并行工程项目协调系统_常天庆

并行工程项目协调系统常天庆,熊光楞,吴祚宝清华大学自动化系,北京100084收稿日期:1996-03-26第一作者:男,1964年生,博士研究生*国家“八六三”高技术项目,863-511-9504-002-022文摘为确保并行产品开发过程的顺利进行,协调产品开发工作流程,协调产品开发部门之间的关系、产品部件之间的关系以及协调开发人员解决矛盾的过程,提出了并行工程项目协调系统的概念。分析了协调工作应完成的任务,定义了项目协调系统的功能组成、体系结构和子系统间的集成机制。介绍了一种并行工程项目协调系统。关键词并行工程;协调;约束;冲突仲裁;过程管理分类号TP39在并行工程实施过程中,首先会遇到以下三方面的问题:1)产品开发工作流的管理。在并行工程开发方式下,产品开发阶段的任务交叠、冲突情况十分频繁,如何既妥善处理好这些情况又保证缩短开发时间;如何组织产品开发过程众多的信息(设计信息、过程信息)和资源(人才、设备、技术等)才能发挥其最大效益;如何对开发过程进行管理。这些新的开发方式带来的问题是一般项目管理系统所难以解决的。为此,必须开发一种新的适合并行工程特点的工作流管理系统。2)产品开发过程中相互依赖关系的处理。采用并行产品开发及组建多功能开发小组的必然结果是开发人员在开发过程中要处理大量的相互依赖关系。这些关系称为约束。如何全面正确的形式化描述约束,如何判断约束的相互影响,如何减少违约次数和如何及时通报违约信息是设计人员非常关心的问题。3)解决冲突手段与产品开发所用计算机工具水平的适应。产品开发过程中经常发生冲突,目前解决冲突主要还是通过有关人员面对面直接交流的方式。在这种方式下,仲裁的效果很大程度上取决于决策人员的知识丰富程度,它与开发人员所采用设计工具的技术水平极不相称。实际上,冲突各方可充分利用计算机技术、网络技术及人工智能等有关技术改进现有的冲突仲裁方法,以提高仲裁效果,缩短仲裁所需时间。1项目协调系统的体系结构1.1项目协调系统的功能并行工程的产品开发是由分布在异地的采用异类计算机软件工作的多功能小组完成的,如:计算机辅助设计(CAD)、为装配而设计(DFA)、为制造而设计(DFM)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、加工过程仿真(MPS)等。多功能小组中存在大量相互依赖关系,开发过程中冲突时有发生,为使产品开发过程顺利进行,提高多功能小组工作效率,生产出高质量、低成本的产品,并为小组决策提供计算机支持,使并行工程的效益得以充分体现,必须具有一种协调系统,以支持对多功能小组及产品信息的共享,保证信息的正确流向和资源的正确搭配。项目协调系统由以下子系统组成。1)工作流管理系统工作流管理的目的是规划、调度和监视产品开发的工作流,以保证把正确的信息和资源送给正确的小组;同时保证产品开发过程收敛于顾客需求。a)工作流程规划和调度在产品开发初期,设计人员利用建模、仿真与优化工具建立过程模型。工作流程规划和调度执行该过程模型。过程模型的正确执行可确保“指定的任务在指定的时间内被指定的人采用指定的资源来完成”。过程模型由一系统任务组成,这些任务分解成一组分任务后,形成任务表分别被分派给指定的开发人员。如果开发人员发现任务无法执行,那么向管理人员发出出错信息,调用冲突仲裁系统,与管理人员一起通过协商重新制定模型;否则执行任务单。b)监控产品开发过程监控产品开发过程的目的是监视产品开发过程是否向着顾客要求的方向进展[1],为开发人员提供工作流、约束及冲突等信息。c)历史管理历史管理的对象主要指产品开发过程中形成的决策及与这些决策相对应的决策支持原理知识[2]等。其目的是记录开发过程进行到一定阶段时的过程特征。2)约束管理系统约束管理系统的目的是提供一种过程、产品及资源等因素的相互关系的表示和处理方法。约束问题通常基于约束网络来处理,约束网络由包含n个变量X1,X2,…,Xn的集合(对应值域D1,D2,…,Dn)和约束集C1,C2,…,Cm组成,每个约束Ci由两部分组成:变量集V(Ci)={Xi1,…Xij}和关系R(Ci)=R{Xi1,…,Xij}ADi1×…×Dij。约束网络的全部解可表示为R(Z)={(X1=x1,…,Xn=xn)ûPCi,7V(Ci)R(Z)AR(Ci)}其中7V(Ci)R(Z)表示变量V(Ci)在关系R(Z)上的投影。约束的表示形式包括:代数、数值、条件、逻辑及语义盒。通过求解运算,可以解决确定约束网络是否有解、找出约束网络中单个或全部解等多方面的问题。图1为某一产品的局部约束网络示意图,此产品由部件1(圆柱体,R1表示外径,r1表示内径,L1图1约束网络实例表示长度,Q1表示材料密度,m1表示质量。)和部件2(立方体,L2表示长度,B2表示宽度,H2表示高度,m2表示质量,Q2表示材料密度)连接组成,L表示部件长度,m表示产品质量,(d1,d2)表示产品质心高度的允许范围。约束管理系统可以保证开发过程的一致性;给出约束估算值、正确地检索出某一决策的受影响人员及发现开发过程中出现的冲突。具体划分为如下功能:·创建、添加、修改、删除及检索等编辑功能。·约束网络预处理功能,以保证开发过程所对应的约束网络有解。·用适合并行工程特点的算法处理约束满足问题(包括一致性处理、估算变量值及约束传播等)的功能。3)冲突仲裁系统冲突指设计人员在同一前提条件或同一目标要求下对某一事件作出相互矛盾的结论的现象。在产品开发过程中,冲突的起源有以下三种[3]:·当某一开发人员提出的某一参数值使得另一开发人员不可能把其它参数值表示成一致集时,冲突产生。·对同一设计对象,属于不同部门的设计人员具有各自不同的设计目标或重点,目标或重点的不同经常引起冲突。·用不同的标准从不同的方面评价设计时,导致不一致的设计评价结论。这实际上是一个不同部分的局部最优不可能同时达到且有可能相互起负作用的问题。冲突用冲突仲裁系统来解决。该系统提供一种可供决策者间相互交换信息、发生交互作用的环境,能有效地采集冲突仲裁支持信息,对冲突作出仲裁。项目协调系统采用协商模型处理冲突仲裁问题。协商模型思想的基本出发点是充分发挥计算机、计算机网络及人工智能等技术的优势,使它与人工解决冲突问题的习惯及思路相一致。设计人员在分布式的环境中采用多种冲突仲裁方案(如:基于实例、基于功效、基于约束网络等)以e-mail作为信息交换工具协商工作。为保证开发工作协调进行,将冲突仲裁看作产品开发过程中的一个任务,并体现在过程模型中。这样,既保证了过程模型的正确有效性,又强制冲突有关人员必须对冲突作出及时响应,因而可提高工作效率。1.2各子系统集成机制各子系统间集成关系可用该系统的功能模型(IDEF0图)说明,参见图2。1.3项目协调系统的运行环境项目协调系统的运行环境是一基于工作站的以网络方式工作的复杂系统,产品开发人员在此环境中可完成诸如CAD、DFA、CAPP及DFM等多方面的工作。它的软件体系结构及项目协调系统如图3所示。2项目协调系统的研制作者研制了一种称作LUBRICATOR的项目协调系统。它基于美国SDRC公司的产品数据管理框架metaphase,采用面向对象分析设计方法(IDEF4),用C++语言编写,并在SUN工作站上运行。2.1LUBRICATOR作用范围1)过程模型表示形式输入到LUBRICATOR的过程模型用面向对象的过程描述方法(IDEF3)给出。2)可处理三类约束·时间规划约束:在产品开发过程中,将开发人员的工作划分为一系列活动,设计过程满足所有活动的时间关系是保证开发过程顺利进行的前提。·工作站所对应任务间的约束:设计人员在设计时不但要满足总体方案的要求,而且还要考虑到设计出的产品应能满足下游生产制造部门所提出的有关工艺、可装配性、可加工性及可维护性等方面的要求。设计过程中的详细设计与性能校核间也存在大量的约束。·产品部件间的约束:机械产品设计时部件间的几何约束、质量约束、质心约束,电气产品设计时部件间的电气参数传递关系等约束均是设计应考虑的内容。3)主要解决三类冲突·管理人员制定的过程模型分解成各个设计人员任务单的过程中,某设计人员可能对他得到的任务单不满意,建议管理人员修改过程模型;另外,由于某些原因,使得过程模型不能正确描述实际过程的运行情况时,也要求管理人员修改过程模型。·开发小组间的冲突。在并行工程中,开发小组对应于产品结构,所以,小组间的冲突实际是产品部件间的冲突。·设计人员提交的设计结果首先要得到工艺人员的审查,检查其是否满足制造部门的要求。通常情况下,审查会发现一些问题,即出现了冲突。2.2LUBRICATOR的特性1)集成了工作流管理、约束管理及冲突仲裁系统将工作流管理、约束管理、冲突仲裁系统集成在一起,并在metaphase框架上运行。通过集成,既克服了各子系统分散于并行工程产品开发时存在的不足,又最大程度地发挥了它们各自的优势。从使用的角度看,约束管理系统和冲突仲裁系统是工作流管理系统的支持系统。当设计出现矛盾(冲突)时,可以通过调用冲突仲裁系统来解决矛盾。约束管理系统可以及时发现某些冲突,同时,它也是冲突仲裁的方87常天庆,等:并行工程项目协调系统案之一。2)面向并行工程的综合约束网络管理系统现有的约束网络一般均对应产品开发过程的某一侧面,如规划问题网络、资源约束网络、产品设计约束网络等。LUBRICATOR的约束管理系统具有以下特点:a)是一种面向并行工程产品开发过程的综合约束网络模型。它将时间规划问题约束、开发过程各任务模块之间的约束及产品部件之间约束等蕴含于同一约束网络中。体现了并行工程“并行”及“功能集成”的特性。b)能实时、自动的处理有关约束网络一致性方面的问题,如自动判断设计参数是否符合要求,自动通告违约信息等;还具有自动推理出某些设计参数等能力。3)实现项目协调系统与并行工程其它系统的集成a)LUBRICATOR与并行工程过程建模、仿真与优化系统集成在一起组成闭环系统可实现开发过程的动态建模和调度。如图4所示。LUBRICATOR从两个方面辅助动态建模:首先,过程管理人员制定出的模型需在工作流管理系统得到设计人员的认可后才能确认,否则,要对模型做相应的修改;其次,由于实际情况发生变化,确认后的模型在执行过程中有可能与实际状况发生偏差,此时模型已失去其应有的价值,必须对其进行修正。实际上,产品开发过程是在制定过程模型、执行过程模型、提出过程模型修改建议、修改制定新的过程模型的循环下完成的。b)利用metaphase框架的二次开发功能,将项目协调系统集成在metaphase之上,确保metaphase过程管理功能的有效体现。3结束语LUBRICATOR项目协调系统蕴含了有助于产品开发过程顺利进行的工作流管理、约束管理和冲突仲裁系统,并将它们集成在同一框架上。该系统具有与并行工程其它系统的良好接口,是并行工程的重要支持系统。实践证明,LUBRICATOR可有效管理并行产品开发过程、处理利用产品开发过程中的约束关系、及时发现并解决产品开发过程中出现的冲突。使用LUBRICATOR可解决并行产品开发过程中出现的主要问题。参考文献1NicholsDM.Monitoringdesignprogressinaconcur-rentengineeringenvironment.Fabricator,1992,22(8):72～772ReddyYVR.Computersupportforconcurrentengi-neering.IEEEComputer,1993:12～133SycaraKP.Acomputationalmodelofnegotiationinconcurrentengineering.In:ProceedingsofConcur-rentEngineering:ResearchandApplication,1994Conference.Pennsylvania:1994:1～10ProjectcoordinationsystemforconcurrentengineeringChangT