并行工程过程管理的研究和应用报告.docx

并行工程过程管理的研究和应用王昕 熊光楞 王计斌   (作者向PRDM供稿)   1 引言：并行工程与过程管理“过程”本身是一个抽象的、普遍的概念。物质之间相互作用，产生变化，在某一时间段上的投影，就形成“过程”。 任何过程都可以抽象成一种或几种物质状态变化的序列，人们介入到某一过程中，是希望通过自身的行为来影响物质状态变化的进程，以获得期望的物质状态。可见，过程的时间特性以及事件（即物质状态的变化）序列中蕴含的因果关系是“过程”概念的核心。而“过程管理”因此也包含了两方面的基本含义，一是对以时间为核心的过程性能的关注；二是对过程中各要素（人、信息、工具、环境等）及其相互关系演化进程的关注。就这两个方面来说，前一方面往往以后一方面为基础。过程和过程管理在并行工程的研究和实施中受到广泛的关注，具有深刻的原因。首先，并行工程的主要目标之一就在于缩短产品开发周期，因此，过程本身必然成为控制和优化的对象。其次，以过程为基础进行成本核算，能够更全面的反映成本的构成，基于活动的成本核算（Activity Based Costing）就体现了这种思想。第三，以过程为基础进行质量控制，把质量控制从事后检测转变为事前预防，能够尽量减少大的设计更改，需求管理、质量功能配置（Quality Function Deployment）、全面质量管理（Total Quality Management）都是这种思想的反映。第四，以可视化的过程模型为基础的协同设计支持环境，是通讯、监控、协调和信息管理的基础。第五，追踪由最初的顾客需求到最终产品实现的决策过程，从中获得有益的经验和知识，是组织学习、增强产品开发能力的基本手段。从组织的角度来看，过程管理是企业对自身行为的认知、反省和控制。2 并行工程过程管理的研究体系2.1 概述并行工程过程管理以产品开发过程为研究对象。所谓产品开发过程，指的是从产品定义到产品批量生产之前这一段时间，同一般的过程相比，产品开发过程具有以下特点：?           目的性。产品开发的最终目的是设计出满足顾客需求的产品。?           阶段性。产品开发过程通常包括产品规划、概念设计、方案设计、详细设计、工艺设计、试制、试验等阶段。?           层次性。产品开发活动在一定的组织层次上进行，任务的分解本身也带来层次。?           协同性。复杂产品的开发需要多学科、跨部门、全生命周期的协作。?           决策。决策是产品开发活动的主要内容。?           迭代。在产品开发过程中，阶段性的设计结果不满足设计要求，导致某一活动序列的重复。?           信息管理。产品开发过程中要产生和使用大量的设计信息，有效的管理这些信息能提高设计的效率和质量。?           过程性能。时间和成本是需要控制和优化的主要过程性能。?           时序。活动的排序对过程的性能会产生影响。这些特点反映了并行工程过程管理所必须考虑的重要方面。总的来说，并行工程过程管理的研究目标包括三个方面：对于产品开发过程性能的控制和持续改进；从产品开发过程中进行组织学习（主要是设计知识的学习）；以过程管理系统为框架，实现对协同设计的支持。下面我们分五个方面介绍并行工程过程管理的研究内容和主要进展。其中过程模型是过程性能分析、协同设计支持、组织学习的基础；过程性能的定量分析研究以基于活动的过程模型为基础，考虑时序、资源、迭代等要素对过程性能的影响，传统的项目规划和调度是过程性能定量分析的一部分；基于过程的协同设计支持以过程模型的计算机实现为基础，对任务的分配和监控、信息的管理和设计决策提供支持；基于过程的组织学习主要通过捕获设计过程中的重要决策信息，来支持设计回溯和设计重用；过程管理实施方法学通过建立完整的过程发展、评估、实践体系，来指导企业应用过程管理方法和技术。2.2 过程模型及表达一般来说，模型的作用是解释、预测和实现。就产品开发过程模型来说，其作用可以概括为以下三个方面：?           表示。以可视化的形式表达产品开发所需经历的步骤及需要考虑的关键因素，加强团队成员对过程的理解和团队协作；?           分析。用定量的手段形式化的描述产品开发过程，支持过程规划、分析和改进；?           实现。用计算机、网络、数据库等技术实现基于过程的协同设计环境，支持分布的、自动的任务分配、信息管理、通讯、监控、协调等功能。过程模型的研究领域主要包括工程设计、经营过程重组和软件工程。我们研究的过程跟工程设计研究的过程是一致的，即产品设计过程或产品开发过程。产品开发过程是经营过程的一部分。而软件开发过程可以看成是产品开发过程的特例。下面所说的过程模型，如无特别说明，均指产品开发过程。按照建模的目的不同，过程模型可以分为描述性的（descriptive）和规范性的（prescriptive）。描述性的过程模型主要的作用是解释和分析（如IDEF0模型），规范性的过程模型主要作用是强制和指导（如ISO 9000的过程规范）。按照建模的方法不同，过程模型可以分为基于活动（activity-based）的过程模型和基于阶段（phase-based）的过程模型。基于活动的过程模型在决策支持、过程性能分析方面具有显著的优点。而基于阶段的过程模型主要强调设计信息由抽象到具体、由定性到定量的发展过程。比较有代表性的过程模型有Pahl & Beitz的系统化设计过程、公理化设计（Axiomatic Design）过程、创新问题求解理论（Theory of Inventive Problem Solving）的设计过程等。Evbuomwan N.F.O.列举了比较有影响的16种设计过程模型。过程建模的方法和工具包括IDEF方法、结构化分析方法、Petri Net建模方法、实时结构化分析过程建模方法、过程规划（Process Programming）和系统动态方法等。2.3 过程性能的定量分析过程性能的分析以基于活动的过程模型为基础，分析活动的排序、资源分配、迭代、评审等因素对过程性能（主要是时间和成本）的影响。过程性能分析主要为特定项目的计划和调度服务。传统的项目计划与评审技术和设计过程所特有的迭代分析构成了产品开发过程性能分析的两大主流。项目计划与评审技术以活动网络为过程模型，以关键路径法为主要依据，进行过程的规划和调度。关键路径方法CPM和项目计划与评审技术PERT（Program Evaluation and Review Technique）技术是50年代末期产生的。二者从本质上来讲是一致的，它们都是采用活动网络图来描述一个项目。PERT技术是在CPM方法的基础上增加了时间概率信息。其原理是从一个项目的开始到结束，把应完成的任务用图或表的形式表示出来。通常用两张表来定义网络图。一张表给出与一特定项目有关的所有任务（也称为任务分解结构），另一张表则给出应当按照什么样的次序来完成这些任务（有时称为限制表Restriction List）。通过CPM和PERT方法，可以对项目的任务进行规划，统计估测任务的时间和完成项目所需时间。CPM与PERT的缺点是只面向单一过程结构，即活动间的信息流结构是单向的，任务是不重复的，或不考虑返工的，因而不支持过程迭代的分析。为对活动迭代进行描述和分析，一些学者在图论的基础上利用矩阵来描述和分析过程。迭代分析的基础是设计结构矩阵（Design Structure Matrix）。DSM的研究在MIT的Eppinger、Whitney等人的推动下，在分析过程迭代和过程改进、分析与规划的应用上取得了一定的进展，如IOWA大学的Kusiak等基于DSM对过程分解进行了研究，提出了三角形分解算法以支持并行工程环境下的过程分析与分解；Pimmler等提出了基于构件的DSM以支持产品开发系统分解；McCord等则提出了基于团队的DSM对并行工程环境下的团队组织进行分析，分析不同子团队间的信息流动（耦合）关系，用以支持团队间协调。在各种DSM的扩展中，比较重要的是数字DSM即NDSM（Numerical DSM），DSM矩阵的元素本为二元，即0和1（即“X”），NDSM则通过改变这些元素的值，提供了过程更加详细的信息。如Smith等将矩阵对角元定义为活动的时间长度，而X定义为活动间的重复返工系数，从而提出了工作转换矩阵WTM（Work Transition Matrix）的概念，通过WTM对串行迭代过程进行了时间分析与规划。基于WTM，Johnson等对电子产品的串行迭代产品开发进行了分析与应用。过程性能的定量分析还包括过程重叠、评审、资源分配、工作负荷等方面的分析，在此不作一一介绍。2.4 基于过程的协同设计支持基于过程的协同设计支持以过程模型的计算机实现为基础，对任务的分配和监控、信息的管理和设计决策提供支持。近年来，工作流技术得到了长足的发展。1993年成立了工作流管理联盟（Workflow Management Coalition，WFMC）。此后，该组织颁布了一系列工作流产品标准，包括工作流参考模型、工作流术语表、工作流管理系统各部分间接口规格。工作流产品的互操作性标准等。现在，许多公司工基于这些标准推出了自己的工作流产品。从而为基于过程的协同设计提供了技术基础，主要的PDM产品中都提供工作流管理功能。总的来说，工作流管理系统的主要构件和数据包括：s           过程定义（建模）工具s           工作流执行子系统和工作流引擎s           工作流的控制数据s           工作流相关数据s           工作列表和工作列表处理程序s           应用程序和应用数据工作流管理系统或多或少地具有了下面这些特点：设置活动的启动和结束条件；工作流相关数据管理和电子数据的交换；支持分布式地过程建模与执行；图形化的过程定义工具。从目前工作流管理系统在并行工程中的应用情况来看，过程的定量分析是其弱点。我们正尝试将项目管理系统与工作流管理系统进行集成。2.5 基于过程的组织学习知识密集性是产品开发过程的一个显著特征，在这个过程中，既使用知识，又产生知识。因此，捕获设计过程中的重要决策信息，从中获得有益的经验和知识，来支持设计回溯和设计重用，是组织学习、增强产品开发能力的基本手段。基于过程的组织学习集中体现在对于设计历史的研究方面。设计历史强调记录由顾客需求发展到产品实现的全过程，而不仅仅是产品设计的结果。它不仅包括产品几何信息的发展过程，而且包括产品功能和行为的发展、设计决策过程及其原理、经营活动对设计决策的影响等。一般来说，设计历史包含以下信息：?           问题（如经营问题，规划问题，产品设计问题）?           考虑的替代方案（如任务，装配件，零件，特征，功能，材料，尺度，强度）?           选择或否定替代方案的论据（如定性讨论，定量分析，规则，标准）?           评价替代方案的方法?           使用、放松的约束和需求及其来源?           作出的假设?           决策历史和决策原理?           产品开发规划?           属性和参数值的变化设计历史管理系统不仅仅是一个信息查询系统，它应当同设计过程紧密集成，使设计人员在执行设计任务的同时完成设计历史的捕获和索引，并自动的提供以前的相关设计历史信息，支持设计人员的决策。目前，这方面的研究正与企业知识管理方面的研究紧密结合。2.6 过程管理实施方法学过程管理实施方法学通过建立完整的过程发展、评估、实践体系，来指导企业应用过程管理方法和技术。从最终的目的来说，过程管理的实施是为了改善过程性能，但由于过程性能的影响因素纷繁复杂，既包括管理因素，又包括技术因素，因此需要一个完整的框架对过程管理实践进行指导。过程可以看作是企业行为的描述，过程能力可以看作是企业的行为能力。就象人的行为能力从幼稚发展到成熟一样，企业的过程能力也有一个从幼稚到成熟的过程。能力成熟度模型（CMM: Capability Maturity Model）把企业过程能力发展分为五个阶段，即初始级、可重复级、标准化级、管理化级和优化级（连续改进级）。为每个阶段定义了关键过程领域（KPA: Key Process Area）、KPA实现的共同特征（Common Features）和关键实践（Key Practices）。CMM虽然以软件工程为背景，对一般性的产品开发过程也有指导意义。CMMI（Capability Maturity Model Integrated for Systems Engineering/Software Engineering）就是针对一般产品开发过程的。CMM描述了过程能力在时间上的发展阶段，从空间上来看，不同组织层次的行为都将对过程能力产生影响。组织行为的层次大致可以划分为三层：组织行为层，项目团队行为层和个体行为层。组织行为层的责任在于建立和维护领域知识与经验，建立和维护产品开发的技术与管理框架产品开发过程财富，制度化和知识管理是组织行为层的主要手段；项目团队行为层的责任在于调动企业资源（人力、知识、设备等），完成特定的产品开发目标，项目管理是项目团队行为层的主要手段；个体行为层的责任在于按照指定的约束，完成所承担的任务，对于设计、通讯、信息管理工具的使用是个体行为层的主要手段。对于每个组织层次的行为，都有相应的CMM加以规范和描述。3 并行工程过程管理的应用进展在这一部分里，我们将主要介绍近10年来我们在并行工程过程管理方面的实践及所取得的进展。3.1 系统开发45l41191195xe" filled="f" stroked="f"> 图1 产品开发过程支持环境图1描述了我们自主开发的产品开发过程支持环境体系结构，它主要由产品开发过程建模子系统、过程执行监控子系统、过程历史管理子系统、角色管理子系统、过程分析与报表子系统以及工作平台紧密集成而形成，同时该环境通过CORBA/DCOM集成了应用设计工具和协调工具。PDM、数据库和异构操作系统作为整个支持环境的基础。过程建模子系统提供图形化的过程信息编辑功能，包括活动信息编辑、信息流信息编辑、资源信息编辑等，我们的建模机制类似于IDEF0，但过程模型是动态可执行的，可以支持信息的预发布和反馈等机制；过程执行和监控子系统的内容包括过程的执行与监控。过程模型的可执行机制直接支持过程的实施。通过对可执行的过程模型的监控，实时收集过程实施中的过程信息，跟踪开发进度，为管理人员提供决策支持； 过程历史管理子系统的核心模块是过程历史捕获器、意图管理器和历史浏览与报表生成器。过程历史捕获器负责监听系统内部活动的状态变化，记录重要的过程信息，同时进行活动鉴别，对预先设定的特定情景(如项目里程碑、活动出现异常或人为中断等)，要求用户给出解释。意图管理器负责获取用户的意图输入信息，并将其和标志信息(相关活动、时间、责任人等)打包，进行保存。历史浏览器负责提供一个简明易用的浏览界面，供用户查询回溯有关的过程、意图等历史信息；角色管理子系统实现对项目中的角色管理，目的是便于对相应角色定义与过程有关的权限，并支持过程中的角色分配。子系统实现了角色的定义、增删、查询、密码修改等功能；过程分析与报表子系统实现了对过程模型的分析与规划，并完成了过程的报表生成，包括过程任务分配、过程进展等，这是十分重要的部分。目前，我们通过二次开发将MS Project 98和过程支持环境其他部分集成在一起，增加模块来实现模型存取，由Project 98来实现这一分析和报表功能；工作平台是产品开发过程支持环境面向具体开发团队的前端，它介于用户和过程支持环境之间，工作平台为开发人员进行并行工程下的集成开发设计和协作提供了支持平台。总的来说，我们开发的产品开发过程支持系统偏重于项目管理和协同工作功能的实现。3.2 应用案例目前，我们已将产品开发过程实施方法学和产品开发过程支持系统应用于航天并行工程和齐齐哈尔铁路车辆并行工程，并取得了较好的应用效果。我们所做的工作包括以下方面：?           企业产品开发过程的建模和描述。通过多视图的方法对企业产品开发过程进行描述。?           企业产品开发过程的评估。结合CMM模型，确定企业产品开发过程的成熟度，确定其等级、目标、关键过程领域和关键实践。?           企业产品开发过程的规划和改进。根据所需进行的关键实践，建立相应的管理规范和配套措施。?           产品开发过程支持系统的实施。目前，我们主要用产品开发过程支持系统来实现项目管理和工作流管理功能。图2 改进后的棚车开发过程 图2是齐齐哈尔铁路车辆并行工程中改进后的棚车开发流程。改进的措施包括：?           在产品开发的早期阶段，就能够充分考虑冲压件、铸钢件等类零件的可制造性问题和铁路货车的结构强度、刚度及动力学品质等产品性能问题，从而能够尽量减少设计错误，提高设计质量；同时增加DFx，使得在产品设计阶段即可考虑产品加工、装配和工艺等问题，提高一次设计成功的可能性。?           在方案设计和结构设计的一定阶段向冷热工艺处等下游活动提前进行信息预发布，一方面及时得到信息反馈，以提高工艺性，可加工性等，另一方面，由于工艺部门提前介入，使得下游过程及时体会设计意图，同时可以在适当的时候进行工艺或生产准备。?           实现工艺和工装的并行开发，精简设计过程；制造系统与产品开发过程不构成大循环，从而缩短产品开发周期，提高产品质量与水平。图3 快运棚车详细设计流程图3是产品开发过程支持系统在齐齐哈尔铁路车辆并行工程中的应用示意。4 总结经过近10年的努力，我们基本上形成了一套完整的并行工程过程管理研究体系，开发了产品开发过程支持系统，并在工程实践中得到了应用。实践证明，我们的方法和工具是行之有效的。我们将继续结合我国制造业的实际情况，进行产品开发过程管理的研究、开发和应用工作，努力提高我国制造企业的产品开发能力。