資源受限的復雜產品并行開發過程集成

徐賜軍　李愛平

1.湖北理工學院，黃石，435003　　2.同濟大學現代制造技術研究所，上海，201804

資源受限的復雜產品并行開發過程集成

徐賜軍1李愛平2

1.湖北理工學院，黃石，4350032.同濟大學現代制造技術研究所，上海，201804

針對復雜產品并行開發過程存在資源約束及信息耦合性強等特點，提出了資源受限的開發過程集成模型。根據開發過程功能需求構建了過程管理系統體系結構，研究了功能模塊映射模型、功能模塊集成模型、過程信息集成模型、事件邏輯推理模型以及基于資源推拉技術的資源沖突消解模型。基于復雜產品并行開發過程集成環境研究了產品開發過程規劃的運行方式，通過活塞連桿組改進設計實例驗證了資源受限的復雜產品并行開發過程集成技術的有效性。

資源約束；復雜產品；過程集成；過程規劃

0　引言

產品開發過程集成系統是產品開發信息交流和管理的平臺。過程集成作為信息集成和企業集成之間的環節，直接影響企業集成的效果。通過過程集成，可方便地協調各種企業應用系統的功能，將人、資源、資金及其應用合理地組織起來，獲得最佳的運行效益[1]。過程集成技術必須提供性能可靠的通信機制，保障過程與活動的狀態轉換順利實現。Sosa等[2]以DSM為工具，研究了產品結構中的接口與開發過程中的信息交流模式之間的關系。Reijers等[3]對Aalst提出的過程BOM模型進行了進一步的改進和完善，并在此基礎上開發了基于產品的工作流設計方法。Trappey等[4]開發了基于推理引擎的專家系統的智能化工作流管理系統。張嵐[5]提出了面向產品開發過程的項目管理模型，實現了產品開發過程管理與數據管理的集成。李軍寧等[6]提出了設計流程的知識服務集成模式，在宏觀和微觀層次上實現了對設計知識服務平臺中知識流動規律的研究。孔建壽等[7]研究了項目管理系統與工作流管理系統的集成框架，實現了它們之間的信息集成和功能集成。曾福勝等[8]通過分析業務流程的活動和人力資源，構建了知識供應流的模型，實現了知識流與工作流的集成。張曉剛等[9]提出一個擴展的工作流過程元模型，以支持業務過程控制與知識管理的集成。在產品開發過程中，資源是產品開發所必需的物質條件，產品數據是產品開發的技術保障，喬立紅等[10]對該管理系統進行了深入的研究。

復雜產品開發過程管理系統中的部分功能模塊集成理論已有所研究，但該集成技術還處于理論研究和試驗階段，對產品開發過程的管理，仍然側重于對已有數據的管理，而忽視更高質量、更有價值的產品數據獲取，導致開發過程的知識流失嚴重，各種管理技術的信息交流不暢通。雖然許多學者提出不少模型來描述產品開發過程，但綜合考慮多種因素，尤其是資源約束的研究還不完善[11]。因此，資源受限的復雜產品開發過程集成技術研究可以為開發過程提供各種信息交流暢通、過程執行透明的支撐平臺。

1　復雜產品并行開發過程管理體系結構

復雜產品的研發周期長，參與的組織和人員較多，因此大多數情況下，其研發過程需要通過項目進行管理。項目管理是一種經典的管理技術，工作流技術是組織實現業務過程建模、重組和執行的重要技術，兩者在支持整個業務運行上具有很強的互補性。在產品實際的開發過程中，項目進度不但受項目活動執行次序的約束，而且受活動所需求的產品數據、知識以及資源的約束。解決此類復雜問題的主要方法是對相互聯系、動態變化的開發活動進行合理的規劃和執行，并有效管理此類活動的數據、知識等信息。因此，復雜產品開發過程需要一種面向過程且對項目管理、工作流、產品數據、知識以及資源等進行綜合管理的集成技術，并能基于該技術進行合理的開發過程規劃。

為了使復雜產品開發過程有序、高效地進行，并滿足產品開發任務快速、低成本、高質量的要求，復雜產品開發過程管理系統必須能夠對復雜產品開發過程提供有效的管理支持，保證每個開發任務在正確的時間、以正確的方式完成。根據復雜產品并行開發過程的功能需求，構建圖1所示的復雜產品并行開發過程管理體系結構。

圖1　復雜產品并行開發過程管理體系結構

該過程管理系統采用4層(用戶層、服務層、技術支撐層和數據層)邏輯結構模式。用戶層主要提供系統和用戶的交互界面，包括可視化過程管理界面和網絡瀏覽器；服務層主要包括項目管理服務、工作流管理服務、產品數據管理服務、資源管理服務、知識管理服務、過程規劃服務等功能模塊，在復雜產品并行開發過程中為用戶提供各種管理服務，實時、動態地監控各個環節的執行情況；技術支撐層為各模塊管理系統提供暢通的信息交流平臺，便于產品開發過程中信息的更新、互動及融合等，提高服務層各項服務的質量；數據層為復雜產品并行開發過程提供必要的信息存儲支持(包括產品數據庫、資源庫、知識庫、項目模型庫和工作流模型庫)。

2　開發過程集成模型

2.1功能模塊映射模型

產品開發項目在分解后形成的相關可控活動，既是項目的基本管理單位，又是建立工作流模型的基本對象，同時也是資源和產品數據服務的對象。根據活動在項目管理系統、工作流管理系統、知識管理系統、資源管理系統和產品數據管理系統等功能模塊中的作用范圍定義項目空間、業務空間、知識空間、資源空間和數據空間，并通過活動的紐帶作用，構建各空間功能模塊之間的映射模型，如圖2所示。

圖2　功能模塊映射模型

2.2功能模塊集成模型

根據集成模塊的映射模型，構建圖3所示的產品開發過程功能模塊集成模型，各功能模塊集成過程如下：首先，根據產品開發需要調用數據庫管理系統的產品結構樹，并以此為依據在項目管理系統中進行項目分解、活動定義和項目層建模，確定項目活動的執行次序；接著，通過活動調度的紐帶作用，針對項目模型中各個活動節點進行業務層的工作流建模，并通過模型轉換接口調用工作流系統，同時將產品信息樹的各類信息賦予該活動，其中，產品信息樹與數據管理系統的產品結構樹相關聯；然后，工作流管理系統根據每個活動的工作流模型生成工作流模型實例；最后，項目管理系統根據項目分解的定義，激活活動節點，觸發工作流管理系統中的活動流引擎，并通過活動調度，根據所賦予的相關信息從各管理系統的請求服務功能中獲取該活動的資源需求、知識需求及數據需求，將該活動分配給相應的角色，執行具體的業務處理。在活動執行過程中，角色以活動為紐帶，及時與項目管理系統、工作流管理系統、資源管理系統、數據管理系統和知識管理系統交互，保證活動的順利進行，同時實時更新各系統的信息；項目管理系統可以通過活動執行過程的動態數據，實時監控項目的具體執行情況。當一個活動節點工作流實例完成后，向項目管理系統返回執行成功信息，并激活下一個活動，直至項目所有活動執行完成。

圖3　功能模塊集成模型

2.3過程信息集成模型

復雜產品開發過程信息集成體現了各管理系統之間的信息交流。根據項目分解的活動，提取相關信息構建各空間數據表。圖4是采用SQL表達的部分信息表集成關系圖。如圖4所示，當項目進度到達某活動時，該活動表的活動狀態為激活狀態。通過活動表的工作流ID、資源ID、知識ID和數據ID分別與工作流表、資源表、知識表和數據表相應的主鍵關聯，實現各空間信息的集成。通過信息表的路徑屬性可以進一步了解更多的相關信息，如通過知識表的知識路徑可檢索到更加具體的知識表示等內容。

圖4　過程信息集成模型

2.4事件邏輯推理模型

事件邏輯推理是根據給定的條件啟動相應的功能模塊，按既定邏輯完成各項任務。事件邏輯推理模塊主要包括空間關系模型、對象表示模型以及事件推理引擎。根據集成過程的描述，各空間關聯關系如表1所示。其中，Project[p]是根據項目類定義的對象，其他對象類似；布爾變量值的含義如表2所示。

當P1P2=10，A1A2=11時，W1W2=11，即工作流執行后處理。此時，資源、知識及數據均處于分配狀態，但不同于P1P2=01，A1A2=01時的分配狀態。因為在工作流后處理的分配狀態中，資源和知識的分配實際是前文所述的資源拉取和知識拉取的過程，而數據分配是在項目執行過程中直接由某活動使用結束后分配給另一活動，避免數據先釋放再分配的時間浪費。同時，工作流的后處理還要更新知識和產品數據。

依此類推，根據標準與-或表達式及項目和活動的狀態，可以得到各空間工作的狀態，從而實現了各空間事件推理引擎的設計，以及開發活動在各空間的信息協調一致。

2.5過程資源沖突消解模型

并行產品開發過程是一個協調、共享、合作的過程，沖突的產生是經常性的、不可避免的，且貫穿整個開發過程。資源對產品開發項目進度的約束因素主要有資源可用時間窗口、資源容量和資源補充方式等，但資源在開發活動過程中可能只在某個時間段使用，也可能在整個活動過程中都在使用。資源在不同活動中的驅動方式也存在著差異。因此，根據圖2中資源推拉技術的描述，構建資源沖突消解模型，如圖5所示，圖中雙點劃線表示活動2延遲執行的狀態，虛線表示活動2延遲執行應滿足的條件。圖5中，活動1和活動2同時占用資源1和資源2，且存在資源競爭。為了描述方便，令活動1均先于活動2占用資源，各資源在活動中作用的時間如圖5所示，圖中，Tbij表示活動i占用資源j的開始時間；Teij表示活動i占用資源j的結束時間。根據假設可知，若資源的作用時間滿足Tb1j

表1　空間關聯關系

表2　事件邏輯推理引擎變量值含義

(a)資源1沖突消解

(b)資源2沖突消解圖5　資源沖突消解模型

3　應用

3.1集成環境下產品開發過程規劃

產品開發過程中的每個開發任務必須由一定的資源按照一定的既定順序來執行。資源受限的產品開發過程規劃包括資源約束條件下的過程建模、過程分解、過程調度、過程分析與優化、過程改進和過程實施等模塊，根據圖1所描述的過程管理系統，本文基于產品開發過程集成環境構建資源受限的產品開發過程規劃運行方式，如圖6所示。

圖6　過程規劃運行方式

根據復雜產品并行開發過程集成模型的分析，集成環境下產品開發過程規劃的運行應以過程為中心，以活動為對象，以集成環境為平臺。圖6顯示，當用戶進行過程規劃的某一項操作時，相應地啟動該項目的系列活動，即根據表2事件推理引擎激活相應的管理系統，并由圖4的信息表路徑屬性獲取相關活動信息；通過圖3所示的集成框架，以活動為紐帶獲取過程規劃活動中的所有相關信息，然后根據圖2的映射關系即可實現過程規劃在各空間的運行。基于復雜產品并行開發過程集成平臺，本文設計了過程規劃相應模塊的關鍵技術：資源受限的并行產品開發耦合活動割裂規劃、基于資源推拉技術的并行產品開發項目調度算法、資源受限的并行產品開發過程時間模型以及基于知識融合的產品開發過程改進等。

3.2實例分析

活塞連桿組改進設計矩陣如表3所示，應用開發過程集成平臺識別耦合活動2、3、4、5，將其分別分解成子活動(7，11，15)、(9，13，17)、(8，12，16)和(10，14，18)，會審活動編號為19。設計過程中，主要考慮設計人員和分析人員兩類重要資源，且資源容量均為1，各活動參數如表4所示。基于集成平臺各種信息獲取功能，并利用圖6所示集成平臺過程規劃服務獲得活塞連桿改進設計過程規劃，如表5所示。

表3　活塞連桿組設計矩陣

表4　改進設計活動參數　h

表5　開發過程規劃結果　h

表5中括號內的時間為活動最晚的開始時間，空白單元格表示相應活動不占用該資源。由表3、表4可知，活塞連桿組改進過程規劃充分利用了設計活動、設計資源的相關數據或知識。表5表明，基于開發過程集成環境及圖6所示的過程規劃運行方式可以實現信息交流暢通、活動安排合理的開發過程。無資源約束時，設計活動4可以與設計活動3同時開始；有資源約束時，設計活動4與設計活動3關于“設計人員”資源沖突。若資源沖突采用傳統的消解模型，則設計活動3必須等到設計活動4結束后才能開始，即由表5中的活動4結束時間可知設計活動3的最早開始時間為37.76；若資源沖突采用圖5的基于資源推拉技術的消解模型，則設計活動3在設計活動4釋放資源“設計人員”時就可以開始，即設計活動3的最早開始時間為33.17，再在此基礎上進行時間優化得到更理想的開始時間(算例中的時間為35.90)。

4　結語

復雜產品并行開發過程具有周期長、過程復雜、信息耦合關聯性強等特點，傳統項目管理技術提供了對項目管理進行合理安排和優化控制的手段，但不利于項目空間、業務空間、資源空間、知識空間及數據空間的信息實時交流。因此，本文根據開發過程功能需求構建了過程管理系統體系結構，提出了功能模塊映射模型、功能模塊集成模型、過程信息集成模型、事件邏輯推理模型以及基于資源推拉技術的資源沖突消解模型。基于復雜產品并行開發過程集成環境提出了產品開發過程規劃的運行方式。通過活塞連桿組改進設計實例驗證了該集成環境下開發過程耦合活動識別、分解、調度、優化等過程規劃的有效性。

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(編輯張洋)

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

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2008AA04Z113)；湖北省“機械工程”重點學科資助項目

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

徐賜軍，男，1979年生。湖北理工學院機電工程學院講師。主要研究方向為并行工程、數字化設計等。發表論文21篇。李愛平，女，1951年生。同濟大學現代制造技術研究所教授。