并行工程中的约束管理研究

随着市场竞争的日益激烈，并行工程CE（concurrent engineering）以其在提高产品质量、降低产品成本及缩短开发周期等方面的巨大效益引起了众多企业的重视。CE作为一种新型的系统化工作模式，其实施离不开相应环境的支持，约束管理正是其中的重要支撑理论和方法之一。

    然而，分析现有的约束管理研究，它们大多存在着一定的局限性，即只侧重于面向产品设计的约束。研究者们提出各种约束管理系统，用统一的约束形式表示产品开发下游阶段的各种因素，并通过约束的满足实现设计阶段对下游因素的同时考虑。约束网在这里的作用只是产品的优化设计，所处理的约束也仅与具体的产品设计有关。而产品开发中活动之间固有的一些约束关系（如工作流程关系等）以及活动交流和协商形成的约束在约束网中并未得到考虑和重视，这些约束涉及到并行开发过程的管理，对于实现开发活动的协调和控制，保证并行开发的顺利进行都有着重要的意义。

    针对这一问题，本文提出一种约束层次划分结构，旨在集成处理并行开发中的所有约束。在此基础上，对约束管理的实施进行了探讨。

1 约束的层次划分体系

    并行产品开发中，约束可以明显地分为两个层次，一层是面向活动的约束，它们以活动为对象，主要体现活动之间的制约关系；另一层是面向活动内容的约束，它们以活动的具体开发工作为对象，描述的是不同开发目标及技术规范下对所开发产品的不同要求。面向活动内容的约束是在面向活动约束的基础上，进一步针对活动的具体工作而提出，它是面向活动约束的深化和展开。因此，也可称面向活动的约束为浅层约束，而称面向活动内容的约束为深层约束。

    1.1 面向活动的约束

    并行产品开发中包含有许多彼此相关的活动，如产品设计、工艺设计、制造、装配、质量活动等，由于它们协同、并行地开展工作，因此相互间存在有大量的约束关系，具体体现在以下两个方面。

    （1）并行开发活动间本身存在有一定的工作流程关系。一方面，在产品开发的每一微小阶段上，活动的实施都要按照一定的时间顺序串行进行；另一方面，活动的实施都有一定的输入和输出，遵循一定的工作流程，前面活动的输出是后续一个或多个活动的输入。这些关系构成了活动实施中关于产品开发工作流程的约束。

    （2）并行开发中，活动的信息交流和协商也在活动间形成相互的制约和依托关系。为了协同、一体化地开展工作，活动必然要进行大量的交流和协商，从而形成并行活动间关于交流和协商的约束。例如，下游活动往往要求上游及时提交其工作结果，而上游也会要求下游尽快对其工作做出分析和评价等。

    显然，上述两方面的约束都不涉及所开发的具体产品，它们的作用在于理顺和协调活动之间错综复杂的关系，以保证和促进活动的顺利展开，因此是面向活动管理的，属于活动之间的制约关系。

    1.2 面向活动内容的约束

    产品是并行开发的主体，活动的实施都要完成一项具体的产品开发任务，它们最终都面向产品。因此开发过程中很重要的一部分约束还是直接与产品有关、面向活动具体工作内容的。以飞机机翼设计为例，工艺活动针对设计中的某个深孔，向设计提出“孔深／孔径≤5”的要求就属于这种约束。这种约束的作用明显在于优化产品设计，它们属于面向活动内容的约束。

    1.3 深浅两层约束的集成

    并行开发过程中，活动间的协同工作必然形成浅层约束，而针对活动的具体工作还将形成各种深层约束，深浅两层约束共同作用于产品开发中。利用浅层约束可以对并行开发过程实施管理，而利用深层约束则可优化产品设计。浅层约束由于涉及活动的协调和控制，必须首先将其解除，活动的开发工作才可顺利向下开展，也即任一活动的实施都是在浅层约束的动态控制下利用深层约束优化产品的过程。深浅约束之间存在着必然的联系，只有通过二者的集成，才可为并行的产品开发提供更加有力的支持。图1是深、浅两层约束的层次关系图，图中有不同层次的约束分别联系在一起构成约束网。

图1 深浅约束网的层次关系

2 约束管理的实施

    在上述深浅约束集成的基础上，即可对其实施管理。约束的管理包括约束表达、约束满足、冲突检出和仲裁等内容，下面分别展开讨论。

    2.1 约束的表达

    为了便于约束的计算机化管理，使其具有可操作性，对其进行合理的表达是十分必要的。根据对上述两层约束的分析，可将约束表达分为限制型、方程型、范围型、推理法则型、定性关系型、时间规划型、多媒体型等多种形式。其中的多媒体型是作者提出的一种新型约束表达方式，它以先进的计算机多媒体技术为依托，通过文本、图形、图象、声音等复合表示约束，具有信息量大、准确、实时等特点，在实际中使用频繁且方便。

    图2所示是作者为一863／CIMS研究项目开发的约束生成用户界面。在这一界面中，活动实施人员可以输入约束的各种属性，包括约束编码、名称、重要级别、内容等。其中，文本内容文本框中输入约束的文字信息及各种表达式等；图号、图名文本框输入约束的图形信息；而声音内容按纽则记录约束的声音信息。所有约束内容的描述都可混合采用上述的多种表达形式，从而保证了约束信息的准确性、可理解性及可管理性。

图2 约束生成界面

    2.2 约束的满足

    由于约束表达中采用了非形式化的多媒体型表达方式，约束的满足求解将不再采用传统的约束满足算法，而是基于人的参与为主，通过开放和交互的网上协商来进行。图3所示是作者为同一863／CIMS项目开发的约束协调用户界面。

图3 约束协调用户界面

    约束协调满足过程主要分为以下三种情况：

    （1）对其他活动提出的约束，活动实施人员经过各种分析计算，认为所提问题完全合理，遂作出采纳其建议的决定并通知有关活动。

    （2）对其他活动提出的约束，活动实施人员经过各种分析计算，认为所提问题不够合理，无法采纳其建议，同时阐明具体的拒绝原因。

    （3）对其他活动提出的约束，活动实施人员在决定接受前还须与约束各方做出进一步协商和讨论，这时约束协调和满足将是一个多次循环、反复交互的过程。约束各方利用上述界面以多种媒体（如文本、图形、声音等）的形式提出各自建议及支持理由、对他人建议的评价及接受程度、以及对建议的修改意见等，所有各方的工作都在建议与反建议、评价、决策三个状态之间进行转移（其状态模型如图4所示），直至最终达成一致，其形式完全类似于面对面的直接交谈。在这个过程中，约束各方的协商都是在各种支持工具的支持下进行，这些工具包括CAD软件、设计评价工具、约束满足算法等，同时，全部的协商过程也都将通过历史记录工具记录在案。

图4 协商过程的状态转移

2.3 冲突检出与仲裁

    约束无法满足时就将产生冲突。并行开发过程中，冲突的产生是不可避免的。究其原因，主要是由开发人员的技术词汇差别、开发目标及侧重点的不同，以及各自利益、学术观点之争等引起。

    冲突的表现形式可以分为以下两种：第一，不同领域的开发人员对同一对象提出相互矛盾的约束时即表现为冲突；第二，约束的协商无法达成一致意见时也将表现为冲突。两种形式的冲突都将通过开发过程的监控来发现和检测，一旦检测到有上述冲突发生，即及时通报有关人员。

    对于第一种冲突的仲裁，必须要以协商的方式来进行。协商分为四个阶段：即检测冲突、提出冲突协商方案、评价冲突协商方案及根据评价结果作出决策。协商过程如图5所示。

图5 冲突协商过程

    首先，对于检测到的冲突，冲突各方人员根据自己的经验知识、各自领域的利益提出自己解决方案，并提交给其它有关人员进行讨论。由于各领域的利益不同，产生冲突的原因不同，各方人员对冲突解决方案的接受程度也有所不同。本文将冲突解决方案的接受程度分为三类：第一，不可协商的解决方案，这类方案确定程度最高，往往涉及到产品的整体性能；第二，可协商的方案，这种方案确定程度适中，在协商时提出方案的一方可能有多个预备方案用于协商；第三，提议式方案，这类方案的协商程度最大，往往涉及到新的结构、工艺和设备，技术风险较大，成本较高，各方对这种方案的支持程度不会太高。

    在提出冲突解决方案之后，各方人员即对方案进行评价，做出该方案是否符合本部门的要求、利益或在多大程度上可以接受的判断。最后根据评价结果做出部分接受、完全接受、完全拒绝等的决定。其中部分接受需要做出决策的一方提出反建议以进一步商讨；完全接受则表示冲突已经解决；而完全拒绝还要提交上一级决策机构进行裁决。

    对于第二种冲突的仲裁，前面的协商方式显然已不再适用，为此本文提出如下两种解决方案：

    （1）放松约束：当一些重要级别不高的约束被违反时，可采用适当放松调整的策略来解决冲突；（2）上报冲突：一些确实无法以协商方式甚至放松调整方式解决的约束，则上报上级机构由其直接进行裁决。

    由上述分析，冲突的仲裁，特别是冲突的协商显然可归结为一个复杂的无明确定义的问题，其关键是找到一个折衷的解来满足各种相互矛盾的目标。而这仅靠单独应用传统的人工智能、专家系统技术是难以较好地解决。因此，建立集成的冲突仲裁支持系统，以提供对上述冲突协商过程各方面的工具支持是非常必要的。冲突仲裁支持系统中包括了基于实例推理、基于效用理论评价、协商历史工具、设计评价工具等各种支持工具。

    图6所示是作者开发的冲突协商用户界面。

图6 冲突协商用户界面

3 结 论

    并行产品开发中，约束的种类多种多样，可将它们划分为两个层次，即面向活动的约束和面向活动内容的约束。面向活动的约束以活动为对象，可用于产品开发的管理；而面向活动内容的约束以产品为对象，可用于产品的优化设计。两层约束关系密切，通过对它们的集成，将为并行开发提供更加有力的支持。在约束管理的实施中，对于约束的满足及冲突的检出和仲裁均采用了一种基于人的参与的方法。

    本文的研究以某863／CIMS项目为背景，相应的约束管理系统开发目前已全部完成。该系统曾结合航空某实际产品进行了模拟运行和测试，结果表明系统可有效地支持深浅两层约束的集成和管理，运行状态良好且实用性强，有望进一步形成商品化的软件系统。