系統動力學在地鐵車輛工程設計中的應用

李勇，趙楊

（西門子交通技術（北京）有限公司上海分公司，上海 200082）

1 引言

城市軌道交通工程作為城市建設工程中一項科學嚴謹的系統工程，也是城市得以迅速發展的重要工程。地鐵車輛的工程設計，作為城市軌道交通工程的重要環節，是涉及多個技術領域的龐大復雜系統的組合，各系統間的接口銜接十分復雜，整體性要求極高。對接口環節中的任何問題處理不當，輕則造成員工相互推諉，員工生產效率下降，返工，從而影響工期；重則造成設計功能無法達到，造成整個系統運行的不穩定。傳統的工程設計管理辦法，如建立進度跟蹤矩陣，制定接口問題網絡圖，接口問題記錄表，制定接口管理程序等，多局限于根據接口的成因，對接口進行細節劃分，對接口管理的措施和注意事項進行逐一定義。然而，這種管理方法是建立在假設項目中的每一個細節都能夠被合理地理解和拆分的基礎上?，F實工程設計管理中，各因素之間彼此相互作用，工程設計的實際進展要遠比單純依據經驗將工程設計問題進行拆分要復雜。系統動力學能夠有效解決系統中的組成要素間相互作用對系統發展的影響。并且能夠根據要素的變化，利用計算機軟件快速預測工程設計的發展趨勢。本文首先對系統動力學方法做簡要介紹，接著通過案例介紹系統動力學在工程設計管理中的應用，最后總結系統動力學方法對工程設計管理的價值，并建議系統動力學方法可作為傳統工程設計管理辦法的補充。

2 系統動力學方法

系統動力學是描述系統總體行為因果關系的研究工具。系統動力學從社會因素、經濟因素、人因要素、工業環境因素等方面，對系統進行多角度全面分析，并從總體角度出發，考慮反饋、變化對系統發展運動產生的影響，并應用計算機計算軟件（Vensim），對變化因素進行量化測試和分析。表1 總結了傳統工程設計管理方法和系統動力學方法的對比。

表1 傳統工程設計管理方法和系統動力學方法的對比

3 系統動力學在地鐵車輛工程設計中的應用

地鐵車輛工程設計管理體現在對工程接口的管理上。其接口除專業技術接口外，還有職能管理接口和合同管理接口。按照工程階段，又可劃分為項目規劃接口、項目分析接口、項目設計接口、項目施工接口等。在項目的眾多接口管理要素中，本文從3 個側重點對影響工程設計接口發展的因素進行分析，即監督控制、返工和員工工作管理制度。并根據構建的系統模型進行仿真計算，分析各要素對工程設計管理的影響作用。

3.1 監督控制

圖1 展示了在工程設計管理中監督控制環節的主要反饋循環。箭頭表示了不同要素間的相互影響關系。當管理團隊感知到工程設計計劃實施進度將要延后時，主觀上將分配更多的資源和員工，以期望獲得實際進展率的提升。同時剩余的工作總量也將減少，預期完成時間將會提前，通過這一反饋循環阻止工程設計實施進度推遲。但在工程設計管理的實際執行過程中，有很多因素將會阻止管理者獲得更多資源，圖1 中列出了可能影響管理者獲得更多人力資源、政策資源和阻礙工程設計管理進展速率的因素。通過構建各因素間相互影響的平衡循環，量化分析各因素間的相互關系和各因素對工程設計管理工作的總體影響。

圖1 監督控制循環

3.2 返工

圖2 展示了在工程設計管理中返工環節的主要反饋循環。感知中的工程設計管理進度往往跟管理的實際進度相差很大。在返工循環中，總工作效率由可用的資源和員工的工作效率決定，隨著時間的推移，剩余的工作總量應該減少。然而，由于工作中會產生一定量的錯誤，從而需要一定量的返工，同時這些返工的工作量也會增加總的剩余工作量。需要返工的工作量會受到錯誤沉積時間的影響，如果某個錯誤發生在概念設計初期，那建立在該錯誤工作上的所有設計活動都將需要返工，因此，工程設計管理工作的實際進度往往遠落后于感知中的管理進度。返工循環體現了4 個管理學中的控制因素：資源水平、生產效率、質量和錯誤被發現所需的時間。通常，管理者會將注意力集中在資源水平和生產效率上。然而，從返工循環模型中可以看出，質量和錯誤被發現的效率也是十分重要的影響因素。

圖2 返工循環

3.3 員工工作管理制度

圖3 展示了在工程設計管理工作中員工管理制度的主要反饋循環。這個循環假設當項目進度下滑時，管理者首先想到招聘更多員工。然而，直接的招聘行為反而會減小工程的實際勞動效率。如圖3 所示，一方面將增加培訓和溝通量。新員工需要一定時間的培訓才能達到預期的員工工作效率，老員工在為新員工進行培訓時，自身的工作效率也會降低。另一方面，更多的員工需要更多的管理資源投入，需要更多的時間討論工作細分辦法，職責分工和工作對接等。另一個改善項目進度下滑的方法是將員工置于嚴格的時間壓力下，但員工的工作質量也會受到負面影響，產生更多的錯誤率，增加返工，最終仍然會造成工程進度的下滑。

圖3 員工工作管理制度循環

3.4 輸出

圖4 給出了系統動力學仿真結果，本文主要對個人工作效率、員工數量、工程預計完成時間和總工作效率進行仿真。依據傳統工程技術管理經驗，預估工程持續時間，將預估數據輸入上述組合模型中，得到工程發展的實際持續時間（曲線3）遠超計劃。此時，管理者將雇傭更多員工（曲線2），然而，員工的個人工作效率將因此下降（曲線1），總工作效率（曲線4）在一定程度上上升過后反而下降。從仿真結果可以看出，管理團隊試圖通過增加員工雇傭量的方式解決工程延期問題，將無法取得預期的效果。實際的管理工作應該找到雇傭員工數量和整個工程項目發展規模的平衡點，達到資源的最大可利用率。

圖4 系統動力學仿真輸出結果

4 將系統動力學方法與傳統工程技術管理方法相結合

所有的工程設計管理方法，無論是網絡圖、工程計劃細分表，還是系統動力學，都試圖提供以下2 方面內容：

1）提供能反映現實環境、客觀公正的工程評估，包括工程時間、花費、資源需求等。這些評估也許跟預期有差別，但卻能反映工程的客觀事實。

2）一個能反映真實、有能力達到的預期評估。這個預計包含合理的細節劃分、合理定義的工作內容以及每項工作所需要的資源。

一般來說，傳統的工程設計管理辦法能夠很好地處理工程預期方面的工作。傳統的工程設計管理規則要求將工程工作細分，并明確定義各項工作間的接口。但這種工程管理辦法是人為定義工程管理計劃，要求工程執行人員嚴格按照所制訂的管理計劃執行，實現預期的工程進度和資源消耗，當然這是建立在管理人員有能力對工程做出全面預測和準確規劃的基礎上。相比之下，系統動力學模型重點關注現實工程執行中的不足。它能夠提供更精確的、公正的估計，并且能夠幫助管理團隊發現所有可能偏離工程預期發展軌跡的因素。因此，系統動力學方法可以作為傳統工程設計管理方法的有益補充，彌補傳統管理方法中無法對動態演變過程做出響應的不足。

5 結語

系統動力學和傳統工程技術管理方法可以作為互補方法，為地鐵車輛的工程設計提供有益幫助。傳統工程技術管理辦法能夠提供管理所需的細節信息，系統動力學方法能夠提供管理所需的策略信息，并對管理策略進行仿真驗證。通過將二者的合理組合，獲得管理所需的最優方案。