摘要：本文综述了并行工程中产品开发过程管理研究的最新进展，指出了若干产品开发过程的前沿研究专题。

    关键词：并行工程  产品开发过程  过程建模  过程重组

0、引言

    20世纪80年代以来，随着世界经济一体化、科学技术的发展，以及人类对于保护生态环境的迫切要求，制造业面临着前所未有的挑战。如何赢得市场和最大限度地满足用户需求是企业所关注的焦点，因此缩短新产品的开发周期、提高产品质量成为各大企业竞相采用的市场竞争手段。并行工程（Concurrent Engineering，CE）是适应这一需要的管理方式和研究前沿，它要求在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的诸多因素，产品设计的上游阶段及早地考虑下游阶段和制造的需要，消除产品设计完工以后的大返工、大更改的不良作用，从而达到缩短产品开发周期、降低产品成本和提高产品质量的目的，增强企业的新产品开发能力及市场竞争能力。

    新产品开发的重要性在最近的数十年内有了极大的体现，成为工业界竞争的决定性驱动力。近五年里众多的工业领域依靠开发新产品来获得占年收入50%以上的效益。然而，新产品开发的失误率仍然是很高的，许多R&D项目无法获得商业化的产品，33%至60%的上市的新产品不能获得经济回报[1,2]。文献[3]指出：开发周期决定了公司具有怎样的竞争力和公司获得经济回报的速度，如果一种生命周期为5年的产品延迟6个月上市，就会损失其1/3的利润。人们逐渐认识到产品开发的长周期、高成本是产品缺乏竞争力的症结所在，于是开始将注意力集中在对于产品开发过程的改进和管理上。在最近的10-15年内，有大量的关于新产品开发（NPD）的文献报导，Bown等人将其归纳为三类方法：（1）产品开发作为理性的计划；（2）基于WEB通信方式的产品开发；（3）规律的问题求解方案[4]。为了能够补偿产品开发的代价，并且在快速的产品退化和市场波动的环境下获得经济回报，公司的产品开发必须实现两个重要的目标：（1）减少上市时间（time to market）到最小；（2）最大限度地满足客户的需求。

1、产品开发过程管理的研究进展

    自80年代中期并行工程思想的提出以来，各种为适应并行工程要求的技术及工具得到广泛的探讨和研究。作为团队工作模式，并行工程要求集成环境和并行工作，其中过程管理工具成为衔接并行活动的纽带。

    过程管理是并行工程中过程活动的框架。总的来说，并行工程中的集成化产品开发过程等综合的概念及其重要性已很明确，集成化开发管理工具软件的开发已见报道，但到目前为止还没有形成系统的过程和过程管理的理论体系。一些研究试图通过理论手段来理解规划过程[5,6]，一些研究试图通过枚举典型的设计方法来讨论过程管理的问题[7,8,9]。国外公司提出的PDM（产品数据管理系统）强调了针对企业设计过程的建模和管理，它是相关于产品数据的过程活动的，包括工作流的执行、PDM的任务管理、工程变更管理等内容。DICE计划PPO模型（Product, Process, Organization）试图通过引入标准（PDES/STEP）为产品、过程、操作建一个集成模型[10,11,12]，然后以关系矩阵的方式组织和管理过程。     本质上讲，产品开发过程的研究属于工程设计研究领域。工程设计研究的对象是工程设计和设计过程，内容是有关工程设计的理论与方法学（Engineering Design Theory and Methodology----EDTM），这一领域的研究在20世纪60年代逐步开始兴起，直到80年代后期90年代初期逐渐掀起一个高潮，其标志是1986年发表在机械工程杂志的题为Design Theory and Methodology----A New Discipline的Executive  Summary[13]和1989年的《Research in Engineering Design》这一代表研究刊物的创立和发行。

有关过程管理方面的文献[4]集中地指出：成功的新产品开发过程是如下因素的综合：①组织级因素；②工作组或项目级因素；③技术工具因素。

    1)组织的因素

    组织级的过程管理通过减小设计——制造间的差别的负面效应来有效地改进产品开发过程，它的作用包括有支持功能集成的作用，影响除设计和制造外其它的组织功能。其结构框图如图1所示：

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    2)工作组或项目级因素

   该因素中，设计与制造在物理位置上的接近能增加相互影响的可能性和改善工作组成员间的人际关系，从而减少可能产生的冲突。

    3)集成工具和技术的使用

    该因素中，使用可制造性的指导方针，或者说使用能提供制造信息的设计工具（可制造性、可装配性、可测试性等）能导致早期发现和防止设计技术参数与制造能力间的不匹配，从而使新产品开发达到既定的目标，臂如成本、时间、质量和性能。

由于产品开发是一种社会（或集体）行为，从组织层次角度看，可以将产品开发分为五个层次，即经营环境层、公司层、项目层、团队层和个体层[14]。从行为层次角度看，又可分为组织行为层、团队动态层、个体认知和动态行为层。产品开发过程不单单只面向开发人员，同时面向整个团队和项目组，更重要的是它还属于某个具体的开发组织。对这些不同组织层次的产品开发行为进行分析，可以发现不同层次行为具有不同规律。从研究产品开发过程的建模、实施、管理和改进各种行为来看，产品开发过程同样存在多个层次，通常是由组织标准化产品开发过程向项目既定产品开发过程转化的过程。

    目前对于并行工程产品开发过程的研究，特别是理论上的探讨正处在蓬勃发展的阶段。对CEPDP（并行工程产品开发过程）的建模框架的研究主要在系统集成方面。Sam B.A等人提出了定义、建模、实施、评价和改进并行过程的概念框架，该框架基于并行工程的三个主要的实体——活动（Activity）、部门（Agent）和资源（Artifacts）。Ming Liang等人将产品开发活动分为Equipment 、Facility、Process和Human Team四维，建立了一般的多维并行活动模型，为CEPDP的建模和应用提供了指导。

     除了应用现有的系统分析与建模理论外，有些文献试图建立适合于CEPDP的建模方法，但这种努力多数限于对已有方法的扩展（如IDEF方法，Petri Nets和工作流等），受到一定的局限[15,16]。值得注意的是西弗吉尼亚大学并行工程研究中心（CERC）提出的“五类活动法”[17]。在DICE计划中，CERC负责研究并行工程的过程建模和过程管理。它采用一种形式化的方法，把并行工程中的活动分成五类。活动既包括产品的开发工作，也包括管理工作。不同的活动按照不同的组合方式又可以形成五类任务，任务中的活动具有串行、并行、平行和顺序等结构。通过任务的分组，过程的分解和关键路径法，确定时间最短的产品开发流程。而在近期的研究中，文献[18][19]提出的基于规则的产品开发建模方法，它使用规则来组织设计中的信息，提供一个过程描述为从已有的结果到项目管理提出的问题的步骤；它根据对项目管理的支持、过程建模能力和对过程仿真的支持来增强开发环境的功能。文献[20]比较了IDEF0和设计结构矩阵（DSM）的建模方法，指出IDEF0方法适用于对特定信息的标准通讯，而DSM方法适用于非标准通讯。IDEF0与DSM相比，能更好地支持设计活动，DSM能更好地支持组织（设计任务列表、设计迭代等）。

    虽然研究表明目前对于产品开发过程的重组和改进尚无通用的理论或方法，但学者认为分解是有力的分析工具，它能减少设计任务的复杂程度。任何一个无试探性的设计项目包括有大量相互依存的过程，这种相互依存、相互依赖的关系是相当复杂的。应用PERT图网络法，能指示出项目中一些活动必须结束以后，另一些活动才能开始；还能指示出一些能并行执行的活动。减少关键路径的策略能减少过程的持续时间。但这些方法只能应用在串行活动中并且无法解决过程中的迭代。Steward在1981年引入DSM(Design Structure Matrix)作为基于矩阵的信息流分析框架[21]。目前，DSM已发展为三种类型：①基于参数的模型；②基于任务的模型；③基于团队的模型。J. L. Rogers提出的针对设计负责人的智能分解工具（DeMAID）就是基于DSM，当分解设计项目为迭代子过程，在可能时，决定设计任务在设计过程中的耦合值，遗传算法（GA）方法定制过程使得收敛到设计结果的时间和成本为最小[22]。这种智能分解工具还能决定那些设计任务能形成工作组，那些设计活动能并行执行。在设计任务分解以后, 计算出设计时间和设计成 本。Steven D. Eppinger等人将设计更改的概率引人DSM中的元素[23]，在该模型中，设计任务间的耦合得以较多的理解，它分析了串行、并行设计任务的迭代，提供了基础实例与灵敏度分析，它还能预测出设计项目完成的概率。文献[24]中提出了一种基于DSM的分析方法，应用反馈控制原理来分析设计过程的迭代，由Smith和Eppinger提出的模型包括明确设计反复的频率、决定设计团队的关系和组合、显示基于管理输入的产品开发时间和质量的作用和寻找适当的信息传递时间。该模型包括两种基于DSM的数学工具：问题求解矩阵（PSM）和工作传递矩阵（WTM），运用PSM能分解和定制设计过程成为迭代子过程；运用WTM能预测在一个设计项目中迭代收敛快慢的增减，它还能够预测设计项目中的那些耦合特性。重组或改进前后的产品开发过程的框图如图2所示：

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    产品开发过程建模的目的是通过它对过程进行分析与控制，最终达到对于过程的改进及优化。对于过程的仿真能实现缩短过程执行时间、配置资源和检测资源冲突，A. A. Yassine提出一种基于决策分析框架的仿真工具[25]，他将过程执行分为串行方式、重迭方式和并行方式，认为设计任务间存在着孤立、依赖或相互依赖的关系，对于其中任一可能情况计算出完成任务的时间；在分析中应用了风险和决策分析、灵敏度分析等方法，从而达到理解、组成和管理设计过程的目的。该文指出明确三种过程执行方式能决定出在减少设计时间上的效果，重迭是两个耦合任务间执行的主要方式，在设计方法学本身上的积累能用来更好地估计设计更改的概率和效果，进而改进整个过程模型。过程仿真的参数主要是：人的因素、资源的利用率、资源冲突，以及过程信息量和过程协调的复杂程度。人作为设计过程的直接参与者，是一种复杂的自约束体，有着各种原因和手段来影响过程；资源的分配和使用不是在建模工具中实现的，对资源参数进行仿真能达到检测资源的冲突情况，并达到解决冲突，优化配置，提高利用率的目的；过程间的信息交换越多，说明过程间的独立性越差，也说明过程的规划存在着一些问题，过程间协调的复杂程度也是影响并行过程的主要因素；为缩短产品开发周期，希望各开发子过程尽早开始，但是，过程的提前启动要以一定的假设（Assumption）为前提，如果过程提早进行的成效不能平衡结果验证和可能的返工的花费，则应该说并行是无效的。为在均衡中达到“最优”，通过仿真以枚举形式反复地比较、权衡，可得出优化结果[26]。此外，国外学者M. Hatch提出了“并行优化”（CO）的方法以实现并行工程思想[27]。CO被认为是第三代设计方法，即第一代设计方法是串行设计，第二代设计方法是含有迭代机制的CE设计方法。

    由于传统的项目管理工具仅提供简单的视图，无法捕获产品开发过程中迭代的性质，因此，开发有效的过程工具变得尤为重要。过程支持环境是一系列紧密集成的软件构件或软件子系统，其主要的目标是从项目的角度实现对产品开发的自动化支持、指导、促进和管理。集成框架是使公司内各类应用项目进行信息集成、功能集成和过程集成的软件系统。我国863/CIMS主题组织研发的面向并行工程的集成框架对企业级信息集成、并行工程有着重要的支持和推动作用。过程支持环境的核心是在CIMS信息集成及产品数据管理PDM的基础上，建立并集成过程支持工具，包括过程建模和仿真分析工具、过程监控和管理工具、开发工作平台以及协调冲突仲裁工具等，并且在其上通过CORBA ORB/DCOM集成各种具体设计应用工具。麻省理工学院的N.Sabbaghian等人研制开发了基于WEB的有效的产品开发过程的计划和管理工具，所应用的是信号流分析[28]。在软件开发环境上，他应用了Microsoft SQL Server 6.0作为其数据库管理系统，Symantec Visual Cafe 2.5作为其Java开发工具，Microsoft Visual Interdev作为其集成开发环境，Microsoft Active Server Pages用以创建动态的、数据使能的Web页，Microsoft Ieternet Information Server(IIS)用以Web连接，Microsoft Front Page 98作为Web专家工具，并且应用了Symantec DB Anywhere作为其数据库访问的中间件。Rogers亦进行过类似的研制开发。

    并行工程过程管理是产品按照并行设计过程进行并使其得以顺利进行的重要保障，先进的产品设计开发模式必将需要一系列新的理论方法加以指导，新的技术给予支持。

2、产品开发过程的研究展望

    虽然在商品社会的长河里产品开发的历史渊远流长，但是，作为工程设计领域的国际前沿研究方向，产品开发过程只是在20世纪60年代逐步开始兴起，在80年代末逐渐掀起高潮。有关产品开发过程的前沿研究专题有以下几个方面：

    1)产品开发过程任务的分解，过程的规划及监控；

    2)产品开发过程中不确定因素（含并行迭代）的分析；

    3)产品开发过程中重迭（overlapped）对过程的作用及其控制；

    4)基于DSM，进行过程的分析、度量的理论及过程改进的方法；

    5)产品开发过程的重组、改进、优化的方法的研究；

    6)智能技术（遗传算法、专家系统等）在产品开发过程研究中的应用；

    7)IDEF方法等工具在过程建模、企业建模中的应用；

    8)基于复合过程模型的分析、仿真算法的研究及过程的量化分析、过程优化的研究；

    9)基于IT技术的产品开发过程支持软件的研发。

参考文献

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