并行工程過程管理的研究及應用

1、并行工程過程管理的研究和應用王昕 熊光楞 王計斌(作者向PRDM供稿)1引言：并行工程與過程管理“過程”本身是一個抽象的、普遍的概念。物質之間相互作用，產(chǎn)生變化，在某 一時間段上的投影，就形成“過程”。任何過程都可以抽象成一種或幾種物質狀態(tài)變化的序列，人們介入到某一過程中，是希望通過自身的行為來影響物質狀 態(tài)變化的進程，以獲得期望的物質狀態(tài)?？梢姡^程的時間特性以及事件(即物 質狀態(tài)的變化)序列中蘊含的因果關系是“過程”概念的核心。而“過程管理” 因此也包含了兩方面的基本含義， 一是對以時間為核心的過程性能的關注； 二是 對過程中各要素(人、信息、工具、環(huán)境等)及其相互關系演化進程的關注。就

2、這兩個方面來說，前一方面往往以后一方面為基礎。過程和過程管理在并行工程的研究和實施中受到廣泛的關注，具有深刻的原因。首先，并行工程的主要目標之一就在于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，因此，過程本身必然成為控制和優(yōu)化的對象。其次，以過程為基礎進行成本核算，能夠更全面的反映 成本的構成，基于活動的成本核算(Activity Based Costing )就體現(xiàn)了這種 思想。第三，以過程為基礎進行質量控制，把質量控制從事后檢測轉變?yōu)槭虑邦A 防，能夠盡量減少大的設計更改，需求管理、質量功能配置(Quality Function Deployment )、全面質量管理(Total Quality Management

3、 )都是這種思 想的反映。第四，以可視化的過程模型為基礎的協(xié)同設計支持環(huán)境，是通訊、監(jiān) 控、協(xié)調和信息管理的基礎。第五，追蹤由最初的顧客需求到最終產(chǎn)品實現(xiàn)的決 策過程，從中獲得有益的經(jīng)驗和知識，是組織學習、增強產(chǎn)品開發(fā)能力的基本手 段。從組織的角度來看，過程管理是企業(yè)對自身行為的認知、反省和控制。2并行工程過程管理的研究體系2.1 概述并行工程過程管理以產(chǎn)品開發(fā)過程為研究對象。 所謂產(chǎn)品開發(fā)過程，指的是從產(chǎn) 品定義到產(chǎn)品批量生產(chǎn)之前這一段時間， 同一般的過程相比，產(chǎn)品開發(fā)過程具有 以下特點：目的性。產(chǎn)品開發(fā)的最終目的是設計出滿足顧客需求的產(chǎn)品。階段性。產(chǎn)品開發(fā)過程通常包括產(chǎn)品規(guī)劃、概念設計、方

4、案設計、詳細設計、工藝設計、試制、試驗等階段。層次性。產(chǎn)品開發(fā)活動在一定的組織層次上進行，任務的分解本身 也帶來層次。協(xié)同性。復雜產(chǎn)品的開發(fā)需要多學科、跨部門、全生命周期的協(xié)作。決策。決策是產(chǎn)品開發(fā)活動的主要內容。迭代。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，階段性的設計結果不滿足設計要求，導 致某一活動序列的重復。信息管理。產(chǎn)品開發(fā)過程中要產(chǎn)生和使用大量的設計信息，有效的 管理這些信息能提高設計的效率和質量。過程性能。時間和成本是需要控制和優(yōu)化的主要過程性能。時序?；顒拥呐判驅^程的性能會產(chǎn)生影響。這些特點反映了并行工程過程管理所必須考慮的重要方面。總的來說，并行工程過程管理的研究目標包括三個方面：對于產(chǎn)品開發(fā)過

5、程性能的控制和持續(xù)改進；從產(chǎn)品開發(fā)過程中進行組織學習（主要是設計知識的學習）；以過程管理系統(tǒng)為 框架，實現(xiàn)對協(xié)同設計的支持。下面我們分五個方面介紹并行工程過程管理的研究內容和主要進展。其中過程模型是過程性能分析、協(xié)同設計支持、組織學習的基礎；過程性能的定量分析研究 以基于活動的過程模型為基礎，考慮時序、資源、迭代等要素對過程性能的影響， 傳統(tǒng)的項目規(guī)劃和調度是過程性能定量分析的一部分； 基于過程的協(xié)同設計支持 以過程模型的計算機實現(xiàn)為基礎，對任務的分配和監(jiān)控、信息的管理和設計決策 提供支持；基于過程的組織學習主要通過捕獲設計過程中的重要決策信息，來支持設計回溯和設計重用；過程管理實施方法學通過

6、建立完整的過程發(fā)展、評估、 實踐體系，來指導企業(yè)應用過程管理方法和技術。2.2 過程模型及表達一般來說，模型的作用是解釋、預測和實現(xiàn)。就產(chǎn)品開發(fā)過程模型來說，其作用 可以概括為以下三個方面：表示。以可視化的形式表達產(chǎn)品開發(fā)所需經(jīng)歷的步驟及需要考慮的 關鍵因素，加強團隊成員對過程的理解和團隊協(xié)作；分析。用定量的手段形式化的描述產(chǎn)品開發(fā)過程，支持過程規(guī)劃、 分析和改進；實現(xiàn)。用計算機、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫等技術實現(xiàn)基于過程的協(xié)同設計環(huán) 境，支持分布的、自動的任務分配、信息管理、通訊、監(jiān)控、協(xié)調等功 能。過程模型的研究領域主要包括工程設計、經(jīng)營過程重組和軟件工程。我們研究的過程跟工程設計研究的過程是一致的，

7、 即產(chǎn)品設計過程或產(chǎn)品開發(fā)過程。 產(chǎn)品開 發(fā)過程是經(jīng)營過程的一部分。而軟件開發(fā)過程可以看成是產(chǎn)品開發(fā)過程的特例。 下面所說的過程模型，如無特別說明，均指產(chǎn)品開發(fā)過程。按照建模的目的不同，過程模型可以分為描述性的(descriptive )和規(guī)范性的 (prescriptive )。描述性的過程模型主要的作用是解釋和分析(如 IDEF0模型)，規(guī)范性的過程模型主要作用是強制和指導(如 ISO 9000的過程規(guī)范)。按照建模的方法不同，過程模型可以分為基于活動(activity-based )的過程模 型和基于階段(phase-based )的過程模型。基于活動的過程模型在決策支持、 過程性能分析

8、方面具有顯著的優(yōu)點。而基于階段的過程模型主要強調設計信息由 抽象到具體、由定性到定量的發(fā)展過程。比較有代表性的過程模型有 Pahl & Beitz 的系統(tǒng)化設計過程、公理化設計(Axiomatic Design )過程、創(chuàng)新問題求解理論(Theory of Inventive Problem Solving )的設計過程等。Evbuomwan N.F.O.列舉了比較有影響的16種設計過程模型。過程建模的方法和工具包括IDEF方法、結構化分析方法、Petri Net建模方法、 實時結構化分析過程建模方法、過程規(guī)劃(Process Programming )和系統(tǒng)動 態(tài)方法等。2.3 過程

9、性能的定量分析過程性能的分析以基于活動的過程模型為基礎，分析活動的排序、資源分配、迭代、評審等因素對過程性能(主要是時間和成本)的影響。過程性能分析主要為 特定項目的計劃和調度服務。傳統(tǒng)的項目計劃與評審技術和設計過程所特有的迭 代分析構成了產(chǎn)品開發(fā)過程性能分析的兩大主流。項目計劃與評審技術以活動網(wǎng)絡為過程模型，以關鍵路徑法為主要依據(jù)，進行過程的規(guī)劃和調度。關鍵路徑方法 CPM和項目計劃與評審技術 PERT (Program Evaluation and Review Technique )技術是50年代末期產(chǎn)生的。二者從本 質上來講是一致的，它們都是采用活動網(wǎng)絡圖來描述一個項目。PERT技術是

10、在CPM方法的基礎上增加了時間概率信息。其原理是從一個項目的開始到結束， 把應完成的任務用圖或表的形式表示出來。通常用兩張表來定義網(wǎng)絡圖。一張表給出與一特定項目有關的所有任務 （也稱為任務分解結構），另一張表則給出應 當按照什么樣的次序來完成這些任務（有時稱為限制表Restriction List ）。通過CPM和PERT方法，可以對項目的任務進行規(guī)劃，統(tǒng)計估測任務的時間和完 成項目所需時間。CPM與PERT的缺點是只面向單一過程結構，即活動間的信 息流結構是單向的，任務是不重復的，或不考慮返工的，因而不支持過程迭代的 分析。為對活動迭代進行描述和分析，一些學者在圖論的基礎上利用矩陣來描述和分

11、析 過程。迭代分析的基礎是設計結構矩陣（Design Structure Matrix ） 。 DSM 的研究在MIT的Eppinger、Whitney 等人的推動下，在分析過程迭代和過程 改進、分析與規(guī)劃的應用上取得了一定的進展，如 IOWA大學的Kusiak等基 于DSM對過程分解進行了研究，提出了三角形分解算法以支持并行工程環(huán)境下 的過程分析與分解；Pimmler等提出了基于構件的DSM以支持產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng) 分解；McCord等則提出了基于團隊的 DSM對并行工程環(huán)境下的團隊組織進行 分析，分析不同子團隊間的信息流動（耦合）關系，用以支持團隊間協(xié)調。在各 種DSM的擴展中，比較重要的是數(shù)字

12、 DSM即NDSM （Numerical DSM ）, DSM矩陣的元素本為二元，即0和1 （即“X”），NDSM則通過改變這些元 素的值，提供了過程更加詳細的信息。如 Smith等將矩陣對角元定義為活動的 時間長度，而X定義為活動間的重復返工系數(shù)，從而提出了工作轉換矩陣 WTM （Work Transition Matrix）的概念，通過 WTM對串行迭代過程進行了時間分析與規(guī)劃。基于WTM , Johnson等對電子產(chǎn)品的串行迭代產(chǎn)品開發(fā)進行了分 析與應用。過程性能的定量分析還包括過程重疊、 評審、資源分配、工作負荷等方面的分析， 在此不作一一介紹。2.4 基于過程的協(xié)同設計支持基于過程的

13、協(xié)同設計支持以過程模型的計算機實現(xiàn)為基礎，對任務的分配和監(jiān) 控、信息的管理和設計決策提供支持。近年來，工作流技術得到了長足的發(fā)展。1993 年成立了工作流管理聯(lián)盟( Workflow Management Coalition , WFMC)。此后，該組織頒布了一系列工作流產(chǎn)品標準，包括工作流參考模型、 工作流術語表、工作流管理系統(tǒng)各部分間接口規(guī)格。工作流產(chǎn)品的互操作性標準 等?，F(xiàn)在，許多公司工基于這些標準推出了自己的工作流產(chǎn)品。從而為基于過程的協(xié)同設計提供了技術基礎，主要的 PDM產(chǎn)品中都提供工作流管理功能?？偟膩碚f，工作流管理系統(tǒng)的主要構件和數(shù)據(jù)包括：過程定義(建模)工具工作流執(zhí)行子系統(tǒng)和工

14、作流引擎工作流的控制數(shù)據(jù)工作流相關數(shù)據(jù)工作列表和工作列表處理程序應用程序和應用數(shù)據(jù)工作流管理系統(tǒng)或多或少地具有了下面這些特點：設置活動的啟動和結束條件； 工作流相關數(shù)據(jù)管理和電子數(shù)據(jù)的交換； 支持分布式地過程建模與執(zhí)行；圖形化 的過程定義工具。從目前工作流管理系統(tǒng)在并行工程中的應用情況來看，過程的定量分析是其弱點。我們正嘗試將項目管理系統(tǒng)與工作流管理系統(tǒng)進行集成。2.5 基于過程的組織學習知識密集性是產(chǎn)品開發(fā)過程的一個顯著特征，在這個過程中，既使用知識，又產(chǎn)生知識。因此，捕獲設計過程中的重要決策信息，從中獲得有益的經(jīng)驗和知識， 來支持設計回溯和設計重用，是組織學習、增強產(chǎn)品開發(fā)能力的基本手段。

15、基于 過程的組織學習集中體現(xiàn)在對于設計歷史的研究方面。設計歷史強調記錄由顧客需求發(fā)展到產(chǎn)品實現(xiàn)的全過程，而不僅僅是產(chǎn)品設計的結果。它不僅包括產(chǎn)品幾何信息的發(fā)展過程，而且包括產(chǎn)品功能和行為的發(fā)展、 設計決策過程及其原理、經(jīng)營活動對設計決策的影響等。一般來說，設計歷史包含以下信息：問題（如經(jīng)營問題，規(guī)劃問題，產(chǎn)品設計問題）考慮的替代方案（如任務，裝配件，零件，特征，功能，材料，尺 度，強度）選擇或否定替代方案的論據(jù)（如定性討論，定量分析，規(guī)則，標準）評價替代方案的方法使用、放松的約束和需求及其來源作出的假設決策歷史和決策原理產(chǎn)品開發(fā)規(guī)劃屬性和參數(shù)值的變化設計歷史管理系統(tǒng)不僅僅是一個信息查詢系統(tǒng)，它

16、應當同設計過程緊密集成，使設計人員在執(zhí)行設計任務的同時完成設計歷史的捕獲和索引，并自動的提供以前的相關設計歷史信息，支持設計人員的決策。目前，這方面的研究正與企業(yè)知識 管理方面的研究緊密結合。2.6 過程管理實施方法學過程管理實施方法學通過建立完整的過程發(fā)展、評估、實踐體系，來指導企業(yè)應 用過程管理方法和技術。從最終的目的來說，過程管理的實施是為了改善過程性能，但由于過程性能的影響因素紛繁復雜，既包括管理因素，又包括技術因素， 因此需要一個完整的框架對過程管理實踐進行指導。過程可以看作是企業(yè)行為的描述， 過程能力可以看作是企業(yè)的行為能力。就象人的行為能力從幼稚發(fā)展到成熟一樣，企業(yè)的過程能力也有

17、一個從幼稚到成熟的過 程。能力成熟度模型(CMM: Capability Maturity Model )把企業(yè)過程能力發(fā) 展分為五個階段，即初始級、可重復級、標準化級、管理化級和優(yōu)化級(連續(xù)改 進級)。為每個階段定義了關鍵過程領域(KPA: Key Process Area )、KPA 實現(xiàn)的共同特征(Common Features )和關鍵實踐(Key Practices ) 。CMM 雖然以軟件工程為背景，對一般性的產(chǎn)品開發(fā)過程也有指導意義。CMMI(Capability Maturity Model Integrated for SystemsEngineering/Software

18、Engineering )就是針對般產(chǎn)品開發(fā)過程的。CMM描述了過程能力在時間上的發(fā)展階段，從空間上來看，不同組織層次的行 為都將對過程能力產(chǎn)生影響。組織行為的層次大致可以劃分為三層：組織行為層， 項目團隊行為層和個體行為層。組織行為層的責任在于建立和維護領域知識與經(jīng) 驗，建立和維護產(chǎn)品開發(fā)的技術與管理框架一產(chǎn)品開發(fā)過程財富，制度化和知識 管理是組織行為層的主要手段；項目團隊行為層的責任在于調動企業(yè)資源(人力、 知識、設備等)，完成特定的產(chǎn)品開發(fā)目標，項目管理是項目團隊行為層的主要 手段；個體行為層的責任在于按照指定的約束，完成所承擔的任務，對于設計、 通訊、信息管理工具的使用是個體行為層的主

19、要手段。對于每個組織層次的行為， 都有相應的CMM加以規(guī)范和描述。3并行工程過程管理的應用進展在這一部分里，我們將主要介紹近10年來我們在并行工程過程管理方面的實踐 及所取得的進展。3.1 系統(tǒng)開發(fā)45l41191195xe" filled="f,'圖1產(chǎn)品開發(fā)過程支持環(huán)境圖1描述了我們自主開發(fā)的產(chǎn)品開發(fā)過程支持環(huán)境體系結構，它主要由產(chǎn)品開 發(fā)過程建模子系統(tǒng)、過程執(zhí)行監(jiān)控子系統(tǒng)、過程歷史管理子系統(tǒng)、角色管理子系 統(tǒng)、過程分析與報表子系統(tǒng)以及工作平臺緊密集成而形成，同時該環(huán)境通過 CORBA/DCOM集成了應用設計工具和協(xié)調工具。PDM、數(shù)據(jù)庫和異構操作系 統(tǒng)作為整個

20、支持環(huán)境的基礎。過程建模子系統(tǒng)提供圖形化的過程信息編輯功能，包括活動信息編輯、信息流信 息編輯、資源信息編輯等，我們的建模機制類似于 IDEF0，但過程模型是動態(tài) 可執(zhí)行的，可以支持信息的預發(fā)布和反饋等機制； 過程執(zhí)行和監(jiān)控子系統(tǒng)的內容包括過程的執(zhí)行與監(jiān)控。過程模型的可執(zhí)行機制直 接支持過程的實施。通過對可執(zhí)行的過程模型的監(jiān)控，實時收集過程實施中的過 程信息，跟蹤開發(fā)進度，為管理人員提供決策支持；過程歷史管理子系統(tǒng)的核心模塊是過程歷史捕獲器、意圖管理器和歷史瀏覽與報 表生成器。過程歷史捕獲器負責監(jiān)聽系統(tǒng)內部活動的狀態(tài)變化，記錄重要的過程信息，同時進行活動鑒別，對預先設定的特定情景（如項目里程碑

21、、活動出現(xiàn)異常或人為中斷等），要求用戶給出解釋。意圖管理器負責獲取用戶的意圖輸入信 息，并將其和標志信息（相關活動、時間、責任人等）打包，進行保存。歷史瀏覽 器負責提供一個簡明易用的瀏覽界面， 供用戶查詢回溯有關的過程、意圖等歷史 信息；角色管理子系統(tǒng)實現(xiàn)對項目中的角色管理，目的是便于對相應角色定義與過程有 關的權限，并支持過程中的角色分配。子系統(tǒng)實現(xiàn)了角色的定義、增刪、查詢、 密碼修改等功能；過程分析與報表子系統(tǒng)實現(xiàn)了對過程模型的分析與規(guī)劃，并完成了過程的報表生 成，包括過程任務分配、過程進展等，這是十分重要的部分。目前，我們通過二 次開發(fā)將MS Project 98 和過程支持環(huán)境其他部分集成在一起，增加模塊來實 現(xiàn)模型存取，由Project 98 來實現(xiàn)這一分析和報表功能；工作平臺是產(chǎn)品開發(fā)過程支持環(huán)境面向具體開發(fā)團隊的前端，它介于用戶和過程支持環(huán)境之間，工作平臺為開發(fā)人員進行并行工程下的集成開發(fā)設計和協(xié)作提供 了支持平臺?？偟膩碚f，我們開發(fā)的產(chǎn)品開發(fā)過程支持系統(tǒng)偏重于項目管理和協(xié)同工作功能的 實現(xiàn)。3.2 應用案例目前，我們已將產(chǎn)品開發(fā)過程實施方法學和產(chǎn)品開發(fā)過程支持系統(tǒng)應用于航天并 行工程和齊齊哈爾鐵路車輛并行工程，并取得了較好的應用效果。我們所做的工作包括以下方面：企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程的建模和描述。通過多視圖的方法對企業(yè)產(chǎn)品開 發(fā)過程進行