基于Petri網(wǎng)的工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流建模研究

熊志勇，劉夢(mèng)玉，龐婉婷

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基于Petri網(wǎng)的工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流建模研究

熊志勇，劉夢(mèng)玉，龐婉婷

(華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510006)

工業(yè)設(shè)計(jì)過程建模是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程管理研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著項(xiàng)目開發(fā)周期和整體效益，但目前工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)沒有針對(duì)設(shè)計(jì)過程管理有效的建模技術(shù)及其系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)設(shè)計(jì)過程動(dòng)態(tài)性、結(jié)構(gòu)性和有序性管理，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程管理中引入面向過程的組織管理與流程優(yōu)化的工作流技術(shù)及Petri網(wǎng)建模方法；然后根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)過程管理流程的研究，構(gòu)建了設(shè)計(jì)過程管理工作流程圖；進(jìn)而結(jié)合工作流技術(shù)、Petri網(wǎng)過程建模方法和工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理流程提出工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理的4個(gè)階段工作流建模方法：本體分析、元素提取、元素概括、元素帶入；最后，以工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理建模領(lǐng)域?yàn)槔龢?gòu)建了基于Petri網(wǎng)的工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流模型，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理原型系統(tǒng)。

工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理；Petri網(wǎng)；工作流

工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)的設(shè)計(jì)過程管理[1]融合了跨學(xué)科的設(shè)計(jì)管理知識(shí)和新理念，對(duì)保障新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的成功尤為重要。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)設(shè)計(jì)過程的動(dòng)態(tài)性、結(jié)構(gòu)性和有序性管理，很多學(xué)者從不同視角對(duì)設(shè)計(jì)過程管理建模進(jìn)行了大量研究。例如，NOMAGUCHI等[2]研究發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域模型構(gòu)建對(duì)過程管理具有有效性，為協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)過程管理多領(lǐng)域之間的理解差異，提出了多域設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣(multi domain design structure matrix，MDDSM)建模方法。文獻(xiàn)[3]研究了船舶設(shè)計(jì)中業(yè)務(wù)過程管理建模；文獻(xiàn)[4]將Petri網(wǎng)引入工作流建模中；Petri網(wǎng)[4-8]已成為近年過程建模研究熱點(diǎn)。因目前工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)未見針對(duì)設(shè)計(jì)過程管理建模及其系統(tǒng)研究，迫切需要構(gòu)建有效的建模技術(shù)及其系統(tǒng)，以便指導(dǎo)新產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目從概念到發(fā)布的整個(gè)開發(fā)過程。

本文在研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程工作流建模技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)特點(diǎn)構(gòu)建設(shè)計(jì)過程管理工作流程圖，提出基于Petri網(wǎng)的工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流過程模型建模方法，并建立了模型，為進(jìn)一步的系統(tǒng)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程工作流建模技術(shù)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是一種有序企業(yè)活動(dòng)流程，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程工作流建模研究是展開產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程相關(guān)問題研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.1 工作流技術(shù)

工作流技術(shù)是一種面向過程的組織管理與流程優(yōu)化的系統(tǒng)集成技術(shù)，是將其所有涉及的工作進(jìn)行有序組織在一起的邏輯和規(guī)則，并在計(jì)算機(jī)中以恰當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行表示和實(shí)施計(jì)算的過程。

工作流過程建模就是將一個(gè)任務(wù)分解成多個(gè)子任務(wù)，然后在對(duì)應(yīng)的任務(wù)中加入人員分配、資源整合的過程。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作流過程模型中，各項(xiàng)任務(wù)執(zhí)行者的角色和權(quán)限，以及其對(duì)應(yīng)的任務(wù)和任務(wù)與任務(wù)之間的聯(lián)系是關(guān)鍵，各自的任務(wù)具有獨(dú)立性；每個(gè)大任務(wù)涉及到人員信息、設(shè)備、財(cái)務(wù)、時(shí)間等因素，決定其先決條件和輸出結(jié)果，因此設(shè)計(jì)任務(wù)又是集成的。通過分解工作流程為若干個(gè)定義好的任務(wù)，按照一定的規(guī)則和順序執(zhí)行這些任務(wù)并對(duì)其把控，從而提高設(shè)計(jì)過程工作效率，控制好設(shè)計(jì)過程中的信息內(nèi)容，管理好設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程的目的。

1.2 Petri網(wǎng)技術(shù)

當(dāng)前，工作流過程模型建模主要是基于有向圖模型和基于Petri網(wǎng)模型兩種。Petri網(wǎng)建模方法是目前工作流過程模型最常用的方法，具備精確的語義和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)[9]，能夠?yàn)檫^程模型提供靈活和可靠的理論基礎(chǔ)。

Petri網(wǎng)可用三元組，即=(,,)。

構(gòu)成Petri網(wǎng)的充要條件為：

(1)∩＝；

(2)∪≠；

(3)?(×)∪(×)表示弧的集合；

(4) dom()∪cod()=∪。

其中，={1,2,3,···,}表示庫(kù)所的有限集合，1,2,···,稱為元素；{1,2,3,···,}表示變遷的有限集合，1,2,3,···,稱為元素；表示一個(gè)元素與一個(gè)元素所組成的二元組集合，稱為流關(guān)系，即

dom ()={|?:(,)∈}

cod () ={|?:(,)∈} (1)

Petri網(wǎng)工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理建模的表達(dá)，庫(kù)所為項(xiàng)目的各種狀態(tài)；變遷是使?fàn)顟B(tài)有所改變的事件、條件或人員操作；庫(kù)所經(jīng)過變遷，進(jìn)入到下一個(gè)庫(kù)所，即項(xiàng)目從一個(gè)狀態(tài)經(jīng)過某條件或操作進(jìn)入到下一個(gè)狀態(tài)。這樣依靠簡(jiǎn)單的圖形代入來概括工業(yè)設(shè)計(jì)過程中的項(xiàng)目狀態(tài)和執(zhí)行的內(nèi)容，使整個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)過程清晰、規(guī)范、簡(jiǎn)明易懂。

Petri網(wǎng)模型用圓圈代表庫(kù)所，用細(xì)長(zhǎng)方框代表變遷，用黑點(diǎn)表示標(biāo)記，也叫托肯，用有向弧表示從庫(kù)所到變遷的輸入和從變遷到庫(kù)所的輸出。圖1為Petri網(wǎng)模型示意圖。

圖1 Petri網(wǎng)模型

2 設(shè)計(jì)過程管理工作流程

企業(yè)在工業(yè)設(shè)計(jì)過程的管理中，市場(chǎng)部或總經(jīng)理首先需進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)項(xiàng)目的創(chuàng)建,根據(jù)市場(chǎng)及客戶的需求詳細(xì)地設(shè)置項(xiàng)目要求，并進(jìn)行項(xiàng)目及人員分配。然后，設(shè)計(jì)師根據(jù)收到的項(xiàng)目要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)入具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程。

設(shè)計(jì)師完成草圖、建模、效果圖、外觀手板后需通過系統(tǒng)提交方案。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人通過管理系統(tǒng)查看設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行評(píng)審及反饋審查意見。設(shè)計(jì)師接受審查意見后，需進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。多次修改后，直到設(shè)計(jì)方案通過審核，若需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，方可進(jìn)入結(jié)構(gòu)過程。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和以上流程類似，結(jié)構(gòu)方案只有審核通過，方可進(jìn)入下一步。

根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)過程管理流程的研究，構(gòu)建設(shè)計(jì)過程管理工作流程圖(圖2)。

圖2 設(shè)計(jì)過程管理工作流程圖

3 設(shè)計(jì)過程管理工作流建模方法

工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)過程管理就是在一定條件下，對(duì)各個(gè)項(xiàng)目的各過程進(jìn)行有組織、有計(jì)劃地控制，調(diào)動(dòng)人員、信息資源的參與，按照一定的規(guī)則、邏輯順序有效地管理。產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程管理具有顯著的工作流特征，一般可劃分3個(gè)過程：產(chǎn)品前期策劃過程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)執(zhí)行過程、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程。

如果將某產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)過程看做是一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，可將其分為多個(gè)子任務(wù)過程，那么工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理就是對(duì)任務(wù)或子任務(wù)的管理。將每個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程分為前期策劃、產(chǎn)品設(shè)計(jì)執(zhí)行、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)3個(gè)設(shè)計(jì)子任務(wù)，其過程構(gòu)成一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)，而每個(gè)子任務(wù)中均有多個(gè)待執(zhí)行的內(nèi)容。

根據(jù)對(duì)工作流技術(shù)理論和Petri網(wǎng)過程建模方法的理解，結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)過程工作流管理原理，提出工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理的工作流過程模型的建模方法，如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)過程管理工作流過程模型建模方法

工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流過程模型建模方法如下：

(1) 本體分析。對(duì)構(gòu)建工作流模型的主體工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理流程進(jìn)行研究，主要研究新產(chǎn)品開發(fā)的內(nèi)容，提出的集成化新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)過程管理流程中整理出工作流的各個(gè)任務(wù)及子任務(wù)、發(fā)生這些任務(wù)的條件和人員操作、任務(wù)與任務(wù)之間的順序關(guān)系。

(2) 元素提取。對(duì)研究進(jìn)行工作流模型的元素提取，整理提取出任務(wù)及子任務(wù)。整理任務(wù)與任務(wù)之間、子任務(wù)與任務(wù)之間的順序和執(zhí)行條件。

(3) 元素概括。概括精簡(jiǎn)所提取出來的流程元素，確定工作流啟動(dòng)和終止的狀態(tài)、任務(wù)的各個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)、狀態(tài)與狀態(tài)的有向弧關(guān)系以及令這個(gè)狀態(tài)可以進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)的變遷條件。

(4) 元素帶入。充分理解Petri網(wǎng)的圖形表達(dá)和建模方法，將已提取的工作流過程元素代入對(duì)應(yīng)的圖形中。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 基于Petri網(wǎng)的工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流模型

工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流模型是先將整個(gè)設(shè)計(jì)流程分解成小的任務(wù)，然后定義活動(dòng)的執(zhí)行者，再將相關(guān)執(zhí)行者關(guān)聯(lián)起來，分配權(quán)限，并定義執(zhí)行者與任務(wù)之間聯(lián)系。

通過對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行分析，根據(jù)Petri網(wǎng)理論對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)的工業(yè)設(shè)計(jì)管理過程進(jìn)行建模，如圖4所示。

圖4 基于Petri網(wǎng)的工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流模型

從以上模型可以看出新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)管理過程主要有以下變遷和庫(kù)所：

1：完善產(chǎn)品前期策劃過程，創(chuàng)建設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

2：根據(jù)創(chuàng)立項(xiàng)目，進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研；

3：執(zhí)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，包括草圖、建模、效果圖、外觀手板等；

4：上級(jí)審核設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案，包括草圖、建模、效果圖、外觀手板等；

5：提交設(shè)計(jì)方案到結(jié)構(gòu)部；

6：根據(jù)設(shè)計(jì)方案的圖紙資料進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

7：制造模具組；

8：批量生產(chǎn)產(chǎn)品；

9：依據(jù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果修改設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

10：設(shè)計(jì)方案未通過審核，返回修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)；

11：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不符合要求，重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；

12：產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具組的制造存在沖突，返回修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

1：準(zhǔn)備策劃的設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

2：創(chuàng)建的設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

3：待執(zhí)行的設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

4：待審核的設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

5：審核通過、定案的設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

6：提交到結(jié)構(gòu)部的設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

7：制作好結(jié)構(gòu)手板的設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

8：待批量生產(chǎn)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目；

9：完成的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

從圖4可知，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體流程管理情況，“2-2-3-9-2”表示已創(chuàng)建的設(shè)計(jì)項(xiàng)目經(jīng)過市場(chǎng)部門的市場(chǎng)調(diào)研信息輸入，進(jìn)入項(xiàng)目待執(zhí)行的狀態(tài)，若市場(chǎng)調(diào)研提出的產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念需要修改，需回到已創(chuàng)建的設(shè)計(jì)項(xiàng)目狀態(tài)重新進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研及概念的提出，形成循環(huán)路徑?！?-3-4-4-5-10-3”表示開始執(zhí)行待執(zhí)行的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，包括產(chǎn)品的草圖、建模、效果圖、外觀手板，每個(gè)任務(wù)完成后需經(jīng)過主管審核，審核通過的項(xiàng)目任務(wù)可直接進(jìn)入下一狀態(tài)，若審核不通過則返回修改，這里也形成循環(huán)路徑。該過程模型還表示了若設(shè)計(jì)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)手板完成，但結(jié)構(gòu)手板不符合要求，也需重新返回產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的狀態(tài)。

4.2 工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理系統(tǒng)開發(fā)

基于已構(gòu)建的Petri網(wǎng)工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流模型和總體功能模塊(主要有項(xiàng)目提醒、項(xiàng)目列表、項(xiàng)目狀態(tài)、企業(yè)人員列表、設(shè)計(jì)分享、歷史項(xiàng)目總覽等)，開發(fā)出工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理系統(tǒng)原型，系統(tǒng)原型部分界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)原型部分界面

5 結(jié)束語

為滿足中小工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)的設(shè)計(jì)過程管理需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)設(shè)計(jì)過程動(dòng)態(tài)性、結(jié)構(gòu)性和有序性管理，根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)過程管理流程的研究，構(gòu)建了設(shè)計(jì)過程管理工作流程圖，進(jìn)而結(jié)合工作流技術(shù)、Petri網(wǎng)過程建模方法和工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理流程提出工業(yè)設(shè)計(jì)過程管理的本體分析、元素提取、元素概括、元素帶入4階段工作流建模方法，最后給出了基于Petri網(wǎng)的工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)設(shè)計(jì)過程管理工作流模型應(yīng)用實(shí)例和系統(tǒng)原型實(shí)現(xiàn)，該方法有利于應(yīng)用Petri網(wǎng)將整個(gè)流程的目標(biāo)狀態(tài)表達(dá)清楚，理順各個(gè)狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)變化以及發(fā)生這些變化的條件；有利于提高工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程管理的自動(dòng)化程度。

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Workflow Modeling of Industrial Design Process Management Based on Petri Net

XIONG Zhiyong, LIU Mengyu, PANG Wanting

(School of Design, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China)

Industrial design process modeling is the key of product design process management study, which directly affects the development cycle and overall benefits of projects. However, there is no effective modeling technology and system for design process management in current industrial design fields. In order to realize the dynamic, structural and orderly management of the design process of industrial design enterprises, we introduce process oriented organization management, process optimization of workflow technology and Petri net modeling method in the product design process management. Then, according to the research on the design process management process, the design process management workflow flowchart is constructed. In addition, combining with workflow technology, Petri net modeling method and the industrial design process management flow, this paper proposes a four-stage workflow modeling method for industrial design process management: ontology analysis, element extraction, element generalization and element introduction. Finally, based on Petri net, a workflow management model of industrial design process management is built, and accordingly, the industrial design process management prototype system is realized.

industrial design process management; Petri net; workflow

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018040611

A

2095-302X(2018)04-0611-05

2018-05-08；

2018-07-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105145)；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2012B091100446)；中央高校社科基金重點(diǎn)項(xiàng)目(XZD22)

熊志勇(1979-)，男，湖北應(yīng)城人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)管理、交互設(shè)計(jì)等。 E-mail：zyxiong@scut.edu.cn