產(chǎn)品層級演化開發(fā)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(fā)具有創(chuàng)新性的新產(chǎn)品已成為企業(yè)生存與發(fā)展的關(guān)鍵[1]。并行工程、動態(tài)產(chǎn)品開發(fā)等新的產(chǎn)品設計方法應需而生。這些設計方法在提高了產(chǎn)品開發(fā)效率的同時也使產(chǎn)品開發(fā)過程變得越來越復雜，增加了產(chǎn)品開發(fā)過程的管理難度。

企業(yè)為了更好的理解和控制產(chǎn)品開發(fā)過程，必須通過對開發(fā)過程進行業(yè)務建模使開發(fā)活動清晰明了，并對設計過程分析優(yōu)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(wǎng)[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(yōu)缺點和適用范圍。由于新設計方法導致產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)過程的分析和優(yōu)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(guān)系，是過程分析與規(guī)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(guān)系，不支持產(chǎn)品開發(fā)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(guī)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(shù)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(gòu)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(chǎn)品開發(fā)過程層級化特點的分層DSM建模方法，利用一系列DSM對產(chǎn)品開發(fā)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(gòu)建算法大大簡化任務間信息交互關(guān)系的分析過程，降低矩陣的構(gòu)建難度，提高構(gòu)建效率。

1 分層設計結(jié)構(gòu)矩陣

在逐層分解產(chǎn)品開發(fā)過程得到的層級結(jié)構(gòu)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?；谠O計任務層級結(jié)構(gòu)的特點和父子任務間信息的傳遞關(guān)系構(gòu)建分層DSM。

分層DSM是能夠表達層級結(jié)構(gòu)關(guān)系的多層DSM，可對產(chǎn)品開發(fā)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(jù)層級關(guān)系由最頂層開始逐層分析父子任務間的信息傳遞關(guān)系，同時將子任務DSM嵌套以替代父任務，逐層構(gòu)建分層DSM模型，如圖1所示。

圖1 分層DSM的構(gòu)建過程

1）第i層子DSM (SDSMi)指產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)過程的DSM。

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

2 矩陣的層級嵌套算法

基于產(chǎn)品開發(fā)過程中層級父子設計任務間的信息傳遞關(guān)系，利用矩陣的層級嵌套算法將SDSM層層嵌套以構(gòu)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(gòu)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(guān)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(gòu)建過程，提高模型的構(gòu)建效率。

3 應用實例

某企業(yè)設計開發(fā)的風力發(fā)電機組(簡稱風機總成)包含上千零部件，其開發(fā)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(gòu)建風機總成開發(fā)過程模型對設計任務進行分析規(guī)劃。但風機總成層層演化的開發(fā)過程和如此多的設計任務，使模型難以構(gòu)建且無法一步完成。本文采用分層DSM對風機總成的開發(fā)過程建模。圖3(a)為風機總成開發(fā)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(fā)過程分層DSM模型的建立過程包括以下步驟：

1）創(chuàng)建各分層SDSM，如圖3(b)。

2）創(chuàng)建GDSM1。第一層的SDSM1即GDSM1。

3）創(chuàng)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(chuàng)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(fā)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(fā)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(fā)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(nèi)部建立，涉及多個部門的PDSM/GDSM可由上一級的設計部門協(xié)調(diào)幫助建立，因此分層DSM模型可支持多部門協(xié)同建立，降低了龐大的風機總成開發(fā)過程DSM模型的構(gòu)建難度。

4 結(jié)論

針對目前DSM建模方法對于產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)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(fā)過程分析規(guī)劃，為設計任務的資源分配和資源協(xié)調(diào)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(guān)系和矩陣間的層級嵌套，不僅降低了模型的構(gòu)建難度、提高了模型的構(gòu)建效率，還實現(xiàn)了模型隨產(chǎn)品開發(fā)過程的逐層演化而不斷擴展。最后通過某企業(yè)風機總成開發(fā)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(jié)構(gòu)矩陣DSM的產(chǎn)品設計與開發(fā)[M].北京：科學出版社,2009.

[2]朱弘毅.網(wǎng)絡計劃技術(shù)[M].上海：復旦大學出版社,1999.

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

[4]祖旭.基于Petri網(wǎng)理論的產(chǎn)品開發(fā)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(jié)構(gòu)矩陣的復雜產(chǎn)品開發(fā)項目規(guī)劃模型[J].計算機集成制造系統(tǒng),2007,13(11)：2105-2109.