基于關鍵鏈法的衛星結構生產進度研究

朱開鼎、陸云霞、王書超、任遠 /北京衛星制造廠有限公司

近年來，隨著我國經濟實力的大幅增加，航天事業步入了高速發展的黃金時期，航天型號的高密度發射和高強度研制已經成為常態。北京衛星制造廠有限公司承擔著我國絕大多數衛星主結構及相關配套產品的研制，這幾年爆炸式增長的型號研制需求給型號科研生產和質量管理帶來了極大的挑戰。筆者針對當前衛星結構部裝生產存在的一系列問題，利用基于關鍵鏈法的項目管理模型，研究衛星結構部裝過程中存在的關鍵資源沖突、進度管控措施有效性差等問題，以提高多型號主結構同步研制的生產效率。

一、存在的問題

航天型號結構部裝研制是一種較為復雜的多項目管理項目，同時包含有多個次級項目，項目內部相互關聯和影響，多型號結構部裝進度管理是指揮調度人員根據各個型號項目辦公室的整星計劃安排制定，并根據制定的計劃對型號多個項目的實施進行統籌、控制和修正，目的是在項目辦公室允許的時間范圍內完成多個型號的結構部裝交付。但由于結構部裝受外部因素影響較大，實際生產過程中會出現較多的問題，導致大多數結構部裝未能按時完成。

1.部裝結構輸入啟動時間推遲

部裝輸入由總體決定，由于用戶相關載荷接口尺寸確認及IDS 簽署過程中存在反復，導致大多數產品狀態確認較晚，使得部裝和結構板圖紙未能按時下廠，給結構板和部裝直屬件的生產帶來了較大的難度、部裝按時啟動增加了極大的不確定性，進而給部裝工位資源統籌協調帶來了較大的沖擊。

2.過程中不斷處理技術問題

由于航天產品高質量、高標準的要求，生產過程中對產品質量狀態要求極為苛刻，任何有疑問的地方都會通知設計辦理相關質量單據，反復確認無誤后方可進行下一步操作，給型號進度帶來了一定的影響。

3.管理層級多，產品接口單位多，進度協調效果差

結構部裝的研制一般采用多級職能式的管理模式，使得管理層級和接口界面較多，上下序之間銜接不流暢，生產過程中出現問題時無法第一時間明確責任人，各部門之間存在相互推諉扯皮現象，給型號研制帶來一定的影響。

4.多型號集中生產，資源沖突嚴重

近幾年航天型號不斷增加，多型號集中生產已成為常態，結構部裝屬于衛星研制的主線，且是總裝階段啟動的先決條件，各型號項目辦公室對結構部裝的時間節點要求也極為嚴格，再加上前期輸入推遲導致的圖紙集中到廠，使得有限的工位和人員無法滿足多型號、短周期的生產任務，資源沖突、進度推遲成為常態。

二、關鍵鏈法

1997 年，高德拉特博士提出了關鍵鏈理論，他將約束條件引入項目管理中，指出制約整個項目進展的因素是關鍵鏈，也就是需要考慮有限資源約束的關鍵路徑，并重新優化工序時間和設置緩沖區以保護關鍵鏈，從而使得項目管理效率顯著提高，基于約束理論的關鍵鏈法能夠將項目之間及項目內部的資源約束影響以及人為因素影響對項目產生的制約考慮進去。其中，Lawrance P. Leach 全方位地研究了使用關鍵鏈法對項目的進度、資源、通訊等方面的管理，并使之應用到多個項目的管理。在國內，陳友玲等利用關鍵鏈法進行多項目管理計劃的排產，在考慮資源制約和人為因素的影響下構建了一個新型的管理方法；謝聰利對多項目管理中的復雜資源約束進行了研究，并給出了設置緩沖區的方法。

1.實施步驟

關鍵鏈項目管理是一種新型的先進管理技術，它能夠綜合考慮工序時間、工序前置約束以及上下序之間的關鍵資源制約，將人為因素的管理和項目進展有機結合，通過設置緩沖區來吸收風險因素對項目的影響，以期達到提高項目進展效率的目的。

關鍵鏈是整個項目中考慮資源約束后的最長工序路徑，通過設置緩沖機制管控項目整體進展，通過管理關鍵鏈來提高項目的生產效率，其中關鍵鏈的確定和緩沖區域的劃定是解決問題的核心內容。具體步驟為：

首先，通過消除工序間的大量安全時間，將工期長度設定為完工概率為50%的有效長度，并在對應的鏈路末端設置緩沖區；其次，考慮資源約束，將涉及瓶頸資源的路徑根據優先順序進行串聯處置，形成關鍵鏈；第三，運用聚合原理，在關鍵鏈尾部設置項目緩沖區；第四，在關鍵鏈和非關鍵鏈相交匯處加入輸入緩沖；最后，設置資源緩沖，提前預警資源使用情況。

2.多型號結構部裝案例分析

部裝A：某通信衛星結構部裝工序（見表1）。部裝B：某遙感衛星結構部裝工序（見表2）。部裝C：某導航衛星結構部裝工序（見表3）。其中，理想周期用a 表示，實際周期用m 表示，充裕周期用b 表示，3 個項目共需要4 種關鍵資源類型R1、R2、R3、R4。4 種關鍵資源的產能供給量見表4。

表1 某通信衛星結構部裝工序

在不考慮資源沖突的情況下，項目A 的總工期為86 天，項目B 的總工期為103 天，項目C 的總工期為78 天。然而，當3 個項目同時展開時，在資源R1 上的總需求為11，高于資源供給數量8，產生了資源沖突，隨之而來的是R2、R3、R4 上的資源沖突，由于沒有考慮如何解決資源在項目之間的制約問題，所以很容易出現因資源分配不合理而導致所有項目的延期。

3.基于關鍵鏈法的進度計劃安排

（1）繪制甘特圖

由于傳統方法無法有效解決資源沖突問題，采用關鍵鏈法對3 個項目進行進度計劃安排，選取3 個項目中最理想的工期編制流程，如圖1 所示。

此時，項目A 的總工期為66 天，項目B 的總工期為81 天，項目C 的總工期為61 天。

（2）識別沖突資源，確定優先級順序

通過理想工期求得3 個項目的進度計劃后，對各個項目各工序存在的資源沖突進行優先級順序的確定，使得資源分配相對合理。根據網格圖，存 在 資源沖突 的 是A1、B1 和C1，A2、B2 和C2，A3、B3 和C3，A5、B3 和C5。此時，需要對這些工序進行優先級排序，以決定使用資源的優先權。

確定項目的優先級。項目的優先級是根據CARVER法進行確定的，根據5 個指標進行分析，即項目重要程度C、項目緊迫度A、項目風險系數E、項目回報率R 和項目難度系數V。根據3 個項目的實際情況，設定5 個指標的權重比例為0.3、0.2、0.1、0.1、0.3。由型號總設計師和總指揮評定的3 個項目的指標（見表5）。

表2 某遙感衛星結構部裝工序

表3 某導航衛星結構部裝工序

表4 4種關鍵資源的產能供給量

CARVER 矩陣法的優先級系數為PP(i)，假設各指標的權重分別是α1、α2、α3、α4、α5，那么，各個項目的優先級系數由5 個指標的得分與權重比例乘積的和與所有項目的權值和的最大值的比值得到，即：

圖1 3個項目的理想工期流程圖

表5 3個項目的項目評價指標

其中，0 ≤PP(i)≤1, Max{CAERV(i)}是所有項目中權值之和的最大值。根據公式可得：

則 PP(1)=0.52/0.66=0.79，PP(2)=0.63/0.66=0.95，

PP(3)=0.63/0.63=1

確定各項目中工序的優先級。影響項目中工序的因素很多，如工序的重要程度、工序間的邏輯關系、影響工序的風險系數以及工序所需要的資源供給量等。通常選用4 個影響因素，設定工序優先級系數用PP(i,j)表示，其中i 代表項目，j代表工序。那么，這4 個影響工序優先級的因素系數分別是：資源需求強度系數E(i,j)，代表工序對資源的需求量和需求影響；工序緊后系數N(i,j)，代表工序后面的工序量以及對資源的需求程度；工序緊后任務鏈長度L(i,j)，代表工序的位置權重比例；風險系數R(i,j)，代表工序的重要程度。4 個影響因素系數的指標權值假定分別為β1、β2、β3、β4，設定某項目為i，那么其對應的工序j 的優先級系數PP(i,j)為：

其中，Max{PP'(i, j)}為工序的4 個指標權值和的最大值；PP(i, j)值越大，其工序的重要程度越高。

3 個項目中，各個指標的取值見表6。

表6 各工序的評價指標

表7 各工序的優先級系數

表8 各個工序的綜合優先級

其中，r1、r2代表工序所處的單個項目的優先級和工序優先級的權重系數，且0＜ r1， r2＜1，r1+ r2=1。

一般取r1=0.6，r2=0.4，那么各個工序的綜合優先級見表8。

第一道工序的優先級為：B1 ＞C1 ＞A1，第二道工序的優先級為：B2 ＞C2 ＞A2，第三道工序的優先級為：C3 ＞B3 ＞A3，第四道工序的優先級為：C4 ＞A4 ＞B4，第五道工序的優先級為：C5 ＞B5 ＞A5。

（3）識別關鍵鏈

根據計算得出的工序綜合優先級順序，可以得到各個項目的關鍵鏈（見圖2）。

項目A 的關鍵鏈為：C1-A1-B2-A2-A3-A4-A5；項目B 的關鍵鏈為：B1-B2-B3-C4-B4-B5；項目C的關鍵鏈為：C1-C2-C3-C4-C5。

（4）加入緩沖區優化后的進度計劃

通過關鍵鏈法優化后，由于各個工序的時間按照理想時間取值，降低了項目按時完成的幾率，增加了延期風險。在此，設置緩沖區來抵消項目實施過程的不確定因素，以期達到更加真實的完成概率。緩沖區的設置是根據實際生產過程中經常出現的各種工期延誤因素積累起來的經驗，只占用時間，不占用資源。

設定項目A 和項目B 相互交叉使用資源的緩沖期為FB(A,B)=4 天，項目A 和項目C 相互交叉使用資源的緩沖期為FB(A,C)=5 天，項目B 與項目C 相互交叉使用資源的緩沖期為FB(B,C)=3 天，

經評估，這4 個影響因素的權重比值分別為β1=0.5、β2=0.2、β3=0.3、β4=0.2，那么，根據公式（3）、（4）求得各工序的優先級系數（見表7）。

圖2 各個項目的關鍵鏈

圖3 加入緩沖區優化后的進度計劃

確定工序的綜合優先級。多個項目中各個工序的綜合優先級系數為：那么，在各個項目關鍵鏈中相關制約的資源交替使用中加入緩沖期，可以得到優化后的進度計劃，如圖3 所示。

項目A的總工期為：C1+FB(A,C)+A1+B2+FB(A,B)+A2+A3+A4+A5=15+5+15+20+4+4+2=11 0 天，比不考慮資源沖突情況下傳統管理方法估計的工期多了24天；

項目B的總工期為：B1+B2+B3+C4+FB(B,C)+B4+B5=20+20+30+4+3+7+4=88 天，比不考慮資源沖突情況下傳統管理方法估計的工期少了15 天；

項目C的總工期為：C1+C2+C3+C4+C5=15+20+20+4+2=61天，比不考慮資源沖突情況下傳統管理方法估計的工期少了17天。

由于資源沖突不可避免，利用關鍵鏈法進行多項目管理時，能夠在資源沖突的情況下確定出各項目之間工序的優先級順序，雖然造成了單個項目比傳統理論方法預估工期推遲的現象，但卻縮短了其他項目的生產工期，減少了關鍵資源的不合理利用，使得關鍵資源利用最大化，項目收益最大化。