（机械设计及理论专业论文）协同产品开发过程建模及集成方法研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 协同环境下的产品开发过程是一项复杂的系统工程，建立产品开 发过程模型对指导实际的产品开发和保障整个产品开发过程的有序 进行有着重要的意义。然而，任何正确、实用的模型必然源于不断的 实践，以及对真实系统进行的多次模拟。因此，本文从易于实施的角 度出发，针对机械产品典型开发过程，深入探讨并构建了过程建模的 方法。 论文首先对现代产品开发过程的特点和发展趋势进行了深入探 讨；详细分析了已有的建模方法及优缺点。在此基础上，以全局导航、 局部决策的思想，提出基于u 札活动图和p e t r i 网的分层建模方法。 通过用u m l 活动图对产品开发全局过程进行描述，确定了过程视图和 其他派生图之间的关系，提出了视图间的组织结构方法。同时通过对 具体生产环节的p e t r i 网描述，达到使管理人员对局部进行有效控制 的目的。 只研究模型，不便于工程技术人员理解与实施，无法真正地起到 过程建模的作用。集成的产品开发过程管理系统是企业实施信息化的 重点和难点。本文以过程模型为核心，以易于实施为目的，从系统的 过程集成、基于w e b 与c o r b a 技术对系统集成环境的构建以及数 字化产品全生命周期信息的表达这三个方面对协同产品开发过程系 统进行了详细描述。同时，以某企业电子产品生产流程为例，对所设 计开发的过程管理原型系统进行了验证。最后，总结了本文的研究工 江苏大学硕士学位论文 作并提出了今后的研究方向。 关键词：过程建模，协同设计，u m l 活动图，p e t r i 网，过 程集成技术 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h e p r o c e s s o fp r o d u c t s d e v e l o p m e n ti n t h e c o o p e r a t i v e e n v i r o n m e n ti sac o m p l e xe n g i n e e r i n gs y s t e m ，i ti sr e a l l yi m p o r t a n tt o b u i l dp r o d u c td e v e l o p m e n t p r o c e s sm o d e l ，w h i c hc a l lg i v ea ni n s t r u c t i o n t or e a lp r o d u c t i o na n dm a k es u r et h ew h o l e w o r k i n gp r o c e d u r ew o r k i n g s m o o t h l ya n ds u c c e s s f u l l y h o w e v e r ，e v e r yu s e f u lm o d e lc o m e sf r o m p r a c t i c ea n ds i m u l a t i o n s o ，t h ec h o i c eo nm o d e l i n gm e t h o d si ss i m p l yi n t h ev i e wo f i m p r o v i n gm e c h a n i c a lp r o d u c t sd e v e l o p m e n t a t h o r o u g h l yr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e mp r o d u c t d e v e l o p m e n tp r o c e s si sm a d ef i r s t l y t h em e t h o db a s e do nu m la c t i v i t y d i a g r a ma n dp e t r in e ti sp r e s e n t e di nt h ev i e wo fn a v i g a t i o nf o rt h ew h o l e p r o c e d u r ea n dd e c i s i o nm a k i n gi n t h ep a r t f i r s t , a nu m la c t i v i t y d i a g r a mi sg i v e nt od e s c r i b et h ew h o l ep r o c e s s au s e f u ld i s c u s s i o no n t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ep r o c e s sm o d e la n di t sd e r i v e dd i a g r a m si s m a d e t h e n ，ad e t a i l e dm o d e la n da n a l y s ef o rl o c a lp a r tb a s e do np e t r i n e ti sa l s og i v e n p r o c e s sm o d e l sw o u l db eu s e l e s si fi ti sn o te a s ya n dc o n v e n i e n tf o r e n g i n e e r st op u ti ti n t op r a c t i c e a st h ei n t e g r a t e dp r o d u c tp r o c e s sm o d e l i st h et o u g h e s ta n dt h em o s ti m p o r t a n tw o r k , ad e t a i l e dr e s e a r c ho nt h e d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e de n v i r o n m e n tb a s e do nw e ba n dc o r b ai s m a d emm ev t e w 。f p r o c e s si n t e g r a t i o na n d c 。n v e n i e n t a c t i c e b a s e 。n t h i ss y s t e m ，a na p p l i c a t i o no ne l e c t r i c a lp r o d u c t sd e v e l o p m e n tp r o c e s si s i l l 江苏大学硕士学位论文 g i v e n f i n a l l y ，ad i r e c t i o no nh o w t oe x t e n dt h es y s t e mi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：p r o c e s sm o d e l i n g ，c o o p e r a t ed e s i g n ， u m la c t i v i t y d i a g r a m ，p e t r in e t , p r o c e s si n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y i v 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密澎 学位论文作者签名：出洮丑尘? 2 _ 0 0 6 年1 2 - 月卵 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：蔷把互杰7 日期：2 0 彩年| f 2 月侈日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 制造业是创造人类财富的支柱产业，也是一个国家国民经济和综合国 力的重要支柱“1 。随着信息时代的来临、知识经济的挑战和全球市场化的发 展，社会对制造业的需求将日益多样化和个性化，制造业的制造环境和制 造模式正在发生根本性的变化，如柔性制造系统、计算机集成制造、并行 工程、精益生产、敏捷制造、绿色制造、虚拟制造、网络化制造和全球制 造等。这些技术和思想对整个制造业的发展起到了积极的推动作用，制造 业正在进入一个重大的变革时代。 面对全球制造业信息化和网络化的迅猛发展，我国制造业面l | 缶着极大 的机遇，同时也面临着巨大的挑战。当前，利用信息技术与计算机网络技 术，特别是利用迅速发展的i n t e r n e t 技术，改造现有企业的制造模式，实 施产品的网络化制造，已是现代制造业的主要发展趋势之一。这种网络化 制造模式能使企业对市场及用户需求做出快速反应，对企业缩短产品开发 周期、提高质量、降低成本、增强企业的核心竞争能力具有十分重要的意 义。同时也是当前我国制造业摆脱困境、赢得市场、掌握竞争主动权的关 键所在。当前，以知识经济和网络经济为理念的网络化制造方面的研究在 全球正蓬勃发展“1 。 1 2 协同产品开发过程建模概述 1 2 1 协同设计的内涵 协同设计是网络化制造的重要组成部分，它是建立在c i m s 、并行工程、 敏捷制造、虚拟设计等新的概念和设计方法研究成果的基础上，提出在计 算机协同工作环境中，通过对复杂结构产品设计过程的重组、建模优化， 建立产品协同设计开发流程；并利用现代p d m 、c a d c a m c a p p 、虚拟设计等 集成技术与工具，进行系统化的协同设计工作模式。3 。 江苏大学硕士学位论文 随着信息技术、计算机技术和网络技术的迅速发展，经济活动按网络 化的形式加以组织0 1 ，我国的制造业面临的制造环境发生了巨大变化。各国 制造商纷纷采用各种新概念、新思想、新方法、新技术来改进自己的产品 设计开发模式，力求使其产品在市场上有较强的竞争力和生命力。用户对 产品的需求呈现多样化和个性化，对设计提出了更高的要求。1 。优势设计、 虚拟设计、c i m s 、精良生产、敏捷制造等方法先后产生，同时怎样统筹考 虑设计、制造、装配以及用户要求引起了大家的重视。产品的网络化协同 设计系统就是在这些新技术和现代制造理念下提出的一种新型产品开发技 术，其面临的制造环境主要体现在生产技术和市场环境等方面。 在生产技术领域方面，柔性制造系统( f m s ) 、敏捷制造( a m ) 、虚拟 制造( v m ) 、绿色制造( g m ) 、协同制造( c m ) 、生物型制造( b m ) 、精益 生产( l p ) 、并行工程( c e ) 、成组技术( g t ) 、快速原型技术( r p ) 、最 优生产技术( o p t ) 、企业资源计划( e r p ) 等，这些新思想、新技术的不 断涌现，使得制造业的制造环境正在发生根本性的变化”1 。 随着经济全球化和新技术的迅猛发展，在制造业面临的市场环境方面， 同样出现了许多新的变化。企业面对的市场由相对封闭到日益开放；供过 于求的现象越来越普遍，卖方市场逐步转向买方市场；制造企业之间的竞 争由局部到全球的转变；竞争方式由你死我活到多赢形式的出现；以及用 户对产品永无止境的追求，使得现代制造企业的竞争市场环境发生了巨大 的变化。这些变化主要表现在产品生命周期缩短，客户需求多样化和个性 化，交货期成为主要的竞争因素，多品种、小批量生产比例增大和市场的 动态多变等“1 。 1 2 2 协同产品过程建模 国内外的研究人员对于协同产品开发过程建模问题进行了广泛的研 究，由于各自研究的侧重点不同，致使协同产品开发过程建模这一概念的 含义也不尽相同。总的来说，人们关于协同产品开发过程建模这一概念大 致有两种理解。一种理解认为协同产品开发过程建模是指对产品开发项目 的工作流进行文档化的表达，进而加以分析与改进：另一种理解认为协同 2 江苏大学硕士学位论文 产品开发过程建模是指对产品开发项目的组织与实施模式进行全面的抽象 与提炼，进而建立文档化的协同产品开发过程说明，在此基础上对所建模 的协同产品开发过程进行分析与优化0 1 。具体来说，就是要对协同产品开发 过程的组成环节、工作流程、所涉及的组织、人员、资源、信息等因素以 及这些因素相互之间的关系进行综合的描述、分析与优化。本文所提及的 协同产品开发过程建模属于后者的定义范畴。 1 2 3 过程模型在产品协同开发中的作用 在现代网络化制造大环境下，产品的协同开发过程由多学科开发工作 组共同完成，涉及到产品整个生命周期的各个环节。如图卜1 可见，产品 开发过程不仅受到产品本身设计过程各种约束，同时还受到企业自身条件 和外部环境的约束。各种功能环节，在产品的开发过程之间既存在相互支 持，也存在相互制约和资源冲突。 如何既妥善处理好这些情况又保证缩短开发时间；如何组织产品开发 过程众多的信息( 设计信息、过程信息) 和资源( 人才、设备、技术等) 才能发挥其最大效益；如何对开发过程进行管理成为人们研究关注的重点。 在产品开发设计之前对整个产品全生命周期的设计过程进行建模，可以对 多功能小组中存在大量相互依赖关系以及开发过程中冲突进行预测和消 解，从而使得产品开发过程顺利进行，提高多功能小组工作效率，生产出 高质量、低成本的产品，并为小组决策提供计算机支持，使产品协同开发 的效益得以充分体现。 江苏大学硕士学位论文 市场信息 - _ 行业信息 _ 产品信息 伙伴信息 物料 - - _ 资金 能源 政策法规 l 规章制度l 标准规范l 经营目标 电子商务 网络化产品 协同开发 网络化协同制造 产品 + 各种文件 + 各种报表 + 各种信息 蒜裟人l 嚣i 嚣卜计算而织机构i 员配置l 造机制l 计机制l 。 图1 - 1 用简化的i d e f o 表示的网络化制造功能模型 1 3 国内外研究现状以及存在问题 1 3 1 国外研究现状 l u 和c a i ”用社会技术方法建立协同设计过程模型，考虑设计决策，社 会交互和冲突管理三个方面。l i 和j i n ”1 用简单p e t r i 网建立协同设计过程 模型，考虑了协同设计过程中的多个特性和因素，由于受p e t r i 网本身特 点的局限性，模型不能描述复杂的协同设计过程。 集成产品和过程开发( i n t e g r a t e dp r o d u c ta n d p r o c e s sd e v e l o p m e n t ， i p p d ) 是集成从产品概念到生产和现场支持活动的系统工程方法。它采用 多功能小组并行优化产品及其制造过程，以满足成本和性能指标3 。 近些年来，发达国家纷纷制订了基于网络的先进制造技术发展战略， 旨在建立共享、集成、协作的产品开发模式，进一步缩短产品开发周期， 提高产品质量，从而在激烈的市场竞争中获胜。为了实施先进制造战略， 各国纷纷启动了一系列研究项目，均把过程建模与集成技术作为其重要的 研究内容，一些有代表性的研究项目举例如下“”： 4 誊徽| ：三 江苏大学硕士学位论文 麻省理工学院( m i t ) 开展了d i c e 项目研究，将建立基于计算机的设 计系统，提供一个共享的工作空间，多个设计人员按照各自的工程学科进 行设计。在该项目中，采用了基于全局控制机制的面向对象的数据库管理 系统，以此来解决设计人员之间的协调和交流。在设计过程中，通过提供 的设计原理解决设计冲突；s t a n f o r d 大学启动了s h a r e 项目，支持设计人 员或小组通过计算机网络开展合作，交流设计信息，以此建立对设计和开 发过程的共同理解；c a l i f o r n i ab e r k e l e y 大学研究的c y b e r c u t 系统，是 将集成制造设计环境( i m a d e ) 扩展到基于i n t e r n e t 的分布式代理环境。 韩国国家大学工业工程系开发的3 d s y n 系统可以使分布在不同地方的设计 人员通过i n t e r n e t 浏览同一个3 d 模型视图来进行协同设计和实时模型处 理、交互活动。比利时某科研机构所研制的s h a r e d3 dv i e w e r 用于c a d 三 维几何图形和产品结构的分布式协同讨论。澳大利亚的s o u t ha u s t r a l i a 大学高级制造开发中心开发的c o c a d c a m 系统采用了面向连接的连接操作， 使分布在不同地方的c a d c a m 用户可以通过可靠的网络通信进行对c a d c a m 几何数据进行处理。 1 3 2 国内研究现状 国内在相关领域的研究也十分活跃，并取得了初步进展。黄洪钟等”1 提出用c p n 建立协同设计过程模型的思路和方法。周锐0 1 提出了一种通过 b o m 向p e t r in e t 的映射，实现产品结构视图向过程视图的转化方法，通过 这种方式将b o m 中的各元素按照子任务的方式进行分解。以任务分解结果 和制造资源库提供的信息为依据，对分解的任务进行分配。 在8 6 3 c i m s 重大攻关项目“面向c i m s 并行工程集成框架关键技术” 和“航天并行工程”中，均开展了对过程建模与过程集成技术及支持环境 的研究；清华大学、南京理工大学、中国科学院自动化所等单位，基于c s c w 技术开展了关于计算机支持的协同设计中关键技术的研究；位于西安交大 的国家教委“现代设计与制造网上合作研究中心”在网上资源共享及网上 协同产品创新开发方面开展了大量的研究工作。另外，上海大学c i m s 与机 器人中心的闫如忠等人提出了一种“虚拟企业业务过程集成化建模方法”； 江苏大学硕士学位论文 北京航空航天大学的王巍巍等人正在开发“支持过程集成的工作流管理系 统”；清华大学自动化系与国家c i m s 工程研究中心的吴作宝，吴澄等人提 出了“基于产品数据管理的产品和开发过程集成方法”；中石化集团公司 自1 9 9 7 年3 月在杭州召开“中英首届过程集成技术研讨会”以来，在英方 的资助下先后三次组团对英国曼彻斯特大学理工学院过程集成研究中心 ( u m i s t ) 进行了访问，并于1 9 9 8 年正式加入国际过程集成技术协会“。 软件开发商也在开发基于w e b 的设计系统和协同设计支持系统方面积 极开展工作，并已推出了一批新的商用软件。在这些新软件中，一类是对 其原有的c a d 系统进行扩展，增加基于w e b 的功能；另一类是重新开发的 网络化协同设计支持环境。前者是在原有系统的基础上增加了w e b 的“壳”， 所以，在支持真正的异地异构环境下的设计方面还存在许多问题；后者主 要目标是提供协同交流的环境，而普遍缺乏常用c a d 系统的设计和信息集 成的功能。 1 3 3 存在问题 综合目前的研究现状，可以得出如下认识： 目前大多数模型是从如何制定设计决策的角度建立设计过程模型，如 通用设计理论、公理化设计理论等m 1 。将设计假定为一个单纯的技术决策 活动，不能对设计过程的管理提供支持。 基于网络的各种先进制造技术迅速发展，作为先进制造的支撑技术， 网络化集成化协同产品开发己经成为产品设计领域的研究热点。从总体上 讲，目前关于该方面的研究还不够深入，缺乏系统的理论体系，较多地停 留在概念层次上。国内在这方面的研究工作主要是从计算机及自动化领域 出发，研究如何建立计算机支持的协同工作( c s c w ) 环境，而缺少从机械 设计领域出发，对计算机支持的过程建模与集成的理论、方法及关键技术 的研究，在这方面与国外尚有较大差距。目前，迫切需要解决的是从网络 化产品设计制造的实际需求出发，充分应用适合机械产品的过程建模和集 成技术，在协同环境下建立真正的集成产品开发体系。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容以及目的、意义 1 4 1 本文主要研究内容 第一章通过分析协同环境下产品开发过程建模的研究和发展现状，及 其对于制造业企业协作模式的影响，认为构建产品的协同开发过程系统对 于提高我国中小企业的信息化进程和自身的技术和管理水平有很大帮助。 第二章从产品开发过程建模问题出发，对协同环境下产品开发过程的 特点进行了分析，在对当前主要的过程建模方法分析的基础上，从协同设 计实施的角度，提出本文过程建模的主要思想和过程建模的总体结构。 第三章针对典型的机械产品开发过程，基于全局导航的思想，+ 采用u m l 活动图构建产品开发过程全局模型，并且在此基础上具体构建过程建模中 过程视图和各个派生图，以及过程模型中过程视图和其他派生图之伺的组 织关系。同时在详细设计环节中，针对具体生产环节，基于局部控制思想 用p e t r i 网的过程建模方法表达局部过程模型。 第四章，阐述了过程集成管理系统的关键技术及应用研究，从系统的 过程集成、基于w e b 与c o r b a 技术对系统集成环境的构建以及数字化产品 全生命周期信息的表达三方面进行了详细介绍。 第五章给出了协同产品开发过程管理系统体系结构以及主要功能，并 对某电子产品生产企业进行调研、分析其产品开发过程，并将部分系统功 能应用实施。第六章，对全文进行了总结以及对以后工作进行了展望。 1 4 2 研究工作的目的和意义 协同设计是网络化制造系统中的重要组成部分，协同设计过程中既有 技术问题，也有组织管理问题“1 。发展产品协同开发不仅有利于中小企业的 信息化进程，更有利于广大中小企业提高自身的技术和管理水平”1 。 在网络化制造环境下，不管是企业内部还是企业联盟中的产品开发， 其过程往往是一个多学科人员共同参与协同工作的过程。在这个过程中， 设计人员依据设计目标，在设计约束下运用各种知识进行问题求解，进而 7 江苏大学硕士学位论文 得到满足设计要求的产品信息。如何综合描述产品协同设计过程中的主要 活动和涉及到的相关要素，建立协同设计过程模型，是建立有效的协同设计 支持系统和环境的重要环节，也是设计过程管理成败的关键。 协同产品开发过程管理系统将孤立的应用过程集成起来形成一个具有 数据共享、资源共享、不同应用程序协同工作的运行环境。它存在于信息 集成的基础上，同时又作为企业集成的基础，通过在各个过程之间开发各 种接口，使各个过程能够互通信息、交互作用，更加方便地协调各种企业 应用系统的功能，把人和资源、资金及应用合理地组织在一起，获得最佳 的运行效益。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章协同产品开发过程建模的思想、方法及体系结构 协同环境下的产品开发过程是一项复杂的系统工程，建立产品开发过 程模型对于指导实际的产品开发各项工作，保障整个产品开发过程有序进 行起着重要意义。 2 1 过程建模概述 产品协同开发过程建模是协同设计系统的关键技术之一，与传统的设 计过程建模相比，又具有其独特性以及复杂性，因此是个比较复杂和重要 的问题。健全的设计过程模型：不仅要反映设计过程的静态属性，而且还 要反应设计过程的动态属性，同时设计过程模型又可以为后续工作有效的 进行仿真提供技术支持。 产品开发过程是指从产品定义到产品批量生产之前这一阶段时间，包 括与产品开发有关的所有技术活动和管理活动，代表了特定组织进行产品 开发的行为。产品开发过程是一个将工程技术方法以及工具、人员集成并 付诸产品开发实践的活动的集合，它涉及技术和管理两个方面。从制定设 计决策、问题解决的角度看，设计过程是一个问题不断解决的过程，包括 获得需求信息，定义整个目标和任务，分解总任务为子任务，解决子任务， 再将子任务的解决方案合并，最后提供整个产品的解决方案“”。 产品开发过程建模是进行产品开发过程研究和应用的首要问题。过程 建模并不是一个新概念，国内外对此已经开展了大量研究。但是在传统的 产品开发环境下，由于涉及的开发人员相对比较容易组织等原因，一直没 有得到充分的重视。随着现代企业竞争的加剧，新产品开发模式的应用， 产品开发过程建模现己成为产品开发项目管理和规划中必不可少的一部 分。 下面给出产品开发过程模型的概念，并确定产品开发过程建模的目标 和基本要求。 9 江苏大学硕士学位论丈 2 1 1 产品开发过程模型概念 产品开发过程模型是通过定义其组成活动，以及活动之间的逻辑关系 来描述设计工作流程的，即产品开发过程模型是表示产品开发过程中的活 动，及其相互关系的“”。过程建模就是建立过程模型的方法与技术，它通 过定义活动和活动之间的关系来描述业务工作流程“”。 在过程工程的活动中，过程概要设计、详细设计、项目试点和过程实 施与监控，包括过程评估，都对产品开发过程建模提出了需求。 为了实现对产品开发过程的有效管理和控制，实现过程优化等目的， 需要对产品开发过程中涉及到的行为和信息进行描述和建模。具体来说， 一个完整的理想化产品开发模型需要考虑以下内容“： 1 ) 产品开发过程模型应该描述在产品开发过程中大量的行为、各种现 象。即需要描述产品开发过程中的反复性、预发布、设计迭代以及设计评 审等特征；表征在各个产品开发任务间的相互关系，如顺序、并行、耦合 等。 2 ) 产品开发过程模型应该描述产品开发过程中涉及到的时间、成本、 组织管理等信息。以最小的成本和产品开发时间完成既定的产品开发任务 是产品开发过程建模的最终目的，因而产品开发过程模型必须要包含上述 信息。另外，实现对设计过程中的组织结构的描述，也是加强产品开发过 程管理的重要手段。 3 ) 应该对产品开发过程中涉及到的资源进行建模。资源建模是产品开 发过程建模的一个重要分支，因为在产品开发过程中，合理有效地分配有 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。 4 ) 产品开发过程模型应该描述产品开发过程的静态特性，同时也应该 描述其动态的执行，捕捉产品开发过程的动态特性。而且也能够通过建立 的模型来定性和定量地分析设计过程。 2 1 2 产品开发过程建模的目标 一般来说，模型的作用是解释、预测和实现。产品开发过程建模工作 l o 江苏大学硕士学位论文 应当满足如下需求，这些需求同时也是产品开发过程研究和应用的基本目 标： 1 ) 加强参与设计人员对设计过程的理解和团队协作 整个产品开发队伍共享一个产品开发过程模型，过程模型给参与的设 计人员提供足够的过程信息，使得整个产品开发队伍都景身于产品开发过 程模型所描述的活动中。一个良好的过程模型应该具备层次性，可以有效 地控制过程模型的复杂度，便于理解和管理。过程模型对产品开发过程的 定义和描述可使产品开发人员易于理解和接受，也让产品开发人员理解自 己所做的工作和其他人所做的工作之间的关系，可以很好地预测以后可能 发生的情况，进而加强团队的协作。 2 ) 支持过程的分析和改进 产品开发过程模型对过程的形式化描述一方面要使内容清晰明确，使 开发人员更加有效地合作；另一方面要有利于开发过程的仿真、分析和改 进，同时也便于在计算机网络环境下实施。利用分析和评估手段对过程模 型进行分析、改进和优化，可以缩短产品开发时间，合理配置系统资源， 提高资源利用率。利用产品开发过程模型，在产品开发未实施前，客观地 评估潜在变化以及对产品开发过程的影响，并寻求相应的对策，以确保产 品开发过程正常进行。 3 ) 支持开发过程的实施、监控和管理 产品开发过程模型建立起来后，可以对产品开发过程进行规划，包括 时间、工作量、资源的优化分配等，其目标是在有限的资源下实现产品开 发时间最短。在产品开发过程中可以就产品开发过程的实施进行监控，将 过程的实施情况和事前的规划做一个对比，及时对产品开发的过程进行适 当的调整，确保产品开发过程被合理的执行，以满足项目实施要求。 总之，产品开发过程模型是用来评估产品开发过程建模的工具，是对 工程人员进行工程实践的指南。不同的企业，对过程建模的需求内容有所 不同。对于过程成熟度低的企业，主要是对过程进行捕获和描述，然后对 过程进行文档化，促进开发团队对过程的理解和交流，发现可能的过程改 进机会；对于过程成熟度较高的企业，则更多地关注过程的规划、度量和 江苏大学硕士学位论文 评估，实现过程的优化、改进和重组等等。 2 1 3 当前主要的过程建模方法概述 迄今为之，已有许多过程表示方法，不同的建模方法针对设计过程的 不同方面，表达设计构成中的不同信息，各有其优缺点，主要的设计过程 建模方法如下“”： 关键路径法( c p m )c p m 是系统工程学科中的重要方法之一，它可以 说明设计过程中的一些静态特性，如活动定义、工作顺序、先后关系等， 也可用来进行项目计划和项目费用的评估。然而c p m 建立过程模型时，只 能描述发生一次的活动，而将反复进行的活动视为另外一个新的活动，即 c p m 不能很好的表达设计过程中“反复”这个重要特性。另外，c p m 建立协 同设计过程模型时，不能表达过程管理和产品开发之间的关系，并且没有 有效的分析工具对设计过程的动态特性进行分析。 设计结构矩阵( d s m ) d s m 使用矩阵来表述一个过程，行和列代表子 任务，g a b a l a 等人指出，d s m 方法优于传统的建模方法“，主要原因是d s m 提供更紧凑的表示方法，克服了模型大小的限制。它可以通过执行相关的 矩阵操作来优化设计过程，可以描述和分析活动的迭代性。但d s m 不能清 楚的表达设计活动之间的依赖关系。 结构化分析方法该方法具有一套分层的数据流图，一本数据词典， 一组加工逻辑说明和其他的补充材料。然而结构化分析方法只是一种面向 数据流的分析方法，而不是面向控制流。 i d e f 系列方法i d e f ( i n t e g r a t ed e f i n i t i o nm e t h o d s ) 方法是一个 结构化的建模方法，最初是用于制造系统的过程建模的。这些方法从系统 不同的角度入手对问题进行描述，如i d e f o 主要是描述整个系统的功能和 组织，i d e f i 用来建立信息模型，i d e f i x 建立数据模型等。在这一系列的 方法中，i d e f 3 可以用来建立设计过程模型，它的核心是描述活动以及它们 在不同层次上的相互关系，一个初始的模型包含父活动，而父活动通常被 分解为更低层次的活动。 p e t r i 网德国数学家p e t r i 于2 0 世纪7 0 年代提出的p e t r i 网作为 1 2 江苏大学硕士学位论文 一种系统建模方法，它具有严密的数学基础和易于理解的图形表示特性，借 助于数学开发的p e t r i 网分析方法和技术既可以用于静态的结构分析，又 可以用于动态的行为分析。与以往模型相比，p e t r i 网最突出的特点在于它 描述异步并发的能力和它的图形表示。它的并发性使其特别适合描述系统 的并发、资源竞争、同步特性。 u m l 活动图u m l 活动图是u m l 对系统的动态行为建模的图形工具之 一。u m l 活动图实质上也是一种流程图，表现的是从活动到活动的控制流， 它描述活动序列，并且支持对并发行为和条件选择行为的表述，还支持数 据流描述。它综合了以往许多系统建模技术的思想：j i mo d e l l 的事件图、 s d l 状态建模技术以及p e t r i 网等“”。特别适合于工作流和并发的处理行为 n 7 】 o 总之，传统的建模方法主要关注于技术层面“”，可以部分地应用到产 品协同设计过程建模中去，设计原理和方法论主要关注于设计的技术决策； 数据管理则关注于产品建模以及设计信息；而设计活动的执行则关注于设 计活动的依赖性以及设计者之间的信息交换，不能全面描述协同设计过程。 2 2 基于导航思想的产品开发过程体系结构 2 2 1 产品开发过程建模思想 在各个全局状态实现控制不仅是不可能的，而且还不能完整的描述系 统的变化“”。“全国一盘棋”是对用全局状态实现控制的很准确的描述“”。 听起来全国一盘棋显然比各自为政好，但问题是，对于稍微大一点的系统， 其全局状态往往不是实时可知的。谁知道互联网上现在的全局状态? 谁也 不知道。其实，各自为政是客观存在，自然界如此，互联网如此，一个企 业产品开发过程的各个环节也是如此。自然界有自然规律，各自为政自然 是良性的。而产品开发过程中，受到企业流程规章制度的约束，可惜规章 制度的约束不完善，各级开发人员未必完全遵守，各种冲突的出现也就在 所难免，严重影响了产品开发的效率和质量。 另一方面，由于对产品的一次性全面而彻底的重组不仅成本非常高而 江苏大学硕士学位论文 且风险极大，容易引起生产流程的混乱和反弹，对我国大部分企业并不合 适。 因此，为了有效地对企业产品开发流程进行管理，提高产品开发效率， 本文提出基于全局导航的整体过程建模和局部优化的过程建模方法。 1 ) 全局导航 产品的协同开发是一件涉及各个领域人员交互复杂的过程，对该过程 进行建模，并使得模型对于产品开发整个过程的各种人员、组织起到导航 作用，无疑将是提高产品开发效率好方法。 2 ) 局部优化 以色列物理学家g o l d r a t t 所创立的约束理论。”( t h e o r yo f c o n s t r a i n t s 。t o c ) 视一个公司不是由独立过程组成的集合体，而是一个 完整的系统；它认为每个系统都要受至少一个约束因素的支配，使其不能 获得无限高水平的绩效。企业整个经营业务流程也是由产出率最低的环节 决定着整体的产出水平，这就是所谓的“约束”，亦即通常所说的“瓶颈”。 在约束的作用下，试图通过提高所有系统或部门的工作能力以提高企业的 经济效益可能难以实现。 因此，产品开发过程系统中最为关键的环节会对生产系统整体的有效 运作产生影响，进而限制了整个企业的效益以及发展。因此，产品开发过程 建模应该在分析整体的全局模型基础上，选择最为关键的生产环节或核心 环节进行专业的建模和优化。提高该生产的能力，反复进行，最终达到优 化整体产品开发过程，提高企业运作水平的目的。 2 2 2 产品开发过程建模体系结构 为了对协同产品开发过程进行管理，首先需要建立协同产品开发过程 的模型。在协同产品开发过程中，产品数据是产品开发的目标，人员、组 织是产品开发的主体，人员通过特定的过程生成数据。因而，协同产品开 发过程模型需要包含产品、过程、组织等多种信息。 协同产品开发过程建模采用系统的方法来表达产品开发活动和对这些 活动的影响，从而优化协同产品开发过程、工具和组织。协同产品开发过 1 4 江苏大学硕士学位论文 程模型是对协同产品开发过程的合理定义与描述，是实现协同产品开发过 程管理的基础。 警理 过程模型库l 上 r 全局过程建模局部过程建模 导航支捐 +： 组织派生图 资源派生图 信息派生图过程仿真优化 图2 - 1 产品开发过程模型体系结构 本文关于协同产品开发过程建模以及过程管理系统的研究主要包括如 下三个方面： 1 ) 协同产品开发过程建模机制的表达，现有的各种过程建模方法不能 满足全面表达协同产品开发过程之功能特性、组织特性、行为特性、信息 特性的需要，因此需要探索新的模型表达机制。 在本文的过程建模的体系结构中，全局过程视图是唯一的视图，其他 的派生图是从全局过程视图中衍生出来的，处于从属的地位，其主要的信 息在过程视图中已经表达了出来。从某种角度而言，这些派生图是在过程 视图的基础上，提取某种信息，通过加工、处理、转换，构成一个过程视 图的派生图。也可以这么说，派生图是从某一方面对过程模型进行分析的。 过程建模中可以生成相关的派生图有：组织派生图，资源派生图，信 息派生图，功能派生图等。这些派生图和过程模型组合到一起，构成过程 建模体系结构的空间维。过程建模和其派生图是从过程的角度，按照以过 程为中心的描述方法对企业的业务流程进行描述。派生图是对过程模型的 有效的补充，可以是某一方面的特性或反映系统中某一方面的问题。通过 过程视图和其派生图就可以从各个方面反映出企业的业务流程的主要内容 及存在的问题，以便从整体上进行协调、管理与控制企业的运作。 2 ) 选用合适的过程建模工具。传统的建模方法主要关注于技术层面上 “”，不便于工程实施，本文无意再增加新的方法。新的方法应该针对实际 江苏大学硕士学位论文 问题的分析理解。没有明确的目标和正确的主题思想，新的方法也就如无 源之水、无本之木，毫无意义可言。因此，本章重点针对具体问题，从分 析过程建模的方法出发，在整体导航、局部控制的思想指导下，选取适合 于机械产品开发过程的建模方法。 3 ) 协同产品开发过程建模管理系统的原型开发，复杂协同产品开发过 程的建模工作需要有计算机系统的支持，现有的过程建模工具系统尚不能 很好地满足全面建模协同产品开发过程之功能特性、组织特性、行为特性、 信息特性的需要，本文将就此需求进行过程建模原型系统的开发，以期在 实践中加以改进和完善。 2 3 基于导航思想协同产品开发过程建模方法分析 过程建模方法取决于过程建模所计对的问题领域和过程特点。1 。任何正 确的，实用的模型必是源于不断的实践，对真实系统多次的模拟。而不同 的过程建模方法由于面向的领域、使用的对象的不同，往往差别较大，各 自有各自的优缺点。协同产品开发的参与者的设计活动主要依赖于协调机 制来交互完成，因此，从易于实施的角度，选择过程建模方法，建立有效产 品开发模型具有重要的指导意义。在选择建模方法时需要考虑以下情况： 1 ) 设计过程中的大量行为、现象； 2 ) 设计过程的反复性； 3 ) 设计过程中并行活动以及协同行为； 4 ) 具有直观的图形表达形式； 5 ) 允许过程模型的层次化分解； 6 ) 具有动态性，支持过程的分析和改进； 7 ) 具有相应的软件建模和过程性能分析。 2 3 1 协同产品开发过程建模的系统元素 过程建模方法取决于过程建模所计对的问题领域和过程特点。因此， 过程模型要支持产品开发及其管理工作的展开，首先应能描述产品开发系 1 6 江苏大学硕士学位论文 统的元素及元素状态和输入、输出等。 1 ) 系统元素 产品开发由一些元素或对象组成，这些元素或对象称为系统元素。产 品开发的系统元素包括产品、活动、过程和资源等，其中活动或过程是过 程建模中最基本的系统元素。 2 ) 系统元素的属性 在表示产品、活动、过程和资源等系统元素的基础上，需要对其迸一 步描述。描述是通过系统元素的属性反映出来的。其中，活动属性是最基 本的属性，活动属性包括活动名称、编号、活动关系( 如结构关系、数据 关系、时序关系等) 和活动管理( 如组织、进程、状态等) 。 3 ) 系统元素之间的关系 系统元素之间的关系指系统元素及系统元索的属性之间是如何相互关 联的。对协同产品开发过程或活动来说，至少应包括以下两种种关系： 结构关系：结构关系包括层次关系和时序关系。通常，产品开发由 一些子过程或子活动组成，这些子过程或子活动可以由一些比其等级更低 的子过程或子活动构成。这样就形成了分层的系统结构。过程模型应当能 够表示这种层次结构。另外，产品开发是按一定的时序展开的，过程模型 应当能够描述这种时序关系。 输入、输出关系：输入、输出关系是指输入、输出如何通过活动或 过程传递。 2 3 2u m l 活动图模型特点分析 u m l 活动图( u m la c t i v i t yd i a g r a m ) 是u m l 对系统的动态行为建模的 图形工具之一。u m l 活动图实质上也是一种流程图，表现的是从活动到活动 的控制流，它描述活动序列，并且支持对并发行为和条件选择行为的表述， 还支持数据流描述。它综合了以往许多系统建模技术的思想：j i mo d e l l 的 事件图、s d l 状态建模技术以及p e t r i 网等，特别适合于工作流和并发的处 理行为“”。 1 7 江苏大学硕士学位论文 u m l 活动图是一种特殊形式的状态机，也就是一种特殊的状态图。如果 在一个状态图中的大多数的状态是表示操作的活动，而转移则是由状态中 的动作完成来触发，即全部或绝大多数的事件是由内部产生的动作来完成 的，这就是活动图。因此，活动图描述的是响应内部处理的对象类的行为。 它着重表现的是从活动到活动的控制流，是内部处理驱动的流程。通常， 活动图假定在整个计算处理的过程中没有外部事件引起的中断“。 u m l 活动图依据对象状态的变化来捕获动作( 将要执行的工作或活动) 与动作的结果。图中一个动作结束后将立即进入下一个活动。 u m l 活动图与其它的u m l 图不同，它并不直接来源于b o o e h 、r u m b a u g h 、 g a e o b s o n 三位u m l 设计者以前的工作。u m l 活动图的技术思想主要来源于 j i m o c e l l 事件图、s d l 状态建模技术和p e t r i 网技术，它本质上是面向对 象的。引入它其一是为了分析复杂的用例、包、类或操作，或者用于处理 多线程应用，另外是用于描述过程轻“。 图形化描述：u m l 活动图提供了标准的图形元素具有较强的直观性，而 且它是基于事件的，与传统的流程比较相似，更接近人们对过程流程的直 观理解。 支持信息流表示：u m l 活动图能够把工作流过程涉及到的重要对象加入 到图中，采用对象传递表示信息流，人们可以非常直观地从中了解到过程 语境以及交互的参与者，从而，对产品生产过程有更深刻的了解“。 u m l 体系提供有力的帮组：虽然，u m l 活动图根本上是面向对象，但它 是u m l 的一个重要部分，拥有有效的需求分析方法和建模方法论的指导。 u m l 活动图可以和u m l 的其它图形工具相配合，共同描述产品开发过程建模 系统。 然而，总体而言，目前u m l 活动图在过程建模的表现是有限的。首先， 因为u m l 活动图本身语义限制其对过程状态和外部事件( 包括时间事件和 消息事件) 的表达；其次，u m l 活动图虽然能够以对象流表示信息流，但其 表示的信息流单调、笼统，很多对象流本质上却是控制流，u m l 活动图却没 有区分其表示。最后，也是最重要的，u m l 活动图不支持模型验证和优化。 江苏大学硕士学位论文