資源受限的復雜產品開發過程規劃平臺*

徐賜軍，李愛平，馮大鵬

(1.湖北理工學院 機電工程學院，湖北 黃石 435003;2. 同濟大學 現代制造技術研究所，上海201804)

0 引言

產品開發是制造業中最為重要的組成部分之一，現代企業的技術創新能力、新產品的開發能力和開發速度己成為企業核心競爭力的重要體現。復雜產品開發過程規劃是以開發過程的整體效率和效益為目標，以系統工程為哲理，以運籌學等數學方法為理論基礎，以工程技術和管理技術為手段，以現代信息技術為工具，用工程量化的方法對實際工程與管理問題進行定量，并對復雜產品開發過程進行系統的分析、設計、優化、協調和部署，從而實現復雜產品開發過程的順利和高效完成;它強調綜合地提高勞動生產率、降低開發成本、保證產品質量，使系統能夠處于最佳運行狀態并獲得最高整體效益［1］。

美國國家標準技術研究所研究了工程數據共享的產品開發過程規劃技術及其集成框架［2］。Phanden等［3］綜述了產品開發過程中規劃和調度技術的集成研究，并指出過程規劃和調度是影響產品開發質量、資源利用和產品時間分配的關鍵技術。Yutaka 等［4］指出過程規劃是保證產品成功研發的關鍵步驟，并以產品成功開發的定量預測為目標構建了并行產品開發過程的規劃方法。Eckert 等［5］強調了產品開發過程規劃工具的開發是當前研究比較活躍的領域，并介紹了過程規劃在企業實際應用中的挑戰。在國內，許多高校和研究所對產品開發過程進行了各個方面的研究。上海交通大學周雄輝等對注塑產品與模具協同設計任務規劃算法進行了研究［6］;上海大學曹守啟［7］、合肥工業大學蔣增強［8］、浙江大學楊友東［9］等研究了產品開發過程規劃的關鍵技術。隨著研究的深入，合肥工業大學武照云［1］、山東科技大學張靜［10］等對產品開發過程規劃的理論和方法進行了較系統的研究。綜合分析產品開發過程規劃研究現狀可知，過程規劃的理論和實踐研究取得了一些積極的成果，但許多關鍵技術研究還不成熟，尤其針對資源受限的產品開發過程規劃技術研究更需進一步深入。

1 過程規劃平臺框架

復雜產品并行開發服務是在產品開發過程中實時為開發人員提供足夠的各種信息服務，保證開發過程的順利實施。合理的產品開發過程規劃為企業決策者從戰略層面上定義產品需求提供知識支持，為設計人員有步驟地執行工作流程提供參考數據，為管理者合理利用和統籌規劃各種資源提供豐富的信息。資源受限的復雜產品開發過程規劃平臺主要提供過程建模、過程分解、過程分析與優化、過程改進以及過程調度等服務，如圖1 所示。

圖1 產品開發過程規劃框架

(1)過程建模

過程建模是針對產品開發流程的分析，確定其活動組成，明確活動間的約束和聯系，建立適于復雜產品并行開發模式的過程模型。過程建模首先應描述系統的元素、元素屬性及其關系。系統元素主要包括產品、活動、過程及資源等，其中活動和過程是過程建模的最基本系統元素。根據復雜產品并行開發的特點，過程模型必須從產品信息、資源等方面描述，且必須能在本文過程集成環境下運行。因此，本文規劃平臺主要采用有向圖和設計結構矩陣的過程建模方法。

(2)資源受限的復雜產品開發過程分解

過程分解是通過分解開發任務，尋求活動間可放松的薄弱環節，實現活動的流程化。針對復雜產品開發過程的復雜性，在產品開發實施之前應對產品開發及其相關過程的各種活動(任務)進行分解并重新組織，其目的在于揭示產品開發活動間的復雜聯系及整個開發過程本身的結構和規律，并準確、完整地反映和預見開發過程中的潛在問題，指導開發過程的優化運行，為開發過程管理優化、控制及有效的過程知識集成提供必要的理論分析和實施基礎。復雜產品開發過程的主體是產品開發活動，并按照某種內在的順序約束關系形成一個完整的開發流程。開發過程分解是對活動執行的先后順序進行規劃，其目的是盡量減少開發過程的反復，使其流程安排更加合理，是產品開發過程規劃問題的基礎。若規劃不合理，則在產品開發過程中有可能引起大量的過程反復，導致產品開發周期的延長、開發質量的降低以及開發成本的增加。

對于復雜產品開發，活動之間具有很強的耦合關系，所包含的活動信息量也大，在實際開發過程中往往結合功能和結構的方式來進行開發過程分解。資源是產品開發過程的重要信息，因此，本文規劃平臺通過資源與活動間的互相關度分析構建資源受限的耦合活動集割裂規劃方法［11］，提高開發過程分解的合理性，并根據開發過程實際執行情況，確定耦合活動串行或并行的執行模式。由圖1 可知，根據過程模型描述的各種關系以及活動的相關信息，識別開發過程是否存在耦合活動集。若不存在耦合活動集則進行過程調度，否則，根據割裂準則對耦合活動進行重新規劃。若開發過程無重要資源或資源充裕，則耦合活動集主要根據活動與活動之間的依賴程度進行割裂，即計算活動與活動之間的自相關度;否則，耦合活動集的割裂還要考慮活動與資源的關系，分析它們的互相關度，從多個角度分析耦合活動的執行次序。

(3)基于資源推拉技術的產品開發項目調度

過程調度針對過程分解后建立的工作流程，對開發活動所涉及的各種信息進行調度，保證產品開發的順利進行。過程調度模型涉及一系列評價指標，如開發周期、開發質量、開發成本等。因此，過程調度需要建立完整的評價指標體系，即由一系列相互聯系、相互作用的指標，按照一定層次結構組成有機整體。其目的是確定恰當的評價指標對產品開發過程調度進行相應的評價，保證得到的調度結果能為企業帶來最大的效益。

本文規劃平臺針對資源受限的多項目調度問題，以開發時間最短為目標，充分考慮資源在活動中的工作狀態，構建一個新的動態優先規則，并采用串行調度方案實現基于資源推拉技術的產品開發過程中多項目的調度及動態決策［12-13］。由圖1 可知，根據非耦合過程模型的信息，分析產品開發過程是否存在資源沖突。若不存在資源沖突則直接進行過程調度，否則采用資源受限的項目調度算法。根據耦合活動集的資源信息，識別它們存在的資源沖突集，并將其分解成若干子集。針對最先發生沖突的子集，采用基于資源推拉技術的沖突消解模型和相應的優先規則指標計算方法消解其沖突。按子集中開發活動的執行次序依次消解沖突，最終實現整個開發過程的調度。若在開發過程執行期間存在過程改進，則采用動態調度的方法，若對動態調度結果不滿意則必須重新調度。

(4)資源受限的產品開發過程優化

過程分析以過程模型為基礎，分析活動的執行次序、反復迭代、資源分配、以及過程評審等對過程性能的影響。一般根據工作流模型建立合適的過程分析模型，進行定性和定量的分析，促使產品開發過程更加流暢，并根據分析結果實現產品開發時間、成本和資源等的最優化，即優化產品開發過程的目的是追求最短的開發時間、最小的開發成本、最合理地使用現有資源，盡最大可能滿足客戶對產品的要求。設計活動的重疊執行方式是節省產品開發時間的核心技術，但重疊開發模式也存在著一定的風險，即在縮短產品開發周期的同時，也會增加開發成本。因此，重疊開發模式的實施必須對開發過程進行合理的規劃，否則開發成本和開發時間均有增加的可能，達不到預期的優化效果。因此，本文規劃平臺針對重疊開發模式，通過資源作用時間模型的分析，建立資源受限的并行產品開發過程時間模型，采用退火遺傳算法實現集成環境下復雜產品開發過程的分析和優化［14］。

由圖1 可知，根據產品開發過程調度結果，由產品開發項目管理者決定是否進行過程優化。若不優化則直接根據調度計劃執行，否則借用相關的優化模型對開發過程進一步優化。若開發過程不考慮資源的約束作用，則直接根據開發活動的時間模型進行優化;否則，優化模型要考慮資源約束的作用，構建資源受限的復雜產品并行開發過程時間模型，采用智能優化算法實現產品開發過程的優化。

(5)基于知識融合的產品開發過程改進

過程改進是根據市場競爭的變化，對產品開發過程進行較低層次或局部的修改，不需對過程的體系結構和組織框架進行徹底變革(即過程重組)［12］。產品開發過程中的各種活動包含許多迭代與反復的認知過程，而其實施是并行產品開發過程螺旋迭代上升且連續改進和重組的過程。產品開發過程經改進或重組后將產生一個標準化的開發過程，為了高效地完成每個開發任務，必須掌握過程改進或重組產生的新知識。因此，過程改進是一個不斷持續的過程，也是一種過程知識的創新。企業知識的更新對過程改進具有顯著的促進作用，但在復雜產品實際的開發過程中所獲取的知識往往存在異構等特性。為了充分利用復雜產品開發過程知識，本文規劃平臺采用基于知識融合的過程改進方法，提高產品開發過程改進的合理性。

在開發過程執行期間，由于新技術或新資源等因素的引入，必然導致產品開發過程知識的更新。由圖1 可知，通過過程監控適時獲取相關的信息，并決定是否需要進行過程改進。若不改進則繼續執行原過程計劃，否則提取支持改進的過程知識，并利用知識融合算法產生新的知識，形成合適的改進方案。由于過程改進必然導致開發過程的變化，因此，在基本維持原過程計劃不變的情況下需對改進的開發過程進行動態調度。

(6)過程實施

過程實施是組織范圍內的所有任務按照一定的方式進行，主要包括過程執行、過程監控、過程信息管理等。過程執行是產品開發過程模型及控制模塊的執行，根據執行模塊功能建立過程執行規則及運行支持機制，實現產品開發過程的啟動、結束、狀態更新等操作。過程監控是在過程執行期間，用戶必須可以通過可視化的界面了解當前流程的運行狀態以及資源、產品數據、產品知識等信息。同時，用戶可以及時發現過程執行期間的突發事件，為決策者提供分析平臺。

過程實施主要由工作流和產品信息管理技術承擔，本文規劃平臺開發一個集成環境保障產品開發過程的實施。根據過程模型對產品開發過程進行實例化，生成活動列表，利用事件推理引擎，確定過程執行期間有序地啟動相應的管理模塊，為過程實例提供導航，并采用可視化過程管理界面或網絡瀏覽器，實現產品開發過程的監控。

2 過程規劃平臺開發

基于復雜產品并行開發過程規劃平臺的分析，過程規劃軟件的服務功能模塊信息采用基于SQL 的信息集成模型，并在VC 創建的工程項目中采用圖2 所示的對象表示模型定義對象，然后根據過程規劃的需要通過事件推理引擎啟動相應的功能服務。

圖2 對象表示模型

復雜產品開發過程規劃與項目管理、工作流管理、資源管理、產品數據管理、知識管理等服務系統緊密相關，因此過程規劃軟件開發采用集成的思想，即將過程分解、過程調度融入項目管理系統，將基于知識融合的過程改進融入知識管理系統。例如，過程優化階段需要進行過程的解耦和調度等操作，則直接通過過程優化界面的相關按鈕鏈接到相應的功能模塊，實現語句如下:

在過程規劃軟件開發過程中，過程分解、過程調度、過程優化以及過程改進等功能模塊都具有復雜的實現邏輯與關系結構，給軟件開發帶來了一定的困難。下面以過程分解的耦合活動集割裂規劃為例說明功能模塊的函數體系結構設計。根據耦合活動集割裂規劃方法，過程分解模塊軟件實現的主要函數體系結構如圖3 所示。割裂規劃模塊的函數體系嵌套3 層，主體分為活動分解函數、耦合識別函數、割裂規劃函數以及結果輸出函數四大部分，其中割裂規劃函數為核心，調用互相關分析函數和自相關分析函數。軟件采用子窗口創建的方法實現交互界面的友好性及圖3 所示的其它相關函數構建。與過程分解模塊函數體系結構設計同理，針對過程調度、過程優化以及過程改進等關鍵技術的分析，理清各模塊的函數關系，則可實現相應模塊的軟件功能。

圖3 耦合活動集割裂規劃模塊函數體系結構

3 應用

船舶是人們造船和用船經驗的結晶，也是科學技術不斷發展的成果。船舶設計是一項復雜的系統工作，涉及到許多方面和因素，且相互交叉、相互影響。在船舶企業的實際開發過程中往往同時進行多個項目，且項目中的活動之間存在耦合關系，因此，在船舶設計部門中不僅要合理安排設計活動的執行順序還要考慮資源的約束。船體總體設計主要分解為15 個設計活動，并將其按序編號為1～15，其中活動2、3、4 為耦合活動。

3.1 開發過程改進

在船體總體設計過程中需要綜合運用各種信息資源，尤其涉及過程中不斷產生的新知識。由于船體設計是一個復雜的系統工作，許多知識往往局限于一個小的范圍交流。為了實時發現設計過程中的新知識，并對原有的設計過程予以改進，本文以知識融合技術為基礎建立促進設計過程創新的機制。根據船體設計要求，需要在ADAMS 環境下對船體進行動力學分析，但在ADAMS 軟件中構建船舶與水、系泊系統之間的約束模型是個難題。雖然該問題的解決方案具有無法預知性，但可以根據現有資源通過知識融合來尋找一些創新的方案。本文應用過程規劃平臺，通過虛擬樣機技術領域和挖泥船領域知識融合，獲得設計過程改進方案，即在ADAMS 環境下將錨鏈系泊系統簡化成彈簧，實現船體的動力學分析，如圖4 所示。

圖4 基于知識融合的過程改進

3.2 任務調度優化

船體總體設計活動之間存在著依賴關系，因此，耦合活動通過不斷反復和迭代逐步達到設計目標。通過圖1 中耦合活動分解模塊將其分解成若干一定粒度的子耦合活動，即根據設計活動信息將耦合活動2、3、4分解為子活動，且分別對應編號為(16，19，22)、(17，20，23)和(18，21，24)，相應的會審活動編號為25。根據本文規劃平臺的調度結果可得到每個活動的開始時間為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)。

由于在船體總體設計過程中存在過程改進，因此在設計活動調度過程中，需要動態修改調度計劃。將3.1 節中的過程改進活動定義為活動26，因此，應用本文過程規劃平臺的調度和優化得到的方案只需適當調整部分活動的時間，即TB(12，14，26)= (27.96，23.10，25.18)。動態調度結果顯示，在基本維持原計劃的基礎上實現了產品開發過程的動態調度，也表明船體設計活動安排的緊湊性，并充分利用了各種有效資源。

4 結論

資源受限的復雜產品開發過程規劃平臺提供了耦合活動集割裂規劃、過程調度、過程優化、過程改進、過程動態調度等系統性的規劃服務。通過實例證明，該平臺可以合理地安排產品開發過程所有任務，且結果表明該平臺可以提高資源的利用率和縮短產品開發周期，并通過開發過程知識融合的方法，能提高分布式異構知識的重用率及共享性，為產品開發過程改進提供了新的方案，有利于產品開發質量的提高，達到了復雜產品開發過程的智能化及快速化目標。

［1］武照云. 復雜產品開發過程規劃理論與方法研究［D］.合肥:合肥工業大學，2009.

［2］Kulvatunyou B，Wisk A，Cho H，et al. Integration framework of process planning based on resource independent operation summary to support collaborative manufacturing［J］.International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2004，17(5):377 -393.

［3］Phanden R K，Jain A，Verma R. Integration of process planning and scheduling:a state-of-the-art review［J］. International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2011，24(6):517 -534.

［4］Yutaka N，Daisuke T，Kikuo F. Design process planning method with attainment-based evaluation model［J］. Hen/Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，2009，75(751):749 -759.

［5］Echert C M，Clarkson P J. Planning development processes for complex products［J］. Research in Engineering Design，2010，21(3):153 -171.

［6］周雄輝，李祥，阮雪榆. 注塑產品與模具協同設計任務規劃算法研究［J］. 機械工程學報，2003，39(2):113-118.

［7］曹守啟. 復雜產品開發過程規劃及其支撐技術研究［D］. 上海:上海大學，2005.

［8］蔣增強. 產品協同開發過程管理的關鍵技術研究［D］.合肥:合肥工業大學，2006.

［9］楊友東. 自頂向下的協同裝配設計過程建模及規劃研究［D］. 杭州:浙江大學，2008.

［10］張靜. 協同產品開發過程規劃方法研究［D］. 青島:山東科技大學，2010.

［11］徐賜軍，李愛平，劉雪梅. 并行設計中耦合活動集的割裂規劃［J］. 同濟大學學報(自然科學版)，2010，38(3):427 -431，458.

［12］徐賜軍，李愛平，劉雪梅. 基于資源推拉技術的多項目調度算法［J］. 計算機集成制造系統，2010，16(6):1246-1254.

［13］徐賜軍，李愛平，劉雪梅. 彈性資源約束的動態調度決策［J］. 控制與決策，2011，26(3):332 -338，345.

［14］徐賜軍，李愛平，劉雪梅. 耦合活動重疊執行過程的時間模型［J］. 計算機集成制造系統，2009，15(10):1914 -1920.