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基于工作流的车型开发过程管理模型 |
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作者：朱文峰 来新民 王皓 林忠钦 陈潼 |
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摘要：针对现代车型开发新模式和对开发过程全生命周期管理的需求，在分析现有工作流技术应用发展状况的基础上，提出了基于工作流的车型开发过程管理模型。它综合了PDM 系统的开发数据管理和工作流系统的开发过程管理，以开发时序为主线，以实现各具体开发活动的多点并发控制为目标，形成了包括工作流建模、工作流执行和产品数据管理三大模块的车型开发过程管理模型，使开发过程按照一定规则和次序有控地进行，有效地支持并行协同环境下的集成车型开发。
关键词：工作流 车型开发 PDM
前言
轿车行业经过上世纪末的合并浪潮后，市场集中度提高，大集团之间竞争更加激烈。为保持竞争力，各大汽车公司非常重视车型开发。然而，新车型开发过程复杂、周期长，包括从技术经济可行性分析、概念设计、工程分析、样车试制、产品认证、小批试产直到正式投产上市等诸多环节，涉及计划、设计、工艺、生产、质保、供应等各部门。只有建立面向过程的管理模式，规范开发流程，有效地集成和组织各个阶段的活动，才能快速开发出质量高、成本低、满足市场需求的新车型产品，赢得激烈的市场竞争。
面对全球扩张和竞争加剧的行业背景，国外许多大型汽车公司引入项目管理的思想，采用联合开发、委托开发和自主开发相结合的方式，将非核心业务外包委托，而把主要精力用于体现核心竞争力。研发工程院改变过去“大而全，小而全”的模式，主要负责对项目实施进行监控，对开发流程进行审查。在这种新模式中，如何管理好各种活动（任务）、角色、资源（人员和设备），实现信息流、物流和资金流的全程优化成为开发项目成败的关键。
在国内，轿车行业的车型开发管理主要存在以下问题：①缺乏一整套详细量化的开发工作流程，可以用来明确定义各阶段活动（任务）的控制信息、数据信息、状态信息和资源信息等。②人工管理开发流程，环节数量多、过程跨度大，容易导致效率低、反馈慢。③各部门难以实现信息集成，存在“信息孤岛”，流动不畅通，难以发挥集成效应。鉴于以上现状，为了有效地完成面向过程的管理，需要一种能够支持过程建模、过程执行、过程集成和过程协调的应用软件系统。
工作流技术是20 世纪80 年末随着计算机支持协同工作（CSCW）而发展起来的【1】。它有效地解决了任务分配、进程调度和控制，以及任务资源的协调等问题。工作流技术最显著的一个特点是：可以方便的描述业务流程，并对流程进行有效监理。
本文结合工作流技术的特点和现代车型开发的新模式，提出一种基于工作流的车型开发过程管理模型。
1 工作流技术
工作流是业务经营过程的计算机实现，而工作流管理系统则是这个实现的具体软件环境【2】。国际工作流管理联盟（WFMC）给出了工作流的规范定义【3】，提出了工作流管理系统的参考模型，并为工作流管理系统的标准化开发提出了5 个基本的功能接口，如图1 所示。图中有5 个基本组成部分：
图1 WFMC 定义的工作流系统参考模型
(1) 过程定义工具。它借助一种描述工作流过程的软件工具，把实际过程用图视化的方法或简单的文本描述，并转换成规范的、可以被计算机处理的形式化描述（过程定义）。
(2) 工作流执行服务。由一个或几个工作流引擎组成，是工作流管理系统的核心，负责创建、管理、执行工作流实例。各种工作流应用通过工作流应用编程接口（WAPI）访问它。逻辑上它提供5 个对外接口，分别是：过程定义模块接口；与工作流客户端应用模块接口；与管理和监视工作流工具接口；与供调用的各种功能服务接口以及和其他工作流系统接口。
(3) 供调用的应用。它是一些功能应用的集合，每一个应用负责完成工作流的某个子过程的执行或某个任务。工作流引擎根据运行状况调用。
(4) 工作流的客户应用。它可以通过工作列表访问接口访问工作流列表库，而工作流引擎把工作流任务分配到工作流列表库而由用户去接受分配的任务。
(5) 工作流的管理和监视。负责管理监视工作流，包括用户管理、角色管理、运行记录、错误恢复、停止和删除工作流。
在工作流管理系统中，工作流定义模块最基础、最核心。工作流定义模型为系统提供了描述实际业务流程的方法。根据WFMC 参考模型，工作流定义应包括工作流参与者、工作流过程活动、工作流相关数据、跃迁信息和工作流应用数据。其中，工作流过程定义是指工作流过程中的每一个活动环节，跃迁信息定义了工作流活动发生转变时所必须具备的信息，即活动开始条件和后续活动等。
工作流技术源于办公自动化领域，至今已经成功应用于报关检查、专利申请、银行存贷款等业务。
随着社会应用背景的变化，各种新技术不断被集成到工作流管理系统中，使它从最初的面向单一流程，实现单点线性控制转化为面对企业复杂信息环境，实现业务流程多点并发监控的必要工具。
2 轿车新车型开发流程
原则上，任何新车型开发都要经过图2 所示的几个主要过程。
图2 车型开发基本流程
这种传统的开发方式按照时间顺序，各部门分工明确。产品开发从一个部门流向下一个部门，但是各部门之间这种“抛过墙”式设计流程不利于设计缺陷的及早发现，产品开发前期的问题很可能到设计末期才暴露出来，从而带来大跨度的返工。因此，这种开发流程已经很难适应当前动态多变的轿车市场对车型开发的时间周期和经济效益的要求。
进入20 世纪90 年代后，世界各大汽车公司不断改进开发组织和管理【4】；1，①丰田公司的总工程师负责制。如图3 所示。②克莱斯勒公司的平台工作队。每个集成开发团队中不但有车身、动力系统、底盘、内饰、空调电器等方面的开发人员，还有产品策划、财务、生产、采购、销售等专业人员，使设计和工程同时进行。在轿车开发中广泛采用计算机软硬件技术。③本田的SED 开发体系。将销售（SALES）、制造（Engineering）和研究开发（Developing）系统人员按照产品开发项目统一组成SED联合开发组，从拟定开发计划直到产品投产、上市都采用项目制和专业责任制结合的办法进行工作。
图3 丰田汽车公司的现代产车型开发流程
三大汽车公司的开发流程有一个共同特点就是使各相关部门协同工作，同时开发。计算机软硬件技术的发展为新的开发流程提供了底层的技术支撑。各种CAX/DFX 技术，例如辅助造型设计、辅助工程分析、虚拟仿真分析、辅助生产线，使设计等开发中各个环节实现协同工作。然而，对于简单产品而言，策划、设计、生产等步骤比较容易实现同时工程。对于一个有上万个零件的轿车而言，无论是物流、信息流、资金流、还是人力资源流的运作、协同、管理都非常复杂。而基于工作流的新车型开发过程管理目的在于把工作流管理技术引入到车型开发流程，实现对开发项目的过程控制和管理优化。
从拓扑结构上看，基于工作流的开发管理是实际开发流程管理在电子空间的映射【1】。电子空间中各个信息结点代表实际流程中各个开发设计部门、零部件供应商，结点的属性表示各个部门的开发工作内容。现实流程中各个环节的检验审批标准则作为信息结点发生跃迁时所依赖的条件，以工作流的形式映射到虚拟的电子空间，实现对整个开发流程的电子化管理。
从功能角度上看，基于工作流的开发管理要解决静态和动态两方面管理。所谓静态管理是指开发过程中各种图文档、试验分析数据等的查询、修改、提交入库以及建立通用设计知识库以实现知识的重复利用。所谓动态管理主要是针对现代车型开发中各种委托设计、外包设计、协同开发而提出，目的是解决各个分步异构开发实体之间的工作流协同。
车型开发的工作流管理模型有以下特点：
(1) 相对于学籍注册、顾客订单管理等办公自动化领域的工作流管理而言，车型开发的工作流管理流程更复杂，涉及更多环节。
(2) 由于存在多个项目参与者，车型开发的工作流管理属于松散耦和结构，流程活动以时序为主要约束关系。
(3) 在协同、委托开发环境下，开发流程活动在并行工程实施中有较强的资源约束关系。
3 基于工作流的车型开发过程管理模型
工作流管理系统的主要目的是产品开发全过程的活动管理和控制，即项目管理。具体说，就是把活动、角色、资源有效地管理起来，同时把与活动相关的信息在活动参与者之间传送。相对于PDM 系统，工作流系统的优势在于有更强大的项目管理和过程控制能力，其劣势在于和产品数据本身的结合程度较低【5】。
新车型开发过程管理应该包含对开发数据的管理和开发过程本身的管理两个方面。对于前者，各种PDM 系统软件已经具备有较强大的功能。对于后者，工作流管理技术提供了很好的解决方案。因此，从功能角度看，基于工作流的新车型开发过程管理系统包含三大模块：①工作流建模和基本信息管理模块；②工作流执行和文档管理模块；③PDM 模块。如图4 所示。该系统集成了上述3 大模块和相应的3 大数据库。下面分别作叙述。
图4 工作流建模体系五视图结构示意
车型开发工作流程由一系列相关联的活动序列组成。建模系统通过特定方法，抽象描述活动的过程和约束条件，建立车型开发的集成化模型，同时提供与第三方建模软件交互的XML 表示接口。
本工作流建模采用集成信息系统体系结构（ ARIS）。它由五部分视图组成，如图4 所示，分别是过程、功能、资源、组织和数据视图。其中，过程视图处于核心位置，相当于一个动力外齿轮，由它带动外围的内齿轮转动【6】。
通过工作流建模系统完成实际流程的计算机化表示后形成工作流定义，存放在流程信息库中并经过XML 解析表示，供第三方使用。XML 是一种结构化信息表示格式和方法。在基于Web 的协同开发中，各合作方可以快速、方便地得到基于XML 表示的中性数据。
3.1 工作流执行系统
主要包括两个部分：工作流引擎和个人工作台面。执行系统通过ODBC 获取工作流模型，并由工作流引擎解释，工作流引擎通过访问工作流定义中的活动先后顺序和当前状态决定某些活动是否发生，并把活动内容发送到相关人员，使各个项目参与者能够在个人工作台面上接收到他的任务，任务完成后提交给工作流引擎。
考虑到现代车型的外协、外包、委托开发等新方式，为了便于开发盟主的管理和掌握进度，采用分布式的两级工作流引擎。第一级采用集中式，主控引擎位于盟主的项目管理部门，负责管理四阶段开发流程中的关键核心过程。第二级采用分布式，位于分散的各协同协作方，负责管理自身的具体技术开发过程。
整个基于工作流的开发过程管理系统及三大模块关系如图5 所示。
图5 工作流管理系统结构及模块关系示意图
3.2 PDM 系统
PDM 技术用来管理所有产品开发的信息和过程。它的重要特点在于以产品数据为核心，能很好地通过产品数据管理实现各种CAX 和DFX 开发软件的集成，支持多功能开发团队实现产品的并行设计。现代车型开发大量使用计算机技术，从概念构思与描绘、车型造型、工程分析、工艺流程规划直到最后的生产线设计都有大量的虚拟仿真软件支持。对于这些开发过程中产生的大量设计文档、CAD 图档、CAE 数据文件、部件总成的配置信息、设计版本和权限信息，PDM 系统提供了良好的管理功能。
4 系统实现
在模型体系所包含的三个模块中，PDM 模块技术较成熟，国际国内都有很多大型的企业级商用PDM系统提供，例如UGS公司的i-MAN，它具有强大的数据管理功能，并且支持与UGⅡ、CATIA 等通用车型开发平台的集成接口。因此，对整个模型实现的重点在于其他两个模块：工作流建模和工作流执行。建模过程是实际过程的抽象表示。在针对车型开发的工作流建模中，必须依据现有可行的车型开发流程，将它映射到模型空间中，成为计算机可以“认知”的流程。目前，大型汽车公司采用的四阶段通用车型开发过程如图6 所示。工作流建模必须体现二维递阶层次结构，即对车型开发项目活动的纵向分解和建立开发活动的横向联系。纵向分解体现出项目管理的思路，横向联系则建立活动之间执行的顺序和因果关系。
图6 四阶段车型开发流程示意图
在工作流模型中，其基本组成单元是活动对象。车型开发工作流就是由这些基本活动对象串连、并联而成。同时把活动对象涉及的资源、组织等信息作为属性封装到活动对象中。活动对象发生的先后顺序由触发器实现。这样，车型开发项目的过程信息被结构化地表达，并经过XML 解析后，存入关系数据库中，既可以被工作流执行系统调用，也可以输出到第三方使用。图7 是一个简单的例子。
图7 集成活动单
工作流执行系统采用IBM 的群件系统Lotus/Notes【7】。它提供了基于文档的群组工作方法，对于处理信息流转比较方便。Notes 对业务流程自动化运行的支持使其成为一种实现工作流应用的理想平台。但是，Domino/Notes 缺乏WFMC 所要求的工作流定义工具、工作流引擎等功能模块。
要实现支持车型开发过程管理这样复杂的工作流系统，就需要进行二次开发。在Domino 服务器上开发工作流引擎，在Notes 客户端或者浏览器内实现个人工作台面。
5 总结
针对现代车型开发中并行工程、外包委托等新模式，为实现开发过程全生命周期管理的需求，本文提出了一种基于工作流的开发过程管理模型。它集成PDM 系统对开发数据的强大管理和工作流管理技术对开发任务分配、进程调度和控制，以及资源协调等的优良项目管理功能，使开发过程按照一定的规则和次序有控地进行，有效地支持在并行协同环境下的集成产品开发。
该模型的研究是在工作流管理和PDM 技术相结合方面的一个积极探索。目前，在上海交通大学PACE中心进行模型验证试验。在PACE中心优良环境下，包括Sun Ultra60、UG、Adamas、e-Manufacturing、e-VIS 等CAD/CAE/PDM 软硬件，验证试验以某新型旅行车数字化样车为载体，实现基于工作流的开发过程管理，分阶段完成基于局域网和基于Web 的试验。验证环境和数据也将移植到国内汽车集团的工程研究院CIMS 项目中应用实施。
参考文献
1 奚伟，周羽. 基于工作流的工程文档动态管理模型. 清华大学学报（自然科学版）。
2 2001 年第41 卷第10 期。
3 范玉顺主编. 工作流管理技术基础. 北京 ；清华大学出版社2001
4 Hollingworth D。 The Workflow Reference Model [S]. Workflow Management Coalition Specification. TC00-1003(Draft 1.0)
5 张朴编著. 汽车计算机辅助开发技术. 北京：北京理工大学出版社. 1999
6 胡锦敏，张申生等. 产品开发过程管理系统. 高技术通讯. 2002
7 张涛，战洪飞等. 基于Web 的企业工作流管理系统的研究. 计算机应用研究. 2002
8 Lotus Domino Designer (Release5). Lotus Development Corporation. an IBM subsidiary, 1999(end)
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(5/16/2005) |
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