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多型号产品并行研发能力管理
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在复杂的航空产品设计过程中，由于项目规模和复杂性的增加，需要将产品研发过程进行定义，并将项目开发步骤纳入一个逻辑流程框架中，且配以相关的组织模型。并行工程通过在设计上游阶段尽早地综合考虑位于产品生命周期下游的工艺规划、制造、装配、测试等环节，运用DFX(Design For X)方法，使产品开发过程得以改善，通过组织多学科产品开发队伍和协同设计，提高设计活动间的并行度以减少设计过程的反复，使设计者在设计阶段就可以确定产品的可加工性，提升设计效率和缩短产品开发周期。 并行工程的实施为单一型号的快速研发提供良好的支持，但对于研究所而言，产品的研发是持续和多型号并存的，经常存在多型号产品交替研发的状况。必须在并行工程中考虑集成产品开发战略，设计动态组合管理和柔性能力分配机制，提升产品研发的整体绩效。针对产品开发管理中效率和柔性问题，Michael E McGrath 在2002年提出以研发生产率为基础的下一代产品开发理论，但缺乏具体的实施方法。针对该问题，本文通过在工作流引擎中引入柔性机制，来提升实施中的灵活性和动态适应性，并提出了一种提高工作流柔性的任务指派和调度算法，改进并行工程中多型号交替研发的绩效。 1 产品研发管理中设计柔性分析 并行产品设计中柔性的研究主要集中在两个方面：一是过程建模的柔性，即在过程建模规范化的基础上，为灵活适应不同产品研发管理的需求，解析领域知识的管理和传递体系，主要研究本体理论，和建模方法论，目前的研究方法主要有元模型方法、Petri网理论以及过程挖掘等；二是工作流引擎的柔性，即在过程运行和控制中，资源和任务调度的动态调整与优化，同时引入具有自治和协同的Agent来改进工作流系统的智能和柔性。本文在某航空研究所并行工程项目实践基础上，重点研究产品研发管理中柔性工作流引擎的逻辑架构，并针对多型号交替研发管理中的任务调度问题，设计优化的动态调度算法。 多型号交替研发管理要求工作流管理系统能动态评价不同研发项目的绩效指标，如紧迫度、研发效率、研发收益、重要性等，根据评价模型和项目活动模型进行任务委派和能力调度。基于柔性能力调度和任务委派机制的工作流管理系统框架如图1所示:在工作流管理系统中，包括过程建模、工作流调度、工作流执行和过程控制等部分，体现柔性能力调度和任务委派机制主要包括能力发布、能力引用、能力需求动态匹配3个阶段，涉及与能力概念相关的3种角色是：能力提供者、匹配器、能力请求者。具体的思路如下： (1)在能力本体和元模型中,建立相关领域的能力本体词条和相关概念,并为其建立相应的能力评价模型;同时,企业模型存储组织发布的能力信息;企业中成员引用相关领域的能力本体描述自己可以提供的服务或能够完成的任务,并发布到能力模型中。 (2)在流程建模中,可以引用能力本体中的相关能力词条来声明某一任务的能力需求表达式,并根据与能力词条相关的能力评价模型给出选择的策略规则,比如基于重要性优先、效率优先等。 (3)在运行时，引擎的核心组件活动管理Agent负责解析基于能力的任务描述，并请求匹配器依据该能力需求描述与选择策略，寻找合适的候选者，然后委托任务委派器进行任务协商与委派，最终实现任务到执行者的动态绑定；其中，运行时动态任务委派机制的实现主要由活动管理、匹配器和任务委派器3个智能主体协作完成。  2 动态能力调度和任务委派算法设计 任务委派器作为Agent，完成动态能力调度和任务的委派，它在系统控制单元的控制下自动获取完成任务所需的资源和信息，通过能力请求者和能力提供者之间的匹配选择策略，自主完成能力调度和任务委派。 当某项目需要资源从战略规划(评价模型)上倾斜时，任务委派器需要解决如何分配资源可以最大限度实现产品研发项目工期和成本的优化。一方面是绩效指标高的项目通过资源调度实现优化配置，同时，被调用资源项目的研发周期应如何将进度影响降至最低。具体地说，当过程监控管理发现多型号交替研发中，绩效指标向某项目研发倾斜时，需要对资源和任务进行重新规划和调度:调入资源的分配可以采用经典的Pert图优化算法，但对调出资源的项目，决定由什么样的相关人员(拥有相近职能的平行工序)做如何调整，才能保证项目整体进度影响最小，该优化问题一直是网络计划分析中的难题。 用数学方法描述问题，给定PERT/CPM网络计划，现因战略规划需要，从m个职能相近的平行工序中，抽调1-2组工序人员或资源，当工序人员/资源被调出后，该1-2组工序由其他组工序人员/资源完成，即原2或4个平行工序形成一对或两对顺序工序，选取这几组工序，并确定工序的顺序关系，使总体进度的推迟时间最少。 2.1 算法设计的数学分析 该问题的求解多采用启发式方法，形成了各种启发指标，Badiru对13种启发式方法作了全面分析并提出了度量指标,但这些方法往往难以达到最优解。乞建勋用重心定理解决了两个指定平行工序的顺序优化问题。在此基础上，可以很容易推算出无指定工序的一组平行工序顺序优化问题，本文通过分析，给出从m个平行工序中选取4个工序组成两组顺序工序的优化方法，并在并行工程的柔性工作流引擎设计中实现该优化算法。 本文采用单代号网络图，其中ESx,EFx,LSx,LFx分别表示工序X的最早开始时间、最早完成时间、最迟开始时间和最迟完成时间。  表示关键路径或最大路长 ，表示X与源点之间的最大路长。 表示X与汇点之间的最大路长。相关规范这里不再赘述。在引入算法之前先给出几个基本概念。 定义1 序偶和序偶亏值。平行工序X，Y调整为X-Y顺序后，称为一个序偶，记为(X,Y),总体进度因此而推迟的时间称为序偶亏值,记为[X,Y]。 定义2 行偶和行偶亏值.4个平行工序x1,Y1,X2,Y2调整为两组顺序工序,即X1-Y1,X2-Y2后,该两个序偶的总体称为二元行偶,总体进度因此推迟的时间称为该行偶的亏值。记为  定义3 规范行偶和行偶规范化。若EFx1≤EFx2,且LSy1≤LSy2,则对应的行偶称为规范行偶,把任意行偶的X1,X2或者Y1,Y2,互换变成规范行偶,称为行偶规范化。记  引理 序偶亏值定理，序偶亏值可以用下式描述；  引理的证明见文献。 定理1 行偶亏值定理:  证明 由平行工序及行偶生成过程可推知，上述行偶生成后的新网络中，其关键路径可分为四大类： (1) 不经过X1,Y1,X2,Y2中任一个工序的路线; (2) 只经过X1,Y1,X2,Y2中的一个工序的路线; (3) 同时经过X1,Y1两工序的路线; (4) 同时经过X2,Y2两工序的路线: 对于(1),(2)的关键路径是原网络关键路径,所以最大路长为SSS1顺序化不影响总进度。 根据平行工序性质推知(3)，(4)两集合中没有公共工序。 在(3)中，过X1,Y1最大路长SSS1-Y1可知：  同理可证(4)中，过X2,Y2最大路长：  所以新网络中的关键路径长为  由于：  证毕。 定理2 规范行偶定理。规范行偶的亏值小于等于同族行偶的亏值。即  该定理的证明可由行偶亏值定理直接推得:  2.2 能力调度和任务委派算法 首先当匹配器收到过程监控管理发出的项目评审或项目变更要求时，通过评价模型和选择策略，请求项目之间进行资源调度和任务委派，该请求触发任务委派器完成相应工作。任务委派器在系统控制单元的控制下自动从项目过程模型和能力模型获取所需的资源和信息，一方面采用Pert图优化算法完成绩效指标高的项目的资源配置，并通过下述算法实现对调出资源项目的优化调整。 算法设计的出发点是：在PERT/CPM网络图中，从m个不同的平行工序(职能相近工序)中选择4个工序组成两组，并形成行偶，该行偶使总体进度推迟最小。当工序的选择少于4个，只在两个工序中进行调整时，问题简化为无指定工序的一组平行工序顺序优化问题。将算法中启发规则简化为序偶亏值的计算即可。下面描述行偶启发式规则算法。 (1) 对可供选择的m个平行工序,求出EF从小到大的排列和LS从大到小的排列,即EFx1≤EFx2≤EFx3≤EFx4≤…EFxm;LSy1≥LSy2≥LSy3≥LSy4≥…≥LSym； (2) 检验X1,Y1,X2,Y2中有无相同工序,若无相同工序转(3),若有一对相同工序转(4),若有两对相同工序转(5); (3) 选取规范行偶是最佳行偶,即  算法结束; (4) 由于X1,Y1,X2,Y2中有一对相同工序,则实际只有3个工序,从其余m-3个工序中选择EF最小者Xa,LS最大者Yβ(可能Xa=Yβ),在  中分别用Xa取代重复的Xi,用Yβ取代重复的Yj(其中i,j为1或2),生成两个行偶,规范化该两个行偶并求其亏值,亏值最小的对应的行偶为最佳,算法结束; (5) 由于有两对相同工序,则X1,Y1,X2,Y2实际只有两个工序X1,Y1,检验X3,Y3是否相同,若不同转(6),若相同则转(7); (6) 计算下面行偶中亏值最小者,对应的行偶最佳,算法结束:  (7) 若相同,计算下面行偶亏值最小者,对应的行偶最佳,算法结束:  算法的正确性证明可由行偶亏值定理和规范行偶定理推得。 3 应用实例分析 某航空研究所作为我国重大型号研制单位，近年来在通过并行工程努力提升产品研发效率和缩短产品开发周期的同时，还面对多型号产品交替研发的问题，这不仅要求我们进一步优化产品研发流程，还需关注不同项目进程中的资源调度和进度动态的调整。如某项目工作流运行期间，由于其他项目进度的影响或战略规划的需要，需将该项目的资源或人员调出，那么柔性的工作流引擎应能对项目的状况作即时分析，决定由什么样的相关人员(拥有相近职能的平行工序)做如何调整，才能最大限度优化整体产品研发管理绩效。下面分析某航空研究所在多型号产品研发中的一次仿真实例。  某型号研制关键件的研发流程如图2所示。因其他型号研制中的突发性需求，要求某专业室抽调两专业小组支持。该室有4个专业小组在甲项目中承担Z1、Z2、Z3、Z4任务研发,若4组专业水平相当,求调出哪两组支持,由剩下两组中按何顺序接替,使甲项目总体进度推迟最少.  执行上述任务委派算法，可以得出  为最佳行偶，按此可将Z1，Z2一组Z3，Z4一组，调出Z1，Z3在甲项目中按X1-X3，X2-X4顺序完成任务，得总体进度推迟为3，算法执行结果如图3所示。若以任务重心小的先干，重心大的后干，从表中看出，即选在，Z1，Z2两组调出，在甲项目中按X1-X3，X2-X4顺序，可算出总体进度推迟4为29，并非最优。若以机动时间为基础，用K.S方法，即机动时间少的先干，应选Z2，Z4两组调出，在甲项目中按X2-X1，X4-X3顺序，可算出总体进度推迟6为31，也非最优。  4 结束语 在系统实施中,柔性工作流引擎的设计采用J2EE模式,本算法设计任务委派器中的核心组件。算法的实施不仅提升产品研发中变更柔性，而且优化项目进度和成本费用。目前系统已在某航空研究所得到初步应用，系统设计充分考虑了环境适应性，既可在实际研发环境中运作，也可通过预测模型和参数的配置，来模拟不同研发环境下的优化决策。 |
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