资源受限的复杂产品开发过程规划平台*

徐赐军，李爱平，冯大鹏

(1.湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003;2. 同济大学 现代制造技术研究所，上海201804)

0 引言

产品开发是制造业中最为重要的组成部分之一，现代企业的技术创新能力、新产品的开发能力和开发速度己成为企业核心竞争力的重要体现。复杂产品开发过程规划是以开发过程的整体效率和效益为目标，以系统工程为哲理，以运筹学等数学方法为理论基础，以工程技术和管理技术为手段，以现代信息技术为工具，用工程量化的方法对实际工程与管理问题进行定量，并对复杂产品开发过程进行系统的分析、设计、优化、协调和部署，从而实现复杂产品开发过程的顺利和高效完成;它强调综合地提高劳动生产率、降低开发成本、保证产品质量，使系统能够处于最佳运行状态并获得最高整体效益［1］。

美国国家标准技术研究所研究了工程数据共享的产品开发过程规划技术及其集成框架［2］。Phanden等［3］综述了产品开发过程中规划和调度技术的集成研究，并指出过程规划和调度是影响产品开发质量、资源利用和产品时间分配的关键技术。Yutaka 等［4］指出过程规划是保证产品成功研发的关键步骤，并以产品成功开发的定量预测为目标构建了并行产品开发过程的规划方法。Eckert 等［5］强调了产品开发过程规划工具的开发是当前研究比较活跃的领域，并介绍了过程规划在企业实际应用中的挑战。在国内，许多高校和研究所对产品开发过程进行了各个方面的研究。上海交通大学周雄辉等对注塑产品与模具协同设计任务规划算法进行了研究［6］;上海大学曹守启［7］、合肥工业大学蒋增强［8］、浙江大学杨友东［9］等研究了产品开发过程规划的关键技术。随着研究的深入，合肥工业大学武照云［1］、山东科技大学张静［10］等对产品开发过程规划的理论和方法进行了较系统的研究。综合分析产品开发过程规划研究现状可知，过程规划的理论和实践研究取得了一些积极的成果，但许多关键技术研究还不成熟，尤其针对资源受限的产品开发过程规划技术研究更需进一步深入。

1 过程规划平台框架

复杂产品并行开发服务是在产品开发过程中实时为开发人员提供足够的各种信息服务，保证开发过程的顺利实施。合理的产品开发过程规划为企业决策者从战略层面上定义产品需求提供知识支持，为设计人员有步骤地执行工作流程提供参考数据，为管理者合理利用和统筹规划各种资源提供丰富的信息。资源受限的复杂产品开发过程规划平台主要提供过程建模、过程分解、过程分析与优化、过程改进以及过程调度等服务，如图1 所示。

图1 产品开发过程规划框架

(1)过程建模

过程建模是针对产品开发流程的分析，确定其活动组成，明确活动间的约束和联系，建立适于复杂产品并行开发模式的过程模型。过程建模首先应描述系统的元素、元素属性及其关系。系统元素主要包括产品、活动、过程及资源等，其中活动和过程是过程建模的最基本系统元素。根据复杂产品并行开发的特点，过程模型必须从产品信息、资源等方面描述，且必须能在本文过程集成环境下运行。因此，本文规划平台主要采用有向图和设计结构矩阵的过程建模方法。

(2)资源受限的复杂产品开发过程分解

过程分解是通过分解开发任务，寻求活动间可放松的薄弱环节，实现活动的流程化。针对复杂产品开发过程的复杂性，在产品开发实施之前应对产品开发及其相关过程的各种活动(任务)进行分解并重新组织，其目的在于揭示产品开发活动间的复杂联系及整个开发过程本身的结构和规律，并准确、完整地反映和预见开发过程中的潜在问题，指导开发过程的优化运行，为开发过程管理优化、控制及有效的过程知识集成提供必要的理论分析和实施基础。复杂产品开发过程的主体是产品开发活动，并按照某种内在的顺序约束关系形成一个完整的开发流程。开发过程分解是对活动执行的先后顺序进行规划，其目的是尽量减少开发过程的反复，使其流程安排更加合理，是产品开发过程规划问题的基础。若规划不合理，则在产品开发过程中有可能引起大量的过程反复，导致产品开发周期的延长、开发质量的降低以及开发成本的增加。

对于复杂产品开发，活动之间具有很强的耦合关系，所包含的活动信息量也大，在实际开发过程中往往结合功能和结构的方式来进行开发过程分解。资源是产品开发过程的重要信息，因此，本文规划平台通过资源与活动间的互相关度分析构建资源受限的耦合活动集割裂规划方法［11］，提高开发过程分解的合理性，并根据开发过程实际执行情况，确定耦合活动串行或并行的执行模式。由图1 可知，根据过程模型描述的各种关系以及活动的相关信息，识别开发过程是否存在耦合活动集。若不存在耦合活动集则进行过程调度，否则，根据割裂准则对耦合活动进行重新规划。若开发过程无重要资源或资源充裕，则耦合活动集主要根据活动与活动之间的依赖程度进行割裂，即计算活动与活动之间的自相关度;否则，耦合活动集的割裂还要考虑活动与资源的关系，分析它们的互相关度，从多个角度分析耦合活动的执行次序。

(3)基于资源推拉技术的产品开发项目调度

过程调度针对过程分解后建立的工作流程，对开发活动所涉及的各种信息进行调度，保证产品开发的顺利进行。过程调度模型涉及一系列评价指标，如开发周期、开发质量、开发成本等。因此，过程调度需要建立完整的评价指标体系，即由一系列相互联系、相互作用的指标，按照一定层次结构组成有机整体。其目的是确定恰当的评价指标对产品开发过程调度进行相应的评价，保证得到的调度结果能为企业带来最大的效益。

本文规划平台针对资源受限的多项目调度问题，以开发时间最短为目标，充分考虑资源在活动中的工作状态，构建一个新的动态优先规则，并采用串行调度方案实现基于资源推拉技术的产品开发过程中多项目的调度及动态决策［12-13］。由图1 可知，根据非耦合过程模型的信息，分析产品开发过程是否存在资源冲突。若不存在资源冲突则直接进行过程调度，否则采用资源受限的项目调度算法。根据耦合活动集的资源信息，识别它们存在的资源冲突集，并将其分解成若干子集。针对最先发生冲突的子集，采用基于资源推拉技术的冲突消解模型和相应的优先规则指标计算方法消解其冲突。按子集中开发活动的执行次序依次消解冲突，最终实现整个开发过程的调度。若在开发过程执行期间存在过程改进，则采用动态调度的方法，若对动态调度结果不满意则必须重新调度。

(4)资源受限的产品开发过程优化

过程分析以过程模型为基础，分析活动的执行次序、反复迭代、资源分配、以及过程评审等对过程性能的影响。一般根据工作流模型建立合适的过程分析模型，进行定性和定量的分析，促使产品开发过程更加流畅，并根据分析结果实现产品开发时间、成本和资源等的最优化，即优化产品开发过程的目的是追求最短的开发时间、最小的开发成本、最合理地使用现有资源，尽最大可能满足客户对产品的要求。设计活动的重叠执行方式是节省产品开发时间的核心技术，但重叠开发模式也存在着一定的风险，即在缩短产品开发周期的同时，也会增加开发成本。因此，重叠开发模式的实施必须对开发过程进行合理的规划，否则开发成本和开发时间均有增加的可能，达不到预期的优化效果。因此，本文规划平台针对重叠开发模式，通过资源作用时间模型的分析，建立资源受限的并行产品开发过程时间模型，采用退火遗传算法实现集成环境下复杂产品开发过程的分析和优化［14］。

由图1 可知，根据产品开发过程调度结果，由产品开发项目管理者决定是否进行过程优化。若不优化则直接根据调度计划执行，否则借用相关的优化模型对开发过程进一步优化。若开发过程不考虑资源的约束作用，则直接根据开发活动的时间模型进行优化;否则，优化模型要考虑资源约束的作用，构建资源受限的复杂产品并行开发过程时间模型，采用智能优化算法实现产品开发过程的优化。

(5)基于知识融合的产品开发过程改进

过程改进是根据市场竞争的变化，对产品开发过程进行较低层次或局部的修改，不需对过程的体系结构和组织框架进行彻底变革(即过程重组)［12］。产品开发过程中的各种活动包含许多迭代与反复的认知过程，而其实施是并行产品开发过程螺旋迭代上升且连续改进和重组的过程。产品开发过程经改进或重组后将产生一个标准化的开发过程，为了高效地完成每个开发任务，必须掌握过程改进或重组产生的新知识。因此，过程改进是一个不断持续的过程，也是一种过程知识的创新。企业知识的更新对过程改进具有显著的促进作用，但在复杂产品实际的开发过程中所获取的知识往往存在异构等特性。为了充分利用复杂产品开发过程知识，本文规划平台采用基于知识融合的过程改进方法，提高产品开发过程改进的合理性。

在开发过程执行期间，由于新技术或新资源等因素的引入，必然导致产品开发过程知识的更新。由图1 可知，通过过程监控适时获取相关的信息，并决定是否需要进行过程改进。若不改进则继续执行原过程计划，否则提取支持改进的过程知识，并利用知识融合算法产生新的知识，形成合适的改进方案。由于过程改进必然导致开发过程的变化，因此，在基本维持原过程计划不变的情况下需对改进的开发过程进行动态调度。

(6)过程实施

过程实施是组织范围内的所有任务按照一定的方式进行，主要包括过程执行、过程监控、过程信息管理等。过程执行是产品开发过程模型及控制模块的执行，根据执行模块功能建立过程执行规则及运行支持机制，实现产品开发过程的启动、结束、状态更新等操作。过程监控是在过程执行期间，用户必须可以通过可视化的界面了解当前流程的运行状态以及资源、产品数据、产品知识等信息。同时，用户可以及时发现过程执行期间的突发事件，为决策者提供分析平台。

过程实施主要由工作流和产品信息管理技术承担，本文规划平台开发一个集成环境保障产品开发过程的实施。根据过程模型对产品开发过程进行实例化，生成活动列表，利用事件推理引擎，确定过程执行期间有序地启动相应的管理模块，为过程实例提供导航，并采用可视化过程管理界面或网络浏览器，实现产品开发过程的监控。

2 过程规划平台开发

基于复杂产品并行开发过程规划平台的分析，过程规划软件的服务功能模块信息采用基于SQL 的信息集成模型，并在VC 创建的工程项目中采用图2 所示的对象表示模型定义对象，然后根据过程规划的需要通过事件推理引擎启动相应的功能服务。

图2 对象表示模型

复杂产品开发过程规划与项目管理、工作流管理、资源管理、产品数据管理、知识管理等服务系统紧密相关，因此过程规划软件开发采用集成的思想，即将过程分解、过程调度融入项目管理系统，将基于知识融合的过程改进融入知识管理系统。例如，过程优化阶段需要进行过程的解耦和调度等操作，则直接通过过程优化界面的相关按钮链接到相应的功能模块，实现语句如下:

在过程规划软件开发过程中，过程分解、过程调度、过程优化以及过程改进等功能模块都具有复杂的实现逻辑与关系结构，给软件开发带来了一定的困难。下面以过程分解的耦合活动集割裂规划为例说明功能模块的函数体系结构设计。根据耦合活动集割裂规划方法，过程分解模块软件实现的主要函数体系结构如图3 所示。割裂规划模块的函数体系嵌套3 层，主体分为活动分解函数、耦合识别函数、割裂规划函数以及结果输出函数四大部分，其中割裂规划函数为核心，调用互相关分析函数和自相关分析函数。软件采用子窗口创建的方法实现交互界面的友好性及图3 所示的其它相关函数构建。与过程分解模块函数体系结构设计同理，针对过程调度、过程优化以及过程改进等关键技术的分析，理清各模块的函数关系，则可实现相应模块的软件功能。

图3 耦合活动集割裂规划模块函数体系结构

3 应用

船舶是人们造船和用船经验的结晶，也是科学技术不断发展的成果。船舶设计是一项复杂的系统工作，涉及到许多方面和因素，且相互交叉、相互影响。在船舶企业的实际开发过程中往往同时进行多个项目，且项目中的活动之间存在耦合关系，因此，在船舶设计部门中不仅要合理安排设计活动的执行顺序还要考虑资源的约束。船体总体设计主要分解为15 个设计活动，并将其按序编号为1～15，其中活动2、3、4 为耦合活动。

3.1 开发过程改进

在船体总体设计过程中需要综合运用各种信息资源，尤其涉及过程中不断产生的新知识。由于船体设计是一个复杂的系统工作，许多知识往往局限于一个小的范围交流。为了实时发现设计过程中的新知识，并对原有的设计过程予以改进，本文以知识融合技术为基础建立促进设计过程创新的机制。根据船体设计要求，需要在ADAMS 环境下对船体进行动力学分析，但在ADAMS 软件中构建船舶与水、系泊系统之间的约束模型是个难题。虽然该问题的解决方案具有无法预知性，但可以根据现有资源通过知识融合来寻找一些创新的方案。本文应用过程规划平台，通过虚拟样机技术领域和挖泥船领域知识融合，获得设计过程改进方案，即在ADAMS 环境下将锚链系泊系统简化成弹簧，实现船体的动力学分析，如图4 所示。

图4 基于知识融合的过程改进

3.2 任务调度优化

船体总体设计活动之间存在着依赖关系，因此，耦合活动通过不断反复和迭代逐步达到设计目标。通过图1 中耦合活动分解模块将其分解成若干一定粒度的子耦合活动，即根据设计活动信息将耦合活动2、3、4分解为子活动，且分别对应编号为(16，19，22)、(17，20，23)和(18，21，24)，相应的会审活动编号为25。根据本文规划平台的调度结果可得到每个活动的开始时间为TB(1，2，3，4，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，5，9，12，14，7，6，10，11，8，15，13)= (0，7，14，14，18，21.5，21.5，23.5，25.25，25.25，26.25，27.125，27.125，27.625，29.125，29.125，29.125，30.125，32.125，32.125，35.125，35.125，35.125，38.125，54.125)。

由于在船体总体设计过程中存在过程改进，因此在设计活动调度过程中，需要动态修改调度计划。将3.1 节中的过程改进活动定义为活动26，因此，应用本文过程规划平台的调度和优化得到的方案只需适当调整部分活动的时间，即TB(12，14，26)= (27.96，23.10，25.18)。动态调度结果显示，在基本维持原计划的基础上实现了产品开发过程的动态调度，也表明船体设计活动安排的紧凑性，并充分利用了各种有效资源。

4 结论

资源受限的复杂产品开发过程规划平台提供了耦合活动集割裂规划、过程调度、过程优化、过程改进、过程动态调度等系统性的规划服务。通过实例证明，该平台可以合理地安排产品开发过程所有任务，且结果表明该平台可以提高资源的利用率和缩短产品开发周期，并通过开发过程知识融合的方法，能提高分布式异构知识的重用率及共享性，为产品开发过程改进提供了新的方案，有利于产品开发质量的提高，达到了复杂产品开发过程的智能化及快速化目标。

［1］武照云. 复杂产品开发过程规划理论与方法研究［D］.合肥:合肥工业大学，2009.

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［6］周雄辉，李祥，阮雪榆. 注塑产品与模具协同设计任务规划算法研究［J］. 机械工程学报，2003，39(2):113-118.

［7］曹守启. 复杂产品开发过程规划及其支撑技术研究［D］. 上海:上海大学，2005.

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［14］徐赐军，李爱平，刘雪梅. 耦合活动重叠执行过程的时间模型［J］. 计算机集成制造系统，2009，15(10):1914 -1920.