o v ep r o d u c t t q c s1 e v e la n de n h a n c et h ec o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e s w i t ht h ei n c r e a s e d c o m p l e x i t y o fm o d e r n p r o d u c t s ，t h em a n a g e m e n t a n d p l a n n i n g o f p r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s sh a sb e c o m em o r e a n dm o r ed i f f i c u l t a g o o dp r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s s m o d e lw h i c hc a n e x a c t l y d e s c r i b e p r o d u c td e v e l o p m e n t p r o c e s s e sa n di n f o r m a t i o ne x c h a n g ep r o c e s s e si sb a d l yn e e d e df o r t h eb e t t e r c o m m u n i c a t i o n ，c o l l a b o r a t i o n ，a n a l y s i s ，p l a n n i n g a n d i m p r o v e m e n tp r o d u c t d e v e l o p m e n t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sb e c o m e sc o m p l i c a t e d a n dd i f f i c u l tt oi m p l e m e n te f f i c i e n t l ya si n t r o d u c i n gc o n c u r r e n te n g i n e e r i n gi nt 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 h i sp a p e rp r e s e n t sf u z z yd e s i g ns t r u c t u r em a t r i xb a s e d o nt h ed e g r e eo fi n f o r m a t i o ni n f l u e n c eb e t w e e na m o n gc o u p l i n gt a s k s ，a n dp l a n st h e e n t i r ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dc o u p l e dt a s ks e t st oa c h i e v et h ef u l l yo p t i m i z a t i o no f p r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s f o rm o r ei n - d e p t ha n a l y s i so fr e s o u r c ea l l o c a t i o ni nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n d r e s o l v et h e p r o b l e m o fr e s o u r c e c o n f l i c t ，i nt h i s a r t i c l e ，a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o n c u r r e n tp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，p r i o r i t ya l g o r i t h mf o rr e s o u r c e a l l o c a t i o ni sp r o p o s e d b yc o n s t r u c t i n gr e s o u r c e sc o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m ，w ec a n r e a l i z ed y n a m i ca l l o c a t i o na n do p t i m i z a t i o no fr e s o u r c e si nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t p r o c e s s t h e nh i e r a r c h i c a lc o l o r e dp e t r in e ti si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，as i m u l a t i o n m o d e lo fr e s o u r c em a n a g e m e n ti ss e tu pt o a n a l y z er e s o u r c ea l l o c a t i o nb a s e do n p r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s su s i n gt h es i m u l a t i o nt o o l so fc p nt o o l s ，w h i c h o p t i m i z e sr e s o u r c ea l l o c a t i o n k e yw o r d s ：p r o d u c td e v e l o p m e n t ；c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ；f u z z yd s m ；p r o c e s s m o d e l i n g ；c o l o r e dp e t r in e t i h 基于并行工程的产品开发过程规划方法研究 目录 学位论文版权使用授权书：i 摘要：i i a b s t r a c t i i i 插图索引。v i 附表索引j v i i 第1 章绪论1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 产品开发过程规划的研究2 1 2 2 产品开发过程资源建模的研究3 1 3 论文的研究内容与及结构安排4 第2 章并行开发的理论与方法6 2 1 产品开发模式6 2 1 1 串行开发模式6 2 1 2 并行开发模式7 2 2 并行开发的关键要素8 2 3 并行开发的组织形式9 2 4 并行开发过程规划内容1 0 2 4 1 过程规划含义“1 0 2 4 2 并行开发过程规划的必要性1 1 2 5 产品开发过程建模方法的选择1 2 2 5 1 产品开发建模方法1 2 2 5 2 并行开发建模方法的选择1 6 2 6 本章小结1 7 第3 章基于d s m 的产品开发过程规划优化方法1 8 3 1 任务之间信息约束关系1 8 3 2 活动分解1 9 3 2 1 任务分解原则1 9 3 2 2 任务分解的方法2 0 3 ，3 过程规划2 0 3 3 1 设计结构矩阵：2 0 i v 硕士学位论文 3 3 2 模糊设计结构矩阵的构建2 2 3 3 3 并行开发过程宏观规划2 4 3 3 4 耦合任务集识别及规划。2 5 3 4 实例分析2 8 3 5 本章小结3 1 第4 章基于p e t r i 网的产品开发资源调度过程模型，3 2 4 1 产品开发过程中的资源3 2 4 1 1 开发过程资源建模目的。3 2 4 1 2 开发资源的分类和属性3 3 4 1 3 开发资源的状态3 4 4 2 开发过程资源调度机制3 5 4 2 1 层次着色p e t r i 网。3 5 4 2 2 产品开发调度过程3 7 4 2 3 层次有色p e t r i 网的资源调度模型3 8 4 2 4 任务优先级算法。4 1 4 3 实例分析4 2 4 4 本章小结。4 6 总结与展望。4 7 参考文献4 9 致 射5 3 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文。5 4 附录bc p n 模型状态空间报告5 5 v 基于并行工程的产品开发过程规划方法研究 插图索引 图1 1 论文框架结构4 图2 1 串行开发过程：6 图2 2 并行开发过程8 图2 3 并行工程的关键要素示意图9 图2 4 并行设计过程迭代1 1 图2 5i d e f 0 图1 3 图2 6 组成e e p c 的基本图形元素1 4 图2 7 某产品开发过程p e t r i 网模型1 5 图3 1 设计任务之间三种信息关系1 8 图3 2w b s 分解结构图2 0 图3 3 设计结构矩阵示意图2 1 图3 4 返工概率与信息进化度的关系2 7 图4 1 资源分类结构3 3 图4 2 资源状态3 5 图4 3p e t r i 网示例3 6 图4 4 资源调用过程3 8 图4 5 资源模型顶层h c n 网3 9 图4 6 资源分配h c n 子网4 0 图4 7 活动执行过程h c n 子网。4 1 图4 8 各活动最早开始时间及最迟开始时间4 2 图4 9 项层模型4 3 图4 1 0 资源协调机制4 4 图4 1 1 活动1 执行过程模型。4 5 图4 1 2c p n 模型声明4 6 v i 硕士学位论文 附表索引 表3 1 活动间依赖信息输入量标度2 2 表3 2 模糊一致矩阵2 3 表3 3 模糊一致矩阵2 4 表3 4 布尔设计结构矩阵2 8 表3 5 以a 6 为基准任务的模糊一致矩阵2 9 表3 6 模糊设计结构矩阵3 0 表3 7 耦合活动1 内活动的c i 和d i 值3 1 表4 1 各活动的资源需求4 3 表4 2 各活动初始优先权一4 3 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 如今各制造企业都面临着经营环境迅速变化，消费者需求多样化，技术开发 速度加快，产品生命周期不断缩短的挑战，面对千变万化的经营环境，越来越多 的企业开始把新产品开发作为企业生存发展命脉。对企业而言，产品的竞争力是 由产品的t o c s ( t i m e ，q u a l i t y ，c o s t ，s e r v i c e ) ，即开发周期、产品质量、产品成本 及客户服务综合指标来衡量，相互之间做到平衡，达到整体最优。 产品的开发能力是企业获得发展的动力源泉。有研究表明，在产品开发阶段 ( 包括概念设计、初步设计、详细设计) 的成本费用仅占总成本的1 8 ，而对产品 价值的影响程度却达到了8 0 9 0 【1 1 。产品设计开发过程的好坏直接影响着产品 性能和产品在后续制造过程中的可制造性、可装配性等因素，决定着产品质量、 交付周期、制造成本及客户满意度等因素。从这个意义看，企业的竞争是产品开 发模式、方法和过程的竞争。 改革开放2 0 多年来，我国国民经济始终保持快速稳定的发展势头，取得了巨 大成就。虽然国内的制造行业尤其是机械行业的发展处于高速增长的态势，但大 多数制造企业发展方式比较传统，只重视生产，不重视研发。在市场竞争中处于 十分被动的局面。从整体上看，与欧美、日本等制造强国相比，我国的制造企业 大多还处于较为初级的发展阶段，仍采用传统串行开发模式为主，并没有深入地 贯彻及推广一些先进的开发技术和管理理念，即使在新产品开发的过程中虽然采 用了一些新技术，但由于经验数据缺乏积累，标准不够完善齐备等，导致产品开 发过程中仍然存在大量的问题。并且整体开发缺乏有效的计划和管理，导致各部 门信息不畅通，这样就无法明显的市场竞争优势，很难达到预期的效果【2 1 。 基于并行工程的开发模式能极大地缩短产品开发周期，提高产品质量，降低 产品成本，提高顾客满意度，是一种集成化、并行化的产品开发过程。目前一些 大型制造企业正在把它应用于产品开发，但是由于受到企业内部传统观念、企业 体制及规模等因素的影响，能完全把并行工程理论与技术运用到产品研发的企业 还很少。 目前，也有很多学者对并行工程理论进行了研究，并取得了相当大的成果。 但是对于如何把并行工程实际应用到企业当中，指导并行工程的实施，这类的研 究文献相对较少。学者们利用并行工程的理念研究产品开发过程建模的方法，理 论探讨的多，在工程实践中得到实际应用的少，对企业改进现有的产品开发模式 基于并行工程的产品开发过程规划方法研究 指导作用不明显。因此，建立一个基于并行工程的、在工程实践中应用性较强的 产品开发过程模型，并通过所建立的模型，对并行开发过程的执行进行合理性规 划，是值得广大学术界进行深入研究的。 1 2 国内外研究现状 对于制造企业如何对产品开发过程有效规划并实施并行工程，可以围绕产品 开发过程的各个要素进行研究，如工期规划，成本控制，组织安排，资源调用等 等。研究它对于并行工程的合理规划和顺利实施，提高开发项目的工作效率和经 济效益有重要作用，因而成为了国内外众多学者的研究焦点之一。本文从产品的 t q c s 出发，进行了以下两个方面研究：一是产品开发过程活动在时序上的规划， 二是产品开发过程在资源调度上的规划。本节主要对产品开发过程的建模和规划 问题进行概要性的回顾，并在此基础上总结了前人所作研究存在的不足，引出了 本文对产品开发过程建模与规划方面所做的研究。 1 2 1 产品开发过程规划的研究 产品开发过程规划就是针对产品开发过程中的活动，根据既定目标( 用户要求 和企业目标) 进行合理的规划，确定过程中各任务的执行程序及各任务对应的活动 的具体开始时间和结束时间。对产品并行开发中的活动进行顺序规划、时间安排 以及对产品开发资源进行优化配置，科学合理地指导和规划并行工程的实施，使 得并行开发过程中产品的t q c s 达到综合最优。现代产品开发过程中，建模规划 方法很多，常用的主要有以下几种方法：c p m ( c r i t i c a lp a t hm e t h o d ) 关键路径法， 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 ) 计划评审技术，i d e f ( i n t e g r a t i o n d e f i n i t i o n ) 族系列方法，d s m ( d e s i g ns t r u c t u r em e t h o d ) 设计结构矩阵及p e t r i 网及 其扩展方法等等。在过程规划理论与方法领域国内外学者做了大量的研究工作。 y a s s i n e 3 j 等人在文献中提出采用信息敏感度与信息可变度来度量任务间的信息 依赖度，在此基础上又提出了结构化敏感度分析法并用于d s m 的割裂算法，提 高了设计结构矩阵对复杂系统分析的性能：文献【4 】把产品开发过程建模成为一个 动态约束满足问题，其中时间约束被认为是严格约束，在产品开发过程运行期间 进行的更改被看作是对这个问题约束的增加或减少；s m i t h 5 】等人从产品并行开发 过程分析和规划的角度对过程模型进行了讨论，强调了过程建模对重叠和迭代支 持的重要性；文献【6 】针对解释结构建模中的强连通子集划分、区域划分和级别划 分，提出了相应的改进方法，引入了求骨架矩阵的代数表达式，并在应用中取得 了一定的效果；文献【7 】把d s m 作为并行产品开发建模工具对分布式协同并行产 品开发过程规划进行了研究；刘天湖i s l 等提出了一种基于部件接口矩阵的粗规划 和基于设计结构矩阵的细规划相结合的项目规划方法；c a r r a s c o s a 等1 9 】结合马尔 2 硕士学位论文 可夫链( m a r k o v ) 和d s m 方法来建立过程模型，其中还考虑到部分的活动的迭代， 以及对产品开发过程总时间的影响等等。上述文献中对于产品开发过程规划的研 究，很少涉及到任务间信息的影响度的衡量，即使有这方面的研究也多是从量化 信息方面着手，过程较为复杂且不具备实际操作性。 1 2 2 产品开发过程资源建模的研究 产品并行开发过程中，通常涉及到大量的资源、工具、设备和人员，一些重 要资源的调用对产品开发的顺利执行起着关键的作用。为了避免开发活动之间发 生资源冲突，需要对资源的调用过程进行建模及合理性规划。资源调用过程建模 是进行资源管理和分配的前提和基础。到目前为止，国内外研究人员在并行产品 开发过程中资源建模方面的研究已经进行了一些研究。对产品开发过程的资源建 模研究很少，即便是对于企业的资源建模也是偏重于定性的描述，缺乏严密的定 量分析，更不对其分配和使用情况进行仿真。b e l h e 1 0 】等通过分析任务产生信息 的重要程度，提出了基于有限资源多项目的设计任务计划方法，动态地规划产品 开发任务间的资源约束。王要武1 1 l l 等根据设计活动间信息约束和资源约束关系提 出基于f t c w f n e t 的产品开发过程资源调用建模与仿真方法。y a n 1 2 】等则建立一 种随机网络模型，在一定的资源约束下，基于优先规则的调度方法，规划项目资 源使得完成总工期最短。m a t tb a s s e t t 1 3 j 建立了一种项目、资源最优化分配模型， 并提出了启发式的求解算法；a d l e r 1 4 j 等提出了一种任务迭代排队模型，并考虑了 其中几种因素对项目所需时间以及资源利用率的影响。b e r k i nt o k t a s 1 5 】考虑未知 资源容量的资源约束任务分配问题，提出了3 个随机模型。l u h 1 6 j 等使用随机的 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。曹守启 等【1 7 j 面向过程的任务分层分解技术，将影响资源选择的约束因素和评价标准与特 定的产品开发任务相结合，提出一种基于分层的多目标优化决策方法。以上研究 大多只从研究资源的调用进行建模分析，而资源调用是开发过程的一个部分，对 全局的影响也较大，目前在这方面的研究很少对整个过程进行全面考虑的。 本文在产品开发过程规划方面采用模糊设计结构矩阵，通过对两两活动输出 信息影响度的比较结果来量化活动间的信息关系，在此基础上对开发过程进行规 划，使得活动间的信息关系描述更加准确，更具操作性。在产品开发过程资源建 模方面，设计了三层次的模型，分别对开发总过程，资源调用过程及各子活动层 进行了建模，并设计了资源调度优先级算法，使得建立的模型更能反映实际开发 活动情况。 3 基于并行工程的产品开发过程规划方法研究 1 3 论文的研究内容与及结构安排 产品并行设计开发模式是一种目前较先进的开发模式，它能缩短产品开发周 期，降低开发成本，提高产品质量和顾客满意度，如果能把它广泛应用到中国的 制造行业中，将会引起一场企业界运作模式的高水平革新。考虑到企业应用并行 工程给产品设计开发带来的巨大影响，本文在此基础上深入进行了以下几个方面 的研究工作： 图1 1 论文框架结构 第一章：介绍了本文研究的背景及研究意义，并对产品开发模式进行了简单 的概述和总结，综述国内外产品开发过程建模与规划的研究情况。然后阐述了并 行条件下如何选择产品开发过程的建模方法，以便于对整体过程的规划。在此基 础上提出了论文的研究内容和框架。 第二章：分析了产品并行开发模式对开发环境和组织模式的要求，针对并行 开发过程的特点，阐述了并行条件下如何选择产品开发过程的建模方法，以便于 对整体过程的规划。 4 硕士学位论文 第三章：针对并行开发的特点，考虑到耦合任务间上游任务信息的不完善会 引起下有任务的迭代，导致产品开发过程的周期延长的问题，提出基于任务间耦 合信息影响度的模糊设计结构矩阵，使得对产品开发过程的信息传递描述更为准 确，更符合实际。通过建立模糊设计结构矩阵对分别整个开发过程和耦合任务集 进行了规划。 第四章：针对产品并行开发的特点，提出了资源分配优先级算法。通过构建 了资源协调机制模型，实现了产品开发过程中资源的动态分配，优化资源的分配 和利用。然后引入了层次着色p e t r i 网，并结合相应的c p nt o o l s 仿真工具，构造 了一个基于产品开发过程的资源管理仿真模型，再对开发过程中的资源调度过程 进行仿真分析。 第五章：对全文的研究工作进行总结，提出了论文的创新之处，并提出下_ 步有待研究的内容和方向。 论文的框架结构安排如图1 1 所示： 5 基于并行工程的产品开发过程规划方法研究 第2 章并行开发的理论与方法 并行工程是对传统产品开发模式的一种改进和跨越，它在满足用户需求的前 提下，力图使开发者从一开始就全面考虑产品全生命周期中各个阶段的需求和约 束，尽量使产品设计“一步到位 ，从而提高开发活动的并行度和开发效率，使 产品具有最佳的质量、最低的成本、最快的开发周期。 2 1 产品开发模式 2 1 1 串行开发模式 产品开发过程是指从产品需求分析到产品最终定型的全过程。长期以来，由 于受技术手段的限制，新产品的开发大多沿用传统的串行开发模式。传统的产品 研发是采取“抛过墙”式的串行设计方式进行的，即由市场调查与销售部门或企 业决策人员分析消费者或客户的需求提出一个新的设想，将设想“抛给 计划部 门，计划部门分析生产中的技术需求制定计划，“抛给设计部门，设计部门将 计划变成设计方案，绘成图纸“抛给 工艺部门，工艺部门进行工艺设计和制造 准备，然后再进行试制和测试，若产品设计结果不符合要求则再修改设计或者工 艺，再加工、测试，直到满意为止【1 8 j 。图2 1 为传统产品开发模式的示意图。 较大范围、频繁的迭代 图2 1 串行开发过程 由此可看出，传统的串行开发模式存在的问题如下【1 9 棚l ： ( 1 ) 各个部门独立的进行工作，设计过程中缺乏必要和及时的信息反馈，加 上机构设置不合理，层次太多，造成机构臃肿，导致企业内部信息传递迟缓，对 外部变化的反应敏捷程度不高。 ( 2 ) 部门之间进行分割管理缺乏交流，忽略了各部门的相互联系，易形成本 位主义，各部门往往过分强调本部门利益，而忽略了整体利益，易致使开发后期 才发现设计的问题，造成大量的返工，导致严重的损失，从而影响了产品开发的 整体利益和总目标。 ( 3 ) 在串行开发工作过程中，独立的部门之间资源、时间不能得到统一的调 配，通常要在产品的设计和工艺设计以后才能开始资源准备，时间比较仓促，极 6 硕士学位论文 易导致资源没有及时到位而耽误开发和生产。造成而此时企业资源在时间和空间 上分布极不平衡，利用率低，生产周期长。 ( 4 ) 各部门组织只顾及本阶段的工作任务，没有长远的和全方位的考虑产品 整个生命周期，导致前期的工作常常不能满足后期工作的需求，生产质量得不到 保证。而对于缺乏交流造成的一系列问题，各部门之间互相推诿责任，没有一个 明确的责任制度，影响开发人员的团队合作意识。 所以，在实际生产过程中经常会出现这样的局面，设计好的产品无法设计工 艺，或设计好的工艺无法安排生产，生产过程中经常出现一些瓶颈资源，但同时 另外一些资源又负荷不足，必须调整作业计划或者修改工艺，对于一些意外的车 间故障，不能做出快速有效的反应，生产长时间中断，这些情况极大地影响了生 产进度，造成了生产周期的延长1 2 2 1 。显然，在工业竞争日益激烈的今天，上述这 种串行的产品开发模式已经不能适用企业的内部和外部环境的需要。 2 1 2 并行开发模式 传统开发模式的不足让人们认识到：只有快速地满足用户个性化的需求才是 企业的首要目标。一个具有竞争力的企业必须把经营策略转移到一切以用户为中 心上来，站在用户的立场来考虑一切。必须采用新的产品开发手段，在设计的早 期就周全地考虑到产品生命周期中的各种因素，减少大范围修改的次数，从而缩 短产品开发周期、提高产品质量、降低产品开发成本。 因此，许多企业已逐渐将注意力转移到发展最有效的产品开发和生产组织方 式上来，通过对产品开发过程的优化和重组保持企业的竞争优势。并行工程在这 样的背景下应运而生，其概念就是美国防御分析研究所在1 9 8 8 年以武器生产为背 景对传统的生产模式进行系统分析的基础上提出的，即并行工程是对产品及其相 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的工作模 式【2 3 1 。即要求产品设计人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产 品报废的质量、成本、进度计划和用户需要等所有因素。图2 2 表示并行设计开 发模式示意图。 与传统的产品串行开发模式相比，并行工程无论是在产品开发技术和理念上 还是在产品开发过程活动的组织与管理上，都发生了巨大的变革，对现有的串行 产品开发模式产生了强大的冲击与挑战。 采用并行模式进行产品开发具有以下一些特点【2 3 l ： ( 1 ) 并行工程强调产品开发过程的“并行 。通过过程的并行执行，开发团 队将设计工作最大程度地集成并行处理，缩短了产品开发周期，体现了团队及资 源共享的价值。 7 基于并行工程的产品开发过程规划方法研究 ( 2 ) 并行工程在产品开发一开始，就考虑到产品生命周期从概念生成到产品 报废整个过程所有的因素，力求做到综合优化设计，最大限度避免设计错误，减 少设计更改和反复次数，提高质量，降低成本，使产品开发一次成功，缩短产品 的开发周期。 图2 2 并行开发过程 ( 3 ) 并行开发强调用户及下游任务的需求，提倡通过用户对整个产品开发过 程的参与，尽早发现不满足用户需求的问题，确保最终产品的最佳用户满意度， 对用户更加负责。 ( 4 ) 并行工程要求组建集成化产品开发团队，由集成化产品开发团队负责整 个产品的开发，团队的所有成员有着共同的工作目标，消除了利益的冲突，一体 化、协同地开展产品开发话动，有利于实现产品及相关过程设计的协同、集成和 综合优化。 2 2 并行开发的关键要素 要较好地实施并行工程，除了有面向整个生命周期进行产品开发的思想以外， 还需要一个高度集成的系统环境的支持( 如图2 3 ) ，主要从以下四个方面来描述： ( 1 ) 一体化的开发过程：这是并行工程的核心内容，即实现并行、一体化和 综合优化的开发过程。这需要对过程进行统一的建模，规划，重组和优化，以减 少整个开发过程中的迭代，加强活动之间的沟通和交互，提高开发过程的效率。 ( 2 ) 集成的产品开发组织形式：过程的集成决定了产品开发团队的集成。开 发团队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 8 硕士学位论文 提出意见，进行全局信息交换和共享。集成产品开发团队被赋予相应的职责权限， 并对产品的开发负责。 ( 3 ) 面向全生命周期的设计及管理技术：这主要包括c a x 技术、d f x 技术、 p d m 技术及并行工程协调管理技术等等。其中，d f x 是并行工程中的关键是能 技术，实现从一开始就考虑到产品生命周期中的各个因素；p d m 能高效、自动化 地组织和管理各产品开发阶段产生的大量与产品有关盼工程设计数据；协调管理 技术则主要用于协调解决开发过程中所产生的各种矛盾和冲突。 ( 4 ) 集成的开发环境：产品的并行设计及开发需要开发团队在信息共享的平 台上协作完成。因此，建立支持集成产品开发团队和协同设计的工作环境，包括 硬件环境、软件环境和文化氛围是并行工程的实施基础。 图2 3 并行工程的关键要素示意图 2 3 并行开发的组织形式 并行开发的组织形式及结构与并行开发过程的管理和协调有着密切联系，并 直接影响到并行工程的实施与成功。传统的按职能部门划分的组织形式与并行工 程的思想是相背离的。并行工程的出发点是打破部门之间的界限，加强开发人员 之间的联系，组成跨部门的集成产品开发团队( i p t ) 。集成产品开发团队是以顾客 和产品为驱动，为了特定的产品开发任务而按照一定的宗旨和结构形式有目的、 有系统地建立起来的一个多功能集成产品开发小组。一般地，小组成员包括来自 于市场、设计、工艺、制造、采购、销售和售后服务等与产品开发活动相关的各 专业领域的代表。i p t 成员之间技术、技能互补，致力于共同的绩效目标，并且 共同承担责任【2 4 j 。 集成是i p t 的核心思想。它将其具有不同功能的组织要素结合成一个有机的 组织体，其目的是使组织体的功能取得质的突破，整体效益得到一个飞跃。集成 产品开发团队不同于其它的组织形式，对于并行开发过程的管理和协调有着重要 9 基于并行工程的产品开发过程规划方法研究 的意义。i p t 是由任务驱动组建的，随着任务确定而建立，任务结束后i p t 也自 动解散；其内部成员包括来自于产品开发各专业领域的代表，他们技能互补并协 调合作完成安排的各项开发任务；结构扁平，便于信息的准确传达，i p t 组长行 是i p t 内部唯一的领导人。i p t 拥有充分的项目管理权，同时，又对产品开发的 过程和结果负责。i p t 更注重于产品开发的合作、协同和一体化，为产品开发创 建了一种协同化的工作环境，并营造出并行工程的协同企业文化。 i p t 成员角色按所代表的专业可包括：产品设计、工艺设计、客户支持、质 量控制、采购等。每一个i p t 成员，在i p t 中分别担任不同的开发任务。内部每 个成员既是为了满足特定的产品开发工作需要的一份子，又是与其他成员互补协 作不可缺少的载体。通过成员跨专业领域的高效组合，确保指定产品高质量、低 成本、及时地开发完成。i p t 的组建和人员选择，应充分考虑到i p t 中这些角色 的需要。一般情况下，工作层i p t 成员应具有极强的实际工作经验和较强的分析 能力：管理层i p t 成员则应具有较宽的专业面、极强的管理能力和综合能力。 一般来说，i p t 需要适当的规模，若规模太大人员太多，将难于形成凝聚力、 忠诚感和相互信赖感，相互之间的交流就会遇到障碍；若人员过少，将难以及时 完成复杂的产品开发任务，这需根据任务进行恰当的组建。 2 4 并行开发过程规划内容 2 4 1 过程规划含义 产品开发过程规划就是根据既定目标( 用户要求和企业目标) 进行合理的规 划，重新优化产品开发过程中的活动执行顺序，目的是尽量减少开发过程中的过 程反复，使得整个设计过程执行的效率更高。一般来说，每个产品开发项目的过 程往往是唯一的，不能完全复制到另一个产品的开发过程中。但是不同的开发项 目之间存在着某些可以共享的共同特征，理解和分析这些项目的共有特性是进行 产品开发过程规划的重要前提。 在传统的串行开发模式下，产品开发过程规划通常只是考虑活动间的前后逻 辑衔接关系，对产品开发过程中活动时间的分配、活动之间产生的信息的相互影 响以及资源的利用等因素的问题考虑不多。所作出的规划只能反映产品或零部件 的开发顺序，在实际应用中需要进一步根据具体情况进行调整，对开发过程的指 导意义不大。而在并行开发模式下，所规划的开发过程要求反映出产品开发过程 的协作、并行和集成的特性。一切以用户的需求为目标，通过对产品开发环境中 的信息、时间、资源等影响因素的分析，从并行性和协同性的角度对产品开发过 程进行统一的规划，设计出产品开发的过程，最终达到整体优化的目标。 1 0 硕士学位论文 并行产品开发过程规划一般贯穿整个产品生命周期中每一个阶段，每一个活 动。规划的详细程度可能随着产品、目标和开发阶段的不同而有所不同。 2 4 2 并行开发过程规划的必要性 在产品开发过程中，由于产品开发过程规划相关的许多问题直接涉及到活动 的结构以及活动之间的关系。活动之间与通常存在着错综复杂的关系，只要某一 活动出现了问题就会影响到其他与之有关联的活动的执行。另外产品开发过程的 规划和控制通常分别由不同的设计专家进行，并以在各自的领域独立实施。由于 无法周到地考虑到其它设计学科所从事的工作，因而难以协调在多学科环境中的 任务、组织资源、信息等要素。 当产品开发由传统的串行开发模式演变为并行开发模式后，影响产品开发过 程的约束因素增多，产品设计和制造过程变得更加复杂。尤其是对于像汽车、重 型机械这样极其复杂的产品来说，从信息传递、时间分配和资源配置上，其并行 工程的实施过程就更加复杂。同时开发过程本身就存在难以预测及不确定的特性。 例如，当由其它任务输入的信息需要发生变更时，或者某一活动执行