基于關鍵鏈的航天項目進度管理研究與實踐

/北京宇航系統工程研究所

張江、崔文星 /中國運載火箭技術研究院

項目管理是綜合利用多種知識、技能、工具和技術對項目過程進行計劃、監督和控制,從而在預期的時間、成本、質量、范圍和收益等約束條件下實現項目目標的管理工作。航天型號項目由于項目規模大、涉及單位廣、持續時間長、政治意義重、不確定性和風險多的特點,其進度目標和完成情況已日漸成為項目利益相關方最重視的方面。隨著我國航天項目的不斷增多,由于研制資源緊張、任務鏈條復雜、管理層級龐大等因素,造成航天項目無法按計劃如期完成和進度計劃無法滿足用戶要求等現象,成為航天項目開展過程中的主要問題和矛盾。

項目進度管理一直以來都是國內外研究的重點,其發展經歷了甘特圖和里程碑圖、網絡計劃技術、關鍵鏈技術3個主要階段。關鍵鏈技術階段更加關注資源約束和管理者的心理行為,能夠確保項目計劃的可行性,并適應項目工期的不確定性,是對傳統項目管理的重要改進。相比較于關鍵路徑法和計劃評審技術而言,關鍵鏈管理更能體現系統化的思想,更關注項目整體的執行情況。筆者重點針對項目進度管理技術的發展歷程和關鍵鏈技術的原理進行研究,以某航天分離試驗項目為例對關鍵鏈技術的應用進行實踐,并對關鍵鏈技術在航天項目進度管理中的應用經驗進行總結。

一、項目進度管理技術的發展歷程

1.甘特圖和里程碑圖

甘特圖由Henry L. Garntt于1917年提出,可以體現工作包或活動之間的包含關系和邏輯關系,常用于向管理層匯報情況。以某航天型號分離試驗項目(包含3個工作包,其中工作包1和工作包2分別包含2個活動任務)為例,其甘特圖如圖1所示。

里程碑圖是在甘特圖的基礎上,僅標示出主要可交付成果和關鍵外部接口的計劃開始或完成日期,即項目計劃里程碑節點,描述項目在某時間段應達到的狀態或已完成的工作。某航天型號分離試驗項目里程碑圖如圖2所示。

盡管甘特圖和里程碑圖在項目進度管理中有著簡單、直觀、便利的優勢,但是存在許多不足,主要表現以下幾個方面:甘特圖隨著任務復雜性的增加而變得難以操作,不適用于大型項目的管理使用;甘特圖不能體現出關鍵工作和關鍵路線等項目的關鍵環節;甘特圖無法反映項目進展與所耗資源、成本之間的關系;里程碑圖僅適用于關鍵節點的表達,對項目細節沒有展現。

圖1 某航天型號分離試驗項目甘特圖

圖2 某航天型號分離試驗項目里程碑圖

2.網絡計劃技術

針對甘特圖和里程碑圖在項目進度管理方面的不足,以關鍵路徑法(CPM)、計劃評審技術(PERT)為代表的CPM/PERT網絡計劃技術應運而生。其核心思想是按照項目各工作包或活動的邏輯關系和時間估算形成進度網絡,找出關鍵路徑并計算非關鍵路徑的浮動時間,進而分析該網絡的靈活性和魯棒性。在關鍵路徑上,每一項活動的浮動時間均為0。某航天型號分離試驗項目網絡計劃圖如圖3所示。

圖3 某航天型號分離試驗項目網絡計劃圖

隨著現代項目的大型化和復雜化,網絡計劃技術的不足也逐漸展現,主要表現在以下幾個方面:項目的預估周期較長,在每項任務工期估計中加入額外安全時間,造成項目的預估周期較長;未考慮資源制約因素,傳統網絡計劃技術僅考慮各活動間的邏輯依賴關系和進度估計,對資源的沖突情況考慮不足,不利于對項目資源和進度的全局把控;未充分考慮項目進度中的不確定因素,目前學術界已普遍認可將單個活動的進度估計視為遵從某一概率分布的隨機函數;未考慮項目管理機構和管理者的心理行為因素,研究表明,管理者的心理行為因素對活動的額外安全時間估計、安全時間的處理等將嚴重影響項目進度管理。

3.關鍵鏈技術

關鍵鏈作為突破了傳統項目進度管理方法的新技術,在項目進度計劃制定和控制的過程中,不但考慮了活動間的邏輯依賴關系等約束條件,更考慮各項活動間的資源沖突、管理機構和管理者的心理行為因素,強調了從項目全局的角度系統把握項目進度規劃,并在執行過程中進行動態管理,有針對性地解決了以下傳統項目管理領域的問題或現象。

帕金森定律。在項目實施過程中,每項工作會自動的膨脹占滿所有可用的時間。項目執行機構在規劃階段一旦爭取到時間余量,后續即使該時間余量未被消耗,該活動的進展節奏仍將被執行者放緩,最終按照“預算”的時間完成,即在項目活動進度規劃時增加的時間余量無法得到充分的利用。

學生綜合癥。無論某項工作的進度時限設定得多長,其大部分內容都是在完成該工作前的最后時段間進行的,即項目人員的努力總在完成時間到達前才出現。

墨菲定律。項目在進展過程中往往會遭遇不可預期的風險,進而導致項目時間呈現隨機性。因此,在項目活動執行時間估計和項目總周期規劃時,需要充分考慮項目風險的隨機性。

工期變動效應的不對稱性。在項目實施進程中,某一項活動的推遲往往造成項目最終完成節點的推遲,而該活動提前完成的收益很難使項目的總周期受益,尤其是實際工作中,由于沒有有效的激勵機制,任務提前完成意味著將承擔更多的任務,甚至同類活動在下次項目規劃中的時間余量將被壓縮等,導致不能有效地利用任務提前完工的時間。

資源在多任務轉換間的浪費。當同一資源被不同的項目活動所使用時,在不同任務間的頻繁轉換將降低該資源的使用效率,從而造成每個項目活動的時間加長。這種資源在多任務轉換間的浪費,不但在制造設備和生產工裝上表現突出,在關鍵技術人員、管理人員等資源上也尤為明顯。

二、關鍵鏈技術的理論基礎

關鍵鏈技術是在關鍵路徑法(CPM)和計劃評審技術(PERT)等進度管理技術的基礎上,針對上述項目管理領域問題,關注項目活動間的資源調配和執行時間的隨機性,在約束集理論的框架下提出的項目進度管理技術。

1.約束集理論

以色列物理博士Goldratt于20世紀70年代末基于最優生產技術理論提出了約束集理論,經過不斷研究和發展,在制造業、運輸業等行業取得了良好的應用效果。約束集理論的核心思想是:任何系統都存在制約因素,而這些制約因素將成為系統實現其產出目標的瓶頸。因此,應將管理重點放在系統的制約因素上,通過調控管理制約因素達到最大的有效產出。

約束集理論主要有5個核心步驟,具體流程如圖4所示。

實際應用中,制約因素是指妨礙實現系統目標的實物制約因素或制度制約因素;挖掘制約因素的潛能就是對制約因素提出解決辦法,實現系統的有效產出的增加;圍繞制約因素調配管理非制約因素就是要以制約因素為主要矛盾開展系統優化,并在調整后實質提升制約因素能力;最后對系統制約因素進行校驗,直到迭代至再無新的制約因素出現。

2.項目活動執行時間估計

項目活動執行時間的估計是項目進度管理的基礎和核心,也是決定項目進度計劃總周期的關鍵要素,尤其是項目活動執行時間的不確定性和隨機性,也使對其的估計成為項目進度計劃管理中的難點。根據對項目統計規律的研究,項目活動執行時間通常遵循對數正態統計規律,即隨著項目按照估計時間完成概率的提升,項目估計時間將大幅增加,主要原因就是項目周期本身的不確定性,以及如前所述原因導致項目估計時間中所增加的安全余量。如圖5所示,當按照80%的按期完工概率對項目周期進行估計時,該估計值是按照50%的按期完工概率的時間估計值的2倍,這就是項目活動執行時間不確定性的體現。

三、關鍵鏈技術在航天項目進度管理中的應用

在約束集理論和項目活動執行時間估計不確定性的條件下,針對項目進度管理領域的經典問題,關鍵鏈進度管理技術著眼點是:如何盡量壓縮無法被有效利用的安全時間,以及有效合理地實現資源調配。

1.項目活動分解及邏輯關系梳理

在完成項目活動分解及各活動間邏輯依賴關系梳理階段,主要對項目本身進行WBS分解,直至分解到具體的工作包;完成各工作包間邏輯依賴關系的梳理,最終形成該項目的網絡計劃圖。該階段的工作方法和內容基本等同于關鍵路徑法等傳統網絡計劃,但需要注意以下2點:一是由于關鍵鏈技術強調對瓶頸資源的調配,所以在進行工作包分解時,需要將工作包盡量細化到獨立占用某一項資源的層級,為后續資源調配創造條件;二是形成的網絡計劃圖采用雙標號線段形式的網絡計劃圖,有利于后續緩沖區設置。

圖4 約束集理論核心步驟流程圖

圖5 項目活動執行時間估算

某試驗項目進行活動分解和邏輯關系梳理的網絡計劃圖如圖6所示。其中工作包1的活動1.1為第1個部段零件生產,活動1.2為第1個部段總裝;工作包2的活動2.1為第2個部段零件生產,活動2.2為第2個部段總裝,工作包3為分離試驗實施階段。每個圓形表示該活動的起點或終點,日期標在圓形內部;每條線段代表該活動的持續和邏輯關系,工作包或活動的名稱、持續工期標在線段上;無名稱和工期標注的線段僅代表邏輯關系。

2.項目活動時間估計和安全時間壓縮

在網絡計劃圖的基礎上,重新對項目活動的時間進行估計,即需要將目前分散到各個項目活動中的安全時間進行壓縮,為后續設置項目各級時間緩沖作好準備。按照目前流行的關鍵鏈時間估計和安全時間壓縮方法,主要以項目活動時間估計值的50%或者其均方根值作為壓縮后的時間估值。進行時間壓縮后的網絡計劃圖,如圖7所示。

3.項目活動資源識別和調配

在充分辨識每個項目活動所用到資源的基礎上,將重要瓶頸資源標注在每項活動中,如圖8所示。

經過對分離試驗項目中部段總裝階段資源的識別,發現2個部段的總裝工作均需要用到同一個工裝“資源C”,因此需要圍繞該制約因素,即資源C進行調配。按照單一資源串行使用的慣例,調配后的網絡計劃圖如圖9所示。特別說明,此時的資源調配僅考慮單一項目環境下的資源使用,暫未考慮有其它項目對該資源的需求。根據圖9的調配情況,項目計劃中目前已不存在同一時間對相同資源的競爭,但對資源的串行使用造成了部分項目活動的順延;同時在網絡計劃圖上出現了項目活動不連續的情況,這些都將在后續的緩沖區設置中加以利用。

圖6 某試驗項目活動分解及邏輯關系

圖7 某試驗項目活動時間估計和安全時間壓縮

圖8 某試驗項目活動所用資源識別

圖9 某試驗項目活動資源調配

4.關鍵鏈識別

在確定了項目活動的具體內容、邏輯依賴關系和經過壓縮后的時間估值的基礎上,完成對瓶頸資源的調配后就可以識別出此時網絡計劃圖中決定項目周期的最長項目活動鏈路,即所謂的項目關鍵鏈,如圖10所示。

5.緩沖區設置

在關鍵鏈技術的實施過程中,盡管對項目活動的執行時間估值大大壓縮,但也降低了項目活動按照時間估值完成的概率。因此,需要在關鍵鏈的各個環節設置緩沖區,從而增強項目進度計劃的魯棒性。緩沖區的本質也就是將原來分散在各個項目子環節中的大量安全時間集中到項目頂層進行分配使用,從而避免安全時間浪費現象和提前完成并無益處現象。關鍵鏈的緩沖區共分為3類,具體如下。

項目緩沖。設置在關鍵鏈的最后,以應對關鍵鏈上活動拖延對項目總周期的影響,屬于系統級緩沖,目前通用的方法是使用壓縮的安全時間的50%用于項目緩沖。

接駁緩沖。設置在非關鍵鏈活動與關鍵鏈上的活動接駁處,類似于網絡計劃中的浮動時間,用于緩沖非關鍵活動的拖延對關鍵鏈乃至全項目周期的影響。

圖10 某試驗項目活動的關鍵鏈

資源緩沖。設置在瓶頸資源的交界處,與前2種緩沖的不同之處在于資源緩沖用于對瓶頸資源交接班的預警,防止出現瓶頸資源外的因素影響關鍵鏈的情況。

根據上述緩沖設置方法,對某試驗項目進行了緩沖區設置,結果如圖11所示。

至此,基于關鍵鏈技術的項目進度計劃已經完成。與原網絡計劃相比,項目計劃周期由2月28日提前至2月14日,且通過設置不同的緩沖區來應對項目進度拖延風險;對關鍵瓶頸資源的交接班預警,有效提升了該分離試驗項目進度的風險可控性和計劃魯棒性。

四、實踐效果

近年來,通過將關鍵鏈技術應用于航天型號項目進度管理,有效地對航天項目中長周期、多制約因素的大型地面試驗、總裝、出廠測試等工作的周期進行了壓縮,并基于此技術實現了項目進度的可控。在完善進度管理的基礎上,總結并提煉出一套在航天項目進度管理中具有普適性的進度管理方法,如基于關鍵鏈技術的航天項目WBS方法、航天項目執行時間的估計方法、航天項目的資源調配策略、基于緩沖區的航天項目進度風險控制、加強航天項目組織過程資產積累等。

圖11 某試驗項目緩沖區設置

1.基于關鍵鏈技術的航天項目WBS方法

為了使關鍵鏈技術在航天項目進度管理中發揮其有效消除資源沖突的優勢,需要在應用關鍵鏈技術時特別關注前期項目WBS的顆粒度,尤其是對于需要特定資源的項目活動,務必分解至能夠精細到特定資源使用周期的程度,為后續進行瓶頸資源的識別和調配創造條件。同時,由于航天項目必須遵循嚴格的研制程序和質量標準,所以需要對各項活動間的邏輯關系進行認真的梳理,保證后續形成的網絡計劃圖準確有效。

2.航天項目執行時間的估計方法

目前,項目管理界通用的執行時間估計方法多數按照某種特定的概率分布(如正態分布、對數分布、貝塔分布等)進行修正后,通過數學計算得到估計結果。此種方法雖然有普適性好的特點,但針對特定行業過于武斷。針對航天項目,由于有大量前期研制基礎和歷史數據作為參考,筆者建議在進行執行時間估計和安全時間壓縮時采取以下方法。

歷史經驗法。針對近期歷史工序時間相對固定的某些零件加工、部段裝配等活動,按照近期歷史經驗均值作為執行時間估計值,并上浮一定比例(10%左右)作為安全時間。

統計計算法。針對易受外界因素影響、歷史數據散差較大的活動,利用歷史數據統計其概率分布規律,應用關鍵鏈技術的“50%法”確定估計時間和安全時間。

綜合分析法。針對某些固定時間長度的試驗,如溫度試驗、可靠性試驗等,必須重視項目活動本身的內在規律,在保證完成研制內容的情況下,適當加入安全時間。

3.航天項目的資源調配策略

在近年的航天科研生產中,關鍵生產資源、試驗資源往往成為制約項目進度的瓶頸短線。因此,在實施關鍵鏈中的資源調配時,不僅僅要考慮到項目內資源的調配,更要充分考慮組織內其它項目對該資源的利用。盡管多數航天項目機構只進行本型號范圍內的單一項目管理,但在資源調配環節必須站在組織內項目集管理的全局角度了解資源的使用情況,必要時可以動用一定的項目緩沖來緩解外部由于政策、用戶或其它不可抗力造成的資源延遲使用。

五、后續思路

盡管關鍵鏈技術在實踐中取得了很好的效果,但后續還應該在以下2個方面做進一步研究,提高該技術在航天型號項目進度管理方面的應用效果,并在其它行業應用中予以推廣。

1.重點研究基于關鍵鏈緩沖區的項目進度控制方法

在項目風險管理領域對風險進行量化管理一直是研究的難點,特別在對于項目進度異常重要的航天項目管理中,有效的進度風險量化方法更加必要。PMBOK所提倡的基于項目經費使用率的“掙值管理法”盡管可以有效反應項目進展情況,但在當前航天項目管理領域,由于項目經費的管理方式仍處于計劃經濟模式下,經費管理機構與進度管理機構常常處于分離狀態,導致“掙值管理法”在航天領域并未得到良好的應用。未來,可以利用關鍵鏈技術中的各類緩沖區提出對項目進度進行控制的方法,從而實現在項目執行過程中對進度情況的動態監控和管理,研究主要集中在基于項目緩沖區實現項目進度執行情況監控、基于接駁緩沖區的非關鍵鏈監控、基于資源緩沖區的制約因素預警機制。

2.加強航天項目組織過程資產積累

在關鍵鏈技術應用于航天項目管理的過程中,多次提出需要基于歷史數據、組織級資源使用數據等。隨著航天工業的逐步發展,航天產品的加工制造逐步實現了數字化和信息化,以此為契機,各級航天科研生產管理部門需要加強對科研生產中各類活動的實際執行時間、資源發生意外故障概率、組織內項目集對資源的需求等組織過程資產進行積累,并反饋于后續項目的關鍵鏈技術應用。基于當前大數據和深度學習的概念,隨著數據的不斷積累和關鍵鏈技術應用迭代次數的不斷增多,目前基于數學統計和經驗規律的項目執行時間估計、緩沖區設置等關鍵環節將更加合理有效。