并行工程过程管理的研究和应用

1、并行工程过程管理的研究和应用王昕熊光楞王计斌(作者向prdm供稿)1引言：并行工程与过程管理“过程”本身是一个抽象的、普遍的概念。物质之间相互作用，产生变化，在某 一时间段上的投影，就形成“过程”。任何过程都可以抽象成一种或几种物质 状态变化的序列，人们介入到某一过程中，是希槊通过自身的行为來影响物质状 态变化的进程，以获得期望的物质状态。可见，过程的时间特性以及事件(即物 质状态的变化)序列中蕴含的因果关系是“过程”概念的核心。而“过程管理” 因此也包含了两方而的基本含义，一是对以时间为核心的过程性能的关注；二是 对过程中齐要素(人、信息、工具、环境等)及其相互关系演化进程的关注。就 这两个

2、方面來说，前一方面往往以后一方面为基础。过程和过程管理在并行工程的研究和实施中受到广泛的关注，具有深刻的原因。 首先，并行工程的主要目标之一就在于缩短产品开发周期，因此，过程本身必然 成为控制和优化的对象。其次，以过程为基础进行成本核算，能够更全而的反映 成本的构成，基于活动的成本核算(activity based costing)就体现了这种 思想。第三，以过程为基础进行质量控制，把质量控制从事后检测转变为事前预 防，能够尽量减少大的设计更改，需求管理、质量功能配置(quality function deployment)、全面质量管理(total quality management)都是

3、这种思 想的反映。第四，以可视化的过程模型为基础的协同设计支持环境，是通讯、监 控、协调和信息管理的基础。第五，追踪由最初的顾客需求到最终产品实现的决 策过程，从中获得有益的经验和知识，是组织学习、增强产品开发能力的基本手 段。从组织的角度来看，过程管理是企业对口身行为的认知、反省和控制。2并行工程过程管理的研究体系2.1概述并行工程过程管理以产品开发过程为研究对象。所谓产品开发过程，指的是从产 品定义到产品批量生产之前这-段吋间，同一般的过程相比，产品开发过程具有 以下特点：目的性。产品开发的最终口的是设计出满足顾客需求的产品。阶段性。产品开发过程通常包括产品规划、概念设计、方案设计、 详细

4、设计、工艺设计、试制、试验等阶段。层次性。产品开发活动在一定的组织层次上进行，任务的分解本身 也带来层次。协同性。复朵产品的开发需要多学科、跨部门、全生命周期的协作。决策。决策是产品开发活动的主要内容。迭代。在产品开发过程中，阶段性的设计结果不满足设计要求，导 致某一活动序列的重复。信息管理。产品开发过程屮要产生和使用大量的设计信息，有效的 管理这歧信息能提高设计的效率和质量。过程性能。时间和成木是需要控制和优化的主要过程性能。时序。活动的排序对过程的性能会产生影响。这些特点反映了并行工程过程管理所必须考虑的重要方面。总的來说，并行工程 过程管理的研究目标包括三个方面：对于产品开发过程性能的控

5、制和持续改进; 从产品开发过程小进行组织学习（主要是设计知识的学习）；以过程管理系统为 框架，实现对协同设计的支持。卜面我们分五个方面介绍并行工程过程管理的研究内容和主要进展。其中过程模 型是过程性能分析、协同设计支持、组织学习的基础；过程性能的定量分析研究 以基于活动的过程模型为基础，考虑时序、资源、迭代等要素对过程性能的影响, 传统的项目规划和调度是过程性能定量分析的一部分；基于过程的协同设计支持 以过程模型的计算机实现为基础，对任务的分配和监控、信息的管理和设计决策 提供支持；基于过程的组织学习主要通过捕获设计过程中的重要决策信息，来支 持设计回溯和设计重用；过程管理实施方法学通过建立完

6、整的过程发展、评估、 实践体系，来指导企业应用过程管理方法和技术。2.2过程模型及表达一般来说，模型的作用是解释、预测和实现。就产品开发过程模型来说，其作用 可以概括为以下三个方面：矽 表示。以可视化的形式表达产品开发所需经历的步骤及需要考虑的 关键因素，加强团队成员对过程的理解和团队协作；e 分析。用定量的手段形式化的描述产品开发过程，支持过程规划、 分析和改进；必 实现。用计算机、网络、数据库等技术实现基于过程的协同设计环 境，支持分布的、自动的任务分配、信息管理、通讯、监控、协调等功 能。过程模型的研究领域主要包描工程设计、经营过程重组和软件工程。我们研究的 过程跟工程设计研究的过程是一

7、致的，即产品设计过程或产品开发过程。产品开 发过程是经营过程的一部分。而软件开发过程可以看成是产品开发过程的特例。 下面所说的过程模型，如无特别说明，均指产品开发过程。按照建模的口的不同，过程模型可以分为描述性的(descriptive)和规范性的 (prescriptive)。描述性的过程模型主要的作用是解释和分析(如idefo模 型),规范性的过程模型主要作用是强制和指导(如is09000的过程规范)。 按照建模的方法不同，过程模型可以分为基于活动(activity-based)的过程模 型和基于阶段(phase-based)的过程模型。基于活动的过程模型在决策支持、 过程性能分析方面具有

8、显著的优点。而基于阶段的过程模型主要强调设计信息由 抽彖到具体、由定性到定量的发展过程。比较冇代表性的过程模型冇pahl & beitz的系统化设计过程、公理化设计(axiomatic design)过程、创新问题求解理论(theory of inventive problem solving)的设计过程等。evbuomwan n.f.o.列举了比较冇影响的 16种设计过程模型。过程建模的方法和工具包描idef方法、结构化分析方法、petri net建模方法、 实时结构化分析过程建模方法、过程规划(process programming)和系统动 态方法等。2.3过程性能的定量分析过程

9、性能的分析以基于活动的过程模型为基础，分析活动的排序、资源分配、迭 代、评审等因素对过程性能(主要是时间和成本)的影响。过程性能分析主要为 特定项目的计划和调度服务。传统的项目计划与评审技术和设计过程所特冇的迭 代分析构成了产品开发过程性能分析的两大主流。项目计划与评审技术以活动网络为过程模型，以关键路径法为主耍依据，进行过 程的规划和调度。关键路径方法cpm和项目计划与评审技术pert (program evaluation and review technique)技术是50年代末期产生的。二者从本 质上来讲是一致的，它们都是釆用活动网络图来描述一个项口。pert技术是在 cpm方法的基础

10、上增加了时间概率信息。其原理是从一个项目的开始到结束， 把应完成的任务用图或表的形式表示出来。通常用两张农来定义网络图。一张表 给出与一特定项目有关的所有任务(也称为任务分解结构)，另一张表则给出应 当按照什么样的次序来完成这些任务(有时称为限制表restriction list)。通 过cpm和pert方法，可以对项口的任务进行规划，统计估测任务的时间和完 成项目所需时间。cpm与pert的缺点是只面向单一过程结构，即活动间的信 息流结构是单向的，任务是不重复的，或不考虑返工的，因而不支持过程迭代的 分析。为对活动迭代进行描述和分析，i些学者在图论的基础上利用短阵来描述和分析 过程。迭代分析

11、的基础是设计结构矩阵(design structure matrix) 0 dsm 的研究在mit的eppinger. whitney等人的推动下，在分析过程迭代和过程 改进、分析与规划的应用上取得了一定的进展，女0iowa大学的kusiak等基 于dsm对过程分解进行了研究，提出了三角形分解算法以支持并行工程环境下 的过程分析与分解；pimmler等提出了基于构件的dsm以支持产品开发系统 分解；mccord等则提出了基于因队的dsm对并行工程环境下的团队组织进行 分析，分析不同子团队间的信息流动(耦合)关系，用以支持团队间协调。在各 种dsm的扩展中，比较重要的是数字dsm即ndsm (n

12、umerical dsm), dsm矩阵的元索本为二元，即0和1 (即“x”)，ndsm则通过改变这些元 素的值，提供了过程更加详细的信息。如smith等将矩阵对角元定义为活动的 时间长度，而x定义为活动间的重复返工系数，从而提出了工作转换矩阵wtm (work transition matrix)的概念，通过wtm对串行迭代过程进行了时间 分析与规划。基于wtm, johnson等对电了产品的串行迭代产品开发进行了分 析与应用。过程性能的定量分析还包扌舌过程重叠、评审、资源分配、工作负荷等方面的分析, 在此不作一一介绍。2.4基于过程的协同设计支持基于过程的协同设计支持以过程模型的计算机实现

13、为基础，对任务的分配和监 控、信息的管理和设计决策提供支持。近年來，工作流技术得到了长足的发展。1993 年成立了工作流管理联盟(workflow management coalition, wfmc) o此后，该组织颁布了一系列工作流产品标准，包插工作流参考模型、 工作流术语表、工作流管理系统各部分间接口规格。工作流产品的互操作性标准 等。现在，许多公司工基于这些标准推出了门己的工作流产品。从而为基于过程 的协同设计提供了技术基础，主要的pdm产品中都提供工作流管理功能。总的來说，工作流管理系统的主要构件和数据包括： 过程定义（建模）工具 工作流执行了系统和工作流引擎 工作流的控制数据 工作

14、流相关数据 工作列表和工作列表处理程序 应用程序和应用数据工作流管理系统或多或少地具有了下面这些特点：设置活动的启动和结朿条件； 工作流相关数据管理和电子数据的交换；支持分布式地过程建模与执行；图形化 的过程定义工具。从目前工作流管理系统在并行工程屮的应用情况来看，过程的 定量分析是其弱点。我们止尝试将项目管理系统与工作流管理系统进行集成。2.5基于过程的组织学习知识密集性是产品开发过程的一个显著特征，在这个过程中，既使用知识，又产 生知识。因此，捕获设计过程中的重要决策信息，从中获得有益的经验和知识, 来支持设计回溯和设计重用，是组织学习、增强产品开发能力的基本手段。基于 过程的组织学习集中

15、体现在对于设计历史的研究方面。设计历史强调记录曲顾客需求发展到产品实现的全过程，而不仅仅是产品设计的 结果。它不仅包括产詁几何信息的发展过程，而且包括产詁功能和行为的发展、 设计决策过程及其原理、经营活动对设计决策的影响等。一般来说，设计历史包含以下信息：m考虑的替代方案（如任务，装配件，零件，特征，功能，材料，尺度，强度）m 选择或否定替代方案的论据（如定性讨论，定量分析，规则，标准）&评价替代方案的方法必使用、放松的约束和需求及其来源m作出的假设m决策历史和决策原理m产品开发规划&属性和参数值的变化设计历史管理系统不仅仅是一个信息查询系统，它应当同设计过程紧密集成，使 设计

16、人员在执行设计任务的同时完成设计历史的捕获和索引，并自动的提供以前 的相关设计历史信息，支持设计人员的决策。目前，这方面的研究正与企业知识 管理方面的研究紧密结合。2.6过程管理实施方法学过程管理实施方法学通过建立完整的过程发展、评估、实践体系，来指导企业应 用过程管理方法和技术。从最终的目的来说，过程管理的实施是为了改善过程性 能，但曲于过程性能的影响因索纷繁复杂，既包括管理因索，又包括技术因索， 因此需要一个完整的框架对过程管理实践进行指导。过程可以看作是企业行为的描述，过程能力可以看作是金业的行为能力。就象人 的行为能力从幼稚发展到成熟一样，企业的过程能力也有一个从幼稚到成熟的过 程。能

17、力成熟度模型（cmm: capability maturity model）把企业过程能力发 展分为五个阶段，即初始级、可重复级、标准化级、管理化级和优化级（连续改 进级）。为每个阶段定义了关键过程领域（kpa: key process area）、kpa 实现的共同特征(common features)和关键实践(key practices) cmm 虽然以软件工程为背景，对一般性的产品开发过程也有指导意义。cmmi(capability maturity model integrated for systemsengineering/software engineering)就是针对一般产

18、品开发过程的。cmm描述了过程能力在时间上的发展阶段，从空间上来看，不同组织层次的行 为都将对过程能力产生影响。组织行为的层次大致可以划分为三层：组织行为层, 项目团队行为层和个体行为层。组织行为层的责任在于建立和维护领域知识与经 验，建立和维护产品开发的技术与管理框架一产品开发过程财富，制度化和知识 管理是组织行为层的主要手段;项目i才i队行为层的责任在于调动企业资源(人力、 知识、设备等)，完成特定的产品开发目标，项目管理是项目团队行为层的主要 手段；个体行为层的责任在于按照指定的约束，完成所承担的任务，对于设计、 通讯、信息管理工具的使用是个体行为层的主要手段。对于每个组织层次的行为,

19、都有相应的cmm加以规范和描述。3并行工程过程管理的应用进展在这一部分里，我们将主耍介绍近10年来我们在并行工程过程管理方而的实践 及所取得的进展。3.1系统开发45i411 911 95xe” filled= nfhstroked=hfh>/ 工作平台台t+mtmt/诽先连平台 小1川小4 1,和门,二件平台wjitrrrritrrr4工作平台/戲凋工貝/辻程建模辻程历史智农辻疫分折与担戏k-程支持坏境ipdm (product data manage me nt)corba/orb|nt/unix & database图1产品开发过程支持环境图1描述了我们自主开发的产品开发过

20、程支持环境体系结构，它主要由产品开 发过程建模子系统、过程执行监控子系统、过程历史管理子系统、角色管理子系 统、过程分析与报表子系统以及工作平台紧密集成而形成，同吋该环境通过 corba/dcom集成了应用设计工具和协调工具。pdm、数据库和界构操作系 统作为整个支持环境的基础。过程建模子系统捉供图形化的过程信息编辑功能，包括活动信息编辑、信息流信 息编辑、资源信息编辑等，我们的建模机制类似于idefo,但过程模型是动态 可执行的，可以支持信息的预发布和反馈等机制； 过程执行和监控子系统的内容包括过程的执行与监控。过程模型的可执行机制直 接支持过程的实施。通过对可执行的过程模型的监控，实时收集

21、过程实施中的过 程信息，跟踪开发进度，为管理人员捉供决策支持； 过程历史管理子系统的核心模块是过程历史捕获器、意图管理器和历史浏览与报 衣生成器。过程历史捕获器负责监听系统内部活动的状态变化，记录重耍的过程 信息，同时进行活动鉴别，对预先设定的特定情景（如项目里程碑、活动出现界 常或人为中断等），要求用户给出解释。意图管理器负责获取用户的意图输入信 息，并将其和标志信息（相关活动、时间、责任人等）打包，进行保存。历史浏览 器负责提供一个简明易用的浏览界面，供用户查询冋溯有关的过程、意图等历史 信息；角色管理子系统实现对项目屮的角色管理，目的是便于对相应角色定义与过程冇 关的权限，并支持过程中的

22、角色分配。了系统实现了角色的定义、增删、杳询、 密码修改等功能；过程分析与报表了系统实现了对过程模型的分析与规划，并完成了过程的报表生 成，包括过程任务分配、过程进展等，这是十分重要的部分。目前，我们通过二 次开发将ms project 98和过程支持环境其他部分集成在一起，增加模块来实 现模型存取，由project 98來实现这一分析和报表功能；工作平台是产品开发过程支持环境面向具体开发团队的前端，它介于用户和过程 支持环境之间，工作平台为开发人员进行并行工程下的集成开发设计和协作提供 了支持平台。总的来说，我们开发的产品开发过程支持系统偏重于项目管理和协同工作功能的 实现。3.2应用案例口前，我们已将产品开发过程实施方法学和产品开发过程支持系统应用于航天并 行工程和齐齐哈尔铁路车辆并行工程，并取得了较好的应用效果。我们所做的工作包括以下方而：&企业产品开发过程的建模和描述。通过多视图的方法对企业产品开发过程进行描述。m企业产