基于PBS的自動化集成設計項目WBS技術研究

朱　琦

（上海交通大學，上海200240）

基于PBS的自動化集成設計項目WBS技術研究

朱琦

（上海交通大學，上海200240）

自動化集成項目的工作分解準確和及時性是此類項目管理的基礎和關鍵。通過分析研究自動化產品設計階段的業務流程，在該領域使用基于PBS產品分解結構的工作分解技術，集合自動化集成產品設計階段的特點，提出PBS模型，WBS模塊和WBS模型，通過對PBS-WBS映射模型的分析，映射矩陣和映射方法的建立。從而實現快速、精確的WBS轉換方法，并在某復雜曲軸自動化集成單元的設計項目工作中進行應用，并得到驗證。

自動化集成項目項目管理PBS產品分解WBS工作分解

1　引言

自動化集成設備產品具有復雜成品的特征，其產品成本高、規模大、生命周期長、研制周期長，同時又是先進技術和知識的集中體現產品。對于此類產品設計項目，需要嚴密和合理的設計計劃才能保證其順利實施［1］。由于自動化集成設備產業在國內起步較晚，現使用的項目范圍管理方法，對項目交付物聚焦不足，對業務流程特點的結合較少。目前還存在著項目實際工作范圍與預期差異較大，項目管理工作效率較低，成功項目無法借鑒的問題。由于市場發展，此類項目需求越來越多，對于項目管理要求也越來越高。有必要以項目交付物為核心結合項目特點重新進行項目的工作分解。同時，工作分解結構表作為項目計劃管理的核心，也是進度計劃、資源需求等項目管理工作的重要基礎。優化的工作分解能夠幫助項目團隊減少項目中的工作范圍和進度計劃的管理問題［2］。

自動化集成項目作為一個大型的復雜產品項目，其產品結構、設計流程、項目管理等具有一定的復雜性。同時作為協作設計項目，其設計階段涉及的資源及組織多，單家企業無力承擔所有工作，需要多家（5家以上）進行跨企業的協作設計。然而在項目的不同階段，項目交付物不同，項目組織中的合作企業不同，需要伴隨項目的進展根據項目的交付物調整項目的工作內容。要做好自動化集成項目的工作分解，就要認真地了解項目交付物及項目業務的流程特點［3］。

劉彥龍［4］等提出了協作制造的項目特點，并提出了協作制造任務的分解原則。晉國富［5］等闡明了軟件產品的協同設計過程中的任務分解和耦合以及任務分配的機制。張磊［6］等針對復雜產品項目，提出了一種基于本體的構建負責產品WBS（Work Breakdown Structure，工作分解結構）的防范。王星漢［7］等在航空領域，對復雜產品開發過程中，多級供應商的協同項目管理進行了研究。何苗［8］等在航空領域，研究討論了基于產品分解結構的復雜產品的工作分解。這些研究在大型復雜產品協同制造的WBS分解的基本要求、編制原則、實現手段等方面都有了有益的探索。但是主要集中在各自的領域，針對航空航天和軟件信息管理領域的特點進行的研究。同時沒有對由于項目協同方面等因素造成的WBS分層分階段工作劃分進行深入的探索。

本文在借鑒國內外協同制造工作中任務分解應用經驗的基礎上，基于PBS（Product Breakdown Structure，產品分解結構）原則，針對自動化集成裝備設計項目的特點。結合項目業務流程，提出一種針對自動化集成設備協同設計項目的WBS分解方法，以項目交付物為核心對整個項目進行分階段、分層的工作任務分解，以利于項目組織的運作，以及后續的項目計劃編制和資源管理。

2　自動化集成設計項目的工作分解特點

使用WBS方法對項目進行分解的方式一般可以劃分為兩種［9］。第一種是基于項目交付物，即以交付物為劃分的依據，上層分解以交付物的組成劃分，然后下層劃分至部件。第二種是基于項目的工作流程，即以業務的具體歷程為劃分的依據，上層分解以業務流程的內容劃分，然后下層劃分至具體的活動內容。對于自動化集成項目，其項目本身具有復雜性、階段性、參與干系人多的特點。如果只使用一種方式，則無法很好地對項目進行清晰的、內容完整的分解，必須將兩種方法混合匹配使用，但同時也要保證兩種表格之間互相對應可靠。其分解思路為，以交付物為主要導向，結合業務工作流程，通過交付物和活動的相關映射關系推導活動的具體內容，并編制WBS表［10］。

同時，自動化集成類項目是跨企業項目，一般需要多家企業共同參與，協同工作，組成一個項目工作組。由一個項目所有人管理項目，并根據參與的各家組織的特點和能力分配相關的任務［11］。因此項目交付物的PBS分解僅需要分解到子任務一層，即項目工作組層面。由各個子任務負責實施的組織，自行將子任務逐步分解為最小的活動。

本文基于顯示案例，對自動化集成項目的具體分解過程如下：通過總結公司的業務流程，了解項目交付物的產品特點，找到項目交付物的共同點，隨后對每一個階段的項目交付物進行分解，分解至其構成的子任務推導WBS表。

3　項目模型

3.1自動化集成設計項目PBS模型

自動化集成設計項目的產品是集成設備的方案，其產品并不是實體設備，而是由一個多種文件組成的、以解決客戶生產問題為目的的綜合性解決方案。解決方案由多種知識文件構成，如加工設備設計圖紙、工藝流程、夾具設計圖紙、刀具加工參數等組成的文件包。總結項目的業務流程和產品分解特點，可以發現項目交付物有以下幾個特點。

（1）項目交付物為設計方案而非實體產品：項目最終的交付物為自動化集成設備的設計方案，而并非自動化集成設備。

（2）分層次結構，上下關聯緊密：項目整體方案需要由多種設計子方案組成，所有獨立的文件和方案整體具有不可分割的連接性，每一個獨立的方案都對項目整體方案有很大的影響。即項目交付物需要多個子任務的支持，同時子任務對項目交付物有很大的影響。

（3）多個項目交付物：在項目第一階段時，客戶需求的是投標的整體方案可行性，可以看作設計方案的粗略版本。在項目第二階段時，客戶需求的是細化的整體方案，可以看作設計方案的精確版本。第一個項目交付物是第二個項目交付物的基礎。即項目交付物超過1個，同時多個項目交付物之間存在關聯，但同一階段中只能存在一個項目交付物。

（4）項目交付物遞進性：在項目的第一階段，客戶對于整體方案的要求較低，因此對于組成方案的設計子方案要求也較低。但在第二階段，需要將整體方案細化，要求提供細化而完整的項目整體方案。可以發現項目交付物存在逐漸細化和完整的需求，即項目交付物有遞進型，因此項目的子任務也存在多次工作、細化工作的情況。

（5）項目交付物屬于跨企業產品：項目整體方案需要由多個供應商提供的設計子方案組成。即項目交付物需要多個子任務的支持，這些子任務必須由多個協作組織完成。

對于復雜產品而言，PBS表格往往包含了其產品所有具有功能的硬件和軟件部分。然而對于本項目而言，屬于復雜產品的設計項目，其項目交付物限定為產品設計方案。因此僅對PBS中富含的信息做有選擇的利用，自動化集成類項目設計階段的PBS模型的定義如下

其中，P是產品分解后每一個節點的集合，為了表示節點的位置，假設在PBS結構樹從上到下分解過程中，i作為節點在PBS中的層次，從上往下計算即從1到n，j作為節點在PBS中第i層所在的位置，從左往右計算1到n。可以推得任意PBS中的節點可以通過｛aij|i，j=1，2，…，n｝來表示，P為aij的集合。C為PBS中上下層節點間關系的集合即aij與（i、j、k都屬于自然數）的關系，k表示a（i+1）k在i+1層的位置。D為PBS中節點所對應的產品屬性和關聯文檔的集合｛dij_t|i，j，t=1，2，…，n｝，即aij所需要包含的文檔和屬性的集合，t代表第t個關聯文件或信息。如果aij在PBS中不是最細產品分解內容，則dij同時包含aij所有子任務的關聯文件和信息。PID代表的是PBS中唯一標定的相關設計產品部件的編號集合，用pidij代表節點aij所表示部件的唯一編號。PD是PBS中多個項目交付物的集合，pdij表示aij所屬于的項目交付物，若a（i+1）k為aij子任務則pdij= pd（i+1）k，子任務的項目交付物與所屬上層任務交付物相同，直到i=1，PBS產品分解最頂層為止。CP是PBS中所有合作組織的集合，cpij表示aij所負責的合作組織。根據以上的定義，PBS中任意的一點pbsa（i，k）都可以表示為

3.2自動化集成設計項目WBS模型

WBS的編制需要將項目自上而下地進行工作內容分解，形成合理的結構樹。從大型復雜集成項目的工作內容分解特點來看，其工作分解是以項目交付物為核心，針對業務流程的順序編寫相應的結構樹。同時由于設計工作使用多個組織共同參與完成，因此結構樹中工作內容屬于哪個組織必須在WBS中得到充分的體現。可以推斷WBS模型需要具備以下要點：

（1）分層次結構：對于自動化集成項目而言，其工作活動應該是按照整體方案設計過程的順序編寫的。項目整體設計方案是由多個子方案構成的，其工作活動也是由多個子方案的設計工作活動組成，即工作內容的分解有很明顯的層次性，同時還分階段。

（2）編碼：編碼是工作分解的重要內容，同時也是后續項目計劃、查找、變更等一系列項目工作的重要依據。本項目的工作活動不具備重復性，因此對于每一個工作內容，都應該賦予獨一無二的編碼。合理有序的編碼，可以方便項目管理人員快速地辨識相關工作分解的內容，并提高項目管理工作的效率。

（3）交付物：本項目中，由于項目存在多個交付物，同時交付物之間也有一定的聯系。因此對于業務流程中的工作活動，必須要明確地標示其所針對的交付物。避免針對同一工作內容針對多個項目交付物。

（4）協同設計：由于本項目中的工作活動中的大部分需要供應商的支持來進行，由供應商負責完成相應的子任務，項目團隊只需要將業務流程劃分至子任務階段，然后由項目團隊成員自行將子任務根據自身情況劃分成為合適的工作活動。

在跨企業協同制造類項目中，WBS工作內容分解的一個較大的難點就是在WBS分解過程中保持工作內容的獨立性，減少分配給不同供應商任務之間的內部聯系。由于自動化集成設計項目，大部分的設計工作都是分割開的，由各個供應商獨立完成。小部分的設計工作，需要項目所有人提供支持配合供應商完成。因此不會遇到此類問題。

基于以上的自動化集成設計項目的重要特點，本文給出了WBS工作內容分解模型的相關定義。

其中，T為WBS單元中，所有工作單元的集合，為了表示工作單元在WBS中的位置，我們假設在WBS的分解過程中，i作為工作單元所在的層級，j作為工作單元在第i層所在的位置，即T集合為｛bij|i，j=1，2，…，n｝。C'為WBS的工作單元之間的關系的集合；WID是工作單元在WBS中唯一的編碼；PD為工作單元對應的交付物的集合，PDij'表示工作單元對應的項目交付物，同時子工作單元所對應的交付物始終和上一級工作單元對應的交付物相同。CP'是WBS中所有項目組織的集合。根據以上定義可知，WBS中任一個工作單元可以表示成為

3.3自動化集成設計項目WBS模板

WBS模板是PBS轉化為WBS的關鍵因素，是對轉換方式的描述。需要根據業務的流程和項目特點定義，通過WBS模板描述項目的通用工作活動和步驟。WBS通用模板是對項目普遍情況下的工作活動的描述，即特定項目的WBS所有工作內容應該都包含在WBS模板內，有鑒于自動化集成設計項目普遍工作內容變化較小。

上式中的字母代表的數學意義與WBS模型相似。

3.4PBS-WBS映射矩陣

（1）分階段映射：自動化集成設計項目中由于交付物的不同，會產生若干個與交付物關聯的重要的項目節點。這些項目節點作為重要的里程碑將整體項目合理地劃分成為若干個階段。針對每個階段需要開展的工作活動以及具體的工作內容有相似性，但是也有不同點。有相似性指的是PBS中某種產品的設計或研發工作，不同點在于設計或研發工作的工作深度差異較大。舉例而言，在項目初期階段針對PBS中的自動化卡爪的方案設計工作，主要為可行性分析、所需數量的估算等；在項目末期階段同樣對于自動化卡爪的方案設計工作，則變更為尺寸設計、工藝受力分析等。可以發現在項目不同的階段中其業務流程不同，因此對于PBS在不同的階段中，應該使用不同的WBS模型，分階段進行映射工作。

（2）分層次映射：自動化集成設計項目是一個跨企業的合作任務。PBS將整個項目設計方案根據實體產品情況和功能劃分成為一個個存在著一定關聯的模塊，同時模塊也被劃分成為相應的子系統，然后子系統繼續劃分至合適的部件。然而模塊的相關工作，并不是完全由同一家公司完成。一個子系統需要至少一家企業，普遍由兩家企業協同完成其中不同部件的設計工作。舉例而言，子系統加工設備的夾具設計方案，需要設備制造商和夾具制造商共同參與完成任務，夾具設計方案這個子系統向下分解為設備夾具鏈接端口設計和夾具工件夾持部分設計，這2個部件劃分清晰，分別屬于設備制造商和夾具制造商。因此在映射過程中，必須分層次映射針對不同的模塊情況，分層次分塊地將正確的PBS子系統部件映射至相關供應商的WBS工作任務中。

（3）映射矩陣：將PBS中所有的節點選擇合適的通用WBS模塊中的工作單元運算所獲得的笛卡爾乘積可以認為是WBS工作單元的定義域。由于WBS模塊中的工作單元具有通用性，最終的WBS工作活動不可能完全覆蓋所述的笛卡爾乘積定義域，映射的WBS工作單元必然有部分是隱形而不必要的。因此需要通過PBS-WBS映射矩陣來確定實際情況下的WBS工作單元。通過項目主管和相關節點的負責單位組成的小組對適用于其節點的WBS模塊進行判斷，確定最終映射的WBS工作單元的必要性。

3.5PBS-WBS映射方法

當映射矩陣中的矩陣不為零矩陣時，WBS工作單元的屬性和附屬信息，通過PBS以及相關的WBS模板的笛卡爾乘積得到，其映射方法主要可以概括為下列2種。

（1）遺傳映射：WBS工作單元直接從PBS單元或WBS模塊中獲得對應的信息。例如PBS中的pd（所屬交付物）和cp（所屬組織）都可以直接遺傳給WBS中的pd'和cp'，可以記做

（2）聚合映射：WBS工作單元的信息從PBS單元和WBS模塊中共同獲取。例如WBS中的WID編碼，是PBS中的pid（產品編碼）和WBS模塊中的widm的信息的組合，可以記做

例如自動化硬件中外圍鈑金產品編號為AA，對應的WBS模塊中的技術可行性分析元的編號為BB，那么WBS工作單元中外圍鈑金的技術可行性分析就可以記為AABB。

4　系統應用案例

在某發動機曲軸自動化加工線設計項目中，對于某一階段的工作使用了該方法。PBS分解部分如圖1和表1所示。

在復雜產品的協同設計項目中，運用本文的方法，項目小組可快速而精確地得到合理的WBS工作分解表格，并且在項目的實際操作過程中確保了以下幾個方面：（1）工作內容不會被遺忘；（2）工作單元隸屬的項目交付物清晰明了；（3）工作單元負責的工作組織清晰明了；（4）為網絡圖的編制提供了合理的依據。順利地完成了該階段的項目工作。

5　結論

對于自動化集成設計項目而言，其設計的產品構成復雜，設計工作需要多個組織參加。保證工作分解的全面徹底，工作分配合理精確對項目的成功有著至關重要的作用。本文針對此類項目的特點，使用PBS-WBS映射的方式，使WBS編制快速準確。所提及的方法在實際項目中得到了應用驗證。

圖1　曲軸自動化加工線某階段工作PBS分解

表1　WBS矩陣

［1］Hansen K，Rush H.Hotspots in Complex Product Systems:Emerging Issues in Innovation Management［J］.Technovation，1988，18（8/9）.

［2］何恒，鄧家褆.支持復雜產品研發的WBS［J］.航空制造技術，2009（12）.

［3］Shridhar J M，S Ravi.Virtual Manufacturing:An Important Aspect of Collaborative Product Commerce［J］.Journal of Advanced Manufacturing Systems，2002，1（1）.

［4］劉彥龍.協作制造項目任務分解與關鍵鏈進度計劃方法研究［D］.河北工業大學，2007.

［5］晉國福.產品協同設計的任務分解_分配與管理研究［D］.太原科技大學，2009.

［6］張磊.基于本體的復雜產品項目WBS研究［D］.江蘇科技大學，2013.

［7］王星漢.面向復雜產品開發的多級供應商協同項目管理研究［D］.上海交通大學，2010.

［8］何苗，楊海成，敬石開.基于產品分解結構的復雜產品工作分解技術研究［J］.中國機械工程，2010，22（16）.

［9］魏志強，王先逵，吳丹等.基于單一數據源的產品BOM多視圖映射技術［J］.清華大學學報，2002， 42（6）.

［10］張宏國，徐曉飛，戰德臣.基于工作分解結構的跨企業項目多級網絡計劃［J］.計算機集成制造系統，2007（3）.

［11］張康之，李圣鑫.歷史轉型條件下的任務型組織［J］.中國行政管理，2006（11）.

Decomposition Method of WBS Based on PBS for Automation Integration Project's Design Phase

Zhu Qi
（Shanghai Jiao Tong University.Shanghai 200240，China）

Automation integration project's WBS accuracy and timeliness is these projects management's base and key..By analysis of the automation product design phase's business process，With WBS based of PBS method in this field，Put forward PBS model；WBS template and WBS model based on automation integration projects'features.By the analysis of mapping type，definition of mapping model，establishment of mapping rules，the information transform from PBS to WBS was quickly and accurate.An application example of gear shafts automatic product unit'design war provided to verify the method.

automation integration project；project management；PBS，WBS

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.012

來稿日期：2016-06-27

朱琦（1988-），男，在讀工程碩士，主要研究方向為項目質量管理。