（航空宇航制造工程专业论文）航空发动机产品开发过程集成的关键技术研究.pdf

摘要 产品丌发过程集成是产品协同开发发展的必然趋势，也是现代先进制造技 术的战略要求。它以并行的思想综合考虑产品生命周期中的所有活动，消除产 品丌发过程中各种冗余和非增值的活动、子过程以及由人为因素和资源问题等 造成的影响效率的一切障碍，实现产品丌发过程的整体优化，使应用系统集成 起末，形成一个协调的集成运行系统。 根掘航空发动机产品开发过程中业务过程复杂、活动多、涉及企业广、周 期长等特点。提出航空发动机产品开发的过程集成管理研究。以工作流技术为 过程集成的核心技术，分析航空发动机产品开发过程的集成框架、过程建模和 执行服务，实现航空发动机产品丌发过程集成管理。 针对航空发动机产品丌发过程集成管理对工作流技术提出的具体要求，本 文主要完成以下研究工作： ( i ) 基于工作流技术的航空发动机产品开发过程集成研究。研究基于工 作流技术的航空发动机产品丌发过程的集成框架，航空发动机产品丌发过程的 建模方法，以及分布式环境下航空发动机产品协同丌发的执行机制。 ( 2 ) 工作流的柔性执行机制。针对航空发动机产品丌发过程中具有大量 修改和迭代设计的特点，从并行工程的思想出发，提出基于协同思想的工作流 柔性执行方法。研究工作流预执行机制，提出数据元素私有空削的概念，通过 数据元素私有空间进行活动中间数据的共享方法，使关联活动在执行过程中可 以通过私有数据空间共享产生的中间结果，活动间能及时进行信息和数据共享 和交换，实现修改和迭代设计过程中活动间的协同执行，提高工作流执行过程 的柔性。 ( 3 ) 工作流动态更改技术。详细地研究工作流动态更改技术，以c on o w 系统为基础，定义一套工作流动态更改操作集：研究动态更改后过程模型正确 性和完整性的检验方法；针对动念更改后的实例迁移策略，结合产品丌发过程 逻辑，提出基于语义的实例迁移规范；针对工作流实例迁移中出现的异常问题， 提出了动态更改异常域的概念，并通过过程细分和更改细分的方法计算动念更 改异常域，对不能正确迁移的实例，提出通过回退迁移和延缓迁移的方法进行 解决，并研究了回退迁移和延缓迁移算法。 ( 4 ) 航空发动机产品的广义版本管理研究。根据航空发动机关键零部件 开发过程中数掘管理的特殊要求，提出广义版本的概念；分析广义版本的数据 结构，操作和版本间的关系，建立了广义版本管理模型；从版本发展的历史角 度，提出基于设计历史的广义版本管理方法，把版本对象的管理和版本历史图 联系起来，以便追溯版本的发展：结合不同版本在内容知识上的区别和联系， 提出基于内容知识的广义版本管理方法，把版本的内容知识和版本对象关联起 来。 ( 5 ) 最后对论文研究的内容进行方法验证和系统实现。以航空发动机叶 片的丌发过程为例，验证工作流的柔性执行方法和动态更改后的实例迁移研究： 介绍了航空发动机零部件广义版本管理原型系统的用户界面和主要功能。 关键字：过程集成，工作流，预执行，工作流柔性执行，工作流动态更改，实 例迁移，基于语义的实例迁移规范，动态更改异常域，广义版本管理，知识管 理 a b s t r a c t t h ep r o c e s s i n t e g r a t i o nm a n a g e m e n ti st h e c e r t a i nt r e n da n dt h es t r a t e g i c d e m a n do fm o d e ma d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n i q u ci tc o n s i d e r st h ew h o l ep m d u c t 1 i f e c y c l ew i t l lt i l e i d e ao fc o n c u r r e n t ，e l i m i n a t e st h er e d u n d a n ta c t i v i t i e sa n d s u b p r o c e s s a j l do t h e r sr e s u l t e db yp e r s o na n dr e s o u r c e ， r e a l i z e st h ew h o l e o p t 加j z a t j 0 da j l dj n t e g r a t e st h ea p p l i c a t j o l l st on 棚a sas y s t e mh a 珊0 1 1 i o u s j y t h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n ti d e ao f 血ea e r o e n g i n ep m d u c td e v e l o p m e n t p r o c e s si sp r o p o s e da c c o r d i n gt oi t sc h a r a c t c r i s t i c s ：c o m p l e xw o r kp f o c e s s ，a b u n d a n t a c t i v i t i e s ，m a n ye n t e l 甲r i s e s ，l o n gp e r i o d ，e t c t h ei n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r e ，p r o c e s s m o d e l i n ga n dt h ee x e c u t i o ns e “i c eo fa e r o e n g i n ep r o d u c td e v e j o p m e n cp r o c e s sa r e a n a l y z e db a s e do nw o r k f l o wt e c h n i q u e ，a n di t si n t e g r a t i o nm a n a g e m e n ti sr e a l i z e d ， a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sp r o p o s e db y 山ep r o c e s sj n t e 伊a t i o no f a e r o e n g i n ep r o d u c td e v e l o p m e m ，s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e di nd e t a i l t o a c c e l e r a t et h eu s eo fw o r k f l o wt e c h n i q u ei ni t ： ( 1 ) t h ei n t e g r a t i o na r c h j t e c t u r eo f a e r o e n g i n ep r o d u c td e v e 】o p 册e n tp m c e s sj s a n a l y z e db a s e do nt h ew o r k f l o wt e c h n i q u e ，a n dt h em o d e l i n gm e t h o d ，t h ee x e c u t i o n s e r v i c ea r ee m p h a s i z e df o rt h ei n t e 口a t i o no fa e r o e n g i n ep r o d u c td e v e l o p m e n t p r o c e s s 。 ( 2 ) 1 1 1 e r ea r em a n yi t e r a t i v ep r o c e s s e si na e r o e n g i n ep r o d u c td e s 培nw h i c h r e q u i r et h ec o o p e r a t i o no fm a n ya c t i v i t i e s i n o r d e rt os o l v et 1 1 ec o o r d i n a t i o n p r o b i e m ，an e x i b l ee x e c u t i o nm e c h a n i s mo f w o r k n o w i sp r o p o s e dw h i c hi sb a s e do n t h ei d e ao fc o n c u r r e n te n g i n e e 曲g i nt h i sm e c | l a n i s m ，a na n t i c i p a t i o ni d e ai n f l e x i b i ee x e c l i t i o no fw o r k f l o wi sd e e p e n e da n dam e t h o do fd a t as h a r i n gi s p m p o s e d t h i sm e t h o do fd a 亡as h a r i n ga 1 1 0 w st h ep r e c e d i n ga c t i v i c y t os h a r ei t s i n t e n n e d i a t er e s u l t s ( i r s ) w i t ht 1 1 e s u c c e e d i i l ga c t i v i t y a 1 1 dv i c e v e r s a ，s ot h e s u c c e e d i n ga c t i v i t yc a i lu s et h ei 飚o fn l ep r e c e d i n ga c t i v i t yt os 锄e a r l i e r ，a n dt i l e p r e c e d i n ga c t i v i t yc a nu s et 1 1 ei r so ft h es u c c e e d i n ga c t i v i t ya s f e e d b a c kt om a k e s o m em o d i f i c a t i o nq u i c k l y 0 u rm e m o dc a i li m p r o v ep a r a l l e le x e c u t i o na b i l i t yo f a c t i v i t i e sa n dr e a l i z et h ec o o r d i n a t i o no fa c t i v i t i e si nt h ei t e r a t i v ep r o c e s s ( 3 ) a no p e r a t i o nc o l l e c t i o na b o u tt 1 1 ew o r k n o wd y n a m i cc h a n g ei sd e 6 n e d b a s e do nt h ec o n o wp r o t o t y p es y s t e m ，a n dt h em e 山o du s e dt 0c h e c kt l l e c o r r e c t n e s sa n dc o m p l e t e n e s so ft h ed y n a m i cc k m g eo p e r a t i o ni sp r e s e n t e d a c c o r d t ot h es t r a t e g yo fc a s e 仃a n s f e ra i l d p r o d u c td e v e l o p m e n tl o g i c ，ac a s et r a n s f e r c r i t e r i o nb a s e do nt h ep r o c e s ss e m a n t i cl o g i ci sp r o p o s e d ，w m c he m p h a s i z e st t l e c a s e k e e p i n ga ne q u i v a l e n tp m c e s sl o g i ca f t e r i ti s 缸a l 】s f e e d a i m e da t 血e e x c e p t i o np r o b l e mo fc a s e 仃a n s f e r ， ac o n c e p to fd y n 眦i cc h a n g ee x c e p t i o n r e g i o n ( d c e r ) i sp r e s e n t ，a n dt h em e t h o do fc o m p u t i n gd c e ri sp u tf o r w a r d i fa c a s ei n c l u d e sa 1 1e l e m e n ti nd c e r i tc a nn o tt r a n s f e rf r o mt h eo i dm o d e l t ot h en e w m o d ej t h em e t h o dt os 0 1 v em et r a 刀s f e ro f e x c e p t j o nc a s ej sp r o p o s e d ， ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e mo fd a t am a n a g e m e n ti n 山ep r o c e s so f a e r o e n g i n ep r o d u c td e v e l o p m e n t ，ac o n c e p to fg e n e r a lv e r s i o ni sp r o p o s e dt h a tu s e s t h ed e s i g ns t a t ea st 1 1 eb a s i cu n i tt 0o r g a n i z eg e n e r a lv e r s i o n ，a n dt l l ec o r r e s p o n d i n g g e n e r a lv e r s i o nm a l l a g e m e n tm o d e li sb u j l t i nt 1 1 i sm o d e l ，t h ed a t as t r u c t u r ei s a 1 1 a l y s e da n dg r 印hi sa d o p t e dt od e s c 曲et 1 1 er e l a t i o nm o d e lo ft h eg e n e r a lv e r s i o i l s i no r d e rt oe m p h a s i z et 1 1 ed e s i g nh i s t o r ya n dt l l ei n h e r i t e dr e l a t i o na m o n gt h eg e n e r a l v e r s i o n s ，am e t h o do fm a n a g i n gg e n e m iv e r s i o n sj sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do nt h e g e n e r a lv e r s i o nf a p h i no r d e rt 0r e n e c h ek o w l e d g ei n c l u d e di i lt h ev e r s i o l l s ，a m e t h o di s p r o p o s e dw 1 1 i c h e x t m c t sk n o w l e d g ef r o mav e r s i o na 1 1 dm a n a g e si t t o g e c h e rw i t ht h ev e r s i o no b j e c t ( 5 ) t h er e s e a r c ha b o u tn e x i b l ee x e c u t i o nm e c h a n i s ma 1 1 dd y n a m i cc h a j l g eo f w o r k n o wi sv a l j d a t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fa e r o e n g i n eb l a d e ，a n dc h e p r o t o t y p es y s t e mo fg e n e r a lv e r s i o nm a n a g e m e n tf o r 趾r o e n g j n ep a r t si si n t m d u c e d a tt h ee n do ft h i st h e s i s k e y w o r d s ：p r o c e s s1 1 1 t e g r a t i o i l ，w o r k n o w ，a n t i c i p a t e ，f l e x i b l ee x e c u t j o nm e 山o d o fw o r k n o w d y n a m i cc h a n g eo fw o r k n o w ，c a s et r a n s f e r ，s e m a n t i cc r i t e 血o f c a s e1 y a n s f e r ， e x c e p t i o n d o m a mo f d y n a m i cc h a n g e ， g e n e r a lv e r s i o n m a l l a g e m e n t ，k n o w j e d g em a 【l a g e m e n t 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 涮论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 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。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：倒指导 砂弓年7 ，月弼同 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公 丌发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过 的成果。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表 明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 护“年7 月缯日 第一章绪论 1 - 1 研究背景 第一章绪论 产品的设计和开发是一个复杂的过程。随着计算机技术在产品开发过程中 的逐步应用以及先进制造技术快速的发展，产品的设计和开发经历了手工设计、 c a d c a m 、并行工程和协同设计、虚拟制造等不同的阶段。 7 0 年代以前，设计人员普遍使用手工绘图板进行设计，通过电话，或围着 会议桌面对面地讨论问题，交流思想，共同完成产品设计。这一阶段设计的数 据以图纸的形式存在，设计效率低。 8 0 年代，c a d c a e c a m 单元技术被广泛使用，产品的设计方式发生了巨 大变化，设计人员使用计算机作为辅助工具，通过相应的支持软件完成产品的 设计任务。这阶段强调人机交互，设计的数据以电子数据形式存在，单元技 术间信息不能交流，出现“信息孤岛”。 9 0 年代，为了缩短产品的开发周期，提高产品质量，降低丌发成本，提出 了并行工程，协同设计和集成等先进设计思想，这一阶段，设计人员之倒通过 网络和数掘库交换数据，强调活动的并行执行和数掘的共享，并实现了 c a d c a e c a p p c a m 之间的简单集成。这一阶段主要强调数掘的共享和交 换，实现了单元技术两两之间的数据集成( 例如c a d c a m ，c a d c a e ) ，但 忽视了设计人员之间思想和知识的共享与交流。 进入二十一世纪后，随着计算机技术、信息技术和自动化技术的快速发展， 制造业呈现出数字化、信息化、网络化、集成化，敏捷化和绿色化的新局面， 产品的设计和开发也朝着数字化和集成化的方向发展。随着数字化协同制造的 实施，企业纷纷建立基于p d m 框架的数字化集成开发环境，以数据管理为主 线，通过p d m 集成管理产品开发过程中生成的各种产品相关数据，实现产品 丌发过程中的协同以及c a d ，c a e c a p p ，c a m 伊d m 之间的数据集成j 。这 阶段强调产品丌发过程的数字化、协同化和集成化，消除了“信息孤岛”问题。 根据产品丌发过程集成化的发展趋势，以及先进制造技术的战略要求，提 出了产品丌发过程集成管理的思想睁】，通过计算机管理和自动化技术，实现 产品丌发中设计和制造等过程的集成管理。 西北 业大学博士学位论文 1 2 相关研究领域 1 2 1 集成技术 集成是由部分构成整体，由单元构成系统的主要途径，是按照最佳性能的 要求，通过科学的方法和技术进行综合，实现不同功能系统之间的数据交换和 功能互连，组成有机、高效、统一和优化的系统。集成包含两层含义：一是将 分散、异构的应用系统联合在一起，形成一个协同的整体，从而实现更强的功 能，完成各个部分独自不能完成的任务；二是通过提高组成整体的不同功能子 系统之间的通信与协调效率，精简冗余功能和过程，达到实现系统总体最优的 目的。 集成是随着企业在产品设计、制造、销售等领域应用c a x 、p d m 、f m s 、 e r p 、s 州、c r m 等系统后，为保持数据一致性、提高竞争能力的必然选择。 集成的目的是实现信息的前后贯通和共享，提高企业竞争力。 集成技术是现代产品开发过程中的重要手段。1 9 7 3 年，美国的约瑟夫哈 林顿( j o s e p hh a r r i n 垂o n ) 博士首次提出了计算机集成制造( c o m p u t e ri n t e f a t e d m a n u f a c t u r i n g ，c i m ) 的理念，其内涵是借助计算机将企业中各种与制造有关 的技术系统集成起来，提高企业适应市场竞争的能力。c i m 的基本观点是： 1 ) 整体的观点，即系统观点。指企业生产经营的各个环节，如市场分析 预测、产品研发、生产制造、经营管理、产品销售等一切的生产经营 活动是一个不可分割的整体。 2 ) 信息的观点。指企业整个生产经营过程在本质上是一个数据的采集、 传递和加工处理的过程，形成的最终产品也可以看成是数据的物质表 现形式。 计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e 耵a t e dm a n u f a c t 嘶n gs y s t e m s ，c i m s ) 是c i m 哲理和技术构成的具体实现。1 9 8 7 年我国8 6 3 c i m s 主题专家组对c i m s 的定义是：“c i m s 是未来工厂自动化的一种模式。它把以往企业内相互分离的 技术( 如c a d 、c a m 、f m c 、m r p i i 等) 和人员，通过计算机有机地综合起 来，使企业内部各种活动高速度、有节奏、灵活和相互协调地进行，以提高企 业对多变竞争环境的适应能力，使企业经济效益持续稳步地增长。” 针对产品开发过程，集成主要分为信息集成( 也叫数掘集成) ，过程集成 和企业j 刈集成三类。 1 ) 信息集成 第一章绪论 信息集成是利用通信技术和数据库技术，在共享信息模型的支持下实现不 同应用系统之问的信息共享l i ”。出于企业不同应用系统分布在网络环境下异构 计算机系统中，它们所管理和操作的数据格式和存储方式不同，信息集成的目 的就是要实现数据的转换( 不同数据格式和存储方式之间的转换) 、数据源的统 一、数据的一致性维护、以及异构环境下不同应用系统之间的数据交换【i3 ，”】。 信息集成的理想目标是在正确的时间，将正确的信息以正确的方式传送给j 下确 的人或机器，以做出正确的决策和操作。 目前关于信息集成的系统比较多，在产品开发领域，p d m 是实现信息集成 的基础和基本框架i l “，它主要解决产品开发过程中，在设计制造等阶段的数据 集成，提供一种结构化的方法，有效地、有规则地存耿、集成、管理和控制产 品的数据以及数据的使用流程，保证产品生命周期内各个阶段产品数据的一致 性，是实现产品开发过程中信息集成的关键技术。 2 ) 过程集成 过程集成就是在完成信息集成的基础上，利用计算机支持的软件工具进行 流程之间的协调，消除流程中各种冗余和非增值的子流程( 活动) 、以及由人为 因素和资源问题等造成的影响流程效率的一切障碍，将一个个孤立的应用集成 起来形成一个协调的运行系统，使企业流程总体达到最优【1 6 1 ”。 过程集成的关键是以并行的思想综合考虑产品生命周期中的所有活动，实 现产品生命周期中各种业务过程的整体优化，使应用系统集成起来，形成一个 协调的集成运行系统。过程集成是信息集成在广度和深度上的延伸和扩展，它 更多的考虑了系统的协调和优化。通过过程集成，把产品开发的各个活动看成 是个整体，从全局优化的角度出发，综合考虑产品丌发中不同阶段的需要， 实现各个设计阶段信息的有效共享和过程的统一协调与管理。 过程集成技术主要包括过程建模、过程分析与优化以及过程集成与运行三 个方面的内容。工作流技术是实现过程集成的关键技术。通过工作流管理技术 可以建立产品协同开发的过程模型，实现产品开发过程中任务的自动化分配与 协调，以及产品丌发过程的集成管理。 3 ) 企业1 日j 集成 企业间集成是指一个企业的业务过程与另外一个企业的业务过程之间的 集成，或者不同的企业共享一些业务过程。企业集成需要采用一定的通讯机制 和标准，连接相关企业间所有必须的系统和异构功能实体，通过它们之间的合 作、协调和互操作，实现跨越组织界限的信息流，控制流和物料流的传递，从 而将相关的企业组成一个协调的整体，使得业务过程可以协调地运行i l2 1 埔j 。 西北工业大学博士学位论文 企业问集成的目的是综合运用先进的信息技术、制造技术和网络技术，通 过与其它优势企业的联合，形成以产品为中心，以生产为中心，以控制为中心 的虚拟企业，实现最大程度地优化企业内、外部资源的目的。 实施企业间集成需要解决的主要技术问题包括共享信息模型、过程模型的 定义、数据交换标准与数据集成机制的定义、数据交换接口的开发、数据交换 接口与企业内部信息系统的集成和信息安全等问题旧他】。 企业间集成也可以理解为在虚拟企业( 相关企业) 之间实现的信息集成和 过程集成【9 】。企业间集成以虚拟制造、敏捷制造和网络化制造为代表。实现企 业集成的关键技术是分布式p d m 以及跨企业的工作流管理系统。 1 2 2 p d m 技术 1 ) p d m 技术的概念和发展 p d m 技术最早出现在8 0 年代，当时伴随c a d c a m 技术出现的工程图档 管理系统就是p d m 的雏形。早期p d m 系统的目的是实现对产品设计过程中的 电子文档进行集中管理，以便于查询和检索。 随着p d m 技术的成熟以及企业产品胁同开发过程的要求，p d m 己成为制 造业产品数字化集成开发的支撑工具【3 ，4 1 。作为产品信息集成管理的工具，p d m 技术的发展经历了4 个阶段： 8 0 年代p d m 主要实现工程图档管理功能，不具备集成能力。 9 0 年代出现部门级p d m ，主要应用于设计部门，管理产品设计过程中产 生的c a d 数据，已经实现了c a d 和p d m 之间的紧密集成，但是还不具备过 程集成能力。 2 0 0 0 年后，出现了企业级p d m 。p d m 的应用已经延伸到设计、制造、计 划和采购等不同的部门，成为企业信息传递的桥梁，已经基本实现了c a d c a e c a p p c 舢洲e r p i i 和p d m 之间的集成，而且具备简单的过程集成能力【1 ”。 随着集成制造技术和协同商务的发展，p d m 的内涵得到进一步发展，延伸 到企业问与产品相关的所有信息的集成管理，即产品全生命周期管理( p l m ) 【2 2 0 1 。 2 ) p d m 技术的研究内容 p d m 是以产品数据为中心，集成管理所有与产品相关信息、过程、人与资 源的软件系统，主要包括文档管理、产品结构管理、产品配置管理、版本管理、 工作流管理、项目管理和系统集成等功能。随着p d m 技术最近1 0 年的快速发 展和逐步应用，其基本功能已经比较成熟。作为制造业产品数字化丌发的信息 第章绪论 集成的平台，当甜p d m 技术的研究内容主要集中在以下几个方面： ( i ) 文档管理 针对产品数字化集成丌发的要求，主要研究产品丌发过程中与产品相关的 全部数掘的管理，这些数据包括工程设计数据，分析数据，加工数据，工艺文 档，产品数据模型，产品图型数据等，并且这些数据在格式上包括c a d 图形 文件，文本文件，有限元等分析测试数据，表格文件，多媒体文件等不同格式。 ( 2 ) 工作流和版本管理 p d m 系统中工作流管理强调的是对产品数掘审批发放流程和更改流程的 管理，包括对审批发放和更改流程的制定，以及对其运行进行管理和控制。版 本管理主要是针对审批发放和更改流程提出的研究内容，通过版本管理记录产 品数据在整个设计过程的变化，便于对设计过程的追溯，以及设计方案的比较 和选择。 ( 3 ) 基于p d m 的集成研究【1 5 1 基于p d m 的集成研究主要是通过p d m 系统实现对数掘的统一管理为并 行工程和协同丌发过程提供单一的产品数据源。p d m 的集成包括数据模型集 成，功能集成和过程集成。数据模型集成是指通过一个统一的数据模型实现不 同系统之阳j 数据的共享和交换，例如通过主模型技术实现产品数扼在 c a d c a e c a p p c a m 之间的集成；功能集成是指实现不同功能的应用系统之 间的集成，例如p d m 和e r p 的集成；过程集成是指通过p d m 系统的框架作 用，实现产品开发中过程的导航、产品数据的传递和共享。 ( 4 ) 产品的全生命周期管理 产品生命周期管理( p m d u c tl i f e c y c l em a n a g e m e n t ，p l m ) 是为满足制造 业对产品生命周期信息管理的需求而产生的一种新的管理模式。它是在p d m 基础上发展起来的一种制造的理念。p l m 的思想是通过一系列相互一致的业务 解决方案支持整个生命周期过程中产品信息的创建、管理、分发和使用，实现 对人、过程和信息等要素的集成，其作用可以覆盖到产品从概念设计、制造、 使用直到报废的每一个环节【2 1 ，2 2 1 。p l m 的主要特征是集成功能，它不仅具备企 业级p d m 的功能，还通过一致的数据访问模型实现与e r p 、c r m 、s c m 等应 用系统之间的集成，消除产品活动中各应用系统间形成的信息“孤岛”，以及支 持产品整个生命周期所有活动的协同。目前p l m 研究主要是讨论p l m 理念以 及基于p l m 的集成框架研究卧”】。 3 ) 当前p d m 系统的不足 当前p d m 系统已经比较成熟，能较好地管理产品的各项数据，但在航空 西北工业大学博士学位论文 发动机产品的集成开发中发现p d m 系统还存在以下不足： ( 1 ) 版本管理功能不足。p d m 系统的版本管理主要是针对审批流程中生 成的版本进行管理，对设计人员在设计过程中生成，但不需要提交审批流程的 大量中间版本，p d m 系统不能提供相应的版本管理。在航空发动机产品丌发中， 这些中间版本蕴涵大量的设计知识，具有重要的参考价值。 ( 2 ) 对过程集成支持不够。p d m 主要是实现产品数据的集成管理，在数 据的集成管理中需要用户主动把数据输入到p d m 系统中，不能按照设计过程 中的活动步骤自动实现数据的集成管理。p d m 系统中也内嵌有工作流管理系 统，主要是对产品数据的审批发放和更改流程提供管理和控制，不具备对产品 开发过程进行任务协调和调度等功能。 1 2 3 工作流管理技术 1 ) 工作流的概念和分类 工作流技术的起源可追溯到上世纪7 0 年代末的办公自动化和任务批处理 系统，它是针对现实生活中许多具有结构化、固定程序的过程提出的概念。目 的是通过将工作分解成定义良好的任务，然后按照定的规则和过程来执行这 些任务，并对它们进行监控，以达到提高办事效率，降低生产成本，提高企业 生产管理水平和企业竞争力的目的。 工作流管理的目标是通过调用有关的信息资源与人力资源来协调经营过 程中的各个环节，使之按照一定的顺序依次进行，从而实现经营过程的自动化 和集成管理。 随着工作流技术在办公自动化、保险、银行、图书馆和医院等行业得到广 泛应用并取得成功，人们努力尝试将其应用于更复杂的工业应用领域，特别是 制造业领域。1 9 9 3 年，工作流管理联盟( w o r k n o w m a n a g e m e m c d a l i t i o i l w o 订c ) 成立，它致力于工作流产品互操作和软件技术的标准化工作。 按照w f m c 的定义【2 “，工作流是经营过程的全部或部分自动化，其中文档、 信息或任务按照一组程序化的规则集从一个参与者传递到另一个参与者进行 执行。而工作流管理系统( w o r k n o w m a n a g e m e n ts y s t e m ，w f m s ) 则是通过使 用软件来定义、创建和管理工作流的执行系统，它运行在一个或多个解释过程 定义的工作流引擎上，与工作流参与者交互，并在需要时调用i t 工具和应用程 序。 根据以上定义，作者认为工作流是经营过程的一种计算机化的表示模型， 它综合考虑经营过程中活动间的协调关系，定义完成事务过程应该包含的每个 第一章绪论 活动( 包括活动的执行代理，活动执行需要调用的应用程序，活动应该完成的 内容和活动执行的时间限制等属性) ，以及这些活动之间的过程逻辑和数据流关 系，达到实现业务过程集成管理的目的。 按照不同的分类准则，工作流系统可以有多种分类方法【2 ”，按照其实现经 营过程的类型，可以分为管理型工作流、a d - h o c 型工作流、协作型工作流和生 产型工作流4 类；按照底层实现技术，可以分为基于文件的工作流，基于消息 的工作流和基于过程的工作流3 类。 2 ) 工作流技术的研究内容 根据w o “c 提出的工作流参考模型，工作流管理系统主要包括工作流过程 建模，工作流执行服务，工作流管理与监控，工作流互操作，工作流客户端应 用以及应用调用六个组成部分，如图1 1 所示【2 ”。随着工作流技术的发展，工 图1 - l 工作流参考模型幽 作流元模型，工作流建模语言和建模方法，工作流引擎的执行机制，工作流系 统间的互操作标准，工作流管理与监控，工作流客户端应用等基本功能已经比 较成熟，目前关于工作流的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 分布环境下的工作流执行机制研究 工作流执行是工作流管理系统解释过程模型定义，创建过程实例并控制实 例执行的过程。工作流管理系统中负责创建过程实例并控制实例运行的模块叫 工作流引擎( 也叫工作流机) 。一个工作流管理系统可能存在一个或者多个工作 流引擎，工作流执行服务是由一个或多个工作流引擎组成，用以创建、管理和 执行工作流实例的软件服务。 工作流执行服务是工作流管理系统的核心，主要完成过程定义的实例化、 两北j ：业大学博士学位论文 任务分配与过程导航、数据传递，以及与外部资源和用户的交互，维护工作流 控制数据和工作流相关数据。 目前关于工作流执行服务的研究主要集中在分布环境下的工作流执行机 制以及跨企业的工作流管理系统两个方面。辛鹏【2 9 】通过利用j a v a 的扩展框架和 观察者模式，提出了一种分布式工作流引擎的实现方案：t h o m a sb a u e r 【3 0 】研究 了分布式工作流管理系统中的负载平衡机制和实例在工作流服务器问的迁移方 法；p a u lg r e f e n p lj 在针对虚拟动态联盟开发的跨企业的工作流管理系统 c r o s s f l o w 中提出合约模型和协作支持服务的机制，通过合约模型实现各个企 业问的通信和协调，通过协作支持服务实现不同企业间工作流系统的系统的协 同；b i a k emb r i a 2 l 和m a n i n f l e u r k e 吲采用基于代理的方法，通过代理通讯 和协商机制实现跨企业的工作流执行；j a i l a k ab a l a s o o r i y a 州在b o n d f l o w 工作 流系统中采用基于w e bs e j c e s 方式实现分布式工作流管理系统的执行。 ( 2 ) 工作流的自适应和柔性执行机制研究 工作流柔性是指工作流系统对复杂情况的适应能力( 也叫工作流自适应 性) ，包括过程模型柔性和过程执行柔性两类。过程模型柔性指对复杂过程逻辑 的描述能力，如j u s t u s 【”j 提出在过程建模中引入柔性元素的方法；范玉顺【3 6 】提 出基于协调理论和反馈机制的建模方法；p e t e fm a l l g a n 提出过程模型和活动恻 的语义约束方法 4 】；c g o d a n l 1 提出协同节点的方法等。过程执行柔性指工作 流系统过程执行的灵活性，如d a i l i e i ag r i g o r j 提出活动的预执行方法：c h u l l g pwh 4 0 1 和m e n gj 【3 9 ，4 0 1 等从支持过程模型动态更改的角度进行的柔性研究。 ( 3 ) 工作流动态更改研究 工作流动奎更改是根据事物过程动态性的需要，在运行过程中对工作流进 行更改的过程。动态更改性是衡量个工作流管理系统性能的重要指标，是 工作流领域的研究热点之一。工作流动态更改包括更改操作和实例处理两部分 内容4 3 1 ，更改操作是根据过程更改的需要，利用工作流管理系统提供的更改 操作集对过程模型进行更改，包括插入活动，删除活动，改变控制结构等操作； 实例处理是动态更改操作后，对按原过程模型运行的实例采取什么处理策略， 一般包括放弃、重新开始、继续运行和迁移等策略。 关于工作流动态更改操作的研究比较多，例如范玉顺m j 扩展传统的活动网 络模型，增加等待连接、并行块、服务和修改快等单元结构，提出了支持工作 流动态更改的过程元模型；心a d o i f e r m a r k u s 【4 5 1 研究了工作流动念更改操作以及 动态更改后的实例迁移；s t e 丘m i er j n d e r l e 4 7 】从图形等价和踪迹等价的角度研 究了动态更改后实例迁移的正确性规范：w m pv a l ld e ra a l s t 从实例迁移规范 第一章绪论 的有效性和基于继承关系的动态更改两个角度研究实例的迁移规范【4 驯：并研究 了工作流动念更改异常问题，提出通过动念更改域的方法判断一个实例是否能 正确迁移一”。 ( 4 ) 面向服务的网格工作流 随着网格技术的快速发展和网格计算的推广使用，提出网格工作流的概 念。通过基于网格的工作流管理系统来实现对网格应用进行构建、执行调度和 管理监控，使网格应用能够自动化执行，而且效率更高。 网格工作流不仅仅使工作流技术在网格环境下的应用，由于网格的异构分 布性和动念性，网格工作流在过程建模，资源组织，过程调度等方面比传统工 作流管理系统复杂得多。网格工作流是目前的一个研究热点。j i a nc a o ( 4 9 i 提出 了一个分布式可配霄的网格工作流引擎，通过部署j i l l i 服务实现网格工作流引 擎的功能，具有可扩展性和负载平衡功能；d i e t e rc y b o k 【”j 在丌放网格服务结 构的基础上提出了一个网格工作流的系统结构，并研究了网格工作流执行语言 和网格工作流执行引擎i 张绍华1 5 ”研究了网格工作流的组织资源模型和网格工 作流的动态调度算法：g r i d a n t l 5 2 j 是一个客户端控制的网格工作流管理系统，由 工作流引擎，允许环境，工作流词汇表，工作流监控组成，支持用户控制网格 活动的执行和网格资源的使用；g i r d f l o w 吲是一个支持网格计算的网格工作流 管理系统，主要由用户门户、全局网格工作流管理服务和局部网格子工作流调 度服务三个部分组成，用户门户用来用户进行网格工作流建模和访问网格服务， 全局网格工作流管理系统服务在网格资源管理系统层上工作，模拟、执行和监 控工作流的执行，局部网格子工作流调度服务主要处理子工作流调度和冲突管 理。 3 ) 工作流技术的不足 工作流管理技术虽然在办公自动化领域取得了广泛应用，但要在复杂的事 物过程( 制造业的产品开发过程等) 中得到应用还需要解决以下的不足： ( 1 ) 执行的柔性不足。目前在工作流管理系统中，活动的执行严格按照 前驱活动执行完毕，后续活动才可能开始的机制，不能良好地支持过程模型的 柔性执行、任务的智能分配以及活动执行过程中信息的交换和协同，另外在工 作流的事务性支持和工作流引擎的负载均衡等方面也存在不足。 ( 2 ) 工作流动态更改能力的不足。在产品开发过程运行中，由于技术的 进步、新法规的实施以及过程的优化等很多原因需要对过程模型进行更改，当 前工作流管理系统都不能良好地支持动态更改过程。另外，当前的w f m s 将过 程模型的创建和运行分丌，而