并行工程过程管理的研究和应 用并行工程过程管理的研究和应用

1 引言：并行工程与过程管理

“过程”本身是一个抽象的、普遍的概念。物质之间相互作用，产生变化，在 某一时间段上的投影，就形成“过程”。 任何过程都可以抽象成一种或几种物 质状态变化的序列，人们介入到某一过程中，是希望通过自身的行为来影响物 质状态变化的进程，以获得期望的物质状态。可见，过程的时间特性以及事件 (即物质状态的变化)序列中蕴含的因果关系是“过程”概念的核心。而“过 程管理”因此也包含了两方面的基本含义，一是对以时间为核心的过程性能的 关注；二是对过程中各要素(人、信息、工具、环境等)及其相互关系演化进 程的关注。就这两个方面来说，前一方面往往以后一方面为基础。

过程和过程管理在并行工程的研究和实施中受到广泛的关注，具有深刻的原因。 首先，并行工程的主要目标之一就在于缩短产品开发周期，因此，过程本身必 然成为控制和优化的对象。其次，以过程为基础进行成本核算，能够更全面的 反映成本的构成，基于活动的成本核算( Activity Based Costing )就体现 了这种思想。第三，以过程为基础进行质量控制，把质量控制从事后检测转变 为事前预防， 能够尽量减少大的设计更改，需求管理、

质量功能配置 ( Quality Function Deployment )、全面质量管理(Total Quality Management )

都是这种思想的反映。第四，以可视化的过程模型为基础的协同设计支持环境， 是通讯、监控、协调和信息管理的基础。第五，追踪由最初的顾客需求到最终 产品实现的决策过程，从中获得有益的经验和知识，是组织学习、增强产品开 发能力的基本手段。

从组织的角度来看，过程管理是企业对自身行为的认知、反省和控制

2 并行工程过程管理的研究体系 王昕 熊光楞 王计斌 ( 作者向 PRDM 供稿 ) 2.1 概述

并行工程过程管理以产品开发过程为研究对象。所谓产品开发过程，指的是从 产品定义到产品批量生产之前这一段时间，同一般的过程相比，产品开发过程 具有以下特点：

目的性 。产品开发的最终目的是设计出满足顾客需求的产品。

阶段性 。产品开发过程通常包括产品规划、概念设计、方案设计、 详细设计、工艺设计、试制、试验等阶段。

层次性 。产品开发活动在一定的组织层次上进行，任务的分解本身 也带来层次。

协同性 。复杂产品的开发需要多学科、 跨部门、全生命周期的协作

决策。决策是产品开发活动的主要内容。

迭代。在产品开发过程中，阶段性的设计结果不满足设计要求，导 致某一活动序列的重复。

信息管理 。产品开发过程中要产生和使用大量的设计信息，有效的 管理这些信息能提高设计的效率和质量。

过程性能 。时间和成本是需要控制和优化的主要过程性能。

时序。活动的排序对过程的性能会产生影响。

这些特点反映了并行工程过程管理所必须考虑的重要方面。总的来说，并行工 程过程管理的研究目标包括三个方面：对于产品开发过程性能的控制和持续改

进；从产品开发过程中进行组织学习（主要是设计知识的学习）；以过程管理 系统为框架，实现对协同设计的支持。

下面我们分五个方面介绍并行工程过程管理的研究内容和主要进展。其中过程 模型是过程性能分析、协同设计支持、组织学习的基础；过程性能的定量分析 研究以基于活动的过程模型为基础，考虑时序、资源、迭代等要素对过程性能 的影响，传统的项目规划和调度是过程性能定量分析的一部分；基于过程的协 同设计支持以过程模型的计算机实现为基础，对任务的分配和监控、信息的管 理和设计决策提供支持；基于过程的组织学习主要通过捕获设计过程中的重要 决策信息，来支持设计回溯和设计重用；过程管理实施方法学通过建立完整的 过程发展、评估、实践体系，来指导企业应用过程管理方法和技术。

2.2 过程模型及表达

一般来说，模型的作用是解释、预测和实现。就产品开发过程模型来说，其作 用可以概括为以下三个方面：

表示。以可视化的形式表达产品开发所需经历的步骤及需要考虑的 关键因素，加强团队成员对过程的理解和团队协作；

分析。用定量的手段形式化的描述产品开发过程，支持过程规划、 分析和改进；

实现。用计算机、网络、数据库等技术实现基于过程的协同设计环 境，支持分布的、自动的任务分配、信息管理、通讯、监控、协调等功 能。

过程模型的研究领域主要包括工程设计、经营过程重组和软件工程。我们研究 的过程跟工程设计研究的过程是一致的，即产品设计过程或产品开发过程。产 品开发过程是经营过程的一部分。而软件开发过程可以看成是产品开发过程的 特例。下面所说的过程模型，如无特别说明，均指产品开发过程。

按照建模的目的不同，过程模型可以分为描述性的( descriptive )和规范性 的( prescriptive )。描述性的过程模型主要的作用是解释和分析 (如 IDEF0 模型)，规范性的过程模型主要作用是强制和指导 (如 ISO 9000 的过程规范)。

按照建模的方法不同， 过程模型可以分为基于活动 (activity-based )的过程 模型和基于阶段( phase-based )的过程模型。基于活动的过程模型在决策 支持、过程性能分析方面具有显著的优点。而基于阶段的过程模型主要强调设 计信息由抽象到具体、由定性到定量的发展过程。

比较有代表性的过程模型有 Pahl & Beitz 的系统化设计过程、公理化设计 ( Axiomatic

Design )过程、创新问题求解理论( Theory of Inventive

Problem Solving )的设计过程等。 Evbuomwan N.F.O. 列举了比较有影 响的 16 种设计过程模型。

过程建模的方法和工具包括 IDEF 方法、结构化分析方法、 Petri Net 建模方 法、实时结构化分析过程建模方法、过程规划( Process Programming ) 和系统动态方法等。

2.3 过程性能的定量分析

过程性能的分析以基于活动的过程模型为基础，分析活动的排序、资源分配、 迭代、评审等因素对过程性能(主要是时间和成本)的影响。过程性能分析主 要为特定项目的计划和调度服务。传统的项目计划与评审技术和设计过程所特 有的迭代分析构成了产品开发过程性能分析的两大主流。

项目计划与评审技术以活动网络为过程模型，以关键路径法为主要依据，进行 过程的规划和调度。关键路径方法 CPM 和项目计划与评审技术 PERT ( Program Evaluation and

Review Technique )技术是 50 年代末期

产生的。二者从本质上来讲是一致的，它们都是采用活动网络图来描述一个项 目。 PERT

技术是在 CPM 方法的基础上增加了时间概率信息。其原理是从一 个项目的开始到结束，把应完成的任务用图或表的形式表示出来。通常用两张

表来定义网络图。一张表给出与一特定项目有关的所有任务（也称为任务分解 结构），另一张表则给出应当按照什么样的次序来完成这些任务（有时称为限 制表 Restriction List ）。通过 CPM 和 PERT 方法， 可以对项目的任务进行

规划，统计估测任务的时间和完成项目所需时间。 CPM 与 PERT 的缺点是只 面向单一过程结构，即活动间的信息流结构是单向的，任务是不重复的，或不 考虑返工的，因而不支持过程迭代的分析。 为对活动迭代进行描述和分析，一些学者在图论的基础上利用矩阵来描述和分 析过程。迭代分析的基础是设计结构矩阵（ Design Structure Matrix ）。 DSM 的研究在 MIT 的

Eppinger 、Whitney 等人的推动下，在分析过程迭 代和过程改进、分析与规划的应用上取得了一定的进展，如 IOWA 大学的 Kusiak 等基于 DSM 对过程分解进行了研究， 提出了三角形分解算法以支持并 行工程环境下的过程分析与分解； Pimmler 等提出了基于构件的

DSM 以支持 产品开发系统分解； McCord 等则提出了基于团队的 DSM 对并行工程环境下

的团队组织进行分析，分析不同子团队间的信息流动（耦合）关系，用以支持 团队间协调。在各种 DSM 的扩展中，比较重要的是数字 DSM 即 NDSM （Numerical DSM ），DSM 矩阵的元素本为二元，即 0 和 1（即“ X”），

NDSM 则通过改变这些元素的值，提供了过程更加详细的信息。如 Smith 等 将矩阵对角元定义为活动的时间长度，而 X 定义为活动间的重复返工系数，从 而提出了工作转换矩阵

WTM （ Work Transition Matrix ）的概念，通过

WTM 对串行迭代过程进行了时间分析与规划。 基于 WTM ，Johnson 等对电 子产品的串行迭代产品开发进行了分析与应用。

过程性能的定量分析还包括过程重叠、评审、资源分配、工作负荷等方面的分 析，在此不作一一介绍。

2.4 基于过程的协同设计支持

基于过程的协同设计支持以过程模型的计算机实现为基础，对任务的分配和监 控、信息的管理和设计决策提供支持。近年来，工作流技术得到了长足的发展。

1993 年成立了工作流管理联盟( Workflow Management Coalition

WFMC )。此后，该组织颁布了一系列工作流产品标准，包括工作流参考模型、 工作流术语表、工作流管理系统各部分间接口规格。工作流产品的互操作性标 准等。现在，许多公司工基于这些标准推出了自己的工作流产品。从而为基于 过程的协同设计提供了技术基础，主要的 PDM 产品中都提供工作流管理功能 总的来说，工作流管理系统的主要构件和数据包括： 过程定义(建模)工具

工作流执行子系统和工作流引擎

工作流的控制数据

工作流相关数据

工作列表和工作列表处理程序

应用程序和应用数据

工作流管理系统或多或少地具有了下面这些特点：设置活动的启动和结束条件； 工作流相关数据管理和电子数据的交换；支持分布式地过程建模与执行；图形 化的过程定义工具。从目前工作流管理系统在并行工程中的应用情况来看，过 程的定量分析是其弱点。我们正尝试将项目管理系统与工作流管理系统进行集 成。

2.5 基于过程的组织学习

知识密集性是产品开发过程的一个显著特征，在这个过程中，既使用知识，又 产生知识。因此，捕获设计过程中的重要决策信息，从中获得有益的经验和知 识，来支持设计回溯和设计重用，是组织学习、增强产品开发能力的基本手段。 基于过程的组织学习集中体现在对于设计历史的研究方面。

设计历史强调记录由顾客需求发展到产品实现的全过程，而不仅仅是产品设计

的结果。它不仅包括产品几何信息的发展过程，而且包括产品功能和行为的发 展、设计决策过程及其原理、经营活动对设计决策的影响等。

一般来说，设计历史包含以下信息：

问题（如经营问题，规划问题，产品设计问题）

考虑的替代方案（如任务，装配件，零件，特征，功能，材料，尺

度，强度）