产品分解结构论文（共6篇）
产品分解结构论文 篇1
0 引言
复杂产品是指成本高、规模大、研制周期和生命周期长、技术/知识与工程密集型的产品[1],如航空器、航天器、船舶、工程机械、大型制造装备以及其他许多工程化的产品。复杂产品的研制是一项复杂的系统工程,在技术上涉及许多学科和专业,需要制定严密的研制计划才能保证研制工作的顺利进行。
工作分解结构(work breakdown structure,WBS)可以将研制工作分解为一系列相对独立、内容单一、易于检查的工作单元,能把各工作单元在研制中的地位与构成直观地表示出来,是研制计划编制的基础和依据,在复杂产品的研制中得到了广泛的应用。皮亚风[2]提出了航天产品WBS的相关定义、编制要求和主要框架。聂亚军[3]介绍了WBS在航空发动机型号研制中的应用。何恒等[4]提出了一种适应系统工程与项目管理融合要求的PDA-WBS模型,并讨论了该模型的特点。冯冰等[5]提出了类比、自上而下、发散归纳及系统分析相结合的大型民用客机研制项目WBS模型。这些研究在复杂产品WBS的基本要求、编制准则以及具体的分解方法等方面都进行了有益的探索,但是还缺乏对技术实现手段的研究。因此,在实际WBS的构建过程中依然困难重重,主要体现在以下几个方面:①易造成工作分解的遗漏;②WBS编制时随意性较大,相似产品编制出来的WBS无法实现统一化和规范化;③无法快速有效地完成WBS的编制。这些问题的存在使得WBS的质量难以得到保证,导致研制状态无法及时获取、研制过程得不到有效的控制、研制管理协同性不够等问题。
为此,本文针对复杂产品研制工作分解的特点,着重研究并提出了基于产品分解结构(product breakdown structure,PBS)的工作分解技术,并通过实例介绍了方法的具体应用。
1 复杂产品研制工作分解特点
采用WBS对产品研制工作进行分解,按思路的不同通常可以划分为两种模式[6]。一种是基于可交付成果的划分,这种分解方式的上层一般以交付成果为导向,而下层一般为可交付成果的工作内容。另一种是基于工作过程的划分,这种分解的方式上层以工作的流程为导向,下层则按照工作的内容来划分。复杂产品的研制通常是以一个标准的研制流程为依据来开展实际工作的。因此,在对复杂产品的研制工作进行分解时,为了使WBS的层次更加清晰、内容更加完整,经常采用两种模式混合使用的方式来进行。其基本思路是:以交付成果为主导,以研制过程为依据,综合运用各种技术和工具,完成WBS的编制。
PBS是面向交付成果的分解,它定义了最终的产品及产品的组成单元,确定了产品中应包含的功能和结构。以交付成果为主导就是以PBS为主线,逐级进行分解。以运载火箭为例,其产品分解层次依次为箭体结构、控制系统、动力系统、测量系统、总控系统、发射支持系统等,而每个部分又可进一步分解为部段或单机,再往下便是部组件以及零件。以研制过程为依据就是以产品实现流程为辅线,按阶段进行分解。也以运载火箭的研制过程为例,其大层次为产品研制的全生命周期,一般依次为论证阶段、方案阶段、初样阶段、试样阶段和定型阶段,其中方案阶段、初样阶段、试样阶段为研制中最主要的阶段;小层次为各阶段具体研制工作内容,如设计、生产、试验、验收等。
具体的分解过程可分为三个步骤:首先,通过对产品的分析,按照复杂产品的实际组成结构编制出PBS;然后,通过对研制流程的分析,按照复杂产品实际研制流程建立一系列的通用步骤或标准活动;最后,以PBS为基础,根据通用步骤或标准活动,分析PBS与WBS之间存在的映射关系,然后采用一定的映射规则通过PBS构建出复杂产品的WBS。其中,PBS是交付成果的体现,通用步骤或标准活动是研制过程的体现,而WBS则是它们共同作用的结果。因此,复杂产品的工作分解过程实际上是一个PBS-WBS的合成映射过程。合成映射是指映射后的数据项由多个映射源数据项经过遗传、变异、聚合[7]等多种方式的数据协同处理获得。
2 PBS-WBS映射的业务模型
2.1 复杂产品PBS模型
对于复杂产品来说,其PBS包含了所有实现产品功能的硬件和软件,如运载火箭一般可分为箭/星上产品、地面设备、总体集成以及箭/星载软件等几大部分,各部分又可按照分系统、单机、部组件的方式进行进一步的分解(图1)。通常,PBS是依据复杂产品的技术方案(包括总体和分系统技术方案两个部分)和技术配套表编制而成的。由于PBS中涵盖的信息很多,考虑到最终的研究范围,本文仅对其中的信息做选择性利用,给出复杂产品PBS模型的相关定义。
定义1 复杂产品PBS模型可以用一个四元组表示,记为
RPBS=(A,C,P,D)
其中,A为PBS节点ai j的集合。为了表示节点在整个结构树中的位置,用下标来唯一标识零部件的具体位置,其中i表示零部件在PBS中的层次,j表示其在第i层所处的位置。C为PBS中各节点组成关系c(i j)(i+1)k的集合。记c(i j)(i+1)k=(ai j,a(i+1)k),表示ai j与a(i+1)k之间存在父子关系,a(i+1)k为ai j的直接子件,k表示其在第i+1层所处的位置,i、j、k均为自然数。P为PBS节点ai j所有属性的集合。pi j表示PBS节点ai j的所有属性,如pi j_n代表节点的名称,pi j_e代表节点的编码,pi j_u代表节点的承担单位。D为PBS节点ai j对应的关联文档集合。di j l表示节点ai j的第l个关联文档,ai j的所有关联文档表示为di j=d(ai j)。如果ai j不为叶子节点,则其di j为其下所有子节点的关联文档之和。那么PBS中某一节点可记为RPBS(ai j)=(ai j,ci j,pi j,di j)。
2.2 复杂产品WBS模型
WBS按照系统的原理和要求把项目自上而下分解成相互联系的工作单元。从复杂产品研制工作分解特点来看,其WBS是一个以产品为中心,按照研制流程实施具体工作分解而形成的多级层次体系。其中,层次结构、编码和交付物是复杂产品WBS的基本要素。
(1)层次结构。
合理的WBS层次是工作分解的关键。复杂产品WBS是依据产品的内在结构和研制过程的实施顺序编制的,具有明显的层次性。为满足研制过程管理与控制的需要,在复杂产品WBS的编制中必须确保WBS层次结构的合理与有效。
(2)编码。
WBS编码唯一确定了研制过程中的每一项工作。在研制的各个阶段,工作单元的查找、变更、经费计算、时间安排、资源安排等工作都需要参照其编码来完成。合理规范的编码体系可以简化WBS与设计、工艺、管理、财务等工作的信息交换过程。
(3)交付物。
WBS交付物是WBS中各项工作的输入或输出。通过交付物实现PBS与WBS的关联,初步完成了复杂产品研制技术数据和管理信息的集成,使得产品研制过程中产生的技术数据能够以交付物的形式纳入到研制过程管理的范畴,从而既保证了产品数据的完整性,又确保了研制过程管理控制的及时性。
基于上述重要特征,本文给出了复杂产品WBS模型的相关定义。
定义2 复杂产品研制WBS模型可用一个四元组表示,记为
RWBS=(T,C′,P′,D′)
其中,T为WBS的工作单元tnp集合。为表示工作单元在整个WBS中的坐标,通过定义下标来唯一标识工作单元的具体位置,其中,i表示工作单元在WBS中的层次,j表示其在第i层所处的位置。C′为WBS的工作单元之间的关系集合。P′为WBS的工作单元所有属性的集合。D′为WBS的工作单元对应的交付物集合。C′、P′、D′符号含义与PBS中相应符号含义相同。那么WBS中某一节点可记为RWBS(tnp)=(tnp,c′np,p′np,d′np),其中,n、p为自然数。
2.3 复杂产品WBS元模型
按照产品研制流程建立的通用步骤或标准活动,一般由国家标准或者企业标准定义并以模板的形式来指导WBS的构建,如国防科工委颁布的GJB2116-94《武器装备研制项目工作分解结构》[8]和QJ3121-2000《航天产品项目工作分解结构》[7]等。因此,WBS模板提供了WBS应具有的基本信息,是一种通用化的WBS。本文引入了复杂产品WBS元模型来对WBS模板进行定义。
定义3 复杂产品WBS元模型m-WBS结构可以用一个四元组来表示,记为
Rm_WBS=(B,C t,P t,Dt)
式中的各符号具体含义与WBS模型基本一致。
3 PBS-WBS的映射方法
3.1 PBS-WBS的映射模型
根据集合论理论,当不同视图域由于信息需求的差异而存在不同视图域信息集之间的映射时,表明两视图域之间具有某种函数关系。对于PBS-WBS映射,设RPBS(ai j)为PBS中的一个节点,RWBS(tnp)为WBS中的一个工作单元,Rm_WBS(bmq)为WBS元模型中的一个工作单元。若存在一个规则fPBS-WBS,使得对于每一个RPBS(aij)和Rm_WBS(bmq),都可以唯一确定RWBS(tnp)与之对应,则称fPBS-WBS是PBS到WBS的一个映射,记为
fPBS-WBS:RPBS(ai j)⨂Rm_WBS(bmq)→RWBS(tnp)
其中,符号“⨂”表示两个视图的合成。
由于复杂产品PBS和m-WBS的形成具有很强的工程性和动态性,故PBS-WBS的合成映射具有以下两大特征。
(1)分层块映射。
复杂产品是一个由若干个相互联系、相互作用、相互依存的分系统结合而成的,具有特定功能的有机整体。每一个分系统又可以进一步细分为若干子系统、单机或部件。而这些分系统、子系统、单机或部件又由多个企业协同来完成。因此,复杂产品PBS极其庞大与复杂,在实际映射时,只能分层分块地进行PBS-WBS的映射。如新一代运载火箭由两种发动机(50吨氢氧发动机和120吨液氧煤油发动机)和三种直径模块(5m、3.35m、2.25m),根据一定规则组合而成,其研制是由分布在全国各地的一家总体承担单位和三家分系统研制单位共同完成的。对于总体承担单位,在映射时,只能针对PBS顶部的几个层次来进行映射。而对于分系统研制单位,在映射时,也只是针对PBS中其所承担的分系统来进行映射。
(2)分阶段映射。
复杂产品的研制一般都会经过几个重要的具有里程碑意义的研制阶段,每个研制阶段所开展的具体工作以及相同工作的具体工作内容都不尽相同。如方案阶段的主要工作包括方案设计、样机研制、原理性验证等工作,而试样阶段则需要完成初样设计、初样生产、单机试验以及综合试验等工作。方案设计又可以包括技术方案编写、总体技术参数确定、参数计算等工作。因此不同的研制阶段有不同的标准流程,可以建立起不同的WBS元模型。在实际映射时,就需要针对不同的m-WBS,分阶段的进行PBS-WBS的映射。
图2示出了由PBS到WBS的映射情况。为方便PBS-WBS的合成映射,仅针对其中的某个分系统(图中节点d)以及某个阶段的标准流程(图中单元y)进行分层块和分阶段的合成映射,最后形成y阶段分系统d的WBS。完成该WBS后,可以采用相同的方法针对其中的叶子节点递归进行WBS的分解。比如在获取子节点d1的PBS和y1的m-WBS基础上,通过映射后便可以得到单元d1-y1的WBS展开。如此不断地迭代,最终形成整个产品的WBS结构。
3.2 PBS-WBS的映射矩阵
PBS中所有节点与m_WBS中所有工作单元的笛卡儿积可认为是WBS工作单元的定义域。然而,最终WBS所有工作单元的集合实际上仅是该域的一个子集。为此,WBS工作单元的确定就必须通过PBS-WBS的映射矩阵来完成。映射矩阵是对定义域中所有工作单元在最终WBS中显性或隐性状态的描述。通过人工来对适用于某子系统/部组件的通用步骤进行判断,确定出该工作单元在最终的WBS中是否为显性,从而形成PBS-WBS的映射矩阵。这项工作必须由研发和管理人员一起来共同完成,这样才有助于对每个子系统/部组件的研制工作进行充分的确认。映射矩阵的形式如表1所示。
表1展示的是动力系统(部分)方案研制阶段的映射矩阵(初样阶段不做映射时,便为零矩阵)。该映射矩阵中为1的节点就是能够在最终WBS结构上显示的节点。而WBS各个工作单元之间的关系则主要依靠PBS的树形结构关系建立。因此,只要得到了复杂产品的PBS和m_WBS,并建立起映射矩阵,就可以通过映射规则快速地将WBS建立起来。
3.3 PBS-WBS的映射规则
WBS中各个工作单元的属性是通过遗传、变异、聚合等方式从PBS和m_WBS的节点属性数据中映射得到的。为此必须设立相应的映射规则对这个过程进行规范。
(1)遗传映射。
遗传映射指映射前后,来自于PBS或m_WBS中的属性数据不发生任何变化,直接被WBS使用。比如,PBS中的关联文档集合就可以直接映射到WBS中的交付物集合中去,其数据不会发生变化。交付物遗传映射可记为
RWBS(tnp)_d′np=RPBS(ai j)_di j
(2)变异映射。
变异映射指映射前后,在PBS或m_WBS的某些属性基础上,WBS的属性数据通过映射重新确定。比如,m_WBS中的工期属性,通过映射后可以在WBS中变异为开始时间和结束时间两项属性。
(3)聚合映射。
聚合映射指映射后WBS工作单元的属性项是由PBS和m_WBS中相关属性项经过一定的处理而形成的。聚合映射是PBS-WBS映射的重要方式,WBS的许多关键属性数据都是通过聚合映射方式从PBS和m_WBS中获取的。比如,WBS工作单元的名称、编码等属性的聚合映射可分别记为
RWBS(tnp)_p′np_n=RPBS(ai j)_pi j_n+Rm_WBS(bmq)_ptmq_n
RWBS(tnp)_p′np_e=RPBS(ai j)_pi j_e+
◎+Rm_WBS(bmq)_ptmq_e
如表1所示,PBS中某节点名称为氧气高压自锁阀,与其对应的m_WBS工作单元名称为方案设计,那么根据聚合映射规则,最后得到的WBS工作单元的名称为氧气高压自锁阀方案设计。PBS中某节点的编码为A1A2A3,与其对应的m_WBS工作单元的编码为B1B2B3,那么根据聚合映射规则,最后得到的WBS工作单元的编码为A1A2A3◎B1B2B3,从而形成多码段的WBS工作单元编码。
4 系统应用实例
基于上述方法,本文从技术实现的角度,在北京神舟航天软件技术有限公司开发的基于Web的企业级项目管理软件AVPLAN的基础上,基于J2EE框架,采用JSTL、Servlet、EJB等技术开发了计划协同编制模块,并结合航天型号研制计划编制的实际需求,开展了研究成果的应用验证。
目前,我国航天系统各院所均采用AVPLAN来进行研制计划的编制。参与型号研制的单位利用计划协同编制模块,可以进行基于PBS的研制工作分解,并在此基础上与其他单位进行协同,共同完成型号整体研制计划的编制工作。图3所示为运用AVPLAN完成运载火箭全箭研制计划协同编制的基本流程。
型号研制计划协同编制的基本流程可分为四个步骤:①承担型号研制的总体院根据研制任务开展研制计划的顶层分解,首先由院规划部完成研制计划工程总体要求的编制,然后院计划部根据工程总体要求完成研制计划主结构的编制,进行分系统级研制工作分解;②总体部型号办开展一级分解,完成研制计划主要节点的编制,进行子系统、单机级研制工作分解;③厂所计划处或科研生产处开展二级分解,完成里程碑任务的计划编制,进行部件级工作分解;④部、厂、所的各科室开展三级分解,完成详细执行计划的编制,进行零件级工作分解。对于每一层次的分解,其基本步骤都是首先完成当前层次的PBS编制,定义好对应的WBS元模型和映射矩阵;然后在预先制定好的映射规则下,自动生成初始WBS;接着针对已生成的初始WBS,根据实际情况,对其中的单元项或者部分属性信息进行调整,从而生成最终的WBS;最后根据最终的WBS,完成当前层次的研制计划。而每一个层次的研制计划汇集起来便可以形成型号的整体研制计划,从而快速地完成型号WBS的建立,满足航天型号研制计划编制的实际需求。
5 结语
在复杂产品的研制过程中,保证型号研制工作分解的全面与彻底有着重要的意义。本文在对复杂产品研制工作分解特点进行分析的基础上,提出了基于PBS的研制工作分解方法。通过PBS-WBS映射模型的定义、映射矩阵的编制和映射规则的建立,按层次分阶段完成了从PBS到WBS的映射。并通过交付物实现了PBS节点与WBS单元项的关联,使得产品研制过程产生的数据能够以交付物的形式纳入到研制过程管理的范畴,实现了研制管理的闭环控制。文中所提出的方法在航天项目管理系统AVPLAN中得到了应用,并取得了良好的效果。
参考文献
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民用飞机产品结构分解方案的研究 篇2
产品分解结构是一个组织和存储产品数据和相关技术信息的集合, 将一个产品按层次结构划分为一系列的元素, 是指在数据库中展现产品信息的产品层次分解。产品分解结构提高了数据的一致性, 并且更加有利于数据的交换, 为核心业务提供准确的数据。
对于民用飞机项目来说, 由于规模庞大、系统复杂、设计要求高等因素, 零组件数据集包含有二维图纸、三维模型、临时更改单、技术文件等大量文档且更改较频繁, 产品数据管理异常复杂和困难, 采用合理的产品结构分解方式, 是构型标识的基础, 飞机产品的二维图样、三维图样、EBOM、PL、属性信息等因素的结构组成和管理方法, 是构型管理方法的重要输入和管理对象。
目前民用飞机产品结构分解方式主要有两种: (1) 以某单一因素 (如装配层级或功能分解) 为主要依据的分解方式 (如麦道) , 通过树状结构体现产品的各类部件; (2) 以模块为基本单元, 结合产品通用化、系列化、模块化的多视图管理方式 (如欧直、A350、B737等) 。
1 缩略语说明
为了便于表述, 文章中使用了如下缩略语:
PBS Product Breakdown Structure产品分解结构
CI Configuration Item构型项
EBOM Engineering Bill of Material工程物料清单
PL Part List零组件细目表
PDM Product Data Management产品数据管理
2以单一因素为主要依据的分解方式
产品结构中的零件都会关联相关技术文件, 例如图纸。产品结构为不同业务组织 (销售/设计/制造/支援/维修...) 提供其相关的有效的产品信息。根据飞机的产品特点, 按照飞机的结构和系统分解制定PBS文件, 科学、完整表述C919飞机各级产品构成的主要特征。产品分解结构构建的思路是运用系统工程的思想, 将高度复杂集成的产品逐步分解为功能单一、结构独立的便于实现的简单产品。在产品不断分解的过程中, 还要考虑系统设计、产品实现、客户服务、技术管理等的编制合理性。产品结构在很多方面是很有用的, 如, 表现关联、决定提供构型管理的级别和评估建议的更改对产品的影响。
波音、空客、庞巴迪等各主要飞机制造商在二十世纪八十年代以前都是使用这种传统的基于图样结构树的产品结构管理方案, 这种树状结构分解方式是以某单一因素进行层层分解。比较典型的是以生产、装配和安装顺序为依据的分解, 也称之为面向工序的结构, 从最底层的零件、标准件一直装配到完整的飞机, 如图1所示。
这种分解方式, 可在设计之初规划好顶级装配图 (没有下一级装配的, 其下一级就是飞机) , 并以顶级装配图为单元进行架次有效性分配和更改控制。顶级装配件下及其下属的每一层都有具体的设计数据 (二维图纸、三维数模, 工程指令和EBOM表等) , 从飞机结构关系上能清晰表达装配顺序以及层级关系, 便于指导制造单位进行材料准备和生产安排;更改影响上受影响范围也比较清楚, 一旦发生工程更改, 可以通过产品结构树状关系层层追溯。
由于在飞机研制阶段工程更改频繁, 且民机客户选项的多样性, 在研制过程中也不断体现出这种产品分解结构的问题, 主要体现为:产品结构树层次过深, 更改影响范围大。大部分顶级装配图的层次都在6级或6级以上, 在不同的层级上都有构型项, 每一个装配件会说明其下安装的零件或组件, 而其下的每个零件或组件也要说明安装在那个装配件上, 这种层层嵌套的循环引用, 造成产品分解结构上各个节点之间的关系十分紧密, 也就是构型项数目多, 层次深, 考虑更改的追溯问题以及为了说明装配关系, 一旦一个零件的更改极端情况下会导致整个顶层装配件的更改。
飞机进入批生产后, 这种产品分解下, 数据分解的颗粒度较大, 飞机型号中与客户无关的不变部分, 和与客户有关的可变部分, 糅合在一起, 投产数据控制困难, 重用性不高。并且引入过多的构型项也影响了产品的可视性, 妨碍管理工作, 又增加成本。
为了减少更改工作量, 保证研制阶段的进度, 在更改管理上并没有严格执行构型不同, 更改构型号的要求, 而是采用换版+某些其他方式 (系列工程指令、先行更改、故障拒收等等) 说明, 这样造成了构型状态不清晰, 必须依靠人工统计, 滞后、耗时且数据准确性难以保证。
3 以模块为基本单元的分解方式
波音、空客、庞巴迪等各主要飞机制造商在二十世纪八十年代开始使用基于模块的产品结构管理方案, 通过多构型配置、小批量生产的模式, 结合产品通用化、系列化、模块化的多视图管理方式, 延伸出各种子型号的飞机, 从而丰富产品的类型并满足不同用户及更改的要求。降低产品复杂性、减少研发成本和提高管理效率, 也将极大的方便产品的配置和维护工作。
以空客某飞机型号为例, 使用了三层产品结构分解方式, 产品结构的顶层主要用来管理同型号飞机中共性、基本不变的部分。根据管理的需要, 可将顶层进一步分解。比如, 可将顶层先按空间再按专业划分层次:机型、系列、主部段、部段等, 如图2所示。
构型层是产品结构用于构型管理的核心层次, 通过对构型层进行合理配置, 便能实现多项管理目标, 如模块化管理、多构型管理、单架次管理等。构型项是一个管理容器, 它是对某一具体功能的抽象, 并不代表真实的零件或组件;与此对应, 设计模块才是真实的零组件。一个设计模块代表一种实现方式, 有多个设计模块就表示有多种实现方式。每个设计模块与构型项之间通过关联对象进行关联, 两者之间的关联关系 (架次有效性) 记录在关联对象上。
底层产品结构是对构型层设计模块的细化与分解, 由各种具体设计数据组成。该层次的产品结构直接面向各专业的设计员。
为了满足不同的用户和业务需求, 同一个产品需要多个不同信息组织方式, 可以采用“视图”的方式。不同视图表达了不同业务组 (如设计, 制造, 客服, 销售) 的需求。空客飞机项目根据业务需求建立不同的视图, 如设计视图、制造视图、试验视图、合同视图等等, 如图3所示, 设计视图如图4所示。通过各种视图把项目管理、构型管理和工程过程管理统一起来, 并描述了它们之间的联系, 也就构成了企业产品信息集成的框架。
很多高层管理者认为采用这类产品结构分解方式, 飞机产品的结构层次化不够, 对于制造组织生产, 尤其分包给不同机体供应商时, 按部段划分的概念, 各部段作为交付产品, 其产品信息的结构化不清晰。
4 欧直产品结构分解方式
以欧直某型号飞机为例, 其型号众多、系列产品发展较成熟, 产品之间重用性较高, 性能配置上需综合考虑客户需求进行选装选配。
在满足型号发展规划的需求同时, 又兼顾产品通用化、系列化、模块化设计以及构型项配置管理等要求。欧直从产品分类管理、主产品配置管理等主要因素进行了产品分解, 能够体现系列及多构型配置特点 (如图5所示) 。
其将飞机划分为顶层和下层两个部分, 其中顶层是CI层, 是由构型管理人员进行规划和控制的节点, 包括可变配置项和不可变配置项两种。下层是设计管控层, 由零件、组件及装配等数据组成。其CI与零组件之间的联接是通过有效性进行定义的, 其有效性包括选项有效性、批架次有效性、时间有效性, 这三种方式可按需进行组合定义, 通过有效性来配置各状态及生产架次的产品结构。
按照产品的系列化特点, 将其分解为基本不变部分、客户选项部分以及特殊更改部分, 是一种典型的以模块组织零部件、并以模块为基础配置分级的典型产品结构组织方式, 其优势在于可以迅速的建立客户选配与产品结构之间的对应关系;可以通过模块间的重组快速的配置出一架飞机, 以满足客户多样性的要求;可以有效的实行不同机型间模块的重用, 降低成本, 缩短研制周期;同时, 其在更改控制方面, 也减少了更改范围的无限扩散。
5 分析和结论
随着管理方法的进步、研制模式的改进, 在具体的飞机型号的实践和应用也对不同的产品结构模型进行了探索和尝试。对于新研制的型号, 可以根据型号的特定情况, 参考借鉴和加以剪裁地制定适合型号发展的产品结构分解方式。而根据产品结构分解方式制定构型更改控制方法, 是飞机产品数据管理的核心部分。
文章所述两种方案的有效实施还有赖于全三维设计规范的跟进、PDM管理系统的实现, 也是未来数字化产品数据管理的一种发展方向和趋势, 希望可以为我国民用飞机或其他大型复杂产品的研发提供一定的技术参考作用。
摘要：产品分解结构 (PBS) 是数据和信息组织的核心, 是飞机产品数据管理系统建立的依据, 也是飞机所有构型信息输出的基础和源头。产品分解结构是以产品为对象, 结合工作分解结构, 按一定的分类法, 根据相应的原则、特征或结构隶属关系, 从上往下、逐级展开进行分解直到最底层, 每一层都与相关的构型文件 (例如:工程图纸、零组件细目表、物料清单、规范、软件需求及设计文件、工艺/生产文件等) 相关联, 从而形成的一个产品结构体系。产品分解结构覆盖了产品设计、制造、配置、维护直到报废的整个完整的产品生命周期。文章从分析民机产品结构分解方案出发, 研究了国际主流飞机制造商经验, 提出了两种产品结构管理方式, 从理论结合实践提出了民用飞机产品结构分解方式的优缺点以及应考虑的因素和条件。
关键词：产品分解结构,模块,构型项
参考文献
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产品分解结构论文 篇3
复杂产品是指研制成本高、规模大、技术含量高、研制周期长、单件或小批量生产的大型产品。复杂产品研制技术涉及多个工业领域、多学科及多专业, 彼此间联系成千上万, 需要众多工作人员同时协调作业, 因此制定科学、严密的项目计划是确保复杂产品研制项目顺利进行的基础。
复杂产品研制项目工作分解是制定项目计划的基础和依据。Mansuy[1]将复杂项目分解成费用、进度和产出结果明细的单元, 通过对项目或其进程进行分解实现项目有效管理。Rad[2]认为在工作分解结构 (WBS) 的较低层级通常是进度导向的, 在较高层级通常应该是以交付物为导向的, 因此, Rod修正了传统工作结构的分解方法, 主张以交付物为导向, 并阐述了基本原理和方法。文献[3]提出了平行WBS, 对项目实体 (过程或交付物) 的分解结构进行研究, 把项目工作分解结构的基本分解模式分为功能分解和关系分解。美国项目管理专家Haugan提出将单个项目的工作分解结构划分为5种类型的元素, 即产品分解元素、服务分解元素、结果分解元素、横向关联元素、项目管理元素[4,5]。皮亚风[6]提出了航天产品WBS的相关定义、编制要求和主要框架。金鑫[7]从项目所要交付的成果出发, 充分考虑航天型号项目成果的特点, 提出了基于装配分解结构、产品分解结构、通用步骤和工作分解结构矩阵的航天型号项目工作分解模型。何恒等[8]提出了一种支持复杂产品研发的PDA-WBS模型 (P指产品分解, D指交付物分解, A指项目活动分解) 。何苗等[9]研究了基于产品分解结构的复杂产品工作分解技术。这些研究与美国项目管理协会编写的《项目管理知识体系指南》[10]和《工作分解结构实施标准》[11]中的划分基本一致, 其实质是从产品分解结构和工作分解结构两个维度考虑, 分块、分阶段地逐级编制而成。由于两维的项目工作分解模型在分解时没有考虑到与项目组织结构的对应, 不利于工作分配, 容易造成责任范围不明确, 从而导致一些工作无人负责, 成为项目失败的重大隐患。现有研究为贯彻落实复杂产品研制过程中两条指挥线[12]之一的技术指挥线提供了强有力的保障, 但由于模型缺少对组织分解结构的映射, 从而使得工作分解结果弱化了另一条责任指挥线的贯彻实施。
复杂产品研制项目是一个复杂大系统, 需运用复杂性理论, 需基于系统思维对其进行管理。因而, 在对复杂产品研制项目进行项目分解时, 应基于系统观视角, 从项目整体和全局考虑, 不能仅从项目的本身, 即可交付产物及研制过程两个方面考虑, 还应考虑到执行和实现项目的组织结构。为此, 本文针对复杂产品研制项目特点, 基于系统观视角, 提出了基于产品分解结构 (PBS) 、组织分解结构 (OBS) 、工作分解结构的三维映射项目工作分解模型, 并以航天运载火箭研制项目为例演示了模型的应用。
1 3个基本的项目分解结构
产品分解结构是面向交付成果的分解, 它用于定义项目可交付的产品及产品的组成单元, 确定产品中应含的功能和结构[9]。标准产品分解结构提供了产品分解结构应包含的基本信息, 是一种通用化的产品分解结构。如航天运载火箭研制项目, 按产品结构层次可分为箭体结构、控制系统、动力系统、测量系统、发射支持系统等分系统, 各分系统可进一步分解为子系统, 继续往下可分解为部组件或单机、零件[13]。
工作分解结构是一种以项目产出物为导向的层次化的项目工作范围, 它给出了生成各个项目可交付物的项目工作分包以及它们之间的关系[14], 这些项目工作分包通常是易于管理和控制的工作包, 根据项目复杂程度和项目的组织环境可以选择恰当的工作包分解粒度。标准工作分解结构提供了工作分解结构应包含的基本信息, 是一种通用化的工作分解结构。如航天型号项目按研制流程, 大层次为对研制项目的全生命周期分解, 依次分为项目论证阶段、方案研制阶段、初样阶段、试样阶段;小层次为对各阶段研制工作的分解, 依次分为设计、生产、试验、验收等[15]。
组织分解结构是对项目所处组织环境的一种层级描述, 可用于对工作包指定责任相应的责任部门。它按照组织现有的部门、单元或团队排列, 并在每个部门下列出项目作业或工作包[16]。复杂产品研制项目的组织结构多为矩阵型结构, 如航天型号研制项目实行总指挥负责制, 并设有临时型号办公室, 负责研制项目的总体指挥调度, 各承制单位按各自职能负责相应分系统研制。
2 项目工作分解模型的形式化定义
定义1复杂产品PBS模型用元组表示为RPBS= (P, PC, PN, PCD, PD, PT) 。其中, P为PBS产品结构树中节点pij的集合, P={pij|i, j∈N}, i表示节点在PBS中的层次, j表示节点在第i层所处的位置;PC为节点的结构关系集合, PC={pcij (i+1) k= (cij, c (i+1) k) |i, j, k∈N}, pcij (i+1) k表示pij是p (i+1) k的父部件;PN为节点名称集合;PCD为节点编码集合, PCD具有唯一性;PD为节点交付物集合;PT为节点工期集合。
定义2复杂产品OBS模型用元组表示为ROBS= (O, OC, OR, ON, OCD, OCG, OCO) 。其中, O为OBS组织结构图中节点ouv的集合, O={ouv|u, v∈N}, u表示节点在OBS中的层次, v表示节点在第u层所处的位置;OC为节点的结构关系集合, OC={ocuv (u+1) w= (ouv, o (u+1) w) |u, v, w∈N}, ocuv (u+1) w表示ouv是o (u+1) w的父节点;OR为节点的职能集合;ON为节点名称集合;OCD为节点编码集合, OCD具有唯一性;OCG为节点负责人集合;OCO为节点的外协组织。
定义3复杂产品WBS模型用元组表示为RWBS= (W, WC, WN, WCD, WD, WT) 。其中, W为WBS中任务节点wxy的集合, W={wxy|x, y∈N}, x表示节点在WBS中的层次, y表示节点在第x层所处的位置;WC为节点的结构关系集合, WC={wcxy (x+1) z= (wxy, w (x+1) z) |x, y, z∈N}, wcxy (x+1) z表示wxy是w (x+1) z的父节点;WN为节点名称集合;WCD为节点编码集合, WCD具有唯一性;WD为节点交付物集合;WT为节点工期集合。
定义4复杂产品责任分配矩阵 (PRM) 模型用元组表示为PRM= (PCD, PN, PD, PT, OCD, ON, OCG, OCO) 。元组中, 各列属性含义与上述定义相同。
定义5复杂产品项目工作分解结构 (PWBS) 模型用元组表示为WBS= (PWCD, PWN, PWD, PWT, PWBT, PWFT, OCD, ON, OCG, OCO) 。其中, PWCD表示项目工作编码, PWN为项目工作名称, PWD为项目工作交付物, PWT为项目工作工期, PWBT为项目工作开始日期, PWFT为项目工作结束日期, OCD为承担部门编码, ON为承担部门名称, OCG为承担部门负责人, OCO为外协组织。
复杂产品标准PBS和标准WBS一般由国家标准或行业、企业标准定义并以模板形式固定, 用以指导具体产品PBS和WBS的构建。对于一个确定的研发单位, 组织结构形态和组织职能的设置是相对稳定的, 不因研发产品的不同而不同。PRM描述的是研制项目中某一层次产品分解结构与相应项目组织分解结构之间的对应关系。PWBS描述的是研制项目的产品分解结构与组织分解结构、工作分解结构之间的对应关系, 明确了每一个PBS元素的责任单位及其应完成的WBS元素或WBS元素集。
3 模型的映射原理
复杂产品研制项目的特征决定了项目工作的分解往往需要多个组织或部门、科室, 甚至全体项目组成员共同参与, 分解过程通常是自上而下、分层次分块分阶段进行的。
3.1 分层次、分块、分阶段的映射原则
复杂产品按产品结构层次可逐层分解为分系统、子系统、部组件、零件。承担该产品研制的企业集团按组织结构层级可逐层分解为单位 (部门) 、科室、小组。复杂产品研制工作按研制流程可分解为各工作阶段, 每一工作阶段可分解为粒度恰当的工作包, 即工作包可以有大包、中包和小包。分层次映射是指PBS、OBS与WBS模型之间的映射在各层次横向进行。分块映射是指PBS与OBS模型之间映射在纵向进行匹配。分阶段映射是指PRM与WBS模型之间的映射依据WBS中的工作阶段分段进行。
在进行三维映射分解时, 首先进行分层次映射, 确定各层次产品与各层级组织之间的对应关系, 如图1所示, 分系统对应单位, 子系统对应科室, 部组件对应小组;其次进行分块映射, 将相应层次的不同产品模块与不同组织部门之间进行匹配, 即根据功能要求, 将各分系统与各单位职能进行匹配, 各子系统与各科室职能进行匹配, 各部组件与各小组职能进行匹配;最后进行分阶段映射, 各单位将其负责的分系统与工作阶段进行映射, 各科室将其负责的子系统与某工作阶段下的相应层次所有工作包进行映射, 各小组将其负责的部组件与相应层次的所有工作包进行映射。
一般来说, 集团负责将产品分解为分系统, 并将各分系统映射至各单位;各单位针对其负责的分系统进一步分解至子系统, 并将各子系统映射至各科室;各科室针对其负责的子系统进一步分解至部组件, 并将各部组件映射至各小组。
3.2 PBS-OBS的映射
从PBS和OBS的笛卡儿积中选取RPBS (pij) .PN与ROBS (oij) .OR相匹配的元组, 并从中选择出若干属性列组成产品责任矩阵PRM, 记为, 其中, 符号∞表示两个关系的连接, 符号π表示投影。由承担部门负责人OCG根据承担的任务确定其外协组织OCO。
3.3 PRM-WBS的映射
由PRM中所有PCD对应的节点pij与WBS某一工作单元中相应层次的所有节点wxy的笛卡儿积构成PWBS的定义域, 由研发和管理人员一起对适用于pij的wxy进行判断, 共同确定出PWBS中的项目工作集合。令PWBS中PWCD=PCD_WCD_OCD, PWN=PN+WN, PWD=PD+WD, PWT由PT和WT共同确定, PWBT和PWFT由PWT确定。
4 模型的工作流程
模型的工作流程按分层次、分块、分阶段的映射原则, 先进行PBS-OBS映射生成PRM, 再进行PRM-WBS映射生成PWBS, 具体如下:
(1) 根据研制产品的规模及复杂度等特征, 参照行业标准PBS、WBS及承制单位组织结构, 编制该研制项目的PBS、WBS和OBS。为适应案例需要, 本文假设PBS分为3个层次, 由顶层产品层分解为分系统, 分系统分解为子系统, 子系统分解为部组件。假设WBS分为4个层次, 由顶层工作层分解为工作单元, 工作单元再逐层分解为大工作包、中工作包和小工作包。OBS由顶层总研制集团到各分系统承制单位, 单位到科室, 科室到小组。
(2) 第一层次映射, 由总承制集团计划部在产品项目组的技术支持下, 将产品分解为各分系统, 依据分块原则, 将各分系统匹配至各承制单位, 即进行PBS-OBS映射生成第一层次产品PRM矩阵, 依据分阶段原则, 将PRM与WBS中相应工作阶段进行映射, 生成第一层次项目PWBS。
(3) 第二层次映射, 各承制单位计划科在分系统项目组的技术支持下, 依据分块原则, 将其承制的分系统分解至各子系统, 并将各子系统匹配到各科室, 即进行PBS-OBS映射生成第二层次分系统PRM矩阵, 将分系统PRM与WBS中相应工作阶段下的所有大工作包进行映射, 生成第二层次工作阶段PWBS。
(4) 第三层次映射, 由各科室将其承制的子系统分解成部组件或零件, 依据分块原则, 将各部组件配匹到科室内各小组, 即进行PBS-OBS映射生成第三层次子系统PRM矩阵, 将子系统PRM与相应工作阶段下的所有中工作包和小工作包进行映射, 生成第三层次大工作包PWBS。
依据该研制项目PBS和WBS的结构关系, 将上述各层次PWBS连接在一起, 即形成一个全面、完整的复杂产品研制项目工作分解结构。需注意的是模型层次的设定应依据具体研制项目的规模、复杂度及承制集团的组织结构而定。
5 应用案例
已知某航天运载火箭研制项目, 该航天运载火箭部分PBS如图2所示, 部分WBS如图3所示。该研制项目由某研究院负责, 该研究院为矩阵式组织结构, 设有科研计划部, 并下设研究所, 研究院针对该项目设有临时型号办公室 (项目管理组) , 用于辅助科研计划部制定项目分解结构, 负责该项目研制的计划、组织、协调和管理等工作。研究所为矩阵式组织结构, 设有科研计划科, 并下设科室, 研究所针对其承制的分系统设有分系统项目管理组, 用于专门负责分系统研制的计划、组织、协调和管理等工作。已知该研究院下设一所、二所及三所, 分别负责箭体结构、动力系统和控制系统的研制。
运用上述模型进行项目工作分解, 具体步骤如下:
(1) 院科研计划部在型号办的协助下, 参照标准PBS和WBS, 编制该型号研制项目的第一层次PBS和WBS, 进行PBS-OBS映射, 根据各研究所的职能, 生成第一层次产品PRM, 如表1所示。进行PRM-WBS映射, 生成第一层次项目级PWBS, 如表2所示。
(2) 限于篇幅, 本案例仅对动力系统的初样研制进行分解和映射。根据分层次、分块映射原则, 由承制动力系统的二所科研计划科, 在其分系统项目组的技术支持下, 参照标准PBS和标准WBS, 对动力系统进行第二层次产品分解和工作分解, 生成分系统级PBS和初样研制WBS。进行PBS-OBS映射, 生成分系统级PRM, 如表3所示。进行PRM-WBS映射, 生成工作阶段级PWBS, 如表4所示。
(3) 各科室仅对其负责的子系统进行分解和映射, 本案例仅对增压输送系统的初样设计工作包进行分解和映射。由负责研制增压输送系统的一科室, 参照标准PBS和标准WBS, 对增压输送系统进行第三层次产品分解和工作分解, 生成子系统级PBS和作业级WBS。进行PBS-OBS映射, 生成子系统级PRM, 如表5所示。进行PRM-WBS映射, 生成大工作包级PWBS, 如表6所示。
至此便完成该航天运载火箭项目工作分解。可以看出该项目工作分解结构分三级完成, 分别由总负责研究院 (总体所) 、各承制研究所及其下属科室共同参与完成。
实际上, 表6中第2至第6列是该案例的二维分解结果。相比之下, 二维分解不能明确责任主体, 三维分解由于将产品、工作和组织视作一个整体, 能够给出产品分解结构、工作分解结构与组织分解结构的对应关系, 从而能清晰地分析出项目的层级, 有效地确定项目的产品范围、工作范围、工作和产品的相关组织或人员及其相关责任范围, 为构建有效的项目控制帐户提供了方法支持和工作基础。
6 结束语
本文基于系统观视角, 结合复杂产品研制项目特征, 提出了从PBS、OBS、WBS三个维度构建复杂产品研制项目工作分解结构的模型。模型按分层次、分块、分阶段的映射原则, 通过PBS-OBS的映射, 生成产品责任分配矩阵 (PRM) , 继而通过PRM-WBS的映射, 生成复杂产品研制项目工作分解结构 (PWBS) , 将项目工作分解结构与项目组织结构相整合, 从而使项目组织涉及的所有承制单位、部门及科室, 直至研制项目组所有成员都能明确各自所要做的工作、责任及相关产出物, 为复杂产品研制项目贯彻实施责任指挥线提供了保证, 同时也为这类项目运用挣值管理原理进行成本-进度的集成管理提供了基础。该模型运用系统观思维, 将项目与实现项目的组织看作一个整体, 体现了项目分解的全面性、整体性和系统性, 为复杂性项目管理提供了基础。此外, 该模型给出了形式化的定义, 便于计算机编程实现。
本文重点针对航天工业系统的组织结构和复杂产品提出了三维映射工作分解模型。该模型同样可以应用到其他复杂的组织结构或流程, 只要明确组织结构的层次性及其各节点的职能, 即可根据具体项目的规模、复杂度及项目组织结构来设定模型层次。
南水北调工程分解结构体系研究 篇4
1.1南水北调工程概况
南水北调工程根据长江与北方缺水区之间的地形、地质状况,分别在长江下游、中游和上游确定了3条调水线路,形成了南水北调东线、中线和西线的总体规划布局。工程调水总量448亿m3,静态投资5 000亿元,横穿4个流域带,涉及100多个城市。其中,东线工程从长江下游扬州附近抽引长江水,利用和扩建京杭大运河逐级提水北送,经洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖,在位山附近穿过黄河后可自流,经位临运河、南运河到天津;中线工程从汉江丹江口水库引水,输水总干渠自陶岔渠首闸起,沿伏牛山和太行山山前平原,京广铁路西侧,跨江、淮、黄、海四大流域,自流输水到北京、天津;西线工程从长江上游干支流调水入黄河上游,引水工程拟定在通天河、雅砻江、大渡河上游筑坝建库,采用引水隧洞穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山入黄河。南水北调工程根据实际情况分期实施。
南水北调工程建设涉及政治、经济、社会、文化、环境、生态等多方面的复杂问题,而且工程项目类型繁多,包括水源工程、输水工程、蓄水工程等,因此南水北调工程必须建立一套科学、先进的管理方法和管理机制。
南水北调工程的工程类型复杂、工程数量繁多,既有主体工程,又有配套工程;既有水源工程,又有输水、蓄水工程。此外,根据南水北调工程建设特点及投资计划管理工作的需要,南水北调工程划分为单项工程、设计单元工程和单位工程3个层次。南水北调东线一期、中线一期工程共划分为34个单项工程、173个设计单元工程,其中东线一期工程17个单项工程,88个设计单元,中线一期工程17个单项工程,85个设计单元。南水北调工程是一个如此庞大的工程,为实现南水北调工程建设期不同层次的战略目标,需要对其进行集成与协调管理,而项目分解结构则是实现项目管理的基础。
1.2南水北调工程分解结构体系
传统的工程项目分解结构有工作分解结构WBS(work breakdown structure)与项目分解结构PBS(project breakdown structure)。其中,WBS是以工程项目的生产工艺或工种为依据对工程项目进行分解和编码;PBS是以工程项目的元素或构成部位为依据对工程项目进行分解和编码[1]。这两种分解结构都只是反映了工程项目建设的过程或其构成部位,而难以反映南水北调工程复杂的多重属性。若采用项目群管理的理论与方法对南水北调工程进行集成管理,就需要构建能反映南水北调工程多重属性的工程结构分解体系[2]。
2南水北调工程分解结构体系的构建
南水北调工程具有建设规模大、管理主体多的特点,笔者仅从工程建设的决策层面(国务院南水北调工程建设委员会及办公室)与管理层面(各项目法人)进行研究。南水北调工程的决策层与管理层分别面对不同的管理对象与管理内容,因此,南水北调工程为不同层级的管理体系,即南水北调工程为分层分级的管理体系,其示意图如图1所示。
南水北调工程建设期的工程管理属性极其复杂,包括地区属性、经济属性、管理属性等方面。在构建南水北调工程结构分解体系时,首先按照某一属性对项目进行结构分解,并设置特定的编码,得到具有某一属性的分解结构;然后在此基础上,根据不同的管理需求,按照所需要的项目属性,对分解结构进行组合,得到不同层面、不同管理需求的分解结构体系。
2.1按地区属性分解的结构体系
南水北调工程的地区属性包括项目所在的工程线、投资建设周期、所属的项目法人及其所在的标段,其中,南水北调工程的标段划分需要考虑合理标段的地域特征、工程特征(土方调配与施工场地优化)与投资额度。南水北调的地区属性按投资额度标段划分具体标准如下:枢纽建筑物单个施工标段招标概算一般控制在3亿元以上,招标概算3亿元以下的建筑物与渠道(河道、箱涵)组合分标;单个设计单元工程划分为1个施工标段,招标概算规模仍不能达到要求的,划分为1个施工标段[3]。可见,某施工标段既可能为一个单项工程的一部分,也可能为一个设计单元,还可能为一个设计单元下属的一个单位工程。
以南水北调东线工程为例,其结构分解及其编码示意如图2所示。
2.2按工程属性分解的结构体系
南水北调工程的工程属性包括工程项目的类型与工程项目的单位分解两大方面。其中,工程项目的类型主要按照其功能划分,分为水源工程、输水工程与蓄水工程;工程项目的单位分解根据南水北调工程建设特点及投资计划管理工作的需要,南水北调工程划分为单项工程、设计单元工程和单位工程3个层次。单项工程是南水北调主体工程的组成部分,是指可行性研究报告单独编制、单独批复的工程。设计单元工程是单项工程的组成部分,是指初步设计报告单独编制、单独批复的工程。单位工程是设计单元工程的组成部分,是指具有单独概算、可独立组织施工的工程。单位工程是管理层在工程建设管理阶段的基本核算单位。根据工程类型的相似性,对同类工程可以采用相近的管理方式,这也是南水北调工程项目群管理的一个重要特征[4]。南水北调东线工程按照工程属性进行结构分解及编码示意如图3所示。
2.3按管理属性分解的结构体系
南水北调工程的管理属性指项目建设管理所采取的方式,包括自主管理、委托管理与代建。同样,对于同一种管理方式的工程可以采用相近的管理方法。南水北调工程管理按管理属性分解的结构体系及其编码示意如图4所示。
在上述项目群分解的基础上,将按各属性分解的结果进行组合,得到南水北调工程项目群分解的结构体系,并得到其相应编码体系。如东线某一工程对应的编码体系如下:D01S001 DXH3 DYDHDWJZ Z。其中,前7位编码表示项目的地区属性,该工程为东线一期江苏水源公司第一标段中的工程;第8至第19位表示项目的工程属性,该工程为第三段河道工程中的倒虹吸工程的建筑工程;第20位表示项目的管理属性,该项目为自主管理项目。
在上述项目结构体系分解的基础上,再赋予工程建设参与方的信息(包括工程的设计单位、施工单位、材料供应单位与项目管理单位)、项目进展状况与项目管理的内容,最终得到南水北调工程项目管理的总体结构体系。
3结 语
传统工程项目的工作分解结构WBS与项目分解结构PBS是以工程项目的生产工艺、工种或工程项目的元素、构成部位为依据对工程项目进行分解和编码的一维体系,难以反映南水北调工程复杂的多重属性。本文根据南水北调工程的复杂属性构建的项目分解结构体系及其编码系反映南水北调工程多重属性的多维体系,可为南水北调工程的项目群管理提供借鉴和参考。
摘要：南水北调工程的投资建设规模大、工程类型复杂、管理主体与管理模式众多,为适应南水北调工程项目管理的需要,在分析南水北调工程各种属性的基础上,构建了南水北调分解结构体系,该结构体系可为南水北调工程的项目管理提供科学的方法和理论依据。
关键词：南水北调工程,分解结构,WBS,PBS
参考文献
[1]金维兴,丁大勇,李培.建设项目分解结构与编码体系的研究[J].土木工程学报,2003,36(9):8-11.
[2]江萍,成虎.施工项目结构分解(WBS)方法及准则研究[J].东南大学学报:自然科学版,2000,30(4):105-108.
[3]边立明,孙涛,杨建基.关于南水北调工程投资分摊问题的研究[J].河海大学学报:自然科学版,2003,31(6):710-714.
产品分解结构论文 篇5
软件产品线是共享一组受控的公共特征,满足特定市场需求,并且在一组预定义的公共核心资产基础上开发而成的一系列软件系统[1]。
自从特征的概念被引入到产品线开发过程之后,基于特征的领域分析技术就成为主流并且得到了广泛应用。特征模型[2]是基于特征的领域模型的一种表现形式,它采用图形化的方式表达领域的需求,定义特征及其关系。
然而,在现有特征模型基础上,如何指导系统开发人员进行软件系统的详细设计是亟待解决的问题。该问题体现在如下方面:
首先,特征之间的层次或依赖关系如何映射为设计模型中元素之间的交互及关联。由于特征模型一般体现为具有层次关系的树状结构,同一层次的结点之间可能具有执行顺序或互斥等语义描述,因此特征模型所对应的系统设计模型中应当保留这些结构与语义信息。
其次,特征的可变性如何映射为设计模型中的可变性实现方案。由于特征模型是应用系统开发定制的基础,特征可变性的绑定需要同步地修改设计模型所体现的系统行为与功能,因此与特征模型相对应的系统设计模型需要显式地体现可变性特征,并且提供便捷的可变性定制方式。
针对以上问题,本文提出一种基于特征分解模式的软件产品线参考设计方法。该方法为特征模型中具有不同结构、不同语义的特征分解模式提供参考的详细设计方案。本方法采用面向对象以及面向方面的设计技术支持特征关系语义的保存以及特征可变性的绑定。本文还提出了相关的聚类准则以支持应对全局特征模型的类层次详细设计模型的优化。
1 基本概念
1.1 特征分解模式
在面向特征的领域分析(FODA)方法中,特征是指软件系统中用户可见的,显著的或具有特色的方面,品质或特性[2]。特征模型是领域工程中描述产品线共性和可变性特征,特征与特征之间关系的需求模型。特征模型一般由树形结构图表示,图中有且仅有一个根节点,根节点通常表示一个系统。特征则由树形结构中的一般节点表示,通过特征名称来识别。
特征分解模式是指一个特征能够可以分解成多个子特征或多层次特征的组合。本文的特征分解模式主要依据传统特征模型的可变性类型来划分的,特征模型可变性类型有四种:必选(mandatory)、可选(optional)、多选一(alternative)和多选多(or)四种。特征分解模式可分为五种原子分解模式和一些复合的分解模式。下文将详细介绍这五种原子分解模式和复合的分解模式。
1.2 特征实现技术
目前主流的特征实现技术是面向对象技术(OOP),其中包括继承、重载、参数化、反射、设计模式等实现技术。对父类的抽象封装,衍生出不同的子类实现可变性,继承可以将主程序中可变性部分抽取出来;对同一方法,重载则可以随参数类型的变化而变化操作;参数化则可以实现大部分可变性类型,但参数化容易使程序中参数的数量过多导致程序可读性和可维护性差;反射的作用是将可变点的绑定改为运行时动态绑定;设计模式则可以在类似情况下重用程序中的设计[3]。这些OOP技术作为产品线实现技术有着各自的优点,但特征实现中可变性部分要求可变点中变体的实现对基础程序的修改尽量少,OOP很难实现这个要求,面向方面编程(AOP)正好弥补了这方面的缺陷,因此我们将使用OOP结合AOP技术作为本文的特征实现技术。
2 特征分解模式及参考设计和实现
2.1 原子特征分解模式
本节详细描述上文中提出的特征分解模式,并对这些特征分解模式提出一些参考的设计和实现。为了使得映射方案简单且易于理解,我们首先基于以下假设:特征与类中的方法一一对应。
2.1.1 普通的必选特征分解
普通的必选特征分解是必选特征的一种,指父特征分解为若干个子特征,子特征之间是独立并列的关系,没有顺序先后和流程控制关系。如图1所示,特征B和特征C是父特征A的必选子特征。从该分解模式的语义定义中可知,父特征的实现是由子特征的方法来实现,所以其实现可以采用普通的方法调用完成,父特征A对应类ClaasA的a()方法,子特征B和C分别对应ClassB和ClassC的b()和c()方法。
2.1.2 带有流程控制的必选特征分解
带有流程控制的必选特征分解是指父特征分解为若干个子特征,子特征之间有顺序先后关系或流程控制关系。该分解模式语义与普通必选特征分解类似,可以采用按流程顺序调用方法或者嵌套方法调用等方式实现。如图2所示,特征B和特征C是特征A的必选子特征,子特征B和C之间的流程顺序是先B后C。父特征A对应类ClassA中的a()方法,必选特征B对应类ClassB中的b()方法,必选特征C对应类ClassC中的c()方法,若b()方法和c()方法之间没有交互,a()方法可以按照流程顺序调用b(),c()方法;若b()方法需要c()方法的运行结果或其他交互时,可在调用b()时嵌套调用c()。
2.1.3 可选特征分解
可选特征分解是指父特征分解一个可选子特征,在应用产品定制时可以选择绑定或者不绑定这个子特征。由于AOP可以在不修改产品线公共资产的前提下实现可变点,使得可选特征具有良好的可移植性,因此可选特征分解的参考实现可以通过AOP技术来完成。如图3所示,Aspect包括切点Pointcut和通知Advice,Pointcut就是基础程序中特定一条语句处设置的一个断点,Advice是指在这个断点前后想要加入的程序代码。特征A对应ClassA的a()方法,特征D对应ClassD的d()方法。当D被绑定时,将可选特征D所对应的方法的d()通过Advice编织到父特征对应的已有方法a()之前或之后即切点的位置,一旦可选特征被选定,则实现编织操作,否则不进行该编织操作。
2.1.4 多选一特征分解
多选一是指父特征分解为多个子特征,在应用产品定制时必须要在这些子特征中选择一个进行绑定。由于多选一特征中的子特征往往具有与父特征相关的共性,多选一特征分解可以使用面向对象中的类继承和反射机制来实现,并利用配置文件来记录产品线定制阶段子特征的选择结果。如图4所示,父特征D映射为基类D中的方法d(),子特征所对应的方法则分别为子类中的(D1.d(),D2.d()),程序通过工厂类获得实际的类对象,利用Java反射机制判断输入类型并返回对应的子类对象,调用相应子类中的方法。
2.1.5 多选多特征分解
多选多特征分解是指父特征分解为多个子特征,在应用产品定制时可以在一组特征中绑定零个或者多个特征。多选多特征分解中,子特征的特性与多选一特征分解类似,应用产品定制阶段决定哪些子特征被包含在系统中,具体哪一个变体被选中则在运行时决定,所以在用类继承机制的同时,还需要添加一段用来支持用户选择的代码或UI (User Interface),具体的子特征选中则由用户选择或其他程序完成。如图5所示,父特征E映射为基类E中的方法e(),子特征所对应的方法则分别为继承该基类的子类中的(E1.e(),E2.e()),不同的是多选多实例化的子类可以为多个,具体的变体则在获取用户决策之后决定。
2.2 复合特征分解模式
复合分解模式由多种原子特征分解组成。必选特征分解、多选一以及多选多特征分解之间的两两组合,过于简单,不需要详细讨论。但是,与原子分解模式相比,可选特征分解和其他几种分解组合具有一定的特殊性。可选特征分解和其他几种分解组合模式包括可选加普通必选特征分解,可选加带有流程控制的特征分解,可选加多选一特征分解,可选加多选多特征分解。这四种复合模式的特征分解其实现并不能由两种原子分解模式简单的组合从而得以实现,因为在某些实现中中间层的可选子特征有时仅仅用于过渡,在实现中没有与之对应的具体类方法。因此,当使用aspect时切入点就有可能有多个,advice编织的方法也各不相同,这就需要使用多次aspect。而可变性的绑定方式也可能是不同的,例如可选加多选多的特征分解模式,可选特征分解是定制时绑定的,而多选多特征分解则是运行时绑定的。
2.3 全局类设计
本文研究是基于一个特征追踪到一个类方法的假设下进行的。通过本文特征分解模式得到的类层次设计中一个类只有方法,显然是不合适的,因此为了使通过特征模式得到的类图更加合理,我们采用聚类方法,将一些具有特定关联的类以及其的方法合并成一个类。本文使用的一些聚类准则:
(1) 对同一业务对象进行操作且在同一父特征分解下的子特征所对应的类方法放入一个聚集。
(2) 在同一父特征分解下的子特征所对应的类方法且方法与方法之间存在直接调用关系的类放入一个聚集。
(3) 如果父特征只是一个过渡特征即没有实际具体功能时,该父特征与子特征所对应的类方法放入一个聚集。
3 案例研究与讨论
3.1 动机案例
成绩录入产品线是教育类单位将各种类型的考试成绩录入到数据库中的软件产品线,该产品线的基本功能包括用户管理、考试信息管理、成绩管理和信息统计等功能。图6所示的特征模型是对成绩录入系统共性和可变性需求的模型图。由于考试类型的重要程度不同以及录入员的计费方式不同,不同单位在成绩录入方式和设置验证码方式,录入员统计方式等方面存在差异。该系统产品线的特征模型如图6所示,包含四个公共大特征“用户管理”、“考试信息管理”、“成绩管理”和“信息统计”等特征。而“用户管理”特征中的“添加监管员”,“考试信息管理”特征中的“设置验证码”,“成绩管理”特征中的“成绩录入”和“信息统计”特征中的“录入员统计”是系统的可变特征。该产品线的开发语言是Java和AOP语言AspectJ。
3.2 成绩录入系统特征分解及参考设计和实现
3.2.1 全局类设计
对成绩录入系统产品线使用2节中特征分解模式的参考设计与实现方法进行类设计,并用2.3节中的聚类准则,得到一个整体的类图,如图7所示。
3.2.2 添加监管员
由于不同考试类型的重要程度不同,对于重要性不高的一般性考试的成绩录入,不需要监管员,“添加监管员”是属于可选特征分解。如图8所示,系统默认情况下不绑定“添加监管员”特征。如果要绑定该特征,需要根据2节中可选特征分解的参考设计给出的方法用Aspect来实现。当可选子特征“添加监管员”被绑定时,将类Supervisor的addUser方法编织到类UserMangement的addUser方法前,其pointcut和advice如图9所示。图9第三行代码表示仅仅把这个Aspect横切到addUser()的调用上,第四行代码表示其横切方式为before,因此在执行addUser()方法之前先执行这个aspect,先用反射验证该方法的参数是否为监管员类型,如果是则执行图8所示的编织过程,如果不是则跳过。
3.2.3 考试信息管理
“考试信息管理”特征与其三个子特征“添加考试种类”,“添加考试科目”,“导入考号信息”的特征分解模式是带有流程控制的必选特征分解。“考试信息管理”的流程是:首先“添加考试种类”;其次,在某一考试类型中“添加考试科目”;最后,对考试科目“导入考号信息”。根据2节中带有流程控制的必选特征分解的参考设计给出的方法,采用嵌套调用来实现。如图10所示,考试信息管理类ExamInfoManage初始化函数infoInit()调用了添加考试种类函数ExamFactory.addExam(),添加考试科目SubjectFactory.addSubject(),而添加考试科目嵌套调用导入考号信息Subject.ImportStuInfo()。
3.2.4 设置验证码
“考试信息管理”特征下的“设置验证码”特征及其子特征“手动设置”“批量设置”隶属于可选加多选一的复合分解模式,“手动设置”和“批量设置”是两个多选一变体特征,实现“手动设置”和“批量设置”的类分别是DigitalCode和FileCode类,它们都被定义为Input类的子类。如图11所示,通过验证码工厂类VerifyCodeFactory的getVrifyCode()方法获得实际的验证码类对象,该方法再利用Java反射机制判断参数类型并返回相应的验证码类对象。当可选特征“添加验证码”被绑定时,编织如图12所示的Aspect,该Aspect的pointcut和advice的实现方式与图9“添加监管员”的Aspect类似,这里就不赘述。
3.2.5 录入员统计
“信息统计”特征下的“录入员统计”特征与其两个子特征“录入量统计”“错误率统计”是可选加多选多的复合特征分解。该分解模式与3.2.4中“设置验证码”的分解模式的实现相似,只是多选多变体特征的绑定是运行时由用户选择的,这里就不赘述。
3.3 讨 论
在方法验证上,本文首先建立了成绩录入软件产品线创建特征模型,并根据3.1节中提出的特征分解模式,分析了该案例中所包含的特征分解模式。为了实现特征分解模式到产品线设计实现的映射,案例中的实现以第2节中提出的特征分解模式参考实现方法为依据,综合使用很多传统面向对象编程中的继承、重载、参数化、反射以及设计模式等实现技术。本文还使用AOP技术的特殊机制,在不修改产品线公共部分程序的基础上实现可变点,使得产品线可变部分具有良好的可移植性。综上可以看出,本文方法对处理特征分解模式到软件产品线设计实现的映射是非常有效的。
4 相关工作
产品线特征模型及基于特征模型的设计和实现技术是软件产品线领域的研究热点。文献[3]提出结合OOP和AOP两种实现技术实现产品线系统。文献[4]对 AOP作为产品线实现技术的可行性进行评估,并通过案例进行分析与论证。文献[5]提出将特征分析和AOP结合可提高产品线的复用性,可移植性和可配置性。文献[6]引入本体作为特征模型的描述基础,提出了一种基于特征模型和构件语义的概念体系结构设计方法。文献[7]基于特征模型上研究了产品线的增量泛化,并用JBoss-AOP作为可变性实现技术。这些研究成果为基于特征模型的软件设计方法给了很好的指导,但还不够成熟:它们都没有结合产品线特征模型,没有涵盖本文所列出的特征分解模式,没有针对特征分解模式提出专用的设计方案。
5 结 语
软件产品线中,系统的详细设计模型应当与特征模型对应,要求保留特征模型中特征之间的依赖与结构关系,同时显式化支持可变性的绑定。本文针对以上思考,提出基于特征分解模式的软件产品线参考设计方法。该方法从简单追踪假设出发,为不同的特征分解模式提供参考的设计方案。同时,以聚类准则为指导,优化全局的系统设计模型。
还应指出,本文的研究基于简化的传统特征模型,并未考虑特征与特征实现之间的多对多映射关系以及特征之间存在依赖、排斥等复杂的交互情况,因此我们下一步的工作将着重考虑对这些问题的解决方法。
摘要：基于特征的领域分析与建模技术是软件产品线开发中较为主流的需求建模方法,为描述产品线共性和可变性及其之间的关系提供了良好的支持。然而在现有特征模型基础上,如何指导系统开发人员进行软件系统的详细设计是亟待解决的问题。该问题主要体现在特征之间的结构与语义关系,以及特征的可变性如何映射为合理的系统设计模型这两个方面。针对上述问题,提出一种基于特征分解模式的软件产品线参考设计方法。该方法为特征模型中具有不同结构、不同语义的特征分解模式提供参考的详细设计方案,并提出相关聚类准则以支持对应全局特征模型的设计模型优化。最后,通过成绩录入软件产品线对该方法的有效性进行验证。
关键词：软件产品线,特征模型,特征分解模式,可变性,共性,实现
参考文献
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[3]祝家意,彭鑫,赵文耘.基于OOP和AOP的软件产品线实现技术研究[J].计算机科学,2009,34(7):120-123.
[4]Anastasopoulos M,Muthig D.An Evaluation of Aspect-Oriented Pro-gramming as a Product Line Implementation Technology[C]//ICSR,Spain,2004.
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[6]彭鑫,赵文耘,刘奕明.基于特征模型和构件语义的概念体系结构设计[J].软件学报,2006,17(6):1307-1317.
产品分解结构论文 篇6
对于复杂结构在进行有限元分析时常常因为单元过多造成计算时间过长,尤其进行优化计算时这种现象更为突出,本文针对对称结构给出了一种利用对称和反对称原理的载荷分解方法,即将一般性载荷分解为对称载荷和反对称载荷两部分,然后利用结构对称性取一半模型进行对称和反对称计算,最后将两部分结果进行叠加,得到全模型的计算结果。该方法大大缩减了计算规模,节省了计算时间。
2 结构对称性的利用
设待分析的某空间结构具有面对称性。不失一般性,可以假定它是具有XOY为对称面的左右对称结构。显然,对于其它对称面,可以类推。
2.1 对称载荷情况
当载荷相对于对称面是对称的,如图1,则在结构的对应节点上,对称载荷大小相等,方向相同(XR=XL、YR=YL、MZR=MZL,见图1中A和A′点);反对称载荷则大小相等,方向相反(ZR=-ZL、MXR=-MXL、MYR=-MYL,见图1中B和B′点)。根据对称性原理,受载后结构的变形必然也是对称的,即对称位移大小相等,方向相同(uR=uL、vR=vL、θZR=θZL);反对称位移则大小相等,方向相反(wR=-wL,θYR=-θYL、θXR=-θXL)。基于变形协调,在对称面上,必然有反对称位移为0(w=θY=θZ=0),这就是对称载荷作用下,在对称面上应施加的对称位移边界条件。据此,在有限元计算中,可取半模进行计算,在对称面上的各节点,取上述对称位移边界条件,即可得到全部计算结果。
注意,当对称载荷作用点正好处于对称面上,则应将该载荷分作左右各半(如图2),仍然构成对称载荷。
2.2 反对称载荷情况
当载荷相对于对称面是反对称的(以上标′表示),如图3,则在结构的对应节点上,对称载荷大小相等,方向相反(XR′=-XL′、YR′=-YL′、MZR′=MZL′,见图3中A和A′点);反对称载荷则大小相等,方向相同(ZR′=ZL′、MXR′=MXL′、MYR′=MYL′,见图3中B和B′点)。显然,受载后结构的变形必然也是反对称的,即对称位移大小相等,方向相反(uR′=-uL′、vR′=-vL′、θZR′=-θZL′);反对称位移则大小相等,方向相同(wR′=wL′,θYR′=θYL′、θXR′=θXL′)。因此,在这种情况下,对称面上的对称位移必然为0(u′=v′=θx′=0),这就是反对称载荷作用下,在对称面上应施加的反对称位移边界条件。据此,在有限元计算中,也可取半模进行计算,在对称面上的各节点取上述反对称载荷的位移边界条件,即可得到全部计算结果。
当反对称载荷作用点正好处于对称面上,则应将该反对称载荷分作左右各半(如图4),仍然构成反对称载荷。
3 一般性载荷的对称分解方法
在一般情况下,外载荷是不具备上述的对称性或反对称性的非对称载荷。可以利用线弹性范围内力的可叠加性原理,将一般性载荷化作对称载荷和反对称载荷,然后分别按对称性进行计算,再进行叠加,即可求得全结构在一般性载荷作用下的位移及应力分布。
设上述对称结构在对应点作用有一般性载荷PXR、PXL、PYR、PYL、PZR、PZL(3个力矩分量原理相同,为简明一些,这里暂时略去,见图5)。
可以将一般性载荷按以下方式分解为对称和反对称载荷两个部分。
其中,对称载荷左、右两侧的各分量见图6(a):
反对称载荷左、右两侧的各分量见图6(b):
显然,上述对称载荷与反对称载荷相叠加,即是原来的一般性载荷。即:
总和则有:
4 载荷对称分解后计算结果的叠加方法
按力的可叠加原理,将图6所示分解后的两组载荷分别进行有限元计算,然后将计算结果(位移及应力)进行叠加,即可得到原结构在一般性载荷作用下的最终结果。
由于分解后的载荷分别具有对称性和反对称性,因此可按对称结构取半模进行计算(注意,应在半模的对称边界上分别施加对称和非对称位移边界条件)。
按通常的惯例,半模的计算模型选在右侧,则将分别按对称及非对称载荷的两次计算结果进行叠加,即可直接求得原结构右侧半边的位移和应力计算结果。
左侧半边的位移和应力值计算方法如下:
由于按对称性,只取了右侧半边进行计算,另一半的位移和应力,按对称性原理,已知为:
对于对称载荷uR=uL、vR=vL、wR=-wL、θXR=-θXL、θYR=-θYL、θZR=θZL;
对于反对称载荷uR=-uL、vR=-vL、wR=wL、θXR=θXL、θYR=θYL、θZR=-θZL。
于是,当上述对称结果加上反对称结果,即可得到右侧的位移结果,对称结果减去反对称结果便可得到左侧半模的位移结果。但是,应注意,这里给出的左侧结果是按对称性原理给出的,即其对称性位移u、v、θZ则与其真实方向相差一个负号。
由于对称及反对称位移具有上述性质,从而使左侧半边的内力也具有上述性质,即对称内力Nx、Ny、Mz是真实的,反对称内力Nz、Mx、My均相差一个负号。
由于应变是由位移对坐标的导数求得,所以,左侧半边的应变和应力中,3个正应变εx、εy、εz,正应力σx、σy、σz均为其真实结果,3个剪应变和γxy、γyz、γzx和3个剪应力τxy、τyz、τzx中,只有γxy、τxy是真实结果,其余均相差一个负号。
5 结语
机载导弹发射装置的大梁是一种左右对称的零件,具有特征多、传力复杂、截面形状复杂且变化多的特点,为了计算准确,在强度计算时运用多种形式的单元,如八节点任意六面体等参元、六节点任意三棱柱单元、平面应力元、薄壳类单元、虚杆元、钉元以及螺栓杆元等,因此单元数目巨大且计算复杂。为了提高计算效率,我们运用了以上的载荷分解方法在半模上施加载荷进行计算,然后用程序将有限元计算后的结果进行叠加处理,得到了比较理想的计算结果,节省了时间,保证了计算任务的按时完成。
摘要：介绍了一种对称结构中载荷的对称分解方法。即将一般性载荷分解为对称载荷和反对称载荷两部分,施加于对称结构的一半模型上进行有限元计算,得出对称载荷和反对称载荷的计算结果,然后用程序将计算结果按一定的方法进行叠加,得出真实载荷的计算结果。该载荷处理方法对于结构复杂、传力复杂、单元类型多和数目多的对称结构的有限元计算可以缩短其计算时间,提高计算效率。
关键词：有限元,对称,载荷
参考文献
[1]姜晋庆,张铎.结构弹塑性有限元分析法[M].北京:宇航出版社出版,1990.
[2]陆明万,张雄,葛东云.工程弹性力学与有限元法[M].北京:清华大学出版社,2005.