隨著市場競爭的日益激烈，并行工程CE（concurrent engineering）以其在提高產品質量、降低產品成本及縮短開發(fā)周期等方面的巨大效益引起了眾多企業(yè)的重視。CE作為一種新型的系統(tǒng)化工作模式，其實施離不開相應環(huán)境的支持，約束管理正是其中的重要支撐理論和方法之一。

    然而，分析現(xiàn)有的約束管理研究，它們大多存在著一定的局限性，即只側重于面向產品設計的約束。研究者們提出各種約束管理系統(tǒng)，用統(tǒng)一的約束形式表示產品開發(fā)下游階段的各種因素，并通過約束的滿足實現(xiàn)設計階段對下游因素的同時考慮。約束網(wǎng)在這里的作用只是產品的優(yōu)化設計，所處理的約束也僅與具體的產品設計有關。而產品開發(fā)中活動之間固有的一些約束關系（如工作流程關系等）以及活動交流和協(xié)商形成的約束在約束網(wǎng)中并未得到考慮和重視，這些約束涉及到并行開發(fā)過程的管理，對于實現(xiàn)開發(fā)活動的協(xié)調和控制，保證并行開發(fā)的順利進行都有著重要的意義。

    針對這一問題，本文提出一種約束層次劃分結構，旨在集成處理并行開發(fā)中的所有約束。在此基礎上，對約束管理的實施進行了探討。

1 約束的層次劃分體系

    并行產品開發(fā)中，約束可以明顯地分為兩個層次，一層是面向活動的約束，它們以活動為對象，主要體現(xiàn)活動之間的制約關系；另一層是面向活動內容的約束，它們以活動的具體開發(fā)工作為對象，描述的是不同開發(fā)目標及技術規(guī)范下對所開發(fā)產品的不同要求。面向活動內容的約束是在面向活動約束的基礎上，進一步針對活動的具體工作而提出，它是面向活動約束的深化和展開。因此，也可稱面向活動的約束為淺層約束，而稱面向活動內容的約束為深層約束。

    1.1 面向活動的約束

    并行產品開發(fā)中包含有許多彼此相關的活動，如產品設計、工藝設計、制造、裝配、質量活動等，由于它們協(xié)同、并行地開展工作，因此相互間存在有大量的約束關系，具體體現(xiàn)在以下兩個方面。

    （1）并行開發(fā)活動間本身存在有一定的工作流程關系。一方面，在產品開發(fā)的每一微小階段上，活動的實施都要按照一定的時間順序串行進行；另一方面，活動的實施都有一定的輸入和輸出，遵循一定的工作流程，前面活動的輸出是后續(xù)一個或多個活動的輸入。這些關系構成了活動實施中關于產品開發(fā)工作流程的約束。

    （2）并行開發(fā)中，活動的信息交流和協(xié)商也在活動間形成相互的制約和依托關系。為了協(xié)同、一體化地開展工作，活動必然要進行大量的交流和協(xié)商，從而形成并行活動間關于交流和協(xié)商的約束。例如，下游活動往往要求上游及時提交其工作結果，而上游也會要求下游盡快對其工作做出分析和評價等。

    顯然，上述兩方面的約束都不涉及所開發(fā)的具體產品，它們的作用在于理順和協(xié)調活動之間錯綜復雜的關系，以保證和促進活動的順利展開，因此是面向活動管理的，屬于活動之間的制約關系。

    1.2 面向活動內容的約束

    產品是并行開發(fā)的主體，活動的實施都要完成一項具體的產品開發(fā)任務，它們最終都面向產品。因此開發(fā)過程中很重要的一部分約束還是直接與產品有關、面向活動具體工作內容的。以飛機機翼設計為例，工藝活動針對設計中的某個深孔，向設計提出“孔深／孔徑≤5”的要求就屬于這種約束。這種約束的作用明顯在于優(yōu)化產品設計，它們屬于面向活動內容的約束。

    1.3 深淺兩層約束的集成

    并行開發(fā)過程中，活動間的協(xié)同工作必然形成淺層約束，而針對活動的具體工作還將形成各種深層約束，深淺兩層約束共同作用于產品開發(fā)中。利用淺層約束可以對并行開發(fā)過程實施管理，而利用深層約束則可優(yōu)化產品設計。淺層約束由于涉及活動的協(xié)調和控制，必須首先將其解除，活動的開發(fā)工作才可順利向下開展，也即任一活動的實施都是在淺層約束的動態(tài)控制下利用深層約束優(yōu)化產品的過程。深淺約束之間存在著必然的聯(lián)系，只有通過二者的集成，才可為并行的產品開發(fā)提供更加有力的支持。圖1是深、淺兩層約束的層次關系圖，圖中有不同層次的約束分別聯(lián)系在一起構成約束網(wǎng)。

圖1 深淺約束網(wǎng)的層次關系

2 約束管理的實施

    在上述深淺約束集成的基礎上，即可對其實施管理。約束的管理包括約束表達、約束滿足、沖突檢出和仲裁等內容，下面分別展開討論。

    2.1 約束的表達

    為了便于約束的計算機化管理，使其具有可操作性，對其進行合理的表達是十分必要的。根據(jù)對上述兩層約束的分析，可將約束表達分為限制型、方程型、范圍型、推理法則型、定性關系型、時間規(guī)劃型、多媒體型等多種形式。其中的多媒體型是作者提出的一種新型約束表達方式，它以先進的計算機多媒體技術為依托，通過文本、圖形、圖象、聲音等復合表示約束，具有信息量大、準確、實時等特點，在實際中使用頻繁且方便。

    圖2所示是作者為一863／CIMS研究項目開發(fā)的約束生成用戶界面。在這一界面中，活動實施人員可以輸入約束的各種屬性，包括約束編碼、名稱、重要級別、內容等。其中，文本內容文本框中輸入約束的文字信息及各種表達式等；圖號、圖名文本框輸入約束的圖形信息；而聲音內容按紐則記錄約束的聲音信息。所有約束內容的描述都可混合采用上述的多種表達形式，從而保證了約束信息的準確性、可理解性及可管理性。

圖2 約束生成界面

    2.2 約束的滿足

    由于約束表達中采用了非形式化的多媒體型表達方式，約束的滿足求解將不再采用傳統(tǒng)的約束滿足算法，而是基于人的參與為主，通過開放和交互的網(wǎng)上協(xié)商來進行。圖3所示是作者為同一863／CIMS項目開發(fā)的約束協(xié)調用戶界面。

圖3 約束協(xié)調用戶界面

    約束協(xié)調滿足過程主要分為以下三種情況：

    （1）對其他活動提出的約束，活動實施人員經過各種分析計算，認為所提問題完全合理，遂作出采納其建議的決定并通知有關活動。

    （2）對其他活動提出的約束，活動實施人員經過各種分析計算，認為所提問題不夠合理，無法采納其建議，同時闡明具體的拒絕原因。

    （3）對其他活動提出的約束，活動實施人員在決定接受前還須與約束各方做出進一步協(xié)商和討論，這時約束協(xié)調和滿足將是一個多次循環(huán)、反復交互的過程。約束各方利用上述界面以多種媒體（如文本、圖形、聲音等）的形式提出各自建議及支持理由、對他人建議的評價及接受程度、以及對建議的修改意見等，所有各方的工作都在建議與反建議、評價、決策三個狀態(tài)之間進行轉移（其狀態(tài)模型如圖4所示），直至最終達成一致，其形式完全類似于面對面的直接交談。在這個過程中，約束各方的協(xié)商都是在各種支持工具的支持下進行，這些工具包括CAD軟件、設計評價工具、約束滿足算法等，同時，全部的協(xié)商過程也都將通過歷史記錄工具記錄在案。

圖4 協(xié)商過程的狀態(tài)轉移

2.3 沖突檢出與仲裁

    約束無法滿足時就將產生沖突。并行開發(fā)過程中，沖突的產生是不可避免的。究其原因，主要是由開發(fā)人員的技術詞匯差別、開發(fā)目標及側重點的不同，以及各自利益、學術觀點之爭等引起。

    沖突的表現(xiàn)形式可以分為以下兩種：第一，不同領域的開發(fā)人員對同一對象提出相互矛盾的約束時即表現(xiàn)為沖突；第二，約束的協(xié)商無法達成一致意見時也將表現(xiàn)為沖突。兩種形式的沖突都將通過開發(fā)過程的監(jiān)控來發(fā)現(xiàn)和檢測，一旦檢測到有上述沖突發(fā)生，即及時通報有關人員。

    對于第一種沖突的仲裁，必須要以協(xié)商的方式來進行。協(xié)商分為四個階段：即檢測沖突、提出沖突協(xié)商方案、評價沖突協(xié)商方案及根據(jù)評價結果作出決策。協(xié)商過程如圖5所示。

圖5 沖突協(xié)商過程

    首先，對于檢測到的沖突，沖突各方人員根據(jù)自己的經驗知識、各自領域的利益提出自己解決方案，并提交給其它有關人員進行討論。由于各領域的利益不同，產生沖突的原因不同，各方人員對沖突解決方案的接受程度也有所不同。本文將沖突解決方案的接受程度分為三類：第一，不可協(xié)商的解決方案，這類方案確定程度最高，往往涉及到產品的整體性能；第二，可協(xié)商的方案，這種方案確定程度適中，在協(xié)商時提出方案的一方可能有多個預備方案用于協(xié)商；第三，提議式方案，這類方案的協(xié)商程度最大，往往涉及到新的結構、工藝和設備，技術風險較大，成本較高，各方對這種方案的支持程度不會太高。

    在提出沖突解決方案之后，各方人員即對方案進行評價，做出該方案是否符合本部門的要求、利益或在多大程度上可以接受的判斷。最后根據(jù)評價結果做出部分接受、完全接受、完全拒絕等的決定。其中部分接受需要做出決策的一方提出反建議以進一步商討；完全接受則表示沖突已經解決；而完全拒絕還要提交上一級決策機構進行裁決。

    對于第二種沖突的仲裁，前面的協(xié)商方式顯然已不再適用，為此本文提出如下兩種解決方案：

    （1）放松約束：當一些重要級別不高的約束被違反時，可采用適當放松調整的策略來解決沖突；（2）上報沖突：一些確實無法以協(xié)商方式甚至放松調整方式解決的約束，則上報上級機構由其直接進行裁決。

    由上述分析，沖突的仲裁，特別是沖突的協(xié)商顯然可歸結為一個復雜的無明確定義的問題，其關鍵是找到一個折衷的解來滿足各種相互矛盾的目標。而這僅靠單獨應用傳統(tǒng)的人工智能、專家系統(tǒng)技術是難以較好地解決。因此，建立集成的沖突仲裁支持系統(tǒng)，以提供對上述沖突協(xié)商過程各方面的工具支持是非常必要的。沖突仲裁支持系統(tǒng)中包括了基于實例推理、基于效用理論評價、協(xié)商歷史工具、設計評價工具等各種支持工具。

    圖6所示是作者開發(fā)的沖突協(xié)商用戶界面。

圖6 沖突協(xié)商用戶界面

3 結 論

    并行產品開發(fā)中，約束的種類多種多樣，可將它們劃分為兩個層次，即面向活動的約束和面向活動內容的約束。面向活動的約束以活動為對象，可用于產品開發(fā)的管理；而面向活動內容的約束以產品為對象，可用于產品的優(yōu)化設計。兩層約束關系密切，通過對它們的集成，將為并行開發(fā)提供更加有力的支持。在約束管理的實施中，對于約束的滿足及沖突的檢出和仲裁均采用了一種基于人的參與的方法。

    本文的研究以某863／CIMS項目為背景，相應的約束管理系統(tǒng)開發(fā)目前已全部完成。該系統(tǒng)曾結合航空某實際產品進行了模擬運行和測試，結果表明系統(tǒng)可有效地支持深淺兩層約束的集成和管理，運行狀態(tài)良好且實用性強，有望進一步形成商品化的軟件系統(tǒng)。