并行设计
开放分类:研发管理
  并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。与传统的串行设计相比,并行设计更强调在产品开发的初期阶段,要求产品的设计开发者从一开始就要考虑产品整个生命周期(从产品的工艺规划、制造、装配、检验、销售、使用、维修到产品的报废为止)的所有环节,建立产品寿命周期中各个阶段性能的继承和约束关系及产品各个方面属性间的关系,以追求产品在寿命周期全过程中其性能最优。通过产品每个功能设计小组,使设计更加协调,使产品性能更加完善。从而更好的满足客户对产品综合性能的要求,并减少开发过程中产品的反复,进而提高产品的质量、缩短开发周期并大大的降低产品的成本。 

编辑本段1.并行设计的基本概念

  1.1 并行设计的基本概念

  并行设计(ConcurrentDesign)是世界市场竞争日益激烈的产物。随着经济的蓬勃发展,客户对产品款式、品种、性能的要求越来越高,对产品质量及售后服务质量的要求也越来越严格。为了提高竞争力,现代的各类制造业必须不断缩短新产品开发周期(Time),提高产品质量(Quality),降低设计生产成本(Cost),改进售后服务(Service),并增强环境保护意识(Environment),只有这样才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。

  并行设计是充分利用现代计算机技术、现代通信技术和现代管理技术来辅助产品设计的一种现代产品开发模式。它站在产品设计、制造全过程的高度,打破传统的部门分割、封闭的组织模式,强调多功能团队的协同工作,重视产品开发过程的重组和优化。并行设计又是一种集成产品开发全过程的系统化方法,它要求产品开发人员从设计一开始即考虑产品生命周期中的各种因素。它通过组建由多学科人员组成的产品开发队伍,改进产品开发流程,利用各种计算机辅助工具等手段,使产品开发的早期阶段能考虑产品生命周期中的各种因素,以提高产品设计、制造的一次成功率。可以缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本,进而达到增强企业竞争能力的目的。

  并行设计技术可以在一个工厂、一个企业(包括跨地区、跨行业的大型企业)及跨国公司等以通信管理方式在计算机软、硬件环境下实现。其核心是在产品设计的初始阶段就考虑到产品生命周期中的各种因素,包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、质量、成本、进度与用户需求等,强调多学科小组、各有关部门协同工作,强调对产品设计及其相关过程并行地、集成地、一体化地进行设计,使产品开发一次成功,缩短产品开发周期,提高产品质量。美国于20世纪80年代末首先在福特、通用和克莱斯勒三大汽车公司组织实施并行工程技术,取得了显著的经济效益。我国近年来在一些大型企业中也开始部分实施并行工程技术,这项技术是提高我国企业水平,参与全球化竞争的一个重要发展方向。

  1.2 传统设计过程与并行设计过程  

  传统的产品设计,是按照一定的顺序进行的,它的核心思想是将产品开发过程尽可能细地划分为一系列串联的工作环节,由不同技术人员分别承担不同环节的任务,依次执行和完成。图1为传统的产品开发过程示意图。由图1可见,传统的产品开发过程划分为一系列串联环节,忽略了各个环节,特别是不相邻环节之间的交流和协调。每个阶段的技术设计人员只承担局部工作,影响了对产品开发整体过程的综合考虑。并且如果任一环节发生问题,都要向上追溯到某一环节中重新开始,从而导致设计周期冗长。

  并行设计工作模式是在产品设计的同时考虑其相关过程,包括加工工艺、装配、检测、质量保证、销售、维护等。在并行设计中,产品开发过程的各阶段工作交叉进行,及早发现与其相关过程不相匹配的地方,及时评估、决策,以达到缩短新产品开发周期、提高产品质量、降低生产成本的目的。并行设计的工作模式如图2所示,设计从一开始就考虑到产品生命周期中的各种因素,将下游设计环节的可靠性以及技术、生产条件作为设计的约束条件,以避免或减少产品开发到后期才发现设计中的问题,以至再返回到设计初期进行修改。由图2可见,每一个设计步骤都可以在前面的步骤完成之前就开始进行,尽管这时所得到的信息并不完备,但相互之间的设计输出与传送是持续的。设计的每一阶段完成后,就将信息输出给下一个阶段,使得设计在全过程中逐步得到完善。

 

编辑本段2 并行设计的关键技术

  2.1 并行设计的建模与仿真

  并行设计与传统产品开发方式的本质区别在于它把产品开发的各个活动视为一个集成的过程,从全局优化的角度出发对该集成过程进行管理和控制,并且对已有的产品开发过程进行不断的改进与提高,这种方法被称为产品开发过程重组(Product development process re-engineering)。将产品开发过程从传统的串行产品开发流程转变成集成的、并行的产品开发过程,首先要有一套对产品开发过程进行形式化描述的建模方法。这个模型应该能描述产品开发过程的各个活动以及这些活动涉及到的产品、资源和组织情况以及它们之间的联系。设计者用这个模型来描述现行的串行产品开发过程和未来的并行产品开发过程,即并行化过程重组的工作内容和目标。并行工程过程建模是并行工程实施的重要基础。

  (1)复杂系统分析和建模工具

  一个复杂系统(如一个企业)的建模要涉及多方面的因素,如功能、信息、过程、资源和控制等,需要从不同的角度进行描述。因此复杂系统的分析和建模工具一般都用不同的视图来反映一个系统的不同侧面,而这些不同视图的集成和相互映射构成了评价和比较系统的重要标志。

  1)CIM-OSA建模方法

  CIM-OSA (Computer Integrated Manufacturing-Open System Architecture)是一种面向企业CIMS生命周期的体系结构。从结构上由两部分构成,一个是模型框架,另一个是集成基础结构。前者从建模的不同层次和实施的不同阶段出发给出CIM企业参考模型的结构,以及CIMS实施的方法体系,从而对CIM企业的优化设计、建立和最佳运行提供指导与支持;后者在为CIM系统提供一组公共服务集合,实现企业信息集成、功能集成所需的基本处理和通讯功能。这组公共服务集合支持企业模型的建立、CIM企业的设计、实施、运行与扩充,为CIM体系结构的实现提供基础支撑环境。

  此外,CIM-OSA还定义了两个应用环境,集成的企业工程环境和集成的企业运行环境,前者支持企业的建模、分析过程,而后者支持企业模型的仿真、运行过程。

  2)IDEF建模方法

  ①IDEF0方法 IDEF的基本概念是在70年代提出的结构化分析方法的基础上发展起来的。80年代初,美国空军在ICAM(Integrated Computer Aided Manufacturing)计划中提出了名为“IDEF”的方法(ICAM Definition Method)。其中,IDEFO是在结构化分析与设计技术SADT(Structured Analysis and Design Technique)基础上发展起来的一种对系统进行建模的语言。IDEFO方法的基本思想是结构化分析,利用它可以较为系统、直观地描述系统功能信息,同时支持自顶向下分解,从而有效地控制复杂度。除此之外,IDEFO还在结构化分析与设计技术的基础上进行了扩展,增加了组织信息。

  ②IDEF1/IDEF1X方法 IDEF1方法描述了系统信息及其联系,它建立的信息模型被用作数据库设计的依据。IDEF1X是IDEF1的扩展版本,IDEF1X一方面在图形表达和模型化过程方面进行了改进,另一方面对语义进行了增强和丰富。其基本特点是包含数据的有关实体;实体之间的联系用连线表示;实体的特征用属性名表示。

  ③IDEF3方法IDEF3是一种过程描述语言,其基本目的是提供一种结构化的方法,使某领域的专家能够表述一个特定系统或组织的操作知识,以自然的方式,直接获取关于真实世界的知识。这些知识包括参与活动的对象的知识、支持活动的对象的知识、过程或事件的时间依赖关系、因果关系等知识。

  IDEF3通过过程的图示化表示方法和信息表述语言的结合使用,使用户集中精力来关注被描述过程的相关方面,并且提供了显示表达这一过程的内存本质和结构的能力。

  ④IDEF9方法 IDEF9是一种用于描述系统的方法,可以用于判别在业务领域对系统或过程的约束。IDEF9可用于描述系统的业务活动和策略;提供改善加工的知识;建立支持加工的信息系统。IDEF9方法通过发现、分析对过程的优化,为系统分析员/建模者提供足够的支持,以实现业务系统持续性的提高。

  3)UML建模方法

  UML语言(Unified Modeling Language)是一种书写软件的标准语言。它可以对软件系统作如图样表示、文字描述、构造框架和文档处理等方面的工作。UML语言适合于各种系统的建模,从企业级信息系统到基于网络的分布式应用,甚至于嵌入式实时系统。它是一种描述性很强易学易用的语言,能表达软件设计中的各种观点,然后对系统进行规划部署。UML语言是一种概念化的语言模型,包括UML基本建模模块、模块间建立关系的规则和语言中一些公共的建模方法。

  4)ARIS建模方法

  ARIS (Architecture of Integrated Information System)是一个集成化的信息系统模型框架。ARIS以面向对象的方法描述了企业的组织视图、数据视图、过程视图和资源视图,并通过控制视图来描述组织、数据、过程和资源的四个视图之间的关系。按照企业信息系统实施的生命周期,ARIS定义了需求定义、设计说明和实施描述三个层次。

  5)系统动态建模方法

  系统动态建模方法将反馈控制理论和技术用于系统的组织和管理。系统动态建模通过变量和延迟来描述系统。由于通过反馈控制理论可以对复杂系统进行动态分析,因此,通过该方法对产品开发过程建模,可以更精确地描述系统动态特性,分析系统行为。这一方法与控制理论关系密切,主要用来对过程进行动态建模和分析,目前控制理论已经相当成熟。因此,系统动态建模方法的关键在于过程模型的抽象和参数的确定。

  (2)过程控制和管理工具

  过程控制和管理工具是在以上建模的基础上,以过程模型为核心对系统的阶段活动进行监控和管理。其主流技术是新兴的工作流管理技术。一般的工作流管理包括工作流建模和运行控制两大部分。目前,市场上工作流产品十分丰富,它们在功能、规模和应用范围上也各有特色,在此介绍FileNet、JetForm、IBM和Action四个公司开发的比较有影响和代表性的工作流产品。

  2.2 多功能团队的协同工作

  (1)集成产品开发团队

  传统的按功能部门划分的组织形式与并行设计的思想是相悖的。并行设计要求打破部门间的界限,组成跨部门多专业的集成产品开发团队(Integrated Product Team ─IPT)。集成产品开发团队是企业为了完成特定的产品开发任务而组成的多功能型团队。它包括来自市场、设计、工艺、生产技术准备、制造、采购、销售、维修、服务等各部门的人员,有时还包括顾客、供应商或协作厂的代表。总之,只要是与产品整个生命周期有关的,而且对该产品的本次设计有影响的人员都需要参加,并任命团队领导,负责整个产品开发工作。采用这种团队工作方式能大大提高产品生命周期各阶段人员之间的相互信息交流和合作,在产品设计时及早考虑产品的可制造性、可装配性、可检验性等。在设计开发之前,IPT首先划分任务,任务的承担者是角色,功能部门以角色的形式完成任务。功能部门中的个人被定义成成员,每个角色可以由一个成员担任,也可以由多人完成;同样每个成员也可以承担不同的角色。IPT的结构是随时间动态变化的,它的成员、负责人和规模等内容随任务的需要可进行调整。IPT 的工作目标如下:

  1)提高产品质量IPT的每个成员均对满足用户需求和质量需求作贡献。
  
  2)降低生产成本采用集成产品开发团队能显著减少更改、错误和返工。  
 
  3)缩短产品开发周期IPT并行协同工作,保证对用户需求和更改设计很快作出反应。

  (2) 团队工作中的冲突协调   

  设计团队成员在同一前提条件下或同一目标要求下对某一事件作出的结论有时候不一致。由于组成集成产品开发团队各成员的专业背景不同,考察问题的出发点也不同,对同一个问题产生不同的见解是不可避免的。如质量和成本的矛盾、进度和资源的矛盾、可制造性和结构合理性的矛盾、可装配性和空间限制的矛盾等等。因此,及时发现和解决冲突是并行设计中非常重要的问题。   

  从冲突所涉及的对象来看,冲突可分为设计冲突、资源冲突、过程冲突等三类。

  1)设计冲突是产品设计中存在的相互对立、相互矛盾的关系。设计冲突分设计目标冲突和设计结果冲突两种。设计目标冲突由局部目标的差异引起,表现为设计方案或设计属性无法同时满足一定的功能目标。如可装配性目标或可制造性目标等;目标冲突必然会导致结果冲突,即便在目标一致的情况下,由于问题求解方法等的不同,也会导致结果之间的冲突,或求解结果与总目标之间的冲突。

  2)资源冲突是自然界和人类社会中普遍存在的一种冲突。并行设计的资源主要包括人力、物力和信息等三方面的资源,设计活动并行化后,资源规划、分配和调度机制如果跟不上,就难免会造成冲突。

  3)过程冲突是产品在开发过程中时间上或信息上存在矛盾时产生的。过程冲突在时间上表现为拖延,即未按产品开发过程的计划完成任务,影响后续任务的执行;在信息上表现为信息缺乏,即一项任务由于缺乏必要的从前面的任务输出的信息而无法展开执行。  
 
  为了使集成产品开发团队的成员协同工作,实现全局最优的设计,就需要有解决冲突的机制。解决冲突的方法主要有消解、协商和仲裁等。

  ①消解在问题求解阶段检测冲突,然后应用知识、工具、资源等予以解决,不能解决的则进一步采用协商的方法。
  
  ②协商问题求解者对自己无法解决的冲突,与其他求解者进行协调,称为协商。协商是并行设计冲突的主要解决途径,协商的结果通常会导致折衷,团队成员互相让步,得到一个不是最优但冲突最少的解决方案。   

  ③仲裁子问题求解者对冲突无法达成一致协议,则提请更高一层的问题求解者,甚至管理者,请求仲裁。仲裁是一种具有主从关系的协商,仲裁者的意志可强加于申请者。

  (3)分布协同工作中的关键技术

  1)分布式对象技术   

  传统的分布应用开发是通过远程过程调用(RPC)或网络应用编程接口(API)来实现的,用这些方法开发的系统的移植性、扩展性也将受到很大的限制,要在企业间有效利用面向对象技术,需要一种能够在网络层面上实现封装性、继承性和多态性的规范。这种网络级的对象技术便称之为分布式对象技术。分布式对象技术的采用,避免了系统集成实现时的许多无谓的繁杂编程。   

  目前有两种主要的支持分布式对象技术的体系结构,一种是由对象管理组织(Object Management Group, OMG)提出的公共对象代理体系结构(Common Object Request Broker Architecture),一种是由Microsoft提出的分布式通用对象模型(Distributed Common Object Model,DCOM),但是DCOM不能在UNIX平台上运行,而企业里PDM和ERP这样的一些大系统的服务端经常安装在UNIX平台上,因此CORBA由于其跨平台性而具有更广泛的应用范围。

  2)CORBA技术   

  公共对象请求代理体系结构CORBA(Common Object Request Broker Architecture)是由对象管理组织OMG(Object Management Group)制定的一个面向对象的集成软件工业规范。CORBA是分布式计算机技术与面向对象技术的紧密结合。CORBA通过分布式计算和面向对象技术的结合,实现了软件重用、移植和互操作。CORBA可以让系统开发人员自己选择编程语言,如C++,JAVA等,来创建一个面向对象系统。

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李翔(1)小白兔奶糖(1)
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最近更新:2012/3/31 11:13:32
创建者:李翔