資源受限的復雜產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)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(xiàn)代制造技術(shù)研究所，上海201804)

0 引言

產(chǎn)品開發(fā)是制造業(yè)中最為重要的組成部分之一，現(xiàn)代企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力、新產(chǎn)品的開發(fā)能力和開發(fā)速度己成為企業(yè)核心競爭力的重要體現(xiàn)。復雜產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃是以開發(fā)過程的整體效率和效益為目標，以系統(tǒng)工程為哲理，以運籌學等數(shù)學方法為理論基礎，以工程技術(shù)和管理技術(shù)為手段，以現(xiàn)代信息技術(shù)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(chǎn)品開發(fā)過程進行系統(tǒng)的分析、設計、優(yōu)化、協(xié)調(diào)和部署，從而實現(xiàn)復雜產(chǎn)品開發(fā)過程的順利和高效完成;它強調(diào)綜合地提高勞動生產(chǎn)率、降低開發(fā)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量，使系統(tǒng)能夠處于最佳運行狀態(tài)并獲得最高整體效益［1］。

美國國家標準技術(shù)研究所研究了工程數(shù)據(jù)共享的產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃技術(shù)及其集成框架［2］。Phanden等［3］綜述了產(chǎn)品開發(fā)過程中規(guī)劃和調(diào)度技術(shù)的集成研究，并指出過程規(guī)劃和調(diào)度是影響產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量、資源利用和產(chǎn)品時間分配的關(guān)鍵技術(shù)。Yutaka 等［4］指出過程規(guī)劃是保證產(chǎn)品成功研發(fā)的關(guān)鍵步驟，并以產(chǎn)品成功開發(fā)的定量預測為目標構(gòu)建了并行產(chǎn)品開發(fā)過程的規(guī)劃方法。Eckert 等［5］強調(diào)了產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃工具的開發(fā)是當前研究比較活躍的領(lǐng)域，并介紹了過程規(guī)劃在企業(yè)實際應用中的挑戰(zhàn)。在國內(nèi)，許多高校和研究所對產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品與模具協(xié)同設計任務規(guī)劃算法進行了研究［6］;上海大學曹守啟［7］、合肥工業(yè)大學蔣增強［8］、浙江大學楊友東［9］等研究了產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)。隨著研究的深入，合肥工業(yè)大學武照云［1］、山東科技大學張靜［10］等對產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃的理論和方法進行了較系統(tǒng)的研究。綜合分析產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃研究現(xiàn)狀可知，過程規(guī)劃的理論和實踐研究取得了一些積極的成果，但許多關(guān)鍵技術(shù)研究還不成熟，尤其針對資源受限的產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃技術(shù)研究更需進一步深入。

1 過程規(guī)劃平臺框架

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

圖1 產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃框架

(1)過程建模

過程建模是針對產(chǎn)品開發(fā)流程的分析，確定其活動組成，明確活動間的約束和聯(lián)系，建立適于復雜產(chǎn)品并行開發(fā)模式的過程模型。過程建模首先應描述系統(tǒng)的元素、元素屬性及其關(guān)系。系統(tǒng)元素主要包括產(chǎn)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(tǒng)元素。根據(jù)復雜產(chǎn)品并行開發(fā)的特點，過程模型必須從產(chǎn)品信息、資源等方面描述，且必須能在本文過程集成環(huán)境下運行。因此，本文規(guī)劃平臺主要采用有向圖和設計結(jié)構(gòu)矩陣的過程建模方法。

(2)資源受限的復雜產(chǎn)品開發(fā)過程分解

過程分解是通過分解開發(fā)任務，尋求活動間可放松的薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)活動的流程化。針對復雜產(chǎn)品開發(fā)過程的復雜性，在產(chǎn)品開發(fā)實施之前應對產(chǎn)品開發(fā)及其相關(guān)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(chǎn)品開發(fā)活動間的復雜聯(lián)系及整個開發(fā)過程本身的結(jié)構(gòu)和規(guī)律，并準確、完整地反映和預見開發(fā)過程中的潛在問題，指導開發(fā)過程的優(yōu)化運行，為開發(fā)過程管理優(yōu)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(chǎn)品開發(fā)過程的主體是產(chǎn)品開發(fā)活動，并按照某種內(nèi)在的順序約束關(guān)系形成一個完整的開發(fā)流程。開發(fā)過程分解是對活動執(zhí)行的先后順序進行規(guī)劃，其目的是盡量減少開發(fā)過程的反復，使其流程安排更加合理，是產(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃問題的基礎。若規(guī)劃不合理，則在產(chǎn)品開發(fā)過程中有可能引起大量的過程反復，導致產(chǎn)品開發(fā)周期的延長、開發(fā)質(zhì)量的降低以及開發(fā)成本的增加。

對于復雜產(chǎn)品開發(fā)，活動之間具有很強的耦合關(guān)系，所包含的活動信息量也大，在實際開發(fā)過程中往往結(jié)合功能和結(jié)構(gòu)的方式來進行開發(fā)過程分解。資源是產(chǎn)品開發(fā)過程的重要信息，因此，本文規(guī)劃平臺通過資源與活動間的互相關(guān)度分析構(gòu)建資源受限的耦合活動集割裂規(guī)劃方法［11］，提高開發(fā)過程分解的合理性，并根據(jù)開發(fā)過程實際執(zhí)行情況，確定耦合活動串行或并行的執(zhí)行模式。由圖1 可知，根據(jù)過程模型描述的各種關(guān)系以及活動的相關(guān)信息，識別開發(fā)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(diào)度，否則，根據(jù)割裂準則對耦合活動進行重新規(guī)劃。若開發(fā)過程無重要資源或資源充裕，則耦合活動集主要根據(jù)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(guān)度;否則，耦合活動集的割裂還要考慮活動與資源的關(guān)系，分析它們的互相關(guān)度，從多個角度分析耦合活動的執(zhí)行次序。

(3)基于資源推拉技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)項目調(diào)度

過程調(diào)度針對過程分解后建立的工作流程，對開發(fā)活動所涉及的各種信息進行調(diào)度，保證產(chǎn)品開發(fā)的順利進行。過程調(diào)度模型涉及一系列評價指標，如開發(fā)周期、開發(fā)質(zhì)量、開發(fā)成本等。因此，過程調(diào)度需要建立完整的評價指標體系，即由一系列相互聯(lián)系、相互作用的指標，按照一定層次結(jié)構(gòu)組成有機整體。其目的是確定恰當?shù)脑u價指標對產(chǎn)品開發(fā)過程調(diào)度進行相應的評價，保證得到的調(diào)度結(jié)果能為企業(yè)帶來最大的效益。

本文規(guī)劃平臺針對資源受限的多項目調(diào)度問題，以開發(fā)時間最短為目標，充分考慮資源在活動中的工作狀態(tài)，構(gòu)建一個新的動態(tài)優(yōu)先規(guī)則，并采用串行調(diào)度方案實現(xiàn)基于資源推拉技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)過程中多項目的調(diào)度及動態(tài)決策［12-13］。由圖1 可知，根據(jù)非耦合過程模型的信息，分析產(chǎn)品開發(fā)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(diào)度，否則采用資源受限的項目調(diào)度算法。根據(jù)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(fā)生沖突的子集，采用基于資源推拉技術(shù)的沖突消解模型和相應的優(yōu)先規(guī)則指標計算方法消解其沖突。按子集中開發(fā)活動的執(zhí)行次序依次消解沖突，最終實現(xiàn)整個開發(fā)過程的調(diào)度。若在開發(fā)過程執(zhí)行期間存在過程改進，則采用動態(tài)調(diào)度的方法，若對動態(tài)調(diào)度結(jié)果不滿意則必須重新調(diào)度。

(4)資源受限的產(chǎn)品開發(fā)過程優(yōu)化

過程分析以過程模型為基礎，分析活動的執(zhí)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(jù)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(chǎn)品開發(fā)過程更加流暢，并根據(jù)分析結(jié)果實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)時間、成本和資源等的最優(yōu)化，即優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)過程的目的是追求最短的開發(fā)時間、最小的開發(fā)成本、最合理地使用現(xiàn)有資源，盡最大可能滿足客戶對產(chǎn)品的要求。設計活動的重疊執(zhí)行方式是節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)時間的核心技術(shù)，但重疊開發(fā)模式也存在著一定的風險，即在縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的同時，也會增加開發(fā)成本。因此，重疊開發(fā)模式的實施必須對開發(fā)過程進行合理的規(guī)劃，否則開發(fā)成本和開發(fā)時間均有增加的可能，達不到預期的優(yōu)化效果。因此，本文規(guī)劃平臺針對重疊開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)過程時間模型，采用退火遺傳算法實現(xiàn)集成環(huán)境下復雜產(chǎn)品開發(fā)過程的分析和優(yōu)化［14］。

由圖1 可知，根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)過程調(diào)度結(jié)果，由產(chǎn)品開發(fā)項目管理者決定是否進行過程優(yōu)化。若不優(yōu)化則直接根據(jù)調(diào)度計劃執(zhí)行，否則借用相關(guān)的優(yōu)化模型對開發(fā)過程進一步優(yōu)化。若開發(fā)過程不考慮資源的約束作用，則直接根據(jù)開發(fā)活動的時間模型進行優(yōu)化;否則，優(yōu)化模型要考慮資源約束的作用，構(gòu)建資源受限的復雜產(chǎn)品并行開發(fā)過程時間模型，采用智能優(yōu)化算法實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的優(yōu)化。

(5)基于知識融合的產(chǎn)品開發(fā)過程改進

過程改進是根據(jù)市場競爭的變化，對產(chǎn)品開發(fā)過程進行較低層次或局部的修改，不需對過程的體系結(jié)構(gòu)和組織框架進行徹底變革(即過程重組)［12］。產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品開發(fā)過程螺旋迭代上升且連續(xù)改進和重組的過程。產(chǎn)品開發(fā)過程經(jīng)改進或重組后將產(chǎn)生一個標準化的開發(fā)過程，為了高效地完成每個開發(fā)任務，必須掌握過程改進或重組產(chǎn)生的新知識。因此，過程改進是一個不斷持續(xù)的過程，也是一種過程知識的創(chuàng)新。企業(yè)知識的更新對過程改進具有顯著的促進作用，但在復雜產(chǎn)品實際的開發(fā)過程中所獲取的知識往往存在異構(gòu)等特性。為了充分利用復雜產(chǎn)品開發(fā)過程知識，本文規(guī)劃平臺采用基于知識融合的過程改進方法，提高產(chǎn)品開發(fā)過程改進的合理性。

在開發(fā)過程執(zhí)行期間，由于新技術(shù)或新資源等因素的引入，必然導致產(chǎn)品開發(fā)過程知識的更新。由圖1 可知，通過過程監(jiān)控適時獲取相關(guān)的信息，并決定是否需要進行過程改進。若不改進則繼續(xù)執(zhí)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(chǎn)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(fā)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(fā)過程進行動態(tài)調(diào)度。

(6)過程實施

過程實施是組織范圍內(nèi)的所有任務按照一定的方式進行，主要包括過程執(zhí)行、過程監(jiān)控、過程信息管理等。過程執(zhí)行是產(chǎn)品開發(fā)過程模型及控制模塊的執(zhí)行，根據(jù)執(zhí)行模塊功能建立過程執(zhí)行規(guī)則及運行支持機制，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的啟動、結(jié)束、狀態(tài)更新等操作。過程監(jiān)控是在過程執(zhí)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(tài)以及資源、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、產(chǎn)品知識等信息。同時，用戶可以及時發(fā)現(xiàn)過程執(zhí)行期間的突發(fā)事件，為決策者提供分析平臺。

過程實施主要由工作流和產(chǎn)品信息管理技術(shù)承擔，本文規(guī)劃平臺開發(fā)一個集成環(huán)境保障產(chǎn)品開發(fā)過程的實施。根據(jù)過程模型對產(chǎn)品開發(fā)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(zhí)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(wǎng)絡瀏覽器，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程的監(jiān)控。

2 過程規(guī)劃平臺開發(fā)

基于復雜產(chǎn)品并行開發(fā)過程規(guī)劃平臺的分析，過程規(guī)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(chuàng)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(jù)過程規(guī)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(chǎn)品開發(fā)過程規(guī)劃與項目管理、工作流管理、資源管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、知識管理等服務系統(tǒng)緊密相關(guān)，因此過程規(guī)劃軟件開發(fā)采用集成的思想，即將過程分解、過程調(diào)度融入項目管理系統(tǒng)，將基于知識融合的過程改進融入知識管理系統(tǒng)。例如，過程優(yōu)化階段需要進行過程的解耦和調(diào)度等操作，則直接通過過程優(yōu)化界面的相關(guān)按鈕鏈接到相應的功能模塊，實現(xiàn)語句如下:

在過程規(guī)劃軟件開發(fā)過程中，過程分解、過程調(diào)度、過程優(yōu)化以及過程改進等功能模塊都具有復雜的實現(xiàn)邏輯與關(guān)系結(jié)構(gòu)，給軟件開發(fā)帶來了一定的困難。下面以過程分解的耦合活動集割裂規(guī)劃為例說明功能模塊的函數(shù)體系結(jié)構(gòu)設計。根據(jù)耦合活動集割裂規(guī)劃方法，過程分解模塊軟件實現(xiàn)的主要函數(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。割裂規(guī)劃模塊的函數(shù)體系嵌套3 層，主體分為活動分解函數(shù)、耦合識別函數(shù)、割裂規(guī)劃函數(shù)以及結(jié)果輸出函數(shù)四大部分，其中割裂規(guī)劃函數(shù)為核心，調(diào)用互相關(guān)分析函數(shù)和自相關(guān)分析函數(shù)。軟件采用子窗口創(chuàng)建的方法實現(xiàn)交互界面的友好性及圖3 所示的其它相關(guān)函數(shù)構(gòu)建。與過程分解模塊函數(shù)體系結(jié)構(gòu)設計同理，針對過程調(diào)度、過程優(yōu)化以及過程改進等關(guān)鍵技術(shù)的分析，理清各模塊的函數(shù)關(guān)系，則可實現(xiàn)相應模塊的軟件功能。

圖3 耦合活動集割裂規(guī)劃模塊函數(shù)體系結(jié)構(gòu)

3 應用

船舶是人們造船和用船經(jīng)驗的結(jié)晶，也是科學技術(shù)不斷發(fā)展的成果。船舶設計是一項復雜的系統(tǒng)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(yè)的實際開發(fā)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(guān)系，因此，在船舶設計部門中不僅要合理安排設計活動的執(zhí)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(fā)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(chǎn)生的新知識。由于船體設計是一個復雜的系統(tǒng)工作，許多知識往往局限于一個小的范圍交流。為了實時發(fā)現(xiàn)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(shù)為基礎建立促進設計過程創(chuàng)新的機制。根據(jù)船體設計要求，需要在ADAMS 環(huán)境下對船體進行動力學分析，但在ADAMS 軟件中構(gòu)建船舶與水、系泊系統(tǒng)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(jù)現(xiàn)有資源通過知識融合來尋找一些創(chuàng)新的方案。本文應用過程規(guī)劃平臺，通過虛擬樣機技術(shù)領(lǐng)域和挖泥船領(lǐng)域知識融合，獲得設計過程改進方案，即在ADAMS 環(huán)境下將錨鏈系泊系統(tǒng)簡化成彈簧，實現(xiàn)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(diào)度優(yōu)化

船體總體設計活動之間存在著依賴關(guān)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(jù)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(jù)本文規(guī)劃平臺的調(diào)度結(jié)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(diào)度過程中，需要動態(tài)修改調(diào)度計劃。將3.1 節(jié)中的過程改進活動定義為活動26，因此，應用本文過程規(guī)劃平臺的調(diào)度和優(yōu)化得到的方案只需適當調(diào)整部分活動的時間，即TB(12，14，26)= (27.96，23.10，25.18)。動態(tài)調(diào)度結(jié)果顯示，在基本維持原計劃的基礎上實現(xiàn)了產(chǎn)品開發(fā)過程的動態(tài)調(diào)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(jié)論

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

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