（机械电子工程专业论文）面向并行工程的产品开发过程关键技术研究.pdf

南京航窄航天人学博一j ：学位论文 摘要 产品并行开发作为并行工程理念的最好实践方式，对于企业有效快速地响 应市场，提高核心竞争力有着重要的意义。本文在分析产品并行丌发过程的现 状和发展趋势的基础上，研究了产品并行丌发过程的相关关键技术。 本文首先分析了产品并行丌发过程的特点指出了过程建模的相关要求和 目的。提出了以过程视图为核心的基于多视图的产品开发过程模型。详细分析 了组成模型的过程视图、组织视图、产品视图、资源视图和约束视图的内涵及 其在模型中的作用。研究了多视图之问的联系，并总结了多视图之问一致性保 护原则。 在总结了关于产品模型的几个定义后，指出“产品模型足产品模型与过程 模型共同进化的结果”。根据并行工程理念，将产品开发分为新产品设计与原产 品变型设计，提出了产品开发设计业务总流程。提出了面向产品生命周期的产 品模型、产品结构模型的装配拓扑树和零件拓扑树以及产品模型与产品丌发过 程的进化过程。提出了产品与过程集成的组成要素和对象模型，主要分析了产 品对象和过程对象，并根据产品与过程对象提出了产品与过程的集成模型。 本文对产品并行开发过程中迭代问题产生的几种原因和解决措施进行了分 析。描述了在串行迭代的情况下开发过程执行时问的计算方法。指出了传统一i 尔d s m 的缺点，即只能表达耦合任务之问的联系，而不能反映联系的强弱。 以任务之问联系的可变度和敏感度为指标，基于模糊层次分析法，提出了根据 柿尔d s m 构造数字d s m 的算法，建立了反映任务之问联系强弱的数字d s m 任务依赖度矩阵，从理论上研究了数字d s m 的一致性和收敛性。以任务依赖 度矩阵为基础，引入了并行迭代任务的工作量和工作时问的计算方法。提出并 求解了产品并行开发过程的量化评价指标并行度这一概念。 在分析了并行迭代过程的基础上，本文提出了产品并行丌发过程仿真中的 两类不确定因素，时间不确定性和任务输出分支的不确定性。提出了仿真过程 的多项目集合模型、时间模型、资源模型、队列模型和任务延期处理模型以及 基于任务状态的仿真策略。以并行迭代的分析规划理论为依据，以d s m 为仿 真工具，实现了过程仿真算法并分析了仿真结果。针对并行任务执行的资源优 化配置和调度，建立该问题的数学模型，详细阐述了遗传算法结合启发式调度 规则的混合策略对该模型的求解原理和过程。 最后结合具体应用环境，描述了面向产品并行丌发过程管理系统的设计与 面向并行- 程的产品开发过程关教| ! 技术训f 究 实现。总结了成功实施过程管理的支撑平台产品生命周期管理系统的一些经验。 关键词并行工程，产品并行丌发，过程管理，设计结构矩阵 产品模型 塑壅盟至墼丕盔堂堂土堂笪垒塞 a b s t r a e t c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gp r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s ( c e p d p ) ，a st h eb e s t p r a c t i c eo fc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ( c z ) ，h a sav i t a lm e a n i n go ne n t e r p r i s et or e s p o n d t h em a r k e tq u i c k l ya n di m p r o v ei t sc o r ec o m p e t i t i o na b i l i t y a f t e rd e s c r i b e st h e a c t u a l i t yo fc e p d p , i t sk e yt e c h n o l o g yi ss t u d i e d t h ep u r p o s ea n dr e q u i r e m e n to f p r o c e s sm o d e l i n ga r ep u tf o r w a r da f t e ra n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fc e p d p t h ec e p d pm o d e ib a s e do nm u l t i v i e wj sc r e a t i v e l y p r o p o s e dw h o s ek e r n e li sp r o c e s sv i e w t h em o d e li sc o m p r i s e do fp r o c e s sv i e w , o r g a n i z a t i o nv i e w , p r o d u c tv i e w , r e s o u r c ev i e wa n dc o n s t r a i n tv i e w t h e i rm e a n i n g a n df u n c t i o ni nt h em o d e la r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ep r i n c i p l eo f c o h e r e n c e p r o t e c t i o n i ss u m m a r i z e da f t e rs t u d yt h ei n t e r n a lr e l a t i o n s h i pi na l lv i e w s t h ec o n c l u s i o ni sp o i n t e do u tt h a tp r o d u c tm o d e le v o l v e sa c c o m p a n i e db yt h e p r o c e s sm o d e l t h ep r o c e s sb a s e do i lp r o d u c td e v e l o p m e n ti sp u tf o r w a r du s i n gt h e t h e o r yo fc e t h ep r o d u c tm o d e la n dt h ee v o l u t i o no fp r o d u c ta n dp r o c e s sa r es e tu p f o rp r o d u c tl i f e c y c l e a n dt h ea s s e m b l yt o p o l o g yt r e ea n dp a r tt o p o l o g yt r e ea r e c o n s t r u c t e d t h ee l e m e n t sa n do b j e c t sa b o u ti n t e g r a t i o no fp r o d u c ta n dp r o c e s sa r e a d v a n c e da n dt h eo b j e c t so fp r o d u c ta n dp r o c e s sa r ea n a l y s e di nd e t a i l ，a n da c c o r d i n g t h o s eo b j e c tt h ei n t e g r a t e dm o d e lo f p r o d u c ta n d p r o c e s si sf o u n d e d t h er e a s o nf o ri t e r a t i o ni nc e p d pi sa n a l y z e d t h ew a yo f c a l c u l a t i n gw o r kt i m e u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fs e q u e n c ei t e r a t i o ni sd e s c r i b e d t h es h o r t a g eo fb o o l e a n d e s i g ns t r u c t u r em a t r i x ( d s m ) i sp o i n t e do u tt h a ti to n l ys h o w se x i s tb u tn o tt h e d e g r e eo fr e l a t i o nb e t w e e nt h et a s k s t h ep a p e ra d v a n c e sa na l g o r i t l u nt or e a l i z et h e t r a n s l a t i n gb o o l e a nd s mt on u m e r i cd s m - - t a s k - d e p e n d e n c em a t r i x ( t d m ) b yf u z z y a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( f a h p ) a c c o r d i n gt ot h eg u i d e l i n eo fv a r i e t ya n ds e n s i t i v i t y b a s e do nt h et d m ，t h ew a yo fc a l c u l a t i n gw o r kf o r c ea n dw o r kt i m eu n d e r c o n c u r r e n ti t e r a t i o na n dt h en o t i o no fc o n c u r r e n td e g r e ea r ei n t r o d u c e d t w ou n c e r t a i nf a c t o r sa r ea d v a n c e di nt h es i m u l a t i o no fc e p d p , w h i c ha r et i m e a n dt a s k s o u t p u tb r a n c h t h ep r o c e s ss i m u l a t i o ns c h e d u l i n gs t r a t e g yi si n t r o d u c e da n d t h ea g g r e g a t e p r o j e c tm o d e l ，t i m em o d e l ，r e s o u r c em o d e l ，q u e u em o d e la n d t a s k d e l a y m o d e la r cs e t u p b a s e do nt h ew a yo fc a l c u l a t i n gw o r ke f f o r ta n dt i m eb yu s i n gt h e t o o lo fd s m ，t h es i m u l a t i o na l g o r i t h mi sr e a l i z e da n dt h er e s u l ti sa n a l y z e di nd e t a i l ， a i mt os c h e d u la n da l l o c a t et h er e s o u r c ef o rc o n c u r r e n tt a s k ，t h em a t h e m a t i ci s 血向并行1 ：程的产品开发过程关键技术研究 f o u n d e d t h ep r i n c i p l ea n ds o l u t i o na r ed e s c r i b l e di nd e t a i lf o r t h em o d e lw i t hm i x e d s t r a t e g yc o m b i n e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m s ( g a ) a n dt h eh e u r i s t i cr u l e s a tl a s tc o m b i n e dw i t ht h ea p p l i c a t i o ni n s t a n c e ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e c e p d pm a n a g e m e n ts y s t e ma r ed e s c r i b e d a n dt h ee x p e r i e n c eo nh o wt oi m p l e m e n t t h ep r o d u c tl i f e c y c l em a n a g e m e n ts u c c e s s f u l l yi si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c o n c u r r e n tp r o d u c td e v e l o p m e n t ， p r o c e s sm a n a g e m e n t ，d e s i g ns t r u c t u r em a t r i x ，p r o d u c tm o d e l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中己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享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 南京航卒航天大学博士学位论文 注释表 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 t 计算机集成制造系统 c i m s ：c o n t e m p o r a r yi 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 ，现代集成制造系统 c e ：c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g 并行一j ：榉 c e p d p ：c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g p r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，并行产品开发过程 c e r c ：c o n c u r r e n te n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e r 美国并行：程研究中心 i p t ：i n t e g r a t e dp r o d u c t t e a m ，集成开发团队 c s c w ：c o m p u t e r s u p p o r t e d c o o p e r a t i v e w o r k ，计箅机支持的协。同 ：作 p d m ：p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，产品数据管理 p l m ：p r o d u c tl i f e - c y c l em a n a g e m e n t ，产品生命周刿管理 d s m ：d e s i g ns t r u c t u r em a t r i x ，设计结构矩阵 n d s m ：n u m e r i cd s m ，数字设计结构矩眸 w t m ：w o r kt r a n s i t i o nm a t r i x ，任务转移矩阵 t d m ；t a s k d e p e n d e n c em a t r i x ，任务依赖度矩阵 t q m ：t o t a lq u a l i t ym a n a g e m e n t ，全面质量管理 b r p ：b u s i n e s sp r o c e s sr e e n g i n e e r i n g ，经营过样重组 c o r b a ：c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e r a r c h i t e c t u r e ，公共x , 1 绿- 请求代理 j 2 e e ：j a v a 2e n t e r p r i s ee d i t i o n ，j a v a2 企业版 m v b p d p m ：m u l t i v i e wb a s e dp r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s sm o d e l ，基丁多视图的产 r u l 开发过程模州 c d r t ：c l a s s i f yd e s i g nr e s o u r c et r e e 设计资源分类树 a s m t r e e ：产品模型的装配拓扑树 p t t r e e ：产品模型的零件拓扑树 a h p ：a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s 层次分析法 f a h p ：f u z z ya n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ，模糊层次分析法 r c p s p ：r e s o u r c ec o n s t r a i n e dp r o j e c ts c h e d u l i n g 。基于资源约束的项目凋度 g a ：g e n e t i ca l g o r i t h m s ，遗传算法 a g g r e g a t e - p r o j o c tm o d e l ；项目集合模型 h e u r i s t i cs c h e d u l er u l e ：启发式调度规则 t i m et om a r k e t ：产品上市时间 t i m et ov o l u n m ：产f i _ i 蛙产时间 d b d a ：d e s i g na n y w h e r ea n db u i l da n y w h e r e ，在全球化环境中产品在任何地方都可以设 计与制造 王 1 m i 丘 一 争 加 幢 b h ” m 博 坶 如 引 勉 m 巧 拍 觋 勰 投 弧 南京航卒航天人学博l 学位论文 1 1 引言 第一章 绪论 为了适应不断变化的市场环境的挑战，人们不断寻求新的生产、经营和管理手段。 从19 7 3 年美国的j o s e p hh a r r i n g t o n 首次提出c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) f f q 概念至今，全球制造业的生产效率、管理方式、组织结构和 协作水平都有了深刻的变化。上市时问( t i m e ) 、产品质量( q u a l i t y ) 、成本( c o s t ) 、服务 ( s e r v i c e ) 和环保( e n v i r o n m e n t ) 是全球制造企业面临的主题。在追求更完善的t q c s e 的过程中，c i m s 技术不断向纵深发展，从以实现信息高效共享和交换的信息集成到 以实现设计过程优化和设计制造资源优化的过程集成和企业集成，提出了并行工程 ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) i 引、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) t 引、虚拟制( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) 4 1 和现代集成制造( c o n t c m p o r a r yi 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 ) 1 5 1 等 涉及技术、管理对策的新概念。 随省市场竞争的日益激烈，产品丌发周期越米越短，对质量的要求上越来越高。 可以说，产品， ：发是制造企业获得发展的根源所在【6j ，图1 1 显示了产品，l ：发阶段刘 产品价值和质量的重要影响i ，j 。 垃计设计垃计支持 幽1 l 产品的成本分撕 由图可见，产品丌发过程( 包括概念设计、初步设计和详细设计) 花费的成本占 总成本的1 8 。而对产品价值的影响程度却达到了9 0 。从这个意义看，制造业的 竞争是产品开发模式、方法和过程的竞争。而并行工程被认为是产品丌发模式变革的 最好实践【8 】。并行工程是一种在产品开发中并行地考虑设计、工艺、制造和后勤支持 面向并行t 程的产品开发过程关键技术研究 等过程的系统化方法，着眼于整个产品开发过程的组织管理。并行工程的核心就是产 品并行开发及其相关过程的管理。 本文主要研究基于并行工程的产品开发过程管理。随着目前产品，1 ：发中数据的庞 杂化、环境的异构化、设计过程的并行化、设计制造的异地化等特点，并行产品开发 过程成了目前设计领域的一个热门问题【7 1 。本文研究的目的是：研究产品并行开发的 特点。建立面向并行工程的产品开发过程模型和基于产品生命周期管理的体系结构， 阐述产品并行丌发过程管理的关键技术，提出针对其关键技术的解决方法，以使产品 并行丌发过程能顺利执行，充分体现并行工程的效益。 1 2 并行工程研究现状 并行工程在欧洲也叫同步工程( s i m u l t a n e o u se n g i n e e r i n 9 1 ) 一j ，或叫生命周期工程 ( l i f e - - c y c l ee n g i n e e r i n g ) 、可制造性工程( p r o d u c i b i l i t ye n g i n e e r i n g ) ，是目前国内外 机械工程领域研究的热点方向之一【1 2 1 。目前公认的并行工程定义由美固防御分析研究 院于1 9 8 8 年在r - 3 3 8 报告给出，如下 j 驯： 并行i 程是集或、荠行地设计产品及其糖关各静过程( 包括翻造过程秘支持过程) 的系统化方法这释方法要求产品开发人员扶设计一开始就考惑产品整个生命圈鞠中 扶概念形或翻产品报凌处理的所袁因素包话质量、成本、进发计翅和甬户的要求， 橐h | ；| h 萎 上1反馈 结构设计| 一 弋 广_ j 一 反馈 d _ t 艺设计卜一 计估 p f 估 评估 计估 叫竺堕竺竺 叫鲨竺 图1 2 并行工程的内涵示意 n 文档 从定义可以看出，并行工程是以产品丌发过程为核心，同时考虑制造系统中相关 过程的要求作为设计环节的约束条件进行处理，以确保产品功能结构符合客户需求及 制造设施的能力，这里所说的相关过程包括生命周期的所有上下游活动，从市场分析、 成本分析、产品加工、装配、检验，直到产品售后服务、维修及报废回收等，图1 2 掣 南京航卒航天人学博。 ：学位论文 为并行工程的内涵示意。并行工程的特点可以概括为四个“c ”，即并行性 ( c o n c u r r e n c e ) 、约束性( c o n s t r a i n s ) 、协调性( c o o r d i n a t i o n ) 和一致。 生( c o n s e n s u s ) 。以 上四个“c ”又可归结为c e 的“集成性”，即：过程的集成，人( 组织) 的集成，支持 环境的集成等。 通过对并行工程这种哲理的实践，可以取得以下效果： 在产品开发中建立集成产品开发小组，通过并行规划，这些小组可以将设计任 务最大限度地集中起来并行处理，缩短产品开发周期，加快产品上市时问。 在产品设计期间，并行考虑整个产品生命周期中的各个环节，体现不同领域之间 专家的协作，消除串行过程中不同领域孤立分散，缺乏信息交流等等问题。 在设计活动一丌始就强调产品的可制造性、可装配性、可检测性、可维修性和可 回收性，最大程度地避免设计错误，减少设计更改次数，提高产品质量，降低丌 发成本。 自1 9 8 8 年美国国防部并行工程研究中心成立以来，世界各国郜对并行工程的研 究和应用投入了极大的热情【l “。如瑞士a b b 公司在丌发火车控制系统时建立了支持 c e 的计算机系统，组织了设计和制造过程的t e a m 。西门子在研制重型雷达设备中建 立“一次开发成功”t e a m 和技术中心，玎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 t d y n e 的火箭发动机、f o r d 2 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，平均缩短产品丌发周；l j j3 0 7 0 。 并行工程在国内的研究和应用丌始于19 9 2 年l l “，大致可以分以下几个阶段。1 9 9 5 年前：8 6 3 c i m s 年度计划和囡家自然科学基金资助了些并行工程相关技术f f j 研究 课题，如产品，r 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，提出在c i m s 实验工程的基础上丌腱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，投入大量资金丌展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。 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【m 2 3 j ：产品开发过程建模、重组、规划、仿真和优化。并行工程的核一心 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。l j 的所有相关过程。 因此，必须从全局优化的角度出发，对产品丌发的各个活动进行管理和控制。 面向并行工程的产品开发过程关键技术研究 产品集成【2 4 6 1 ：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 f 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。 组织集成【2 0 , 2 7 2 9 】：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 t t 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丌发阶段提出意 见，进行全局信息交换和共享。 资源集成【2 0 13 1 1 ：支持并行工程的协同工作环境( 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中小组成员的协同 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 am 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 em a n a g e m e n t ，p l m ) 【3 2 】。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和利 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，目前在国内 企业中应用并不多。 1 3 产品开发过程管理研究现状 并行工程的核心是产品并行丌发过程管理【2 7 】。产品开发过程是一个产品模型逐步 生成的过程，过程管理则是并行工程下过程活动的集成框架，它针对产品丌发中的分 布性、复杂性、并行性等进行管理。b p o u r b a b a i 认为产品开发过程由设计理论和工 程管理两个方面组成p 驯：设计方面包括可生产性、可操作性、可靠性、可维护性和可 回收性等：管理方面包括时间、质量和成本。d a n i e lw h i t n e y 强调了产品丌发的设计 技术和工程管理两方面应该是同等重要的【3 4 】。f i n g e r 和d i x o n 则说明了产品丌发工程 管理方面的六个不同领域1 3 5 3 酬，包括描述性的设计过程模型( d e s c r i p t i v em o d e l s ) 、 规范性的设计过程模型( p r e s c r i p t i v em o d e l s ) 、基于计算机的设计过程模型 ( c o m p u t e r b a s em o d e l s ) 、设计所用的软硬件环境、设计业务分析和d f m 、d f q 等。 我国制造企业实施的并行工程策略也体现了过程管理的重要意义和作用【2 ”。总的来 看，国内外学者对产品开发过程管理的研究可归纳为以下几方面【3 “”： 1 产品开发过程建模方法研究，包括模型的描述和分解。 南京航窄航天人学博l ：学位论文 2 产品开发过程的分析研究，包括过程分解、规划、并行迭代分析等。 3 产品开发过程的仿真、改进、优化和重组，及相关支持软件的丌发。 4 产品开发过程的知识管理、冲突和约束管理，以及人工智能技术的应用。 5 以过程为中心的产品丌发过程支持环境研究和应用。 下文只针对本论文涉及的各个相关专题研究现状进行总结。 1 3 1 产品开发过程建模研究 产品丌发过程研究的首要问题就是过程建模【4 引，无论是过程分析、优化、重组和 过程自动化都要求在一定的模型指导下进行。目i m 国外对过程建模的研究中，比较有 影响的有以下几个。c e r c t 4 9 1 提出过程模型应该描述谁( w h o ) 在什么时候( w h e n ) 如何( h o w ) 来完成什么( w h a t ) ，应该描述现有模型并支持其分析和改进，并突出 改进后模型的优点；k a r a n d i k a r 5 0 j 用一个公式形象地描述了过程内容：j d = h ，即 p r o c e s s = w h od o e sw h a t ，w h e n ，w h e r e ，w h y a n dh o w ：s m i t h ”l 等从过程 分析和规划的角度对过程数学模型进行了讨论，认为过程的迭代和重叠是过程建模必 须重视的方面；c u r t i s 5 2 】分析了过程建模的需求，指出过程模型应该是多视图的，需 要从功能、行为、组织、信息和资源等方面进行描述。目前国内对产品设计过程模型 的研究也比较热门。李冰等提出了以数据为驱动的过程模型口3 1 ：彭毅等从并行工程的 角度出发，认为模型应该包括信息、功能、组织、资源和约束血方面1 19 j ；吴祚宝等认 为集成产品和丌发过程由过程、活动、信息、产品、资源和人员组成口”。王计斌提出 了一种基于规则的集成多视图模型1 4 。 根据不同的需求和应用背景，研究者提出了各种各样的方法来描述模型。大致可 以分为两类：图形方法和数学方法。图形方法包括有向图、i d e f 方法、p e t r i 网、p e r t 和c p m 等。数学方法包括公理化设计模型和设计结构矩阵模型等。 有向图p 卅是通过网络图来表达任务问的先后顺序关系。它出表达设计任务的节点 集以及连接这些任务的有向弧组成。有向弧反映了任务之间的先后关系和信息依赖关 系。如果在设计任务比较多的情况下，有向图的表达就比较复杂，同时有向图难以表 达任务的并行和迭代，因此任务节点不多而且任务信息流是串行的条件下用有向图比 较合适。 i d e f 方法族是出结构化分析和设计技术( s a d t ) 1 5 7 悛展丽来用于支持c i m 和并行工程的过程建模方法，其中i d e f 0 、i d e f 3 和i d e f l x 等被用于对过程的分析 和改进。i d e f 0 方法着重于功能建模，即做什么。它支持自项向下的分析，有效地控 制系统的复杂性。但i d e f 0 会产生大量的数掘，不利于系统丌发者分类和理解，特 别当系统需求不确定时就会导致系统结构的不稳定1 5 “。同时i d e f 0 不能描述系统的 面向并行t 程的产品开发过程关键技术研究 动态行为 5 6 】。i d e f 3 的核心就是描述系统过程，即怎么做。它通过过程流描述图和对 象状态转移网络，再加上一些规格说明表描述系统。1 d e f 3 缺乏功能分解信息、组织 信息，需要与其他方法结合使用1 4 3 】。i d e f l x 一般不作为独立的建模方法，只是作为 一种辅助技术用束定义系统的信息模型。 p e t r i 网【5 9 1 是一种被广泛用来进行过程建模和分析的方法。尤其是高级p e t r i 网， 通过给变迁和库所中的令牌进行通过某种形式( 如颜色【6 0 1 ) 的分类，合并相同类型的 库所和变迁，压缩网络规模。p e t r i 网能够对过程提高严格形式化的定义，对模型可 以进行有效地分析和仿真等。但是，p e t f i 网难于理解和推广，另外p e t r i 网缺乏有效 的时间分析工具。 p e r t 和c p m 都是基于任务网络图的建模方法。p e r t 使用有向图表达任务的先 后关系，c p m 则是p e 盯的改进，它通过对关键路径上的任务进行时间成本均衡 分析来尽可能地对关键任务增加资源投入，以缩短关键任务的完成时问米加快项目的 完成【2 。p e r t 比有向图多了时问信息，但同样它只适合于静态系统的分析，不适合 于存在迭代任务、反馈和并发的过程分析1 4 3 。 工作流建模是目前研究比较热门的过程建模方法。它可以用来定义和执行不同覆 盖范围( 单个工作人、部门、企业、企业间) 、不同时间跨度的业务过程 6 u 。工作流 模型能准确描述过程，可以将业务过程模型和具体应用环境相分离，而且容易被计算 机系统执行。但目前工作流系统作为一个独立的建模方法，缺乏自己的表达方式。一 般都是通过p e r t 图或者p e t r i 网进行描述。 公理化设计模型是美国学者s u h 提出的【6 2 l 。由客户域( c a s ) 、功能域( f r s ) 、 物理域( d p s ) 和过程域( p v s ) 组成，包括两条设计公理：独立性公理和信息公理。 独立性公理是指构成各个域的信息是域必须具备的并且相互独立的最小集合，各域之 间存在相互的映射关系，如： f r s = 舢+ d e s ( 1 1 ) 其中，【d m 是设计矩阵，必须是对角矩阵或三角矩阵，对角矩阵表示任务之间的 耦台，而三角矩阵是去耦设计，上述公式又可表示为： f r , = d m f + d p ( 1 2 ) 信息公理是指设计包含的信息量最少。这里的信息定义为： i = 1 0 9 1 p ，】 ( 1 3 ) 其中，p i 是d p 满足f r i 的几率。倒憩公理表明信息含量最小的设计就是最佳没 计。公理化设计模型从一般意义上描述了设计过程，但对于实际应用却不具备可操作 性。 为了对产品丌发过程中的复杂任务关系( 耦合、迭代、并行等) 进行分析和描述， 南京航守航灭人学博1 1 学位论义 一些研究者提出了设计结构矩阵( d e s i g ns t r u c t u r e m a t r i x ，d s m ) 6 3 】。d s m 以矩阵形 式表达了复杂过程中任务信息之间的关系。d s m 中除对角线外的非零元素表示了任 务间的联系。众多研究者从不同角度研究d s m ，d s m 的范围进一步拓展，形成了四 种d s m 【6 4 l ：基于团队的d s m 、基于任务的d s m 、基于参数的d s m 和基于产品结构 的d s m 。其中，基于任务的d s m 是使用最广泛的形式，它专门用于解决任务之间的 迭代、耦合等关系。 近年来，出e p p i n g e r 等提出了数字设计结构矩阵( n u m e r i cd s m ，n d s m ) 1 6 5 1 ， 即用【0 ，1 区间的实数替代d s m 中的前j 尔变量来定量描述任务信息之间依赖关系的 强弱，而不是仪仪表示任务问联系的存在与否。s m i t h 等又将n d s m 分为两个矩阵， 一个对角矩阵，对角线的数字表示每个任务所需要的完成时间，另一个为n d s m ， 这两个矩阵构成任务转移矩阵( w o r k t r a n s i t i o nm a t r i x ，w t m ) 6 6 j ，通过剥w t m 的 分析，可以进一步研究设计迭代与任务完成时间等的内在关系以及设计过程的效率 问题，比如为了加快丌发时间，对于弱耦合任务可以解耦；为了提高产品质量可以 加强任务之间的耦合关系。但是e p p i n g e r 等并没有提出如何根据析i 尔d s m 来构造 n d s m ，而只足根据主观经验来确定n d s m 的元素。 总之。基于图形的建模方法表达过程结构和信息依赖关系比较直观。但对于比较 庞大和比较复杂的设计过程时，就需要d s m 这样的工具进行描述了。d s m 不受任务 数目的限制并且易于计算机进行计算。当然d s m 建模要求所有任务已经被分解， 而且对于如何精确确定任务之间联系的强弱目前也没有比较好的算法。 在实际情况中，不同应用的工程、同一工程的不同阶段，都可能需要不同的建模 工具进行描述，尤其是在需要综合考虑组织、资源和信息等的情况下。集成多视图建 模方法1 6 7 1 在统一的建模环境下，使用图形和矩阵的方法从过程的信息流、任务、资源、 组织等方面拙述过程，是比较合理的，也得到研究者广泛重视和认同的方法。 1 3 2 产品开发过程分析与规划 产品并行丌发过程中的焦点和难点之一就是任务迭代问题【4 3 】。要对产品丌发过程 进行分析和规划，首先就必须研究迭代问题。 设计迭代的产生一般是出于以下两个原因1 6 。第一，产品开发中存在相互关联的 因素，则彼此关联的活动展丌后就会产生迭代。第二，有些迭代是潜在的、未知的， 如某个复杂零件的可加工性，则必须一次或多次重复早期的设计过程。 设计迭代一般包括四个步骤【6 9 j ：需求定义和分析、初始设计、设计评估和再设计。 其关系如图1 3 。首先确定和分析设计需求，然后根据需求进行初始设计，接着对当 前设计进行评估。评估指标可能包括可加工性、可装配性、质量准则和标准化等，也 面向并行工程的产品开发过程关键技术研究 可以对设计结果进行仿真和性能评估等。如果设计通过，则可进行下一步工作，如工 艺分析等。如果设计存在问题，则进行再设计，并重复评估过程。如果由于需求的不 正确或者性能技术指标无法满足，则必须重新开始进行需求分析和设计，如此反复。 研究结果表明，一个合理的初始设计决策可以显著减少设计迭代次口。对于设计评估、 再设计的循环过程都存在优化的问题，通过优化选择，可以在资源、成本、时间和质 量之间进行折中1 7 “。 l 初始设计 l r l 不接受 l 一再设计 失败 图1 3 设计迭代的步骤 下一步 对于所有设计迭代过程，并不是所有的结果都是最终被接受的。b u r n s 利用不同 的设计优化方法对某些机械设计问题的解决进行了多年的观察和研究，总结出迭代结 果的六种可能性【7 2 1 。( 1 ) 收敛于某一预期结果。( 2 ) 发散于无穷大。( 3 ) 迭代越界。( 4 ) 迭 代发生振荡。( 5 ) 收敛于随机点。( 6 ) 不能确定是否收敛。结果( 1 ) 是一般设计过程所追 求的。但对于如何从理论上判断迭代过程的收敛性，则没有进一步的研究结果。 产品并行开发的一个重要特征就是任务活动的重叠，其主要方式就是通过信息预 发布实现各个设计活动的搭接，这也是并行工程的一个特点，同时这也是引起迭代的 根本原因之一。信息预发布过程如图1 4 4 3 1 。最终设计信息x 被分为x l 和x 2 俩部分， x 2 作为预发布信息，可能多次进行发布最后正式发布，这样使得活动b 可以提前， 实现活动a 、b 的重叠。也有研究人员对下游活动何时可以触发进行了研究3 。根据 上一活动信息预发布的速度和下一阶段对预发布信息的敏感程度，会产生四种典型的 任务重叠形式 7 4 】，如图1 5 。 抢先重叠表示下游任务对产品信息变化比较敏感，上游任务的信息变化较快。这 种方式重叠度高，可比较早地开展下游任务。分布重叠表示下游任务对信息敏感度低， 上游任务的信息变化较快。此时可比较早地开展下游任务，这是一种比较理想的产品 开发方式。反复重叠表示下游任务对产品信息变化不敏感，上游任务的信息变化较慢。 南京航窄航天人学博i ：学位论文 此时可以较早地开展下游任务但由于上游信息进展慢，因此需要经过上游信息的多 次迭代。分离重叠表示下游任务对产品信息变化敏感，上游任务信息进展比较慢。这 种情况下任务的重叠性最小，很难进行并行开发活动。 t a st a t 2 信息预发布- 信息正式发布 活动a 开始口寸问t a r ：活