產品層級演化開發過程的建模方法研究

賈 鵬，高 琦，高 蕾，陳柳青，紀 雪

JIA Peng1,2，GAO Qi1,2，GAO Lei3，CHEN Liu-qing1,2，JI Xue1,2

(1.山東大學 機械工程學院，濟南 250061；2.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室(山東大學)，濟南250061；3.勝利油田電力管理總公司電力標準計量站，東營 257000)

0 引言

為應對激烈的市場競爭，快速設計開發具有創新性的新產品已成為企業生存與發展的關鍵[1]。并行工程、動態產品開發等新的產品設計方法應需而生。這些設計方法在提高了產品開發效率的同時也使產品開發過程變得越來越復雜，增加了產品開發過程的管理難度。

企業為了更好的理解和控制產品開發過程，必須通過對開發過程進行業務建模使開發活動清晰明了，并對設計過程分析優化。目前許多學者已提出了多種比較成熟的建模方法如PERT[2]、IDEF[3]、Petri網[4]和DSM[5]，它們功能和特點的對比見表1。

表1 建模方法功能和特點的比較

這些建模方法都有各自的優缺點和適用范圍。由于新設計方法導致產品開發過程中存在越來越多的迭代耦合任務，任務間的信息交互多且頻繁，使產品開發過程的分析和優化變得極為重要。而DSM模型能夠表達任務間的信息耦合迭代關系，是過程分析與規劃強有力的工具，得到了越來越廣泛的應用，其有效性和實用性也已被充分驗證。

但目前DSM只是描述已有任務之間的信息相互關系，不支持產品開發的層級演化過程，不能隨任務的逐層分解對各層級或局部設計任務進行分析和規劃。且在一個單層矩陣中逐一分析判斷所有任務之間的信息交互，當任務數量大幅增加時，DSM分析的工作量將非常巨大且易出錯，矩陣的構建難度較大。

針對目前DSM存在的局限性，本文提出了一種符合產品開發過程層級化特點的分層DSM建模方法，利用一系列DSM對產品開發過程的各層級設計任務全面描述，并通過矩陣的層級嵌套構建算法大大簡化任務間信息交互關系的分析過程，降低矩陣的構建難度，提高構建效率。

1 分層設計結構矩陣

在逐層分解產品開發過程得到的層級結構設計任務中，若兩個父設計任務間存在信息交互，則其子設計任務間必會存在信息交互，若兩父任務間不存在信息交互，則其子任務間必沒有信息交互。基于設計任務層級結構的特點和父子任務間信息的傳遞關系構建分層DSM。

分層DSM是能夠表達層級結構關系的多層DSM，可對產品開發過程中各層級和局部子設計任務建模。首先建立各層設計任務中隸屬于同一父任務的子任務DSM，然后依據層級關系由最頂層開始逐層分析父子任務間的信息傳遞關系，同時將子任務DSM嵌套以替代父任務，逐層構建分層DSM模型，如圖1所示。

圖1 分層DSM的構建過程

1）第i層子DSM (SDSMi)指產品開發過程中第i層的隸屬于同一父設計任務的子設計任務對應建立的DSM，同一層的SDSM可有多個。

2）第i層全局DSM (GDSMi)是產品開發過程中截止到第i層將所有子設計任務DSM都嵌套完成后得到的DSM，每一層GDSM只有一個，且最底層GDSM即為整個產品開發過程的DSM。

3）第i層局部DSM (PDSMi)是指在將所有SDSMi嵌套以構建GDSMi的過程中產生的所有中間DSM。

2 矩陣的層級嵌套算法

基于產品開發過程中層級父子設計任務間的信息傳遞關系，利用矩陣的層級嵌套算法將SDSM層層嵌套以構建分層DSM模型。以圖1中任務T1的SDSM(T1)的嵌套詳細說明矩陣的層級嵌套算法，如圖2所示。

任務T0包括T1，T2和T3三個子任務，其中T1有T1.1，T1.2和T1.3三個子任務，構成相應的子DSM模型SDSM2(T1)。利用矩陣的層級嵌套算法將SDSM2(T1)嵌套至SDSM1(T0)中以替代父任務T1，具體分析步驟如下：

1）分析SDSM1(T0)中T1所在行和列的非0元素，找到行元素=1和列元素=1。

2）行元素=1說明任務T1輸出信息給任務T3，進一步分析T1的哪些子任務輸出信息給T3，即分析嵌套DSM中T1.1，T1.2和T1.3對應于T3的行元素。

圖2 層級嵌套算法

3）列元素=1說明任務T1需要任務T2輸出的信息，進一步分析T1的哪些子任務需要T2輸出的信息，即分析嵌套DSM中T1.1，T1.2和T1.3對應于T2的列元素。

4）對于DSM1(T0)中T1所在行和列的0元素，說明T1與這些任務之間沒有信息交互，則其子任務與這些任務之間也沒有信息交互，在嵌套DSM中其對應元素為0。

矩陣的層級嵌套算法中，只需分析存在信息交互關系的父設計任務即DSM中的非0元素即可，可大大簡化模型的構建過程，提高模型的構建效率。

3 應用實例

某企業設計開發的風力發電機組(簡稱風機總成)包含上千零部件，其開發過程包含上千個設計任務，且任務間存在大量的反饋迭代和信息依賴，需要構建風機總成開發過程模型對設計任務進行分析規劃。但風機總成層層演化的開發過程和如此多的設計任務，使模型難以構建且無法一步完成。本文采用分層DSM對風機總成的開發過程建模。圖3(a)為風機總成開發過程已分解的設計任務，圖3(b)為各層子設計任務對應的SDSM模型。

風機總成設計開發過程分層DSM模型的建立過程包括以下步驟：

1）創建各分層SDSM，如圖3(b)。

2）創建GDSM1。第一層的SDSM1即GDSM1。

3）創建GDSM2。第二層子矩陣包括兩個SDSM2(F1)、SDSM2(F2)，通過將SDSM2(F1)嵌套至GDSM1中得PDSM2(F1)和將SDSM2(F2)嵌套至PDSM2(F1)中得PDSM2(F1,F2)兩步完成。

4）創建GDSM3。將子矩陣SDSM3(F2.6)嵌套至GDSM2中得PDSM3(F2.6)。PDSM3(F2.6)即GDSM3，同時PDSM3(F2.6)也是風機總成設計開發整體過程的GDSM，如圖4所示。

利用分層DSM逐層建立了風機總成開發過程已分解任務的DSM模型。通過層層建模的方式支持風機總成開發過程設計任務的逐層分解演化，當設計任務有進一步的分解時DSM模型可隨其擴展。并且各層的SDSM可由相應的設計部門內部建立，涉及多個部門的PDSM/GDSM可由上一級的設計部門協調幫助建立，因此分層DSM模型可支持多部門協同建立，降低了龐大的風機總成開發過程DSM模型的構建難度。

4 結論

針對目前DSM建模方法對于產品開發過程建模的局限，提出了分層DSM的建模方法，給出了分層DSM中SDSM、PDSM和GDSMS三類矩陣模型的定義和用于支持分層DSM模型建立的矩陣層級嵌套算法。分層DSM建模方法利用三類矩陣模型建立產品開發過程各層級、各階段及全過程的設計任務模型，以便按需對任意局部開發過程分析規劃，為設計任務的資源分配和資源協調提供基礎。同時分層DSM支持自頂向下的逐層分析任務間的信息交互關系和矩陣間的層級嵌套，不僅降低了模型的構建難度、提高了模型的構建效率，還實現了模型隨產品開發過程的逐層演化而不斷擴展。最后通過某企業風機總成開發過程分層DSM模型的建立過程驗證了分層DSM建模方法的可行性。

[1]唐敦兵,錢曉明,劉建剛.基于設計結構矩陣DSM的產品設計與開發[M].北京：科學出版社,2009.

[2]朱弘毅.網絡計劃技術[M].上海：復旦大學出版社,1999.

[3]李建軍,何衛平,張維,楊海成.支持并行工程的IDEF集成建模[J].制造業自動化,2000,22(9).15-18.

[4]祖旭.基于Petri網理論的產品開發過程建模方法研究[D].大連：大連理工大學,2005.

[5]施國強,李伯虎,柴旭東.基于設計結構矩陣的復雜產品開發項目規劃模型[J].計算機集成制造系統,2007,13(11)：2105-2109.