基于Petri网的工业设计过程管理工作流建模研究

熊志勇，刘梦玉，庞婉婷



基于Petri网的工业设计过程管理工作流建模研究

熊志勇，刘梦玉，庞婉婷

(华南理工大学设计学院，广东 广州 510006)

工业设计过程建模是产品设计过程管理研究的关键环节，直接影响着项目开发周期和整体效益，但目前工业设计行业没有针对设计过程管理有效的建模技术及其系统。为实现对工业设计企业设计过程动态性、结构性和有序性管理，在产品设计过程管理中引入面向过程的组织管理与流程优化的工作流技术及Petri网建模方法；然后根据对设计过程管理流程的研究，构建了设计过程管理工作流程图；进而结合工作流技术、Petri网过程建模方法和工业设计过程管理流程提出工业设计过程管理的4个阶段工作流建模方法：本体分析、元素提取、元素概括、元素带入；最后，以工业设计过程管理建模领域为例构建了基于Petri网的工业设计过程管理工作流模型，在此基础上实现了工业设计过程管理原型系统。

工业设计过程管理；Petri网；工作流

工业设计企业的设计过程管理[1]融合了跨学科的设计管理知识和新理念，对保障新产品设计开发的成功尤为重要。

为实现对工业设计企业设计过程的动态性、结构性和有序性管理，很多学者从不同视角对设计过程管理建模进行了大量研究。例如，NOMAGUCHI等[2]研究发现领域模型构建对过程管理具有有效性，为协调设计过程管理多领域之间的理解差异，提出了多域设计结构矩阵(multi domain design structure matrix，MDDSM)建模方法。文献[3]研究了船舶设计中业务过程管理建模；文献[4]将Petri网引入工作流建模中；Petri网[4-8]已成为近年过程建模研究热点。因目前工业设计行业未见针对设计过程管理建模及其系统研究，迫切需要构建有效的建模技术及其系统，以便指导新产品开发项目从概念到发布的整个开发过程。

本文在研究产品设计过程工作流建模技术基础上，结合工业设计企业特点构建设计过程管理工作流程图，提出基于Petri网的工业设计过程管理工作流过程模型建模方法，并建立了模型，为进一步的系统开发提供理论基础。

1 产品设计过程工作流建模技术

产品设计过程是一种有序企业活动流程，产品设计过程工作流建模研究是展开产品设计过程相关问题研究的关键环节。

1.1 工作流技术

工作流技术是一种面向过程的组织管理与流程优化的系统集成技术，是将其所有涉及的工作进行有序组织在一起的逻辑和规则，并在计算机中以恰当的模型进行表示和实施计算的过程。

工作流过程建模就是将一个任务分解成多个子任务，然后在对应的任务中加入人员分配、资源整合的过程。在产品设计工作流过程模型中，各项任务执行者的角色和权限，以及其对应的任务和任务与任务之间的联系是关键，各自的任务具有独立性；每个大任务涉及到人员信息、设备、财务、时间等因素，决定其先决条件和输出结果，因此设计任务又是集成的。通过分解工作流程为若干个定义好的任务，按照一定的规则和顺序执行这些任务并对其把控，从而提高设计过程工作效率，控制好设计过程中的信息内容，管理好设计业务流程的目的。

1.2 Petri网技术

当前，工作流过程模型建模主要是基于有向图模型和基于Petri网模型两种。Petri网建模方法是目前工作流过程模型最常用的方法，具备精确的语义和严格的数学基础[9]，能够为过程模型提供灵活和可靠的理论基础。

Petri网可用三元组，即=(,,)。

构成Petri网的充要条件为：

(1)∩＝；

(2)∪≠；

(3)⊆(×)∪(×)表示弧的集合；

(4) dom()∪cod()=∪。

其中，={1,2,3,···,}表示库所的有限集合，1,2,···,称为元素；{1,2,3,···,}表示变迁的有限集合，1,2,3,···,称为元素；表示一个元素与一个元素所组成的二元组集合，称为流关系，即

dom ()={|∃:(,)∈}

cod () ={|∃:(,)∈} (1)

Petri网工业设计过程管理建模的表达，库所为项目的各种状态；变迁是使状态有所改变的事件、条件或人员操作；库所经过变迁，进入到下一个库所，即项目从一个状态经过某条件或操作进入到下一个状态。这样依靠简单的图形代入来概括工业设计过程中的项目状态和执行的内容，使整个工业设计过程清晰、规范、简明易懂。

Petri网模型用圆圈代表库所，用细长方框代表变迁，用黑点表示标记，也叫托肯，用有向弧表示从库所到变迁的输入和从变迁到库所的输出。图1为Petri网模型示意图。

图1 Petri网模型

2 设计过程管理工作流程

企业在工业设计过程的管理中，市场部或总经理首先需进行产品设计项目的创建,根据市场及客户的需求详细地设置项目要求，并进行项目及人员分配。然后，设计师根据收到的项目要求进行设计，并进入具体的产品设计流程。

设计师完成草图、建模、效果图、外观手板后需通过系统提交方案。项目负责人通过管理系统查看设计方案并进行评审及反馈审查意见。设计师接受审查意见后，需进行设计修改。多次修改后，直到设计方案通过审核，若需要结构设计的，方可进入结构过程。设计结构和以上流程类似，结构方案只有审核通过，方可进入下一步。

根据对设计过程管理流程的研究，构建设计过程管理工作流程图(图2)。

图2 设计过程管理工作流程图

3 设计过程管理工作流建模方法

工业设计企业新产品开发的设计过程管理就是在一定条件下，对各个项目的各过程进行有组织、有计划地控制，调动人员、信息资源的参与，按照一定的规则、逻辑顺序有效地管理。产品开发设计过程管理具有显著的工作流特征，一般可划分3个过程：产品前期策划过程、产品设计执行过程、产品实现过程。

如果将某产品的工业设计过程看做是一个设计任务，可将其分为多个子任务过程，那么工业设计过程管理就是对任务或子任务的管理。将每个产品的设计过程分为前期策划、产品设计执行、产品实现3个设计子任务，其过程构成一个产品的设计任务，而每个子任务中均有多个待执行的内容。

根据对工作流技术理论和Petri网过程建模方法的理解，结合工业设计过程工作流管理原理，提出工业设计过程管理的工作流过程模型的建模方法，如图3所示。

图3 设计过程管理工作流过程模型建模方法

工业设计过程管理工作流过程模型建模方法如下：

(1) 本体分析。对构建工作流模型的主体工业设计过程管理流程进行研究，主要研究新产品开发的内容，提出的集成化新产品开发的设计过程管理流程中整理出工作流的各个任务及子任务、发生这些任务的条件和人员操作、任务与任务之间的顺序关系。

(2) 元素提取。对研究进行工作流模型的元素提取，整理提取出任务及子任务。整理任务与任务之间、子任务与任务之间的顺序和执行条件。

(3) 元素概括。概括精简所提取出来的流程元素，确定工作流启动和终止的状态、任务的各个状态节点、状态与状态的有向弧关系以及令这个状态可以进入下一个状态的变迁条件。

(4) 元素带入。充分理解Petri网的图形表达和建模方法，将已提取的工作流过程元素代入对应的图形中。

4 应用实例

4.1 基于Petri网的工业设计过程管理工作流模型

工业设计过程管理工作流模型是先将整个设计流程分解成小的任务，然后定义活动的执行者，再将相关执行者关联起来，分配权限，并定义执行者与任务之间联系。

通过对工业设计企业新产品开发设计流程进行分析，根据Petri网理论对新产品开发的工业设计管理过程进行建模，如图4所示。

图4 基于Petri网的工业设计过程管理工作流模型

从以上模型可以看出新产品开发的设计管理过程主要有以下变迁和库所：

1：完善产品前期策划过程，创建设计项目；

2：根据创立项目，进行市场调研；

3：执行产品设计，包括草图、建模、效果图、外观手板等；

4：上级审核设计项目方案，包括草图、建模、效果图、外观手板等；

5：提交设计方案到结构部；

6：根据设计方案的图纸资料进行产品结构设计；

7：制造模具组；

8：批量生产产品；

9：依据市场调研结果修改设计项目；

10：设计方案未通过审核，返回修改产品设计；

11：结构设计不符合要求，重新设计产品结构；

12：产品的结构设计和模具组的制造存在冲突，返回修改产品设计。

1：准备策划的设计项目；

2：创建的设计项目；

3：待执行的设计项目；

4：待审核的设计项目；

5：审核通过、定案的设计项目；

6：提交到结构部的设计项目；

7：制作好结构手板的设计项目；

8：待批量生产的设计项目；

9：完成的设计项目。

从图4可知，根据产品设计的具体流程管理情况，“2-2-3-9-2”表示已创建的设计项目经过市场部门的市场调研信息输入，进入项目待执行的状态，若市场调研提出的产品设计概念需要修改，需回到已创建的设计项目状态重新进行市场调研及概念的提出，形成循环路径。“3-3-4-4-5-10-3”表示开始执行待执行的设计项目，包括产品的草图、建模、效果图、外观手板，每个任务完成后需经过主管审核，审核通过的项目任务可直接进入下一状态，若审核不通过则返回修改，这里也形成循环路径。该过程模型还表示了若设计项目的结构手板完成，但结构手板不符合要求，也需重新返回产品结构设计的状态。

4.2 工业设计过程管理系统开发

基于已构建的Petri网工业设计过程管理工作流模型和总体功能模块(主要有项目提醒、项目列表、项目状态、企业人员列表、设计分享、历史项目总览等)，开发出工业设计过程管理系统原型，系统原型部分界面如图5所示。

图5 系统原型部分界面

5 结束语

为满足中小工业设计企业的设计过程管理需求，实现对工业设计企业设计过程动态性、结构性和有序性管理，根据对设计过程管理流程的研究，构建了设计过程管理工作流程图，进而结合工作流技术、Petri网过程建模方法和工业设计过程管理流程提出工业设计过程管理的本体分析、元素提取、元素概括、元素带入4阶段工作流建模方法，最后给出了基于Petri网的工业设计企业设计过程管理工作流模型应用实例和系统原型实现，该方法有利于应用Petri网将整个流程的目标状态表达清楚，理顺各个状态之间的动态变化以及发生这些变化的条件；有利于提高工业设计企业产品设计过程管理的自动化程度。

[1] 曹薇. 我国现有工业设计公司的设计管理研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2010.

[2] NOMAGUCHI Y, SAITO M, FUJITA K. Multi-domain DSM method for design process management of complex system [J]. Journal of Industrial and Production Engineering, 2015, 32(7): 465-72.

[3] SON M J, KIM T W. Implementation of an executable business process management model for the ship hull production design process [J]. Journal of Marine Science and Technology, 2014, 19(2): 170-184.

[4] SALIMIFARD K, WRIGHT M. Petri net-based modelling of workflow systems: an overview [J]. European Journal of Operational Research, 2001, 134(3): 664-676.

[5] LIU H C, LUAN X, LI Z, et al. Linguistic Petri nets based on cloud model theory for knowledge representation and reasoning [J]. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, 2018, 30(4): 717-728.

[6] PLA A, GAY P, MELÉNDEZ J, et al. Petri net-based process monitoring: a workflow management system for process modelling and monitoring [J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2014, 25: 539-554.

[7] VAN Der AALST W. The application of Petri nets to workflow management [J]. The Journal of Circuits Systems and Computers, 1998, 8(1): 21-66.

[8] 王聘, 刘伟, 杜玉越. 基于逻辑数据PETRI网的业务过程建模与分析[J]. 计算机集成制造系统, 2017, 23(5): 921-930.

[9] 袁崇义. Petri网原理与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005: 58-62.

Workflow Modeling of Industrial Design Process Management Based on Petri Net

XIONG Zhiyong, LIU Mengyu, PANG Wanting

(School of Design, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China)

Industrial design process modeling is the key of product design process management study, which directly affects the development cycle and overall benefits of projects. However, there is no effective modeling technology and system for design process management in current industrial design fields. In order to realize the dynamic, structural and orderly management of the design process of industrial design enterprises, we introduce process oriented organization management, process optimization of workflow technology and Petri net modeling method in the product design process management. Then, according to the research on the design process management process, the design process management workflow flowchart is constructed. In addition, combining with workflow technology, Petri net modeling method and the industrial design process management flow, this paper proposes a four-stage workflow modeling method for industrial design process management: ontology analysis, element extraction, element generalization and element introduction. Finally, based on Petri net, a workflow management model of industrial design process management is built, and accordingly, the industrial design process management prototype system is realized.

industrial design process management; Petri net; workflow

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018040611

A

2095-302X(2018)04-0611-05

2018-05-08；

2018-07-13

国家自然科学基金项目(51105145)；广东省教育部产学研项目(2012B091100446)；中央高校社科基金重点项目(XZD22)

熊志勇(1979-)，男，湖北应城人，副教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为产品创新设计理论、设计管理、交互设计等。 E-mail：zyxiong@scut.edu.cn