賈 鵬，高 琦，高 蕾，陳柳青，紀(jì) 雪

JIA Peng1,2，GAO Qi1,2，GAO Lei3，CHEN Liu-qing1,2，JI Xue1,2

(1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山東大學(xué))，濟(jì)南250061；3.勝利油田電力管理總公司電力標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量站，東營(yíng) 257000)

0 引言

為應(yīng)對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，快速設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有創(chuàng)新性的新產(chǎn)品已成為企業(yè)生存與發(fā)展的關(guān)鍵[1]。并行工程、動(dòng)態(tài)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法應(yīng)需而生。這些設(shè)計(jì)方法在提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率的同時(shí)也使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程變得越來(lái)越復(fù)雜，增加了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的管理難度。

企業(yè)為了更好的理解和控制產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，必須通過(guò)對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行業(yè)務(wù)建模使開(kāi)發(fā)活動(dòng)清晰明了，并對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程分析優(yōu)化。目前許多學(xué)者已提出了多種比較成熟的建模方法如PERT[2]、IDEF[3]、Petri網(wǎng)[4]和DSM[5]，它們功能和特點(diǎn)的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 建模方法功能和特點(diǎn)的比較

這些建模方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。由于新設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在越來(lái)越多的迭代耦合任務(wù)，任務(wù)間的信息交互多且頻繁，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的分析和優(yōu)化變得極為重要。而DSM模型能夠表達(dá)任務(wù)間的信息耦合迭代關(guān)系，是過(guò)程分析與規(guī)劃強(qiáng)有力的工具，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其有效性和實(shí)用性也已被充分驗(yàn)證。

但目前DSM只是描述已有任務(wù)之間的信息相互關(guān)系，不支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的層級(jí)演化過(guò)程，不能隨任務(wù)的逐層分解對(duì)各層級(jí)或局部設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分析和規(guī)劃。且在一個(gè)單層矩陣中逐一分析判斷所有任務(wù)之間的信息交互，當(dāng)任務(wù)數(shù)量大幅增加時(shí)，DSM分析的工作量將非常巨大且易出錯(cuò)，矩陣的構(gòu)建難度較大。

針對(duì)目前DSM存在的局限性，本文提出了一種符合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程層級(jí)化特點(diǎn)的分層DSM建模方法，利用一系列DSM對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的各層級(jí)設(shè)計(jì)任務(wù)全面描述，并通過(guò)矩陣的層級(jí)嵌套構(gòu)建算法大大簡(jiǎn)化任務(wù)間信息交互關(guān)系的分析過(guò)程，降低矩陣的構(gòu)建難度，提高構(gòu)建效率。

1 分層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

在逐層分解產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程得到的層級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)中，若兩個(gè)父設(shè)計(jì)任務(wù)間存在信息交互，則其子設(shè)計(jì)任務(wù)間必會(huì)存在信息交互，若兩父任務(wù)間不存在信息交互，則其子任務(wù)間必沒(méi)有信息交互?；谠O(shè)計(jì)任務(wù)層級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和父子任務(wù)間信息的傳遞關(guān)系構(gòu)建分層DSM。

分層DSM是能夠表達(dá)層級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)系的多層DSM，可對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中各層級(jí)和局部子設(shè)計(jì)任務(wù)建模。首先建立各層設(shè)計(jì)任務(wù)中隸屬于同一父任務(wù)的子任務(wù)DSM，然后依據(jù)層級(jí)關(guān)系由最頂層開(kāi)始逐層分析父子任務(wù)間的信息傳遞關(guān)系，同時(shí)將子任務(wù)DSM嵌套以替代父任務(wù)，逐層構(gòu)建分層DSM模型，如圖1所示。

圖1 分層DSM的構(gòu)建過(guò)程

1）第i層子DSM (SDSMi)指產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中第i層的隸屬于同一父設(shè)計(jì)任務(wù)的子設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)應(yīng)建立的DSM，同一層的SDSM可有多個(gè)。

2）第i層全局DSM (GDSMi)是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中截止到第i層將所有子設(shè)計(jì)任務(wù)DSM都嵌套完成后得到的DSM，每一層GDSM只有一個(gè)，且最底層GDSM即為整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的DSM。

3）第i層局部DSM (PDSMi)是指在將所有SDSMi嵌套以構(gòu)建GDSMi的過(guò)程中產(chǎn)生的所有中間DSM。

2 矩陣的層級(jí)嵌套算法

基于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中層級(jí)父子設(shè)計(jì)任務(wù)間的信息傳遞關(guān)系，利用矩陣的層級(jí)嵌套算法將SDSM層層嵌套以構(gòu)建分層DSM模型。以圖1中任務(wù)T1的SDSM(T1)的嵌套詳細(xì)說(shuō)明矩陣的層級(jí)嵌套算法，如圖2所示。

任務(wù)T0包括T1，T2和T3三個(gè)子任務(wù)，其中T1有T1.1，T1.2和T1.3三個(gè)子任務(wù)，構(gòu)成相應(yīng)的子DSM模型SDSM2(T1)。利用矩陣的層級(jí)嵌套算法將SDSM2(T1)嵌套至SDSM1(T0)中以替代父任務(wù)T1，具體分析步驟如下：

1）分析SDSM1(T0)中T1所在行和列的非0元素，找到行元素=1和列元素=1。

2）行元素=1說(shuō)明任務(wù)T1輸出信息給任務(wù)T3，進(jìn)一步分析T1的哪些子任務(wù)輸出信息給T3，即分析嵌套DSM中T1.1，T1.2和T1.3對(duì)應(yīng)于T3的行元素。

圖2 層級(jí)嵌套算法

3）列元素=1說(shuō)明任務(wù)T1需要任務(wù)T2輸出的信息，進(jìn)一步分析T1的哪些子任務(wù)需要T2輸出的信息，即分析嵌套DSM中T1.1，T1.2和T1.3對(duì)應(yīng)于T2的列元素。

4）對(duì)于DSM1(T0)中T1所在行和列的0元素，說(shuō)明T1與這些任務(wù)之間沒(méi)有信息交互，則其子任務(wù)與這些任務(wù)之間也沒(méi)有信息交互，在嵌套DSM中其對(duì)應(yīng)元素為0。

矩陣的層級(jí)嵌套算法中，只需分析存在信息交互關(guān)系的父設(shè)計(jì)任務(wù)即DSM中的非0元素即可，可大大簡(jiǎn)化模型的構(gòu)建過(guò)程，提高模型的構(gòu)建效率。

3 應(yīng)用實(shí)例

某企業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)機(jī)總成)包含上千零部件，其開(kāi)發(fā)過(guò)程包含上千個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，且任務(wù)間存在大量的反饋迭代和信息依賴(lài)，需要構(gòu)建風(fēng)機(jī)總成開(kāi)發(fā)過(guò)程模型對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行分析規(guī)劃。但風(fēng)機(jī)總成層層演化的開(kāi)發(fā)過(guò)程和如此多的設(shè)計(jì)任務(wù)，使模型難以構(gòu)建且無(wú)法一步完成。本文采用分層DSM對(duì)風(fēng)機(jī)總成的開(kāi)發(fā)過(guò)程建模。圖3(a)為風(fēng)機(jī)總成開(kāi)發(fā)過(guò)程已分解的設(shè)計(jì)任務(wù)，圖3(b)為各層子設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)應(yīng)的SDSM模型。

風(fēng)機(jī)總成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程分層DSM模型的建立過(guò)程包括以下步驟：

1）創(chuàng)建各分層SDSM，如圖3(b)。

2）創(chuàng)建GDSM1。第一層的SDSM1即GDSM1。

3）創(chuàng)建GDSM2。第二層子矩陣包括兩個(gè)SDSM2(F1)、SDSM2(F2)，通過(guò)將SDSM2(F1)嵌套至GDSM1中得PDSM2(F1)和將SDSM2(F2)嵌套至PDSM2(F1)中得PDSM2(F1,F2)兩步完成。

4）創(chuàng)建GDSM3。將子矩陣SDSM3(F2.6)嵌套至GDSM2中得PDSM3(F2.6)。PDSM3(F2.6)即GDSM3，同時(shí)PDSM3(F2.6)也是風(fēng)機(jī)總成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)整體過(guò)程的GDSM，如圖4所示。

利用分層DSM逐層建立了風(fēng)機(jī)總成開(kāi)發(fā)過(guò)程已分解任務(wù)的DSM模型。通過(guò)層層建模的方式支持風(fēng)機(jī)總成開(kāi)發(fā)過(guò)程設(shè)計(jì)任務(wù)的逐層分解演化，當(dāng)設(shè)計(jì)任務(wù)有進(jìn)一步的分解時(shí)DSM模型可隨其擴(kuò)展。并且各層的SDSM可由相應(yīng)的設(shè)計(jì)部門(mén)內(nèi)部建立，涉及多個(gè)部門(mén)的PDSM/GDSM可由上一級(jí)的設(shè)計(jì)部門(mén)協(xié)調(diào)幫助建立，因此分層DSM模型可支持多部門(mén)協(xié)同建立，降低了龐大的風(fēng)機(jī)總成開(kāi)發(fā)過(guò)程DSM模型的構(gòu)建難度。

4 結(jié)論

針對(duì)目前DSM建模方法對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程建模的局限，提出了分層DSM的建模方法，給出了分層DSM中SDSM、PDSM和GDSMS三類(lèi)矩陣模型的定義和用于支持分層DSM模型建立的矩陣層級(jí)嵌套算法。分層DSM建模方法利用三類(lèi)矩陣模型建立產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程各層級(jí)、各階段及全過(guò)程的設(shè)計(jì)任務(wù)模型，以便按需對(duì)任意局部開(kāi)發(fā)過(guò)程分析規(guī)劃，為設(shè)計(jì)任務(wù)的資源分配和資源協(xié)調(diào)提供基礎(chǔ)。同時(shí)分層DSM支持自頂向下的逐層分析任務(wù)間的信息交互關(guān)系和矩陣間的層級(jí)嵌套，不僅降低了模型的構(gòu)建難度、提高了模型的構(gòu)建效率，還實(shí)現(xiàn)了模型隨產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的逐層演化而不斷擴(kuò)展。最后通過(guò)某企業(yè)風(fēng)機(jī)總成開(kāi)發(fā)過(guò)程分層DSM模型的建立過(guò)程驗(yàn)證了分層DSM建模方法的可行性。

[1]唐敦兵,錢(qián)曉明,劉建剛.基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣DSM的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[2]朱弘毅.網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社,1999.

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