产品层级演化开发过程的建模方法研究
2013-08-23陈柳青
贾 鹏，高 琦，高 蕾，陈柳青，纪 雪
JIA Peng1,2，GAO Qi1,2，GAO Lei3，CHEN Liu-qing1,2，JI Xue1,2
(1.山东大学 机械工程学院，济南 250061；2.高效洁净机械制造教育部重点实验室(山东大学)，济南250061；3.胜利油田电力管理总公司电力标准计量站，东营 257000)
0 引言
为应对激烈的市场竞争，快速设计开发具有创新性的新产品已成为企业生存与发展的关键[1]。并行工程、动态产品开发等新的产品设计方法应需而生。这些设计方法在提高了产品开发效率的同时也使产品开发过程变得越来越复杂，增加了产品开发过程的管理难度。
企业为了更好的理解和控制产品开发过程，必须通过对开发过程进行业务建模使开发活动清晰明了，并对设计过程分析优化。目前许多学者已提出了多种比较成熟的建模方法如PERT[2]、IDEF[3]、Petri网[4]和DSM[5]，它们功能和特点的对比见表1。
表1 建模方法功能和特点的比较
这些建模方法都有各自的优缺点和适用范围。由于新设计方法导致产品开发过程中存在越来越多的迭代耦合任务，任务间的信息交互多且频繁，使产品开发过程的分析和优化变得极为重要。而DSM模型能够表达任务间的信息耦合迭代关系，是过程分析与规划强有力的工具，得到了越来越广泛的应用，其有效性和实用性也已被充分验证。
但目前DSM只是描述已有任务之间的信息相互关系，不支持产品开发的层级演化过程，不能随任务的逐层分解对各层级或局部设计任务进行分析和规划。且在一个单层矩阵中逐一分析判断所有任务之间的信息交互，当任务数量大幅增加时，DSM分析的工作量将非常巨大且易出错，矩阵的构建难度较大。
针对目前DSM存在的局限性，本文提出了一种符合产品开发过程层级化特点的分层DSM建模方法，利用一系列DSM对产品开发过程的各层级设计任务全面描述，并通过矩阵的层级嵌套构建算法大大简化任务间信息交互关系的分析过程，降低矩阵的构建难度，提高构建效率。
1 分层设计结构矩阵
在逐层分解产品开发过程得到的层级结构设计任务中，若两个父设计任务间存在信息交互，则其子设计任务间必会存在信息交互，若两父任务间不存在信息交互，则其子任务间必没有信息交互。基于设计任务层级结构的特点和父子任务间信息的传递关系构建分层DSM。
分层DSM是能够表达层级结构关系的多层DSM，可对产品开发过程中各层级和局部子设计任务建模。首先建立各层设计任务中隶属于同一父任务的子任务DSM，然后依据层级关系由最顶层开始逐层分析父子任务间的信息传递关系，同时将子任务DSM嵌套以替代父任务，逐层构建分层DSM模型，如图1所示。
图1 分层DSM的构建过程
1）第i层子DSM (SDSMi)指产品开发过程中第i层的隶属于同一父设计任务的子设计任务对应建立的DSM，同一层的SDSM可有多个。
2）第i层全局DSM (GDSMi)是产品开发过程中截止到第i层将所有子设计任务DSM都嵌套完成后得到的DSM，每一层GDSM只有一个，且最底层GDSM即为整个产品开发过程的DSM。
3）第i层局部DSM (PDSMi)是指在将所有SDSMi嵌套以构建GDSMi的过程中产生的所有中间DSM。
2 矩阵的层级嵌套算法
基于产品开发过程中层级父子设计任务间的信息传递关系，利用矩阵的层级嵌套算法将SDSM层层嵌套以构建分层DSM模型。以图1中任务T1的SDSM(T1)的嵌套详细说明矩阵的层级嵌套算法，如图2所示。
任务T0包括T1，T2和T3三个子任务，其中T1有T1.1，T1.2和T1.3三个子任务，构成相应的子DSM模型SDSM2(T1)。利用矩阵的层级嵌套算法将SDSM2(T1)嵌套至SDSM1(T0)中以替代父任务T1，具体分析步骤如下：
1）分析SDSM1(T0)中T1所在行和列的非0元素，找到行元素
2）行元素
图2 层级嵌套算法
3）列元素
4）对于DSM1(T0)中T1所在行和列的0元素，说明T1与这些任务之间没有信息交互，则其子任务与这些任务之间也没有信息交互，在嵌套DSM中其对应元素为0。
矩阵的层级嵌套算法中，只需分析存在信息交互关系的父设计任务即DSM中的非0元素即可，可大大简化模型的构建过程，提高模型的构建效率。
3 应用实例
某企业设计开发的风力发电机组(简称风机总成)包含上千零部件，其开发过程包含上千个设计任务，且任务间存在大量的反馈迭代和信息依赖，需要构建风机总成开发过程模型对设计任务进行分析规划。但风机总成层层演化的开发过程和如此多的设计任务，使模型难以构建且无法一步完成。本文采用分层DSM对风机总成的开发过程建模。图3(a)为风机总成开发过程已分解的设计任务，图3(b)为各层子设计任务对应的SDSM模型。
风机总成设计开发过程分层DSM模型的建立过程包括以下步骤：
1）创建各分层SDSM，如图3(b)。
2）创建GDSM1。第一层的SDSM1即GDSM1。
3）创建GDSM2。第二层子矩阵包括两个SDSM2(F1)、SDSM2(F2)，通过将SDSM2(F1)嵌套至GDSM1中得PDSM2(F1)和将SDSM2(F2)嵌套至PDSM2(F1)中得PDSM2(F1,F2)两步完成。
4）创建GDSM3。将子矩阵SDSM3(F2.6)嵌套至GDSM2中得PDSM3(F2.6)。PDSM3(F2.6)即GDSM3，同时PDSM3(F2.6)也是风机总成设计开发整体过程的GDSM，如图4所示。
利用分层DSM逐层建立了风机总成开发过程已分解任务的DSM模型。通过层层建模的方式支持风机总成开发过程设计任务的逐层分解演化，当设计任务有进一步的分解时DSM模型可随其扩展。并且各层的SDSM可由相应的设计部门内部建立，涉及多个部门的PDSM/GDSM可由上一级的设计部门协调帮助建立，因此分层DSM模型可支持多部门协同建立，降低了庞大的风机总成开发过程DSM模型的构建难度。
4 结论
针对目前DSM建模方法对于产品开发过程建模的局限，提出了分层DSM的建模方法，给出了分层DSM中SDSM、PDSM和GDSMS三类矩阵模型的定义和用于支持分层DSM模型建立的矩阵层级嵌套算法。分层DSM建模方法利用三类矩阵模型建立产品开发过程各层级、各阶段及全过程的设计任务模型，以便按需对任意局部开发过程分析规划，为设计任务的资源分配和资源协调提供基础。同时分层DSM支持自顶向下的逐层分析任务间的信息交互关系和矩阵间的层级嵌套，不仅降低了模型的构建难度、提高了模型的构建效率，还实现了模型随产品开发过程的逐层演化而不断扩展。最后通过某企业风机总成开发过程分层DSM模型的建立过程验证了分层DSM建模方法的可行性。
[1]唐敦兵,钱晓明,刘建刚.基于设计结构矩阵DSM的产品设计与开发[M].北京：科学出版社,2009.
[2]朱弘毅.网络计划技术[M].上海：复旦大学出版社,1999.
[3]李建军,何卫平,张维,杨海成.支持并行工程的IDEF集成建模[J].制造业自动化,2000,22(9).15-18.
[4]祖旭.基于Petri网理论的产品开发过程建模方法研究[D].大连：大连理工大学,2005.
[5]施国强,李伯虎,柴旭东.基于设计结构矩阵的复杂产品开发项目规划模型[J].计算机集成制造系统,2007,13(11)：2105-2109.
