资源受限的复杂产品并行开发过程集成

徐赐军　李爱平

1.湖北理工学院，黄石，435003　　2.同济大学现代制造技术研究所，上海，201804

资源受限的复杂产品并行开发过程集成

徐赐军1李爱平2

1.湖北理工学院，黄石，4350032.同济大学现代制造技术研究所，上海，201804

针对复杂产品并行开发过程存在资源约束及信息耦合性强等特点，提出了资源受限的开发过程集成模型。根据开发过程功能需求构建了过程管理系统体系结构，研究了功能模块映射模型、功能模块集成模型、过程信息集成模型、事件逻辑推理模型以及基于资源推拉技术的资源冲突消解模型。基于复杂产品并行开发过程集成环境研究了产品开发过程规划的运行方式，通过活塞连杆组改进设计实例验证了资源受限的复杂产品并行开发过程集成技术的有效性。

资源约束；复杂产品；过程集成；过程规划

0　引言

产品开发过程集成系统是产品开发信息交流和管理的平台。过程集成作为信息集成和企业集成之间的环节，直接影响企业集成的效果。通过过程集成，可方便地协调各种企业应用系统的功能，将人、资源、资金及其应用合理地组织起来，获得最佳的运行效益[1]。过程集成技术必须提供性能可靠的通信机制，保障过程与活动的状态转换顺利实现。Sosa等[2]以DSM为工具，研究了产品结构中的接口与开发过程中的信息交流模式之间的关系。Reijers等[3]对Aalst提出的过程BOM模型进行了进一步的改进和完善，并在此基础上开发了基于产品的工作流设计方法。Trappey等[4]开发了基于推理引擎的专家系统的智能化工作流管理系统。张岚[5]提出了面向产品开发过程的项目管理模型，实现了产品开发过程管理与数据管理的集成。李军宁等[6]提出了设计流程的知识服务集成模式，在宏观和微观层次上实现了对设计知识服务平台中知识流动规律的研究。孔建寿等[7]研究了项目管理系统与工作流管理系统的集成框架，实现了它们之间的信息集成和功能集成。曾福胜等[8]通过分析业务流程的活动和人力资源，构建了知识供应流的模型，实现了知识流与工作流的集成。张晓刚等[9]提出一个扩展的工作流过程元模型，以支持业务过程控制与知识管理的集成。在产品开发过程中，资源是产品开发所必需的物质条件，产品数据是产品开发的技术保障，乔立红等[10]对该管理系统进行了深入的研究。

复杂产品开发过程管理系统中的部分功能模块集成理论已有所研究，但该集成技术还处于理论研究和试验阶段，对产品开发过程的管理，仍然侧重于对已有数据的管理，而忽视更高质量、更有价值的产品数据获取，导致开发过程的知识流失严重，各种管理技术的信息交流不畅通。虽然许多学者提出不少模型来描述产品开发过程，但综合考虑多种因素，尤其是资源约束的研究还不完善[11]。因此，资源受限的复杂产品开发过程集成技术研究可以为开发过程提供各种信息交流畅通、过程执行透明的支撑平台。

1　复杂产品并行开发过程管理体系结构

复杂产品的研发周期长，参与的组织和人员较多，因此大多数情况下，其研发过程需要通过项目进行管理。项目管理是一种经典的管理技术，工作流技术是组织实现业务过程建模、重组和执行的重要技术，两者在支持整个业务运行上具有很强的互补性。在产品实际的开发过程中，项目进度不但受项目活动执行次序的约束，而且受活动所需求的产品数据、知识以及资源的约束。解决此类复杂问题的主要方法是对相互联系、动态变化的开发活动进行合理的规划和执行，并有效管理此类活动的数据、知识等信息。因此，复杂产品开发过程需要一种面向过程且对项目管理、工作流、产品数据、知识以及资源等进行综合管理的集成技术，并能基于该技术进行合理的开发过程规划。

为了使复杂产品开发过程有序、高效地进行，并满足产品开发任务快速、低成本、高质量的要求，复杂产品开发过程管理系统必须能够对复杂产品开发过程提供有效的管理支持，保证每个开发任务在正确的时间、以正确的方式完成。根据复杂产品并行开发过程的功能需求，构建图1所示的复杂产品并行开发过程管理体系结构。

图1　复杂产品并行开发过程管理体系结构

该过程管理系统采用4层(用户层、服务层、技术支撑层和数据层)逻辑结构模式。用户层主要提供系统和用户的交互界面，包括可视化过程管理界面和网络浏览器；服务层主要包括项目管理服务、工作流管理服务、产品数据管理服务、资源管理服务、知识管理服务、过程规划服务等功能模块，在复杂产品并行开发过程中为用户提供各种管理服务，实时、动态地监控各个环节的执行情况；技术支撑层为各模块管理系统提供畅通的信息交流平台，便于产品开发过程中信息的更新、互动及融合等，提高服务层各项服务的质量；数据层为复杂产品并行开发过程提供必要的信息存储支持(包括产品数据库、资源库、知识库、项目模型库和工作流模型库)。

2　开发过程集成模型

2.1功能模块映射模型

产品开发项目在分解后形成的相关可控活动，既是项目的基本管理单位，又是建立工作流模型的基本对象，同时也是资源和产品数据服务的对象。根据活动在项目管理系统、工作流管理系统、知识管理系统、资源管理系统和产品数据管理系统等功能模块中的作用范围定义项目空间、业务空间、知识空间、资源空间和数据空间，并通过活动的纽带作用，构建各空间功能模块之间的映射模型，如图2所示。

图2　功能模块映射模型

2.2功能模块集成模型

根据集成模块的映射模型，构建图3所示的产品开发过程功能模块集成模型，各功能模块集成过程如下：首先，根据产品开发需要调用数据库管理系统的产品结构树，并以此为依据在项目管理系统中进行项目分解、活动定义和项目层建模，确定项目活动的执行次序；接着，通过活动调度的纽带作用，针对项目模型中各个活动节点进行业务层的工作流建模，并通过模型转换接口调用工作流系统，同时将产品信息树的各类信息赋予该活动，其中，产品信息树与数据管理系统的产品结构树相关联；然后，工作流管理系统根据每个活动的工作流模型生成工作流模型实例；最后，项目管理系统根据项目分解的定义，激活活动节点，触发工作流管理系统中的活动流引擎，并通过活动调度，根据所赋予的相关信息从各管理系统的请求服务功能中获取该活动的资源需求、知识需求及数据需求，将该活动分配给相应的角色，执行具体的业务处理。在活动执行过程中，角色以活动为纽带，及时与项目管理系统、工作流管理系统、资源管理系统、数据管理系统和知识管理系统交互，保证活动的顺利进行，同时实时更新各系统的信息；项目管理系统可以通过活动执行过程的动态数据，实时监控项目的具体执行情况。当一个活动节点工作流实例完成后，向项目管理系统返回执行成功信息，并激活下一个活动，直至项目所有活动执行完成。

图3　功能模块集成模型

2.3过程信息集成模型

复杂产品开发过程信息集成体现了各管理系统之间的信息交流。根据项目分解的活动，提取相关信息构建各空间数据表。图4是采用SQL表达的部分信息表集成关系图。如图4所示，当项目进度到达某活动时，该活动表的活动状态为激活状态。通过活动表的工作流ID、资源ID、知识ID和数据ID分别与工作流表、资源表、知识表和数据表相应的主键关联，实现各空间信息的集成。通过信息表的路径属性可以进一步了解更多的相关信息，如通过知识表的知识路径可检索到更加具体的知识表示等内容。

图4　过程信息集成模型

2.4事件逻辑推理模型

事件逻辑推理是根据给定的条件启动相应的功能模块，按既定逻辑完成各项任务。事件逻辑推理模块主要包括空间关系模型、对象表示模型以及事件推理引擎。根据集成过程的描述，各空间关联关系如表1所示。其中，Project[p]是根据项目类定义的对象，其他对象类似；布尔变量值的含义如表2所示。

当P1P2=10，A1A2=11时，W1W2=11，即工作流执行后处理。此时，资源、知识及数据均处于分配状态，但不同于P1P2=01，A1A2=01时的分配状态。因为在工作流后处理的分配状态中，资源和知识的分配实际是前文所述的资源拉取和知识拉取的过程，而数据分配是在项目执行过程中直接由某活动使用结束后分配给另一活动，避免数据先释放再分配的时间浪费。同时，工作流的后处理还要更新知识和产品数据。

依此类推，根据标准与-或表达式及项目和活动的状态，可以得到各空间工作的状态，从而实现了各空间事件推理引擎的设计，以及开发活动在各空间的信息协调一致。

2.5过程资源冲突消解模型

并行产品开发过程是一个协调、共享、合作的过程，冲突的产生是经常性的、不可避免的，且贯穿整个开发过程。资源对产品开发项目进度的约束因素主要有资源可用时间窗口、资源容量和资源补充方式等，但资源在开发活动过程中可能只在某个时间段使用，也可能在整个活动过程中都在使用。资源在不同活动中的驱动方式也存在着差异。因此，根据图2中资源推拉技术的描述，构建资源冲突消解模型，如图5所示，图中双点划线表示活动2延迟执行的状态，虚线表示活动2延迟执行应满足的条件。图5中，活动1和活动2同时占用资源1和资源2，且存在资源竞争。为了描述方便，令活动1均先于活动2占用资源，各资源在活动中作用的时间如图5所示，图中，Tbij表示活动i占用资源j的开始时间；Teij表示活动i占用资源j的结束时间。根据假设可知，若资源的作用时间满足Tb1j

表1　空间关联关系

表2　事件逻辑推理引擎变量值含义

(a)资源1冲突消解

(b)资源2冲突消解图5　资源冲突消解模型

3　应用

3.1集成环境下产品开发过程规划

产品开发过程中的每个开发任务必须由一定的资源按照一定的既定顺序来执行。资源受限的产品开发过程规划包括资源约束条件下的过程建模、过程分解、过程调度、过程分析与优化、过程改进和过程实施等模块，根据图1所描述的过程管理系统，本文基于产品开发过程集成环境构建资源受限的产品开发过程规划运行方式，如图6所示。

图6　过程规划运行方式

根据复杂产品并行开发过程集成模型的分析，集成环境下产品开发过程规划的运行应以过程为中心，以活动为对象，以集成环境为平台。图6显示，当用户进行过程规划的某一项操作时，相应地启动该项目的系列活动，即根据表2事件推理引擎激活相应的管理系统，并由图4的信息表路径属性获取相关活动信息；通过图3所示的集成框架，以活动为纽带获取过程规划活动中的所有相关信息，然后根据图2的映射关系即可实现过程规划在各空间的运行。基于复杂产品并行开发过程集成平台，本文设计了过程规划相应模块的关键技术：资源受限的并行产品开发耦合活动割裂规划、基于资源推拉技术的并行产品开发项目调度算法、资源受限的并行产品开发过程时间模型以及基于知识融合的产品开发过程改进等。

3.2实例分析

活塞连杆组改进设计矩阵如表3所示，应用开发过程集成平台识别耦合活动2、3、4、5，将其分别分解成子活动(7，11，15)、(9，13，17)、(8，12，16)和(10，14，18)，会审活动编号为19。设计过程中，主要考虑设计人员和分析人员两类重要资源，且资源容量均为1，各活动参数如表4所示。基于集成平台各种信息获取功能，并利用图6所示集成平台过程规划服务获得活塞连杆改进设计过程规划，如表5所示。

表3　活塞连杆组设计矩阵

表4　改进设计活动参数　h

表5　开发过程规划结果　h

表5中括号内的时间为活动最晚的开始时间，空白单元格表示相应活动不占用该资源。由表3、表4可知，活塞连杆组改进过程规划充分利用了设计活动、设计资源的相关数据或知识。表5表明，基于开发过程集成环境及图6所示的过程规划运行方式可以实现信息交流畅通、活动安排合理的开发过程。无资源约束时，设计活动4可以与设计活动3同时开始；有资源约束时，设计活动4与设计活动3关于“设计人员”资源冲突。若资源冲突采用传统的消解模型，则设计活动3必须等到设计活动4结束后才能开始，即由表5中的活动4结束时间可知设计活动3的最早开始时间为37.76；若资源冲突采用图5的基于资源推拉技术的消解模型，则设计活动3在设计活动4释放资源“设计人员”时就可以开始，即设计活动3的最早开始时间为33.17，再在此基础上进行时间优化得到更理想的开始时间(算例中的时间为35.90)。

4　结语

复杂产品并行开发过程具有周期长、过程复杂、信息耦合关联性强等特点，传统项目管理技术提供了对项目管理进行合理安排和优化控制的手段，但不利于项目空间、业务空间、资源空间、知识空间及数据空间的信息实时交流。因此，本文根据开发过程功能需求构建了过程管理系统体系结构，提出了功能模块映射模型、功能模块集成模型、过程信息集成模型、事件逻辑推理模型以及基于资源推拉技术的资源冲突消解模型。基于复杂产品并行开发过程集成环境提出了产品开发过程规划的运行方式。通过活塞连杆组改进设计实例验证了该集成环境下开发过程耦合活动识别、分解、调度、优化等过程规划的有效性。

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(编辑张洋)

Integration of Concurrent Development Process for Complex Products with Resource Constraints

Xu Cijun1Li Aiping2

1.Hubei Polytechnic University，Huangshi，Hubei，435003 2.Institute of Advanced Manufacturing Technology，Tongji University，Shanghai，201804

An integration model for product development process with resource constraints was presented according to the characteristics such as different resource constraints and strong coupling among design activities. A management system architecture was constructed to provide the intercommunion and management platforms for product development information. Based on resource push-pull technology mapping model of function module, integration model of function module, integration model of process information, logical inference model and conflict-resolution model were studied to analyze integration technology of product development process. Based on the integration environment, an operation mode for complex product development process planning was presented.The feasibility of integration platform was demonstrated by an application example showing an improving design of piston-connecting rod unit.

resource constraint; complex product; process integration; process planning

2013-06-09

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA04Z113)；湖北省“机械工程”重点学科资助项目

TP399DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.007

徐赐军，男，1979年生。湖北理工学院机电工程学院讲师。主要研究方向为并行工程、数字化设计等。发表论文21篇。李爱平，女，1951年生。同济大学现代制造技术研究所教授。