并行工程环境下产品开发过程的任务分解方法的演绎和应用

引言

新产品开发的重要性在最近的数十年内有了极大的体现，已成为工业界竞争的决定性驱动力。近五年里众多的工业领域依靠开发新产品来获得占年收入50%以上的效益。然而，新产品开发的失误率仍然是很高的，许多R&D项目无法获得商业化的产品，33%至60%的上市的新产品不能获得经济回报。开发周期决定了公司具有怎样的竞争力和公司获得经济回报的速度，如果一种生命周期为5年的产品延迟6个月上市，就会损失其1/3的利润。人们逐渐认识到产品开发的长周期、高成本是产品缺乏竞争力的症结所在，于是开始将注意力集中在产品开发过程的改进和管理上。并行工程环境下的产品开发过程是在计算机网络产品下，多学科开发团队的人员设计的反映过程的合理信息流动关系和组织、资源制约关系的开发任务流程，其目标是全面考虑产品生命周期信息和缩短开发周期、提高设计产品的质量。其中任务分解是设计和规划产品开发过程的首要任务，有待于理论上的研究和方法学上的支持。本文拟对此问题作一些的论述。

1.   文献综述

由于在并行工程的实施中，在设计的早期即考虑产品及零件的可制造性问题和产品的诸多性能问题；上游的概念设计向下游的工艺设计进行预发布，以提高产品的工艺性和可加工性，体现设计意图。与传统设计方法相比，并行工程方法可能增加设计过程的复杂性而难于管理。减少设计过程，特别是大型项目过程的复杂性的方法是进行任务的分解。A. Kusiak(1993)提出用入射矩阵(incidencematrix)表达设计任务与设计参数之间的关系，约束变量亦可分解而实现约束管理。N. F. Michelena和P. Y.Papalambros(1995)则提出用功能关联表(functional dependence table)来表示任务名与变量名之间的关系，该方法在分解任务的同时能进行设计迭代（更改）的改进。Stephen S.Altus(1996)认为通常情况下多学科开发团队是在设计的不同方面同时工作的，客观上要求将设计任务分解成子任务，并且，设计过程的质量很大程度上依赖于所分解任务的结构。Robert P. Smith和Steven D.Eppinger(1997)用分解工具DSM来明确设计过程的哪些活动需引入迭代，该模型被应用于汽车的刹车系统的开发过程。James L.Rogers(1999)研制了有效的基于设计经理的智能分解软件工具DeMAID, 他认为任何一个无试探性的项目包括有大量相互依存的过程，这种相互依存、相互依赖的关系是相当复杂的。许多设计项目的管理中是以过程的流程图来表达的，但是流程图的表示法难于决定过程执行的顺序，因此需要开发管理工具在复杂设计项目中分解、管理和显示过程，并解决在这类项目中普遍存在的迭代问题。目前，DSM已经具备有三种模型：1)基于参数的模型－它基于参数的关联性分析过程的结构；2)基于任务的模型－它基于内部的信息流规划设计项目；3)基于团队的模型－它基于设计师个人和群体间的信息流构建设计的组织。并且，DSM被认为是重组产品开发过程的有力工具。然而，直观的分解和分析方法毕竟有局限性，而应用近代数学中的拓扑学概念作一些演绎，能获得仅凭直觉难于观察和发现的有益启示。

2．过程的拓扑学演绎

2.1 任务的可分性（此处从略，详见文末“阅读原文”）；

2.2 任务的可度量性；

2.3 任务的连通性。

3．任务的分解及管理方法

从以上对任务的拓扑学演绎中，我们容易得到的结论是：

1）由2.1知，产品开发过程的总任务是可分的，因为任务可分解，所以对过程的复杂程度予以简化就成为可能。过程中的复杂的联系只有在功能活动的细化的基础上才能表述清楚。为有效地理解、规划和管理过程，必须通过合理的分解手段，把复杂的过程分解成为许多简单的任务或者子过程，这样有利于掌握过程本身的规律和过程、子过程和任务间的联系，建立良好的组织、管理形式。在多学科团队内部，对设计任务的分解通常是按专业技能来进行的。

2）由2.2知，产品开发过程的总任务及子集组是可度量的，因此，对过程中任务的精确的度量成为科学化管理的基础。首先，在过程的规划阶段，管理者对过程的任务的时间(周期)、人力资源和计算机等资源会做精确、定量地计划。根据时间(周期)信息进行关键路径分析；对过度使用的资源进行重新再分配，达到资源使用的均衡。同时，对任务的度量是掌握人力资源的工资率的有效手段，直接关系到开发团队内部的激励机制和设计成本。其次，在过程的监控阶段，管理者通过 Gantt图的方法对已分解好的任务的进展实施监控，及时提供任务实时的时间(周期)数据，为管理和决策服务。

3）由2.3知，产品开发过程的总任务及子集组是连通的，对过程中任务粒度的过度细分将破坏这种连通性，导致对过程管理的失误。产品开发过程经多次分解，被划分为粒度较细的过程单元，对这些过程单元的并行规划往往比在较高层容易得多。此外，层次树结构也是过程管理的最有效的手段，有利于确定管理过程和技术过程，以及建立过程检验点。但是，在分解任务的过程中，划分的任务的粒度过细，会使规则驱动过程执行的工作流程难于形成，设计师之间的通讯交互过于频繁，从而增加资源的使用量，延长产品的开发周期。

4．实例与应用

某型号的铁路快运棚车产品原有的产品开发过程是串行过程。串行的产品开发过程形成了产品设计、生产准备、样机试制、实验、运行考验大循环。从而导致产品开发周期长，影响产品设计的质量和开发成本。采用并行工程的方法可以有效地克服这些缺陷,缩短产品开发周期30~40%，大大减少设计错误，提高设计质量。该实例亦可验证上述的任务分解的几个结论。
  快运棚车产品的方案设计是确定棚车的性能指标，形成方案图、关键零部件图，在厂内进行评审。方案设计做完后细化产品的大组成，经主管校对以后与工艺人员进行会签。任务分解以后的产品设计由侧墙、端墙、底架、车顶、衣架属、风制动、手制动、标记和车钩等部分组成。
  管理者在进行快运棚车产品的开发过程的建模时，根据设计主管对任务的分解结果，采用任务的分解者和执行者的分类，划分多学科开发团队的成员的角色，并对任务按照活动的属性来规定其开始时间、结束时间，明确启动活动的输入条件和文本条件。任务分解以后的模型视图如图1所示：

图1    快运棚车开发过程的模型视图

建模工具中设置活动的分解者与执行者是在“组织视图”页内进行的。当选择执行者按钮时，就会进入为过程分配过程执行角色的对话框，如图2所示；当选择分解者按钮时就会进入为过程分配角色的对话框，如图3所示。其中：
  待分配角色：是指从组织视图得到的可以为过程分配的角色;
  已分配角色：是指已经为该过程分配的角色;
  增加：是指将待分配角色分配到给过程中;
  删除：是指将已经分配的角色从该过程中删除;
  重新申请：是指当过程需要重新执行时，为过程已占用的角色重新申请占用;
  申请：是指对待分配的一个角色得到他所能分配的角色;
  在图3的列表框中选择一个角色然后按OK按钮，即可为过程分配一个分解者。

图2    任务的分配角色

图3    任务的分解者

5. 结束语

运用拓扑学的概念对产品开发过程的任务分解问题进行一些演绎，能获得仅凭直觉难以观察和发现的有益启示。由此而得到的任务的可分解性、可度量性和连通性对于规划和管理产品开发过程有重要的应用价值。进一步的研究将在商空间、论域划分及其在过程中的应用等领域进行。

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