多學科協同設計過程優化設計研究碩士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 覽、人員權限管理等方面提供了有效的解決方案，為后面章節的進一步分析MCDMS系統的過程流程優化及任務數據優化研究提供框架及理論支持，為第五章以多Agent技術構建MCDMS系統各模塊提供了建設性意見。第3章 基于WPR的改進過程方法研究第3章 基于WPR的改進過程方法研究 引言人們提出BPR(Business Process Reengineering)概念以減少企業生產成本并增加產品利潤。BPR主要通過檢測與分析組織成員間的工作流和過程流[44,45]來尋找設計瓶頸。Reengineering指對業務流程的基本組織進行重新考慮與再設計，改善某些重要的性能指標，如：成本、質量、服務與速度等[46]。通過多次模擬執行與分析業務流程以保證最優的工作流過程[47]。但BPR只限于分析與局部優化兩方面，甚至某些BPR軟件工具只有分析方法卻沒有提出優化方法，造成許多設計上的不便。隨著計算機與網絡技術的廣泛應用，企業面臨很多問題，如：安全性、穩定性與協調性等。解決這些問題，要考慮組織與部門間的關系，研究使用技術與數據共享方法(協調性方面)。設計的工作管理系統[48]應盡量滿足上述需求，用戶應根據需要定義工作流，但定義的工作流會存在許多不如意的地方，因此，必須提出一套優化方法對其進行改善。已發現的一些工作流特征可通過BPR方法進行優化[49]，因此，工作流管理系統應開發出支持BPR的工作流技術[50]，即優化工具。清華大學謝玉鳳與楊光信等人提出工作流優化的概念(WPR)[51]，該方法基于條件有向圖[52]，雖然可對工作流進行改善，但對耦合情況沒有進行過多的研究。進入二十一世紀，隨著科學技術的迅猛發展，人們對產品的要求日益增多。機械產品設計變得日益復雜化，其設計流程日趨多元化與結構化。對于如何提高產品設計效率變得尤為重要。只有對設計過程進行合理優化才能提高設計效率，已存在的優化方法有很多，本文意在對WPR方法進行改進。通過對WPR技術中幾種屬性節點進行研究，對機械產品設計過程的多元化與設計過程中耦合節點的普遍化，在原有理論基礎上，提出一套對耦合節點的優化方法。該方法對整個設計流程進行任務分解，找到具有某些特征的屬性節點進行過程優化。針對節點間帶有耦合的情況，通過內部協商，能基本達到解耦的目的，可優化整個設計過程，提高設計效率。 WPR的概念工作流過程優化(WPR)概念是一套符合工作流過程的優化方法，能提高工作流效率，對一些工作節點提供協同工具，使企業的協同工作更加完善。工作流模型是將工作流w[51]形式化為一個三元組n, A, F ，是實際業務過程的數學描述：(1) n為工作流名稱；(2) A為從業務過程中抽象出來的所有活動構成的集合；(3) F為的一個子集，描述w中各活動間數據流動關系與控制流動關系。對于C中的每一個元素c，其是一個二元組c, E，其中c為一個布爾表達式，E為多個命名表達式構成的集合。c是描述條件得以滿足時，激活后續環節，將數據對象進行傳遞。w實際是一個有向圖，圖中各節點表示工作流各活動的步驟，與常規有向圖相比，區別在于：與每一有向邊對應分別有一個邏輯表達式與一個命名表達式的集合。在此使用條件化有向邊來表示活動間的控制關系與數據流動關系。A中每一個元素c都表示一個活動, 其可通過一個九元組n, t, S, e, R, L, O, P, K表示[53,54], 其中：n為活動名稱；t為活動類型；S為活動開始條件；e為活動終止條件；R為參與活動的所有用戶集合；L為前驅活動(i)與處理數據方法(m)組成的集合；O為活動處理的數據對象；P為R中用戶訪問O中域的方式；K為后繼活動(j)、激發條件(c)與調用函數(f)組成的集合。條件有向圖通過使用有向有限圖描述工作流的過程。節點表示工作流過程的實際或抽象活動，邊表示下一個活動節點，層次方法是直接在圖上定義工作流過程。每一個邊，只將數據對象傳遞給下一個活動，由數據對象來激發此活動。 IPR的概念及應用 IPR的概念此方法基于WRP技術提出，同樣定義如下概念：定義1：協商節點 如果有兩個節點處理相同的數據對象且對其有相同的操作權限，可互相傳送數據對象進行通信，所傳送的數據對象是由相同的屬性構成，則稱這兩個節點為協商節點。A節點與B節點為協商節點的充分必要條件：1) and。2) and。3) ,，可以得出為的逆變化。4) ,，可以得出為的逆變化。定義2：相似節點 如果兩個節點有相同的用戶集合且處理相同的數據對象，對于相同的數據對象域有相同的權限，且對相同的前驅節點與后繼節點有相同的處理方式，則稱這兩個節點為相似節點。A節點與B節點為相似節點的充分必要條件：1) and and and 。2) ,and 。3) ,and,.定義3：獨立節點 如果一個節點的觸發條件不依賴其父節點的執行結果，且處理的數據對象不被父節點所改變，則稱此類節點為獨立于父節點的節點。A節點獨立于B節點的充分必要條件：1) and 。2) 。3) .通過對WPR方法的研究發現：該方法可對協商、相似、獨立節點進行簡單的優化。針對機械產品設計，在此提出IPR(Improve Process Reengineering)方法。該方法基于WPR方法提出，用于機械產品設計過程優化。通過對整體過程分析、節點屬性歸納、結合協商技術，綜合的對設計過程進行操作，達到最終優化的目的。 IPR原理介紹IPR的原理如下：1） 數列=,表示一個設計流程，表示流程的各個節點。2) 如果找到個協商節點，其前繼節點為，其后繼節點為，可將這N個協商節點合并成一個節點并為其提供某種協商技術。3) 對于合并后的相似節點，會出現重復的邊，可將其中多余的邊刪除。4) 一個設計流程，首先需對其中直接耦合的節點進行優化，依次找出協商節點、相似節點與獨立節點。優化過程中，根據實際情況調整各節點的位置，最終達到優化的目的。 IPR的優化方法介紹 非耦合節點的優化方法1) 協商節點：，將外部活動改為內部活動。如果找到個協商節點，其前繼節點為，其后繼節點為。通過協商方法將其合并成一個新的節點。 多個協商節點示意圖 優化后示意圖將多個非獨立節點(其依賴于前面執行的結果)合并為一個整體節點，為確保用戶意圖不變，合并節點后必須遵守下面兩條規定：(1) 如果一個節點的前繼節點原屬于，設定為協商活動的初始者。(2) 如果是在節點處結束整個協商活動，只需觸發所能觸發的節點。第(1)條為保證優化前后發起協商的群組一致。第(2)條為保證協商后，優化前后觸發的活動相同。如果使用的管理系統不支持一個節點有多個用戶共同操作，我們可參考Georg提出的方法，其主要是將多媒體會議系統技術嵌入管理系統中。2) 合并相似節點跟合并獨立節點類似。從商業角度看，每一個部門或組織所負責的任務通常是固定不變的。根據相似節點的定義知道：相似節點屬于同一部門或組織，因此，實行的任務在很大程度上是相同的。為使系統能更清楚組織與部門間的關系，將相似節點統一合并，通過BPR工具對優化后的流程進行策略方面的相關優化。應注意：，出現兩個重復的邊與。將其中一個邊刪除并不會影響結果。在做合并優化時，不應讓各個節點的判斷語句過于龐大，優化的目的是為簡化設計流程，而不是使其變得更加復雜。優化后示意圖。 相似節點示意圖 優化后示意圖3) 用戶定義過程流。等價活動類別個數為4({},{}, {},{})。如果節點獨立于節點，但受節點的執行結果影響，可將設計過程進行重組。節點與節點是并行執行，節點在節點后執行，這里等價活動類別個數為4 ({},{},{},{})。當活動由觸發，其執行時間會有所改變，但整個系統的執行時間認為是不變的。，可將設計過程重組。節點、節點與節點并行執行，其等價活動類別個數為3({},{,},{})，整個系統的執行時間得到提升。 用戶定義過程流 優化1 優化2必須保證在節點、節點與節點完全執行后， 再執行節點。需要注意的是：，如果節點發出一個異常處理，需判斷節點是否已執行完畢。如果執行完畢，需將其復原，再執行異常處理。此做法是保證優化后流程的處理結果與原來的結果是相同的。4) 用戶自定義設計過程中，會存在冗余的活動節點，應將其從設計過程中移除以減少執行時間。移除對系統不起任何影響的活動節點，能達到非常明顯的效果。類似編譯優化中移除冗余賦值語句，可減少執行時間。不同應用中會有不同的定義，在此，介紹兩種常見的冗余活動節點。(1) 只有輸出邊沒有輸入邊的節點。此類節點如果不是初始節點，那么其永遠不會被激發，這種節點就是冗余節點。A為冗余節點的充分必要條件： ①=。②A. t! = ‘initial’.(2) 重復工作的節點。如果一個節點一定能到達一個與其相似的節點，且在到達這個節點前，其所處理的數據對象全不會被改變，由相似節點定義，這兩個節點能處理相同的數據對象且有相同的修改權限，因其所處理的數據在后面的節點處會重復執行一次，此節點在整個活動中是多余的。A為B的重復工作節點的充分必要條件：①Similar(A,B) = true and GoThrough(A,B)= true。②Value()= Value()。③= .函數Similar (A,B)判斷A,B是否為相似節點。函數GoThrough(A,B)判斷A是否一定可到達B。函數Value()表示活動A開始時，數據對象O中每一個屬性的值。以上三個函數都能很容易實現，這里不再詳細說明。這兩種活動節點都可直接從設計過程中移除，卻不會改變其執行結果。要判斷一個節點對設計過程是否多余，可根據其是否會被觸發(第一類節點)，也可通過其處理的任務是否存在意義(第二類節點)來判定能否移除。移除多余元素時，應注意是否會影響后面數據。5) 為方便管理與簡化設計模型，可加入一些控制節點來實現。加入新節點時，應注意：不要增加系統負擔，延長處理時間。用戶定義過程流。 用戶定義過程流A節點前可加入控制節點的充分必要條件：①,。②。③=Value.，節點與節點有相同的子節點(節點、節點與節點)，節點只被節點觸發。對于節點，可加入一個新的控制節點。對節點、可各加入控制節點、。根據定義，、與為相似節點并可合并成一個新的控制節點，將多余邊去除。節點由系統感知與執行，起控制作用，因此，加入此節點不會增加整個系統的負載與延長執行時間。 優化1 優化2當需要改變分支條件時，只需在節點處進行修改。這不僅能簡化設計過程，還能使整個過程的關系更加清晰。 耦合節點的優化方法隨著機械產品技術的迅猛發展，設計過程變得越來越復雜，節點耦合情況越來越多，因此，需要提供一種技術，對耦合節點進行操作，達到優化目的。而耦合節點存在的方式多種多樣，在此只提出幾種常見情形進行優化操作，優化方法如下：(1) 如果存在節點A與節點B，節點B在節點A執行后進行且節點A的執行結果直接作用于節點B，當節點B不滿足某些條件時，需返回節點A對其進行重新操作，則節點A與節點B稱為直接耦合的兩個節點。用戶定義過程流。，使外部的耦合節點變成內部可相互操作的節點，節點A與B成為一個新節點AB。 用戶定義過程流 優化1 (2) 如果節點A與節點B為相似節點，且同時受其父節點的結果影響，節點A與其父節點屬于直接耦合的節點，則節點A、節點B與其父節點稱為相似節點情況下的耦合節點。用戶定義過程流。首先，按相似節點的定義對相似節點D、E進行合并，形成新的節點DE。然后按(1)中的方法對耦合節點進行直接操作，形成新的節點ADE。 用戶定義過程流 優化1 優化2(3) 如果存在節點A與節點D，節點D受其父節點B的結果影響，不受其父節點C的結果影響，且節點D與節點A存在耦合關系，則稱這四個節點為獨立節點下的耦合節點。用戶定義過程流。首先，因節點E受其父節點C的影響，但不受其父節點D的影響，按獨立節點的方法對節點E進行操作，將節點B直接作用到節點E上。因節點E受其父節點C的影響，將節點C與節點E合并成一個新的節點CE。新節點CE與其父節點A屬于直接耦合的兩個節點，按(1)中方法對其操作，合為一個新的節點ACE。 用戶定義過程流 優化2 優化3(4) 如果相互獨立的兩個節點C、D分別依賴于其父節點A、B，同時作用于其子節點E。首先，對耦合的兩節點B，D直接進行協商處理，使其變成一個新的節點BD。新節點BD與節點C的父節點都是節點A，特別的，如果節點A與節點C為獨立節點，則可通過調整節點的順序改變其位置。 用戶定義過程流 優化1 優化2 IPR在實際中的應用減速器作為一種應用及其廣泛的重要基礎設備。由于其傳遞運動的可靠性與準確性，并且結構緊湊、維護簡單，通常作為減速傳動的裝置[55]。減速器的設計工藝圖。減速器傳統設計流程圖[56]。 減速器傳設計工藝圖 減速器傳統設計流程圖注：A：確定傳動方案；B：選擇電機；C：分配傳動比；D：運動和動力參數計算；E：外傳動零件設計；F：內傳動零件設計；G：齒輪零件工作圖設計；H：繪制草圖準備工作；I：草圖繪制；J