并行工程在产品生命周期设计中的应用研究

20 世纪80 年代中期，制造业商品市场发生了根本性变化。企业赢得市场竞争的关键是其能否快速响应市场需求，迅速开发出满足用户需求的新产品，并尽快上市［1］。传统工作模式的串行方式存在弊端，其开发过程一般是: 市场调研→产品计划→产品设计→试制样机→修改设计→工艺准备→正式投产，缺点显而易见，如设计改动量大、产品开发周期长，产品成本增加等。1988 年美国防御分析研究所( IDA) 提出了并行工程( Concurrent Engineering，

CE) 的概念。CE 是对产品及其相关过程进行并行、一体化设计的一种系统化工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求［2］。CE 的概念包含了依据用户需求，基于并行工程理论对产品及其下游生产制造和相关支持过程进行一体化设计的系统方法。

80 年代前，并行工程在中国就已有了很多成功范例，如找石油、原子弹、航天工程等。并行工程自20 世纪80 年代被正式提出来，美国、欧共体和日本等发达国家均给予了高度重视，成立研究中心，并实施一系列以并行工程为核心的政府支持计划。很多大公司，如麦道公司、波音公司、西门子、IBM 等也开始了并行工程实践的尝试，并取得了良好效果［1，3］。进入90 年代，并行工程引起中国学术界的高度重视，成为中国制造业和自动化领域的研究热点，一些研究机构开始进行一些有针对性的研究工作。国内部分企业也开始运用并行工程的思想和方法来缩短产品开发周期、增强竞争能力。但是，无论从技术研究还是企业实践上，中国都落后于国际先进水平十年左右，许多工作仍处在探索阶段。

2． 1 CE 的特点

CE 的特点包括设计人员的团队化、设计过程的并行性、设计过程的系统性以及设计过程的快速“短”反馈。用户、设计师、制造工程师、装配师、销售人员以及维护人员同时进行计算，并将中间结果信息共享，形成了并行工程中的团队工作方式［4］。并行设计的过程如图1 所示，在贯穿产品生命周期的产品开发过程的各个阶段的相关方都存在信息的共享与协调反馈。由此引出并行设计的四个关键要素: 过程改进、组织变革、环境支持和需求定义。具体包括CE 中产品开发过程的建模、分析与集成技术，多功能集成产品开发团队，协同工作环境以及产品共享信息模型的建立。

2． 2 应用需求

并行工程最重要的支撑系统之一是集成框架，即对产品生命周期中所有数据、组织资源和相关开发工程的集成化管理。这种需求体现在以下几个方面：

1) 以信息集成为基础实现产品开发过程的集成，可分为5 个阶段: 互操作的计算机→互操作的工具和任务→产品数据管理→产品开发过程管理→决策支持。通常，第1 步和第2 步保证数据按照标准格式( 如IGES、STEP 和VHDL 等) 在企业各分系统和工具之间传递，无需手工重新输入。实现方法包括工程图档管理、工程数据库、异构数据库的集成与信息共享等。它们可以被看作是CE 第一阶段集成平台。第3 步和第4 步处理更复杂的问题，需要改变企业的组织结构和产品开发过程，建立一个跨平台、跨领域的集成框架，支持产品开发全过程的信息集成与过程集成。它们是并行工程最重要的特征。第5 步建立决策支持知识库。

2) 复杂产品开发涉及领域之间的集成，从企业功能和体系结构看，企业业务可划分为多个功能领域，其中包括: 产品/过程涉及领域、经营运行领域、行政管理/办公自动化领域和监控领域等。对负责产品开发的并行工程来说，每个功能领域有相应的支撑系统，这些子系统间必须在完整的并行工程产品开发过程中进行相互通信和数据共享。它不仅要把企业的计算机辅助设计、制造、管理和质量保证等技术子系统有机地集成在一起，实现信息共享和集成，还要充分考虑人在企业中的作用，实现人、组织、经营管理和技术的集成，以及产品全生命周期中的信息流和物流的集成优化，使企业集成由信息集成发展到过程集成。只有这样才能真正解决企业的产品上市快、质量高、成本低、服务好的问题，并赢得市场竞争。

3) 注重产品及产品数据生命周期的概念。为了做到产品开发各环节对数据存取和操作的一致性，并行工程要求所有产品数据必须定义生命周期，并且需要一个过程管理工具，在正确的时刻、把正确的数据、按照正确的方式、传递给正确的人。

2． 3 体系与功能

并行工程集成框架是支持企业内各类应用( 设计、制造和经营管理) 进行信息、功能和过程集成优化的并行工程支撑环境，其体系结构由应用系统层、领域框架层和企业框架层组成。

应用系统层由机械领域软件、电子系统并行开发领域软件和经营领域软件组成。并行工程领域框架层由机械、电子系统和经营运行领域框架等组成。这些领域框架实现各自领域内已有应用系统的封装集成，支持领域内并行产品定义、并行开发过程和产品开发团队的管理。这些领域框架通过企业框架实现各领域框架的集成、应用系统之间的全局信息和全局过程的集成。企业框架层由并行工程企业层框架与并行工程对象建模和管理服务设施两部分组成。

并行工程产品定义、过程建模和产品集成开发团队管理工具原型可用于定义不同领域应用之间并行产品的全局信息模型、产品结构和资源的管理，建立可视化的工作过程流程模型，定义和管理产品开发团队、角色和权限，控制并行过程的实施。提供框架管理、应用封装集成的图形用户界面，为框架系统管理者、应用封装集成者和最终用户的使用及浏览提供方便。

并行工程涉及人员管理以及产品开发过程管理。并行工程也提供技术和方法，尤其以DFX 技术和方法为代表。DFX 是Design for X( 面向产品生命周期各/某环节的设计) 的缩写。其中，X 可以代表产品生命周期或其中某一环节，如装配、加工、使用、维修、回收、报废等，也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素，如质量、成本、时间等。这里的设计不仅指产品的设计，也指产品开发过程和系统的设计［5］。例如DFQ( Design for Quality) ，DFＲ( Design for Ｒeliability) ，DFD ( Design for Disassembly)等，这些概念逐渐覆盖了从设计、制造、使用到回收的整个产品生命周期，形成了CE 的思想。

DFX 是并行工程的关键环节，是CE 的支撑工具。在产品设计时，不但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑与产品整个生命周期各阶段相关的因素。包括制造的可能性、高效性和经济性等。其目标是在保证产品质量的前提下缩短开发周期降低成本。

首先，所有的产品开发人员都应该认识到，在设计阶段尽早地考虑产品全生命周期将有益于产品竞争力的提高。其次，产品设计人员，产品开发管理人员应该积极应用DFX 方法于产品设计。最后借助计算机实现的DFX 工具可以有效地辅助产品设计人员按照DFX 方法进行产品设计。

CE 最初应用主要在武器系统及航空航天领域，如美国陆军的M1A2 坦克、海军的捕鲸叉导弹、及空军的P7A 巡航机等均采用CE 方法进行产品开发。近年来，CE 除了继续在武器系统及航空航天领域，如美国ATF 计划的动力装置F-119、新一代战斗机F-22 和波音777 研制中应用外，还应用于设计/制造方法、CIMS 框架、电子芯板、金属间化合物、陶瓷、复合材料和智能材料等技术领域的研制、开发，以及用于航天器的飞行鉴定全过程中［2］。随着CE 不断完善和发展，其应用范围将更加广泛。

在组织与管理方面，CE 在国外的研究及应用有: ( 1) 国外航空航天企业普遍采用自上而下( Top-Down) 的管理方式，强调人们的协同工作( Team Work) ; ( 2) 采取了建立多功能小组的方式，根据任务不同分为各种类型，其核心小组( core team) 最普遍的形式为集成产品开发小组( IPT) ; ( 3) 以经过良好培训的设计和系统工程师作为多面手，领导小组成员; ( 4) 小组成员一般接受培训。

在计算机辅助技术及工具方面，包括，( 1) 设计技术: 大多采用了通过协同工作的组织形式和相应的计算机辅助技术及工具等手段进行产品设计开发，这些设计技术和工具主要有: 面向制造的设计( DFM) 、面向装配的设计( DFA) 、Taguchi 方法、多学科设计优化( MDO) 等; ( 2) 计算机辅助单元技术: 国外航空航天企业普遍采用了CAD/CAM/CAE等系统和单元技术，较常见的有: 3-D CAD/CAM 系统( 如CATIA 系统、UG2 系统) 、NC 机床、FMC /FMS等; ( 3) 集成类技术: 采用的有3-D 数据库、Falcon框架和Metaphase 框架等［6］。

在方法和工具方面，国外普遍强调从设计阶段就注重用户的参与，了解客户需求，工程人员与用户、供货商、承包商等共同协作来改善设计过程，采用的方法和工具主要有质量功能配置( QFD) 、统计过程控制( SPC) 、连续过程改进( CPI) 、PEＲT 图法等。

参考文献

［1］ 皇甫丹丹． 基于并行工程的新产品开发流程优化及进度管理研究［D］． 天津理工大学， 2012．

［2］ 周世平，刘丽霞，陆进宝． 飞机工程中并行工程实践性研究［J］． 国防制造技术， 2013( 2) : 21-23．

［3］ 潘雪增主编． 并行工程原理及应用［M］． 清华大学出版社， 1997．

［4］ 王竞宇． 并行工程在产品开发项目中的应用研究［J］．现代商贸工业， 2012( 1) : 268-269．

［5］ 张涂． 并行工程在船舶设计中的应用研究［J］． 江苏科技大学， 2012．

［6］ 周署玲． 并行工程在产品开发各阶段的应用［J］． 机电技术， 2012( 1) : 138-140．

［7］ 张 曙光，刘伟． 并行工程理论的土建安装一体化施工分析［J］． 低温建筑技术， 2013( 10) : 137-138．

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