第九章 并行设计

243第9章并行设计9.1并行设计的基本概念(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。（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9-1为传统的产品开发过程示意图。由图9-1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图9-1传统产品开发过程244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9-2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9-2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。9.2并行设计的关键技术9.2.1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（Productdevelopmentprocessre-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(ComputerIntegratedManufacturing-OpenSystemArchitecture)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；后图9-2并行设计工作模式245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（IntegratedComputerAidedManufacturing）计划中提出了名为“IDEF”的方法（ICAMDefinitionMethod）。其中，IDEF0是在结构化分析与设计技术SADT（StructuredAnalysisandDesignTechnique）基础上发展起来的一种对系统进行建模的语言。IDEF0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，IDEF0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（UnifiedModelingLanguage）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(ArchitectureofIntegratedInformationSystem)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246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。1）FileNet公司的工作流产品VisualWorkFlo是FileNet公司集成文档管理软件系列产品中的一部分，它与集成文档管理软件中的其他产品合作，可为工作量大、性能要求高的经营过程提供全新的可扩展的过程改进方案。它允许迅速地评价和改进机构工作方式，可随时查看过程中关键的细节，实时掌握过程的运行情况，还能帮助生成日、周、月、季度和年度的工作情况报告，以便改进过程模型。VisualWorkFlo还提供WEB服务，支持跨企业经营过程集成。2）JetForm公司的工作流产品InTempo是JetForm公司推出的企业工作流产品。它基于C/S方式，其客户端相互独立，适于管理型和设定型的经营过程，如合同管理、顾客问题解决、销售和预算审批、订购、消费报告、政策回顾和用户调查等。InTempo具有以下主要特点：①客户端相互独立，企业可针对不同任务选择合适的客户端环境；②支持各种数据和消息管理系统；③自动分配活动可自动将任务分配给相应的人员，并使用电子邮件系统传输信息，可使任务自动出现在用户的信箱中，简化了任务接受过程；④版本管理提供了对过程模型的不同版本进行管理的服务；⑤支持结构化和非结构化的数据用户可将任何形式的文档附加在过程中传给下一个用户；⑥时间管理提供了不同程度的时间管理服务。用户可以在建立模型时加入时限限制，并根据用户定义的时限规定执行超时提醒、过时任务删除等操作；⑦支持设定型的工作流允许在工作流中加入决策型的活动。对异常活动和人员参与的活动，都将记录在案。可以处理更为复杂的工作流，为企业更快、更准确地决策提供了保证。3）IBM的工作流产品IBMMQSeriesWorkflow是IBM公司推出的最新工作流管理产品，是IBM商业集成软件IBMMQSeries的一部分。它将经营流程从应用逻辑中分离出来，可以帮助企业用更少的时间、以更快的速度和更高的灵活性集成资源、减少消耗、消除错误、提高生产力，根据市场需要改变经营过程。它以IBMMQSeries为基础，将分布在一个异构平台内的不同活动、系统和应用程序有机地集成起来，为在Internet环境下实现电子商务提供保障。MQSeriesWorkflow具有以下特点：247①支持异构系统可支持25种不同操作系统。②自动分配任务可根据模型定义自动地分配任务。③图形化的界面提供了图形化编辑器，帮助用户迅速完成经营过程定义。④帮助