（机械设计及理论专业论文）型号产品研制过程中的并行策略研究.pdf

沈阳航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的快速发展，越来越多的企业和行业研究和应用了并行工程。并行工 程以缩短产品开发时间、提高产品质量和降低产品开发成本为目标。型号产品多为单件 或者小批量生产产品，适合采用并行工程的生产模式，但是需要解决设计迭代和活动重 叠两大问题，这是本文的研究重点。 本文首先介绍了并行工程的基本理论、特点及相关支撑技术，分析了产生无效迭代 的原因及其管理策略。基于p e t f i 网理论和建模软件w i t n e s s 建立了支持迭代的串、并行 过程模型；对该模型进行了描述，并设定参数和三种不同条件进行模拟运行，得到研制 过程的仿真时间和各任务阶段的繁忙率。通过分析数据，验证了在产品研制中并行设计 比串行设计具有更大的优越性。研究了产品并行设计过程中的重叠问题，结合下游启动 时刻数学模型，给出并行度、重叠度的计算公式，并通过算例的计算，验证了该公式的 有效性和可行性；提出了提高产品设计并行效果的方法。 本研究将对企业加速型号产品设计开发的速度，提高型号产品的质量，降低产品设 计与工艺成本有着理论与实践并重的指导意义。 关键词：并行设计；型号产品；迭代；重叠；过程建模；w i t n e s s 鲨堕堕窒塾鲞奎堂堡主堂垡笙奎 一 一一 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ( c e ) h a s b e e nr e s e a r c h e da n da p p l i e db ym o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e sa n di n d u s t r ya r e a s t h ep u r p o s e s o fc ea r es h o r t e n i n gt h ed e v e l o p m e n tt i m e ，i m p r o v i n gt h ep r o d u c tq u a l i t ya n dr e d u c i n gt h e c o s to fp r o d u c td e v e l o p m e n t p r o je c tp r o d u c t sa r es u i t a b l ef o ru s i n gc ep r o d u c t i o nm o d e b e c a u s eo ft h a tt h e ya r ei n d i v i d u a lp r o d u c t i o no rs m a l ls e r i a lp r o d u c t i o np r o d u c t s i t e r a t i o n a n do v e r l a p p i n ga r et w oi m p o r t a n ti s s u e si nt h ei m p l e m e n t a t i o no fc ei np r o j e c tp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，a n dt h e ya r et h ef o c u so f r e s e a r c hi nt h i sp a p e r t h eb a s i ct h e o r y , f e a t u r e sa n dr e l a t e ds u p p o r tt e c h n o l o g i e so fc ew e r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e rf i r s t l y t h er e a s o n so fi n v a l i d - i t e r a t i o n a n dm a n a g e m e n ts t r a t e g yw e r ea n a l y z e d p r o c e s sm o d e l i n gt h e o r ya n dm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h em o d e l so fs e q u e n t i a la n d c o n c u r r e n td e s i g np r o c e s sw e r eb u i l ta n dd e s c r i b e db a s e do ns o f t w a r ew i t n e s sa n dp e t r in e t s s i m u l a t i o nt i m ea n db u s yr a t eo fe a c ht a s k s t a g eo ft h ed e s i g np r o c e s sw e r eo b t a i n e db y s i m u l a t i o n - m nu n d e rt h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dg i v e np a r a m e t e r s t h ea n a l y s i so fd a t a s h o w st h a tt h e r ea r em o r ea d v a n t a g e si nc o n c u r r e n td e s i g nt h a ni ns e q u e n t i a ld e s i g n t h e i n f l u e n c e so fo v e r l a p p i n gi nc o n c u r r e n td e s i g nw e r er e s e a r c h e d ，a n d t h ec o m p u t a t i o n f o m u l a so fc o n c u r r e n td e g r e ea n do v e r l a p p i n gd e g r e ew e r eg i v e nc o m b i n e dw i t h t h e d o w n s t r e a ms t a r t u pt i m em a t h e m a t i c a lm o d e l t h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo fm e f o n n u l a sw e r ev e r i f i e db a s e do ne x a m p l ec a l c u l a t i o n ，a n dm e t h o d s t oi m p r o v ec o n c u r r e n c yi n p r o d u c td e v e l o p m e n t w e r eg i v e n t h es t u d yh a sag u i d a n c eb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c ei ni m p r o v i n gd e v e l o p m e n ts p e e d a n dq u a l i t yo f p r o j e c tp r o d u c t ，a n da l s oi nl o w e r i n gt h ec o s to f p r o d u c td e s i g na n dp r o c e s s k e y w o r d s ：c o n c u r r e n td e s i g n ；p r o j e c tp r o d u c t ；i t e r a t i o n ；o v e r l a p p i n g ；p r o c e s sm o d e l i n g ； w i t n e s s 一 i i 沈阳航空航天大学硕士学位论文 1 1 研究课题 第1 章绪论 本课题是辽宁省高等学校科研项目型号产品研制过程中的迭代与重叠策略研究 ( 项目编号：2 0 0 9 a 5 7 3 ) 的一个研究方向。 型号产品即航空高新技术类工程产品，其研制过程是一项高技术、多学科的复杂 的系统工程。通常而言，这类产品多为单件或小批量生产，而产品质量又集中体现 了。高精尖，的技术特点，这要求航天工艺技术要具有足够的快速应变能力卜2 1 。传 统的串行研发模式造成产品开发成本过高、研制周期长，已经成为了遏制现代企 业发展的一个瓶颈。并行设计具有快速的信息反馈能力，是现代先进制造技术的 研究热点之一。文献显示，目前已有型号产品在开发中应用了并行设计【3 5 j 。 实现型号产品的并行设计需要解决两个问题，一个是设计迭代( i t e r a t i o n ) ，另一 个是活动重叠( o v e r l a p p i n g ) 。研究发现，产品并行研制过程中存在着大量的设计迭代 和活动重叠。 在产品并行设计中，设计迭代是必须存在的，但是并不总是有利的。h e r r m a n n 等 在技术报告中指出，设计迭代在产品设计开发中扮演不受欢迎但又不可避免的角色，可 以通过设计更改来修正一些不良设计，但是需要付出较大的成本，并且有时会由于工期 等原因不得不接受由不良设计带来的高额制造费以及产品质量的欠缺，而控制好这些迭 代就可以有效缩短产品设计开发时间【6 j 。 活动重叠同样受到人们关注，它们是并行工程实现活动并行、缩短产品开发周期的 重要方式，但重叠也会带来一些负面问题和风险，所以许多文献都认为，设计活动之间 的重叠并不总是有利的，必须针对不同情况合理的安排重叠的程度。 处理好型号产品并行研制过程中迭代和重叠所带来的负面问题，是企业加快产品设 计与工艺规划速度、提高产品设计质量和降低产品设计成本的必要条件之一。本课题的 研究重点是产品设计的并行策略，并在此基础上，建立支持迭代的并行产品开发过程模 型，通过模拟运行，分析并行设计的优点等；通过研究并行设计的重叠问题，给出重叠 度的计算公式。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 1 2 研究背景 信息技术的高速发展给全球的制造业带来了新的技术，同时也带来了新的机遇、新 的挑战。现代企业之间的竞争已经从企业规模和产品成本的竞争发展到现如今的快速响 应市场的竞争了。 为了在目益激烈的市场竞争中获胜，企业必须在产品的研制周期、产品质量、成本 以及创新程度等方面具有竞争优势，其中时间和创新竞争力已是企业赢得竞争胜利的首 要因素。因而，企业需在管理、信息利用等方面做出新的技术变革，以突破传统开发模 式的桎梏。为实现这一目标，必须在开发和应用新技术方面展开研究。 文献显示，越来越多的企业在生产过程中用计算机技术来处理产品知识库、设计数 据、工艺数据、物料数据和生产数据等，制造业信息化正沿着信息集成到产品数据管理 到并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 的方向发展 7 j 。 从人类的发展历史来看，产品开发模式历经了手工、世生产模式、大工业生产模式以 及虚拟工业生产模式。手工业生产模式是原始的初级的并行生产模式，发展到后来被串 行的大工业生产模式所取代。白工业革命以来，大工业生产模式提高了生产率，是一个 很大的进步，但是随着信息技术的快速进步，串行生产模式显露了设计与工艺脱节、设 计与制造脱节的缺点。 2 0 世纪8 0 年代以来，自动化、信息、计算机以及制造技术的飞速发展，新知识不 断应用到产品开发中去。以快速响应市场、缩短产品开发周期为主要特点，要求从产品 设计的初期就要考虑到全生命周期中的问题的虚拟工业生产模式发展起来，它是基于敏 捷制造、虚拟制造、网络制造、全球制造上的生产模式。 在虚拟工业生产模式里，研究者们提出了并行工程的概念，强调了并行有序的产品 开发和上下游共同决策、信息快速反馈的过程。而且要在产品数据管理下进行过程控制 与管理，从而解决了设计与工艺长期脱离的矛盾，并为多品种单件小批生产的自动化提 供了有效途径。 基于并行工程的产品开发模式越来越受到人们的重视。与传统的串行研制生产管 理模式相比，并行设计模式具有很大优越性，一直是现代先进制造技术的核心研究热 点之一，文献【8 1 9 等研究了并行工程在航空、机械、汽车、电子等相关领域、行业的 2 沈阳航空航天大学硕士学位论文 应用、前景以及意义。面对当今全球严峻的竞争形势，串行模式终将要退出历史舞台而 被并行设计所取代。 文献 2 0 1 3 i 入了信息熵的概念通过将信息进行量化，建立一个下游设计活动启动时 刻v o 的数学模型。文献 2 1 从任务进行时间的角度，引入上游知识累积函数和下游设计 返工函数，建立并行产品开发模型，考察了信息交流次数和下游设计活动介入时刻的关 系。文献 2 2 建立一个以最小上市时间为优化目标的模型，该模型通过引入上游设计活 动的平均工程更概率和下游设计活动的修改率，计算下游设计活动的介入时间以及设计 活动间的信息交流次数。文献 2 3 2 6 从不同角度研究了设计任务的迭代与重叠问题。 1 3 研究内容 本课题的主要任务是研究型号产品并行研制过程中的设计迭代和活动重叠等问题。 通过研究产品开发过程的设计迭代问题，建立支持迭代的产品并行研制过程模型，该过 程模型应, 日a 匕匕1 4 e 区t 好地描述并行迭代过程特点及产品并行研制过程执行过程，便于计算机处 理，进行性能分析并验证其可靠性、可行性。通过研究产品开发过程中上游设计的信息 可靠度、下游活动对信息的敏感度等问题讨论活动重叠问题，根据上游设计信息和下游 反馈信息，结合下游活动启动时刻的数学模型，给出并行设计的重叠度公式，提出优化 产品并行设计效果的方法。 1 3 1 产品并行研制的基础理论 并行设计是并行工程的核心，产生于二战之前德美国。很多文献将并行工程和并行 设计当作同义词使用的，本文认为并行工程是随着并行设计的发展而发展起来的，并行 工程是广义的并行设计，并行设计是狭义的并行工程。 现代制造工业面对的是多品种、小批量和日益集成( 型号产品即是如此特点) 的生 产环境，它要求产品设计一开始就要考虑到全生命周期的各个过程。目前大部分企业的 产品的研发过程仍然是传统的串行设计模式，设计过程和制造过程是脱节的两个环节， 这在缩短产品开发周期、降低产品开发成本等方面很难达到企业的发展要求。 设计迭代及活动重叠是并行设计的两个重要特征，要研究产品设计过程的并行策 略，必须要将并行工程的理论研究清楚。本文将从并行工程的产生背景、概念特点及其 支撑技术的发展等方面进行学习，在此基础上提出型号产品开发的并行模式，并分析验 3 沈阳航空航天大学硕士学位论文 应用、前景以及意义。面对当今全球严峻的竞争形势，串行模式终将要退出历史舞台而 被并行设计所取代。 文献 2 0 1 3 i 入了信息熵的概念通过将信息进行量化，建立一个下游设计活动启动时 刻v o 的数学模型。文献 2 1 从任务进行时间的角度，引入上游知识累积函数和下游设计 返工函数，建立并行产品开发模型，考察了信息交流次数和下游设计活动介入时刻的关 系。文献 2 2 建立一个以最小上市时间为优化目标的模型，该模型通过引入上游设计活 动的平均工程更概率和下游设计活动的修改率，计算下游设计活动的介入时间以及设计 活动间的信息交流次数。文献 2 3 2 6 从不同角度研究了设计任务的迭代与重叠问题。 1 3 研究内容 本课题的主要任务是研究型号产品并行研制过程中的设计迭代和活动重叠等问题。 通过研究产品开发过程的设计迭代问题，建立支持迭代的产品并行研制过程模型，该过 程模型应, 日a 匕匕1 4 e 区t 好地描述并行迭代过程特点及产品并行研制过程执行过程，便于计算机处 理，进行性能分析并验证其可靠性、可行性。通过研究产品开发过程中上游设计的信息 可靠度、下游活动对信息的敏感度等问题讨论活动重叠问题，根据上游设计信息和下游 反馈信息，结合下游活动启动时刻的数学模型，给出并行设计的重叠度公式，提出优化 产品并行设计效果的方法。 1 3 1 产品并行研制的基础理论 并行设计是并行工程的核心，产生于二战之前德美国。很多文献将并行工程和并行 设计当作同义词使用的，本文认为并行工程是随着并行设计的发展而发展起来的，并行 工程是广义的并行设计，并行设计是狭义的并行工程。 现代制造工业面对的是多品种、小批量和日益集成( 型号产品即是如此特点) 的生 产环境，它要求产品设计一开始就要考虑到全生命周期的各个过程。目前大部分企业的 产品的研发过程仍然是传统的串行设计模式，设计过程和制造过程是脱节的两个环节， 这在缩短产品开发周期、降低产品开发成本等方面很难达到企业的发展要求。 设计迭代及活动重叠是并行设计的两个重要特征，要研究产品设计过程的并行策 略，必须要将并行工程的理论研究清楚。本文将从并行工程的产生背景、概念特点及其 支撑技术的发展等方面进行学习，在此基础上提出型号产品开发的并行模式，并分析验 3 沈阳航空航天大学硕士学位论文 证其可行性。 1 3 2 支持迭代的产品并行研制过程模型的建立 产品并行研制过程是一个阶段化的、螺旋上升的、信息逐步完善的过程。传统的串 行设计不能够快速响应市场要求，并行设计通过增加小循环、减少大循环的迭代方式来 增加产品开发设计对市场的快速响应能力，但是这些小的循环会造成产品开发成本的提 高。正确认识迭代和处理迭代是并行设计的一个重点，如何对并行设计过程进行合理的、 完整的表述是一个较为复杂的问题。 通过建立产品研制过程模型，可以对整个开发过程进行宏观控制，微观把握。例如 在设计阶段，将设计过程分为：产品设计、工艺设计两个任务，其中产品设计又可细分 为原理设计、初步设计、详细设计三个子任务，工艺设计可细分为产品工艺分析、初步 工艺设计和详细工艺设计三个子任务。在每个子任务执行后进行任务完成审核，若合格 则将任务传递给下一环节，否则返回修改。将这一过程用模型表达出来，可以方便产品 开发任务的管理和产品开发过程的优化。 在过程建模领域，有许多建模理论和方法，许多建模理论也都有相应的建模工具予 以支持。本文在第三章对这些建模理论和建模工具进行比较，然后选择合适的建模工具 建立支持迭代的过程模型，对该模型进行描述，并通过模拟运行，将得到的数据进行分 析，从而对产品并行研制过程进行评价。 1 3 3 下游活动的启动时刻及重叠度研究 活动重叠是指为了缩短产品开发时间，下游活动在上游活动还未结束之前就已开 始，形成上下游活动在某一时间段上的重叠。活动重叠能在一定程度上缩短产品开发时 间，但是下游活动的提前进行也具有一定的风险性。 在型号产品并行研制过程中，由于下游工艺设计活动的提前启动，必然会产生产品 设计与工艺设计之间在时间上部分重叠。重叠是把双刃剑，在上游活动信息充分的情况 下，下游活动的提前启动可以有效地缩短产品开发周期，减小产品开发成本；反之，若 上游信息不够充分，则下游活动的提前启动可能会导致设计活动的反复修改，造成产品 质量的下降、开发周期延长以及开发成本的上升。 本文以重叠度和下游设计活动的启动时刻为重点来研究并行设计中的重叠问题。分 析了影响下游启动时刻的因素，结合下游启动时刻数学模型，给出重叠度的计算公式， 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 并通过算例的计算，验证了该公式的有效性和可行性，并提出了提高产品设计并行效果 的方法。 1 4 研究意义 在全球市场日趋一体化的今天，顾客的需求千差万别而且不断变化，新的竞争对手 层出不穷。而技术的不断完善与进步更是日新月异，产品更新换代的速度不断加快，产 品生命周期也越来越短。面对如此巨大的市场变化和竞争压力，新产品的研发能力决定 了企业的市场竞争力和自主发展能力的大小，是企业不断壮大的基础。 并行产品研制中，产品开发者对产品开发任务进行有目的地任务分解和重组，对产 品开发过程进行有效地重新规划和管理，及时向上游活动反馈信息，避免了大范围的返 工，对于缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量、发展国民经济和提升综合 国力都有着极其重要的意义。实践证明，型号产品设计阶段对后续工作影响很大，改进 型号产品并行研制过程会比改进生产制造过程获得更大的经济效益。 本研究将对企业加速型号产品设计开发的速度，提高型号产品的质量，降低型号产 品设计与工艺、制造的成本发挥积极的作用。 5 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第2 章产品并行设计的基础理论 2 1 并行工程产生的背景 自2 0 世纪8 0 年代，并行工程作为一个正式名词问世，此后很多大的软件公司开发 了相关的支持并行工程的集成软件，引导了国际研究并行工程思想的热潮，越来越多的 企业和产品设计人员开始接受并研究并行工程理论。航空领域的波音、麦道，汽车领域 的福特以及电子领域的西蒙、惠普等对于并行工程的研究应用表明，并行工程是企业进 行产品开发过程中的有效方法。我国自上世纪9 0 年代开始对并行工程进行了研究， 8 6 3 c i m s 主题支持了并行工程技术的研究和应用工作。 表2 1 并行工程在国外一些企业开发中的作用 传统的产品研制模式是串行的，有人称之为“抛过墙”法【27 】( t h r o wo v e r t h ew a l l ) 。 根据英国政治经济学家亚当斯密的劳动分工理论，串行设计模式的出发点是为了提高劳 动效率，因而将工作任务尽可能的细化，将整个产品过程分为很多细小的步骤，涉及到 的部门和工作人员独立地负责其中的一部分任务，任务完成后将结果依次向下一部门移 交。这种抛过墙式的设计方式是以部门和员工的职能为中心的，因此在产品开发任务中， 开发人员可能对产品不具有完整的、统一的概念，从而可能会影响到产品的投资、上市 时间和质量等。传统的串行设计模式已经不能满足企业的发展要求了。 为了赢得市场和竞争，必须改变这种传统的产品开发模式，因此在8 0 年代初，人 们开始寻求更为有效的、新的产品开发模式。美国国防高级研究项目局( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ：d a r p a ) 1 9 8 2 年开始研究如何在产品设计过程中提 高各活动之间“并行度”的方法 2 8 。白此之后，并行工程逐渐发展起来。 6 沈阳航空航天大学硕士学位论文 2 2 并行工程的概念及特点 2 2 1 并行工程的概念 许多研究者从不同的角度对并行工程进行了定义，其中以美国防御分析研究所 ( i d a ) 给出的定义的采用最为广泛：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，这种工作模式力图使开 发者从一开始就考虑产品全生命周期包括质量、成本、进度和用户需求等在内的所有因 素 2 9 1 。 产品设计者 销售人员 图2 1 并行工程的设计网络 根据该定义，并行工程通过组织一个跨学科、跨部门的产品开发小组，在设计的 早期阶段全面地考虑产品的全生命周期的各个方面，充分地利用先进的组织理念和计算 机集成环境，及时地进行上下游活动的信息交流，尽早地暴露开发过程中的各种问题并 加以解决，在相对较短的时间内，以相对较低的成本生产出高质量的产品的一种产品开 发模式。 2 2 2 并行工程的特点 并行工程的核心是并行设计，并行设计是指在产品的设计阶段要充分考虑下游活动 中的工艺规划、制造装配、维修等环节的影响，通过各环节的并行集成，达到缩短产品 的开发周期、降低产品开发成本、提高产品质量等的目的。 在传统的串行设计过程中仅存在设计迭代，并行设计除了具有迭代特性，还具有重 叠特性。活动重叠表现在产品研制过程中，上游产品设计信息从模糊逐渐清晰，而下游 7 沈阳航空航天大学硕士学位论文 2 2 并行工程的概念及特点 2 2 1 并行工程的概念 许多研究者从不同的角度对并行工程进行了定义，其中以美国防御分析研究所 ( i d a ) 给出的定义的采用最为广泛：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，这种工作模式力图使开 发者从一开始就考虑产品全生命周期包括质量、成本、进度和用户需求等在内的所有因 素 2 9 1 。 产品设计者 销售人员 图2 1 并行工程的设计网络 根据该定义，并行工程通过组织一个跨学科、跨部门的产品开发小组，在设计的 早期阶段全面地考虑产品的全生命周期的各个方面，充分地利用先进的组织理念和计算 机集成环境，及时地进行上下游活动的信息交流，尽早地暴露开发过程中的各种问题并 加以解决，在相对较短的时间内，以相对较低的成本生产出高质量的产品的一种产品开 发模式。 2 2 2 并行工程的特点 并行工程的核心是并行设计，并行设计是指在产品的设计阶段要充分考虑下游活动 中的工艺规划、制造装配、维修等环节的影响，通过各环节的并行集成，达到缩短产品 的开发周期、降低产品开发成本、提高产品质量等的目的。 在传统的串行设计过程中仅存在设计迭代，并行设计除了具有迭代特性，还具有重 叠特性。活动重叠表现在产品研制过程中，上游产品设计信息从模糊逐渐清晰，而下游 7 沈阳航空航天大学硕士学位论文 工艺设计在上游产品设计进展到某一阶段即开始而不是在设计全部结束后才开始。 并行与集成是并行设计的主要特征，它们是通过信息的预发布形式表现的：上游活 动进行到一定时问或积累了一定的信息之后将这些信息传达给下游，下游活动在上游活 动尚未结束之前就已经开始进行，并且及时将下游活动产生的信息反馈给上游，以便上 下游之间能够得到充分的信息交流【3 0 1 。文献 3 1 3 3 】综合了并行工程的儿个重要特点： ( 1 ) 协同性 并行工程的工作小组是一个跨专业、跨部门的协同工作团队。小组的建立是基于所 有成员对于任务的统一的、全面的认识上。在产品设计过程中，协同工作小组的成员需 要相互信任、互相合作、及时沟通、协同工作。 ( 2 ) 并行性 在产品开发期间，通过并行处理开发阶段的任务，充分挖掘了协同工作小组的潜能， 体现了小组合作的信任、共享的价值：同时，由于活动的并行处理，也使得整个开发周 期得到缩短。 ( 3 ) 集成性 并行工程的进行是以计算机集成平台为基础的。在信息集成的基础上强调过程的集 成。在并行工程中，产品设计、工艺设计、制造装配等不是独立的单元，而是一个综合 的相互关联的系统，因此，在产品开发周期中，并行工程必须要充分地实现人员的集成、 知识的集成、信息的集成以及过程的集成。 ( 4 ) 反馈性 并行工程强调设计过程的每个阶段都要及时审核，并将审核结果及时反馈给相关的 设计人员。频繁的迭代增加了设计阶段的任务量，但是这样可以尽早地检查出设计错误， 及早更改设计，最终会极大程度地缩短了整个开发过程的周期长度。 2 3 并行工程的支撑技术 并行工程是从全局的角度，面向过程和对象，对整个开发过程进行集成管理和控制。 但是实践证明，并行工程的实施并非易事。先进的模式需要突破传统的思想观念、技术 的瓶颈。随着并行开发模式的深入人心，人们投入了更多的精力研究支持并行工程的关 键技术。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 2 3 1 计算机辅助工程( c a x ) 技术 随着计算机技术的快速发展，形成了一批先进的c a x 技术，例如计算机辅助设计 c a d 、计算机辅助分析c a e 以及计算机辅助工艺c a p p 等c a x 技术。这些单项的c a x 技术目前已经发展成熟，并且都有成熟的软件支撑。在并行工程的实施中，各种c a x 的交互是频繁的、双向的、动态的、复杂的，设计阶段产生的各种信息也是动态的、不 确定的，因此需要集成的c a d c a e c a m c a p p 技术平台。在这个平台上可以对各种设 计参数进行修改，进行产品的优化设计、分析 3 4 1 。 2 3 2面向产品生命周期( d f x ) 技术 并行工程要求设计者在设计过程中要考虑到下游活动对设计施加的约束，便于及早 发现问题而避免大工作量的返工。这类技术称之为面向产品生命周期( d f x ) 技术，是近 年来的关于并行工程的重要研究内容之一。 d f x 作为一种设计方法论，是面向制造设计( d f m ) 、面向装配设计( d f a ) 和i 面向成 本设计( d f c ) 等技术的统称。d f x 是通过在设计阶段充分考虑到产品的可制造性、可装 配性、可维修性、工艺、质量以及成本等各种因素，及时全面地对产品设计进行审核、 评价，然后向相关设计部门或者设计人员反馈信息，做到及时更改设计数据，减少产品 设计过程大的返工，最终能够达到降低产品开发成本( c ) 、提高产品质量( q ) 和缩短 产品开发周期( t ) 的目的【3 4 】。 2 3 3 产品数据管理( p d m ) 技术 文献 3 5 3 7 对p d m 进行了研究。在并行工程产品开发过程中，c a d 、c a e 、c a m 以及c a p p 产生了大量的数据，如设计数据、工程图纸、工艺规程和技术规程等，这些 庞大的数据群的文件类型不同，存储管理很不方便。p d m 是并行设计的使能技术和集 成框架，其目的依托计算机技术，对这些产品设计过程中产生的数据进行统一的管理， 通过一个友好界面实现协同工作小组的数据存储、修改、交换和共享。p d m 还具有过 程管理功能和项目管理功能，据此可以构造并行工程的产品设计流程，对设计过程进行 监控、跟踪，对设计结果进行预发布，优化设计结果。 2 3 4网络技术 以上提到的c a x 技术、d f x 技术以及p d m 技术等都是建立使用计算机的基础上 的，产品设计已不再是过去手工画图的时代，所有的设计活动，包括图纸、工艺文件、 9 沈阳航空航天大学硕士学位论文 2 3 1 计算机辅助工程( c a x ) 技术 随着计算机技术的快速发展，形成了一批先进的c a x 技术，例如计算机辅助设计 c a d 、计算机辅助分析c a e 以及计算机辅助工艺c a p p 等c a x 技术。这些单项的c a x 技术目前已经发展成熟，并且都有成熟的软件支撑。在并行工程的实施中，各种c a x 的交互是频繁的、双向的、动态的、复杂的，设计阶段产生的各种信息也是动态的、不 确定的，因此需要集成的c a d c a e c a m c a p p 技术平台。在这个平台上可以对各种设 计参数进行修改，进行产品的优化设计、分析 3 4 1 。 2 3 2面向产品生命周期( d f x ) 技术 并行工程要求设计者在设计过程中要考虑到下游活动对设计施加的约束，便于及早 发现问题而避免大工作量的返工。这类技术称之为面向产品生命周期( d f x ) 技术，是近 年来的关于并行工程的重要研究内容之一。 d f x 作为一种设计方法论，是面向制造设计( d f m ) 、面向装配设计( d f a ) 和i 面向成 本设计( d f c ) 等技术的统称。d f x 是通过在设计阶段充分考虑到产品的可制造性、可装 配性、可维修性、工艺、质量以及成本等各种因素，及时全面地对产品设计进行审核、 评价，然后向相关设计部门或者设计人员反馈信息，做到及时更改设计数据，减少产品 设计过程大的返工，最终能够达到降低产品开发成本( c ) 、提高产品质量( q ) 和缩短 产品开发周期( t ) 的目的【3 4 】。 2 3 3 产品数据管理( p d m ) 技术 文献 3 5 3 7 对p d m 进行了研究。在并行工程产品开发过程中，c a d 、c a e 、c a m 以及c a p p 产生了大量的数据，如设计数据、工程图纸、工艺规程和技术规程等，这些 庞大的数据群的文件类型不同，存储管理很不方便。p d m 是并行设计的使能技术和集 成框架，其目的依托计算机技术，对这些产品设计过程中产生的数据进行统一的管理， 通过一个友好界面实现协同工作小组的数据存储、修改、交换和共享。p d m 还具有过 程管理功能和项目管理功能，据此可以构造并行工程的产品设计流程，对设计过程进行 监控、跟踪，对设计结果进行预发布，优化设计结果。 2 3 4网络技术 以上提到的c a x 技术、d f x 技术以及p d m 技术等都是建立使用计算机的基础上 的，产品设计已不再是过去手工画图的时代，所有的设计活动，包括图纸、工艺文件、 9 沈阳航空航天大学硕士学位论文 审核文件都可以通过计算机处理。并行工程的活动是并行的，对于同一个产品设计活动， 涉及到数据的协同处理、远程处理等。因此，分布式、开放的计算机网络平台是各个远 程设计终端实现协同工作的必备技术支持。 2 4 产品开发过程的并行模式 产品开发过程是指从产品定义到产品批量生产之前这一段时间，包括与产品开发有 关的所有相关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。在本文中， 产品设计过程指的是从产品设计任务下达到产品销批量生产的这一个阶段内的所有与 产品开发有关的技术活动和管理活动。 2 4 1 并行模式的工作原理 随着经济全球化、信息全球化的发展，传统的产品设计模式已经不再满足企业的要 求了。其主要原因是传统的产品设计理念、方法在产品的整个开发过程中不是从整体的 角度出发，从设计部门到生产部门，产品开发任务是逐步向下依次传达的，这种模式下 开发的产品需要经过多次大的反馈和返工，造成人力、物力、时间以及经济的极大浪费。 在此背景下产生的并行工程以产品全生命周期为出发点，在产品设计的初期阶段全面考 虑后期各个阶段对产品开发的影响，加强产品设计的信息反馈，优化设计结果，从而提 高企业生产率、降低产品开发成本，缩短产品开发时间。 图2 2 、图2 3 显示的就是串行模式与并行模式的比较。 产品开 投阶段 图2 2串行产品开发模式时序 时间轴 1 0 沈阳航空航天大学硕士学位论文 审核文件都可以通过计算机处理。并行工程的活动是并行的，对于同一个产品设计活动， 涉及到数据的协同处理、远程处理等。因此，分布式、开放的计算机网络平台是各个远 程设计终端实现协同工作的必备技术支持。 2 4 产品开发过程的并行模式 产品开发过程是指从产品定义到产品批量生产之前这一段时间，包括与产品开发有 关的所有相关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。在本文中， 产品设计过程指的是从产品设计任务下达到产品销批量生产的这一个阶段内的所有与 产品开发有关的技术活动和管理活动。 2 4 1 并行模式的工作原理 随着经济全球化、信息全球化的发展，传统的产品设计模式已经不再满足企业的要 求了。其主要原因是传统的产品设计理念、方法在产品的整个开发过程中不是从整体的 角度出发，从设计部门到生产部门，产品开发任务是逐步向下依次传达的，这种模式下 开发的产品需要经过多次大的反馈和返工，造成人力、物力、时间以及经济的极大浪费。 在此背景下产生的并行工程以产品全生命周期为出发点，在产品设计的初期阶段全面考 虑后期各个阶段对产品开发的影响，加强产品设计的信息反馈，优化设计结果，从而提 高企业生产率、降低产品开发成本，缩短产品开发时间。 图2 2 、图2 3 显示的就是串行模式与并行模式的比较。 产品开 投阶段 图2 2串行产品开发模式时序 时间轴 1 0 沈刚航空航天大学硕士学位论文 产品开 发阶段 f - 口升1ji 册i 丌厘j 司删爿h 豆u 1i r j 市场分析l 产品设计 l 工艺设计 i 制造装配 i 检涨将 时间轴 图2 3 并行产品开发模式时序 在传统的串行设计模式中，活动的进行没有重叠，一般都是上游活动完成之后，将 信息传递给下游，下游在接到上游的完整信息后启动任务。在活动的进行中，上下游不 能及时沟通造成信息不流畅，进而会引起不必要的重复设计和设计改动，给产品开发周 期、成本等都会带来负面的影响。 在并行工程中，产品开发项目部会在产品开发初期，集中不同学科的专业人员，组 成一个协同工作小组。该小组成员之间基于互相信任的基础上相互沟通，对产品设计、 工艺设计、装配设计等产品全生命周期的各个阶段进行充分的考虑及讨论研究，并及时 将信息反馈给相关的设计人员。这样可以防止因设计人员的知识和认知的片面性导致的 设计失误。 图2 4 是并行工程的运行模式示意图。 图2 4 并行工程的运行模式示意图 沈阳航空航天大学硕士学位论文 2 4 2 型号产品并行模式的提出 型号产品多为小批量、多种类的订单式产品，而且此类产品往往要按照客户的需求 进行设计开发，有些产品的特殊要求在产品制造过程中也会有所调整，并且还有明确的 交货期限。研究表明，型号产品设计阶段对后续工作影响很大，改进型号产品并行研制 过程会比改进生产制造过程获得更大的经济效益。 在当今日趋激烈的竞争环境下，企业如果能在产品开发中采用并行模式，就能缩短 产品开发周期，加快产品更新速度，提高产品质量，最终提高企业的竞争力。在对产品 特点及当前企业发展趋势和竞争环境的分析的基础上，结合并行工程思想，本文提出型 号产品开发的并行模式。 2 5 本章小结 并行设计是并行策略的体现，并行工程是并行设计的理论基础。本文在研究产品的 并行策略之前介绍了并行工程的相关概念、特点以及并行工程的支撑技术，在对当今企 业反战趋势和外部竞争环境的分析的基础上，提出了型号产品的并行开发模式。 1 2 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第3 章支持迭代的产品研制过程模型的建立 3 1 产品并行设计的迭代理论研究 设计迭代是并行工程的主要特征，迭代是一种为了改进设计而进行的活动重复，其 表现为产品设计上游活动结果在本活动中有冲突，而使得活动不能够继续下去，需要返 回上游修改上游的设计结果。产品并行研制过程迭代具有以下几个特剧3 0 ： ( 1 ) 通过多次的“小循环”来避免串行设计“大循环”的弊端； ( 2 ) 强调产品设计与工艺设计的交叉、并行及协同； ( 3 ) 以设计早期的多次局部迭代和修改来逐渐推进设计过程，每次局部迭代的设计 过程都牵涉到每一个功能环节。 迭代是过程分析、规划、管理关注的焦点和难点之一，目前，国内外许多学者对此 做了大量的研究工作。o s b o m e 对i n t e r 公司半导体产品开发过程进行了研究，发现迭代 式开发过程中最难于控制的主要因素，其约占总开发成本的1 3 。7 0 3 8 】。p a m a c h a n d r a n 等人认为好的初始设计决策可显著减少迭代 3 9 1 。h e r r m a n n 等人认为迭代在产品设计中 扮演着不受欢迎但是又不可缺少的角色，控制好迭代可以缩短产品开发时间【6 】。 公理设计理论 4 0 】认为设计问题可以分为以下四个域：用户域，其元素为用户需求； 功能域，其元素为功能要求；结构域，其元素为设计参数；工艺域，其元素为工艺参数。 产品设计过程的本质是相邻域之间的参数转换，而产品并行研制过程就是参数之间的反 复迭代的过程。 用户域 功能域物理域工艺域 图3 1 公里设计理论的域 文献 4 l 】将迭代描述为数学逼近问题的求解顺序，即：给出一个最初的假设，以便 推进计算得到一个接近目标值的结果，在下一阶段，这个得到的结果会被用来计算以得 到更精确的结果，若收敛快，几次迭代就可以得到满意的解。但是，迭代意味着重做和 1 3 沈阳航空航天人学硕士学位论文 对前面工作的部分乃至全部否定，因而迭代导致了产品开发过程的进度风险。在产品开 发中，如何认识迭代问题，如何处理迭代问题，是控制产品开发执行时间、提高产品质 量和降低产品开发成本的重要因素。 3 1 1 产生设计迭代的原因 按是否可预测可将迭代分为有意迭代和无意迭代。 有意迭代也称有效迭代，是指在设计过程中有意进行交互设计。它被定义为实现或 改进设计目标所进行的设计进化活动，是计划中的。若不能收敛于目标，则需对上游任 务进行重做使其约束在需要的区域。进行必要的有效迭代可以提高产品的设计质量，毕 竟设计任务不是一次就可以完成的，多次的优化设计、修改是提高产品设计质量的有效 途径。 无意迭代也称无效迭代，是指在设计过程中因信息更新或者其它设计以外的因素引 起的迭代，是计划外的，不可预料的。无效迭代会严重地影响产品开发成本和时间。文 献 4 2 分析了以下几条原因： ( 1 ) 不确定的产品需求导致重复的设计活动； ( 2 ) 各项开发活动的完成时间不一致； ( 3 ) 各项开发活动之问缺乏协调，导致时间的浪费，信息的错误传递； ( 4 ) 人力和资源的低效分布； ( 5 ) 许多看似可行的缩短开发时间的方法可能会引起不良效果； ( 6 ) 由各项开发活动的信息依赖所确定。 3 1 2 设计迭代的管理策略 迭代在产品设计过程中有着不可替代的作用，因而是必须存在的，但是产生了无效 迭代就意味着要重做或者改进之前的工作，这势必会造成费工、费时、费资源，因而在 产品开发过程中有效控制无效迭代的产生非常重要。目前的研究者主要从以下几个方面 进行研究分析的。 ( i ) 建立跨部门、跨学科的产品研发队伍 一个成功的协同工作小组是由涉及同一个迭代活动的执行者组成，其结果是：上游 活动的执行者与下游活动的执行者频繁地交换信息，使得上游活动的可变性降低；同时， 由于信息的快速反馈，可以一定程度上降低下游设计活动对于信息敏感度的影响。 1 4 沈阳航空航天人学硕士学位论文 对前面工作的部分乃至全部否定，因而迭代导致了产品开发过程的进度风险。在产品开 发中，如何认识迭代问题，如何处理迭代问题，是控制产品开发执行时间、提高产品质 量和降低产品开发成本的重要因素。 3 1 1 产生设计迭代的原因 按是否可预测可将迭代分为有意迭代和无意迭代。 有意迭代也称有效迭代，是指在设计过程中有意进行交互设计。它被定义为实现或 改进设计目标所进行的设计进化活动，是计划中的。若不能收敛于目标，则需对上游任 务进行重做使其约束在需要的区域。进行必要的有效迭代可以提高产品的设计质量，毕 竟设