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，以工程技術和管理技術為手段，以現(xiàn)代信息技術為工具，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)品時間分配的關鍵技術。Yutaka 等［4］指出過程規(guī)劃是保證產(chǎn)品成功研發(fā)的關鍵步驟，并以產(chǎn)品成功開發(fā)的定量預測為目標構建了并行產(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)劃的關鍵技術。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，但許多關鍵技術研究還不成熟，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構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)過程本身的結構和規(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系，所包含的活動信息量也大，在實際開發(fā)過程中往往結合功能和結構的方式來進行開發(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度分析構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系以及活動的相關信息，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度;否則，耦合活動集的割裂還要考慮活動與資源的關系，分析它們的互相關度，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，按照一定層次結構組成有機整體。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，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構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，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)邏輯與關系結構，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)體系結構設計。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)體系結構如圖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)用互相關分析函數(shù)和自相關分析函數(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 所示的其它相關函數(shù)構建。與過程分解模塊函數(shù)體系結構設計同理，針對過程調(diào)度、過程優(yōu)化以及過程改進等關鍵技術的分析，理清各模塊的函數(shù)關系，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)體系結構

3 應用

船舶是人們造船和用船經(jīng)驗的結晶，也是科學技術不斷發(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，通過虛擬樣機技術領域和挖泥船領域知識融合，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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