基于CCPM-PERT的衛(wèi)星在軌測(cè)試進(jìn)度管理方法研究

楊日新 白洪波 黃彥霖

(1.航天工程大學(xué)，北京 101416；2.61618部隊(duì)，北京 100094；3.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，北京 100025)

0 引言

衛(wèi)星在軌測(cè)試是在衛(wèi)星入軌后、交付用戶前對(duì)衛(wèi)星功能與性能開展的各項(xiàng)測(cè)試與試驗(yàn)，是衛(wèi)星驗(yàn)收最重要的環(huán)節(jié)。衛(wèi)星在軌測(cè)試一是要驗(yàn)證衛(wèi)星的功能與性能是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；二是要確認(rèn)衛(wèi)星是否具備在軌執(zhí)行任務(wù)的能力，它是衛(wèi)星能否交付用戶的最終測(cè)試環(huán)節(jié)[1]。在開展衛(wèi)星在軌測(cè)試的過(guò)程中，試驗(yàn)進(jìn)度管理是指揮和控制衛(wèi)星在軌測(cè)試的重要抓手，其作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是以試驗(yàn)進(jìn)度為基礎(chǔ)制訂明確的試驗(yàn)計(jì)劃，為衛(wèi)星在軌測(cè)試的組織和實(shí)施提供依據(jù)；二是在衛(wèi)星在軌測(cè)試實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)已制訂的試驗(yàn)進(jìn)度計(jì)劃對(duì)試驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行跟蹤控制，確保衛(wèi)星在軌測(cè)試目標(biāo)能夠按計(jì)劃達(dá)成。衛(wèi)星在軌測(cè)試中，進(jìn)度管理不僅需要科學(xué)合理、便于實(shí)施的進(jìn)度計(jì)劃，還需要有效的進(jìn)度控制手段應(yīng)對(duì)各種因素導(dǎo)致的進(jìn)度偏差。

本文旨在介紹一種全新的進(jìn)度管理方法與流程，通過(guò)融合關(guān)鍵鏈法(Critical Chain Project Management，CCPM)和計(jì)劃評(píng)審技術(shù)(Program Evaluation and Review Technology，PERT)，編制衛(wèi)星在軌測(cè)試進(jìn)度計(jì)劃，提供進(jìn)度控制方法，并以某型遙感衛(wèi)星在軌測(cè)試為例驗(yàn)證該方法的可行性和有效性。

1 衛(wèi)星在軌測(cè)試進(jìn)度管理特點(diǎn)與問題分析

衛(wèi)星工作環(huán)境的特殊性以及衛(wèi)星在軌測(cè)試的復(fù)雜性，使衛(wèi)星在軌測(cè)試進(jìn)度管理具有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)。

1.1 不確定性大

衛(wèi)星在軌測(cè)試可以分為衛(wèi)星平臺(tái)試驗(yàn)、有效載荷試驗(yàn)、星地一體化指標(biāo)試驗(yàn)三大類，各類試驗(yàn)包含數(shù)十個(gè)具體的試驗(yàn)項(xiàng)目[2]。在進(jìn)行具體的試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，要提前考慮衛(wèi)星在軌運(yùn)行、衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)、站網(wǎng)接收資源、地面試驗(yàn)場(chǎng)等諸多因素影響，某一因素的影響都可能導(dǎo)致一次試驗(yàn)的失敗。大量的試驗(yàn)項(xiàng)目和諸多的影響因素共同作用，造成衛(wèi)星在軌測(cè)試具有很大的不確定性，因此很難準(zhǔn)確估計(jì)衛(wèi)星在軌測(cè)試的工期。

1.2 管理難度大

與衛(wèi)星地面試驗(yàn)主要依托衛(wèi)星研制和總體部門不同，衛(wèi)星在軌測(cè)試涉及衛(wèi)星用戶方、地面應(yīng)用系統(tǒng)研制方、衛(wèi)星分系統(tǒng)級(jí)和總體研制方等，依托各相關(guān)方協(xié)同開展衛(wèi)星在軌測(cè)試。一方面，相關(guān)方眾多；另一方面，各試驗(yàn)項(xiàng)目之間也存在一定的交叉和關(guān)聯(lián)。當(dāng)某一個(gè)試驗(yàn)出現(xiàn)問題時(shí)，可能需要各相關(guān)方逐一進(jìn)行排查，導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)星在軌測(cè)試停滯或拖延。

1.3 影響衛(wèi)星壽命

衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命是衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)之一。以近地軌道觀察衛(wèi)星為例，其設(shè)計(jì)壽命一般為2～5年，受到太空復(fù)雜環(huán)境的影響，其使用壽命往往短于設(shè)計(jì)壽命。而衛(wèi)星在軌測(cè)試是在衛(wèi)星入軌工作后進(jìn)行的，因此在軌測(cè)試將直接消耗衛(wèi)星使用壽命。假設(shè)一顆衛(wèi)星的使用壽命為3年，如果衛(wèi)星在軌測(cè)試進(jìn)行6個(gè)月，則會(huì)消耗衛(wèi)星1/6的壽命，這在很大程度上影響了衛(wèi)星的使用價(jià)值。因此，衛(wèi)星在軌測(cè)試需要在一定的限期內(nèi)完成。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星在軌測(cè)試進(jìn)度管理通常采用里程碑計(jì)劃，即明確衛(wèi)星在軌測(cè)試的階段目標(biāo)和總目標(biāo)并規(guī)定相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；通過(guò)定期組織工作會(huì)議掌握試驗(yàn)進(jìn)度并對(duì)產(chǎn)生的進(jìn)度偏差進(jìn)行糾正。這種模式下的試驗(yàn)進(jìn)度管理較為粗獷，存在三個(gè)方面的突出問題：①?zèng)]有精細(xì)的進(jìn)度計(jì)劃。以簡(jiǎn)單的“試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)+時(shí)間節(jié)點(diǎn)”作為進(jìn)度管理的依據(jù)，導(dǎo)致進(jìn)度計(jì)劃執(zhí)行時(shí)自由度過(guò)大、進(jìn)度計(jì)劃執(zhí)行松散。②缺乏科學(xué)評(píng)估。在時(shí)間節(jié)點(diǎn)的安排上根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和任務(wù)時(shí)限，難以評(píng)估進(jìn)度計(jì)劃的可靠性，放大了衛(wèi)星在軌測(cè)試的不確定性。③缺少有效的控制手段。由于進(jìn)度計(jì)劃本身較為簡(jiǎn)單，當(dāng)衛(wèi)星在軌測(cè)試出現(xiàn)進(jìn)度偏差時(shí)，進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整的空間非常有限，往往只能通過(guò)延期來(lái)解決問題，同時(shí)無(wú)法估計(jì)局部的進(jìn)度偏差對(duì)在軌測(cè)試總進(jìn)度造成的影響。

2 進(jìn)度管理方法回顧

進(jìn)度管理是現(xiàn)代項(xiàng)目管理的重要組成部分，目前已有一些較為成熟的進(jìn)度管理方法，如甘特圖法、關(guān)鍵路徑法(CPM)、計(jì)劃評(píng)審技術(shù)(PERT)等。近年來(lái)，基于約束理論(TOC)發(fā)展形成的關(guān)鍵鏈法(CCPM)成為進(jìn)度管理研究的熱點(diǎn)。這些方法都廣泛應(yīng)用于各類工程與項(xiàng)目的進(jìn)度管理，且各具特點(diǎn)。

2.1 甘特圖法

甘特圖(Gantt Chart)又稱為橫道圖或條線圖，是進(jìn)度管理常用的方法之一。在甘特圖中，縱軸表示工作內(nèi)容，位于甘特圖左側(cè)；橫軸表示進(jìn)度與工作持續(xù)時(shí)間，位于甘特圖上方。甘特圖示例如圖1所示。

甘特圖采用一種簡(jiǎn)單明了的方式描述整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程，易于管理者和參與者理解和把握整個(gè)項(xiàng)目的情況，但其缺點(diǎn)也較為明顯：①無(wú)法表達(dá)各項(xiàng)工作之間的相互關(guān)系；②無(wú)法指出影響進(jìn)度的關(guān)鍵所在以及進(jìn)度偏差導(dǎo)致的后果；③無(wú)法表示工作中的不確定性，管理者無(wú)法利用甘特圖進(jìn)行敏感性分析。這些特點(diǎn)決定了甘特圖法通常適用于小型項(xiàng)目，難以滿足復(fù)雜項(xiàng)目的管理需要[3]。

2.2 CPM/PERT方法

關(guān)鍵路徑法(CPM)和計(jì)劃評(píng)審技術(shù)(PERT)同屬于網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)，都是利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行安排和控制，以保證實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)。

其中，關(guān)鍵路徑法是通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中項(xiàng)目活動(dòng)時(shí)間參數(shù)的計(jì)算，找到網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的關(guān)鍵路徑，進(jìn)而完成進(jìn)度計(jì)劃安排的一種方法[4]。如圖2所示，在網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中，路徑是指從網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的起點(diǎn)出發(fā)至終點(diǎn)結(jié)束的任意一條連貫的線路，關(guān)鍵路徑是指所有路徑中工作時(shí)間累加最長(zhǎng)的路徑。關(guān)鍵路徑?jīng)Q定了整個(gè)工程項(xiàng)目的工期；關(guān)鍵路徑上的活動(dòng)成為關(guān)鍵活動(dòng)，關(guān)鍵活動(dòng)延誤將導(dǎo)致整個(gè)工程項(xiàng)目的延誤。因此，不論工程項(xiàng)目多么龐大復(fù)雜，通過(guò)管理控制關(guān)鍵路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的進(jìn)度管理。

復(fù)雜的工程項(xiàng)目往往具有不確定性，難以估計(jì)工程項(xiàng)目活動(dòng)時(shí)間，而關(guān)鍵路徑法無(wú)法解決這個(gè)問題，因此需要一種不確定型網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)區(qū)彌補(bǔ)關(guān)鍵路徑法的缺陷，計(jì)劃評(píng)審技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。計(jì)劃評(píng)審技術(shù)與關(guān)鍵路徑法在基本概念和計(jì)劃網(wǎng)絡(luò)圖繪制上基本相同，兩種方法的主要區(qū)別在于對(duì)活動(dòng)時(shí)間的估計(jì)與分析[5]。當(dāng)工作沒有準(zhǔn)確的持續(xù)時(shí)間時(shí)，要根據(jù)以往的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)或工作經(jīng)驗(yàn)給出工作持續(xù)時(shí)間的三種估計(jì)：

(1)樂觀時(shí)間to：表示工作沒有受到任何負(fù)面影響，在最順利的狀態(tài)下完成工作所需要的時(shí)長(zhǎng)，即工作的最短完成時(shí)間。

(2)最可能時(shí)間tm：表示在正常情況下完成工作最可能需要的時(shí)長(zhǎng)。

(3)悲觀時(shí)間tp：表示工作受到負(fù)面影響，在最困難的情況下完成工作所需要的時(shí)長(zhǎng)，即試驗(yàn)活動(dòng)的最長(zhǎng)完成時(shí)間。

考慮到工作時(shí)間的不確定性，計(jì)劃評(píng)審技術(shù)假定每個(gè)工作時(shí)間是一個(gè)隨機(jī)變量，且服從Beta分布。通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)的方法，得到活動(dòng)持續(xù)時(shí)間的期望值te和表示活動(dòng)持續(xù)期望時(shí)間值偏差大小的方差σ2。公式如下

這種方法不僅為進(jìn)度計(jì)劃提供了依據(jù)，還為管理者的決策提供了支持。但是，由于其基本假設(shè)導(dǎo)致其估計(jì)精度一般，更趨向于一種評(píng)價(jià)結(jié)果，而不是一種有效的管理手段，工程項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的進(jìn)度控制沒有得到解決[6]。

3 基于CCPM-PERT的進(jìn)度管理方法

3.1 方法描述

1996年，Goldratt博士把約束理論(Theory of Constraints，TOC)引入項(xiàng)目管理領(lǐng)域，提出了關(guān)鍵鏈和緩沖區(qū)的概念方法[7]，其主要思想包括：①用同時(shí)考慮項(xiàng)目活動(dòng)邏輯關(guān)系和項(xiàng)目資源約束的關(guān)鍵鏈CC(Critical Chain)代替原先的關(guān)鍵路徑，進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃的編制；②考慮人的行為因素，壓縮各個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)的安全時(shí)間，將壓縮出來(lái)的時(shí)間作為緩沖區(qū)，分別安排在網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中的合理位置，以消除不確定因素并聚合風(fēng)險(xiǎn)，使項(xiàng)目能夠按照進(jìn)度計(jì)劃穩(wěn)步進(jìn)行[8]。

關(guān)鍵鏈緩沖管理方法在進(jìn)度計(jì)劃中加入了三種緩沖區(qū)，分別是項(xiàng)目緩沖PB(Project Buffer)、接駁緩沖FB(Feeding Buffer)和資源緩沖RB(Resource Buffer)。如圖3所示，項(xiàng)目緩沖位于關(guān)鍵鏈的尾部，其作用是保證項(xiàng)目能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成；接駁緩沖位于關(guān)鍵鏈與非關(guān)鍵鏈的結(jié)合位置，其作用是保證非關(guān)鍵鏈上的活動(dòng)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成；資源緩沖則是考慮受限資源，其作用是保證關(guān)鍵鏈上的活動(dòng)能夠得到足夠的資源供應(yīng)。

為了克服衛(wèi)星在軌測(cè)試的不確定性，同時(shí)解決計(jì)劃評(píng)審技術(shù)無(wú)法提供有效控制手段的缺陷，本文基于CCPM關(guān)鍵鏈法，提出一種結(jié)合PERT計(jì)劃評(píng)審技術(shù)的進(jìn)度管理新方法，其主要思路是：利用PERT計(jì)劃評(píng)審技術(shù)的三點(diǎn)估計(jì)(to,tm,tp)，以樂觀時(shí)間to作為進(jìn)度計(jì)劃基準(zhǔn)工期得到關(guān)鍵路徑，這樣可以克服“帕金森定律”和“學(xué)生綜合癥”對(duì)進(jìn)度造成的延誤。再分別以三個(gè)估計(jì)時(shí)間計(jì)算關(guān)鍵路徑總長(zhǎng)并得到緩沖區(qū)比例系數(shù)KB，通過(guò)比例系數(shù)KB計(jì)算項(xiàng)目緩沖PB和接駁緩沖FB的大小，完成進(jìn)度計(jì)劃并以緩沖區(qū)對(duì)進(jìn)度進(jìn)行控制，該方法的實(shí)施步驟如下：

步驟3：計(jì)算緩沖區(qū)比例系數(shù)KB。利用三點(diǎn)估計(jì)時(shí)間to,tm,tp，分別計(jì)算關(guān)鍵鏈CC的總長(zhǎng)度。式(1)為比例系數(shù)KB的計(jì)算公式，從整個(gè)衛(wèi)星在軌測(cè)試工程進(jìn)度安排考慮，確定緩沖區(qū)的比例系數(shù)。式(1)如下

(1)

步驟4：利用緩沖區(qū)比例系數(shù)KB計(jì)算項(xiàng)目緩沖PB和接駁緩沖FB。式(2)、式(3)中，CC表示關(guān)鍵鏈，NCC表示非關(guān)鍵鏈。在計(jì)算緩沖區(qū)大小后，將緩沖區(qū)插入網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中的相應(yīng)位置。具體公式如下

(2)

(3)

步驟5：在衛(wèi)星在軌測(cè)試的實(shí)施過(guò)程中，跟蹤試驗(yàn)進(jìn)度情況，當(dāng)出現(xiàn)進(jìn)度偏差時(shí)，管理者通過(guò)分析研判，利用緩沖區(qū)對(duì)進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行控制和調(diào)整。

3.2 實(shí)例運(yùn)用

以某型遙感衛(wèi)星開展在軌測(cè)試為例，分別運(yùn)用PERT計(jì)劃評(píng)審技術(shù)和本文提出的CCPM-PERT方法制訂在軌測(cè)試進(jìn)度計(jì)劃，比較兩種方法的所得到的時(shí)間總長(zhǎng)。該型遙感衛(wèi)星在軌測(cè)試要完成四大類共22個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目[9]，三點(diǎn)時(shí)間估計(jì)和時(shí)間參數(shù)計(jì)算見表1，網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖見圖4。

3.2.1 PERT計(jì)劃評(píng)審計(jì)劃

在運(yùn)用PERT計(jì)劃評(píng)審技術(shù)制訂進(jìn)度計(jì)劃時(shí)，根據(jù)三點(diǎn)時(shí)間估計(jì)并計(jì)算期望時(shí)間te，各試驗(yàn)項(xiàng)目的期望時(shí)間見表1。計(jì)算得出期望時(shí)間te后，找到網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中的關(guān)鍵路徑L→M→N→O→P→Q→S→T→U→V，關(guān)鍵路徑長(zhǎng)度為

表1 三點(diǎn)時(shí)間估計(jì)和時(shí)間多數(shù)計(jì)算

TCPM=7.5+15.7+5.8+6.0+15.7+7.5+10.6+7.5+19.8+20.3=116

關(guān)鍵路徑的標(biāo)準(zhǔn)離差為

3.2.2 CCPM-PERT方法

在運(yùn)用CCPM-PERT方法制訂進(jìn)度計(jì)劃時(shí)，以三點(diǎn)估計(jì)時(shí)間中的樂觀時(shí)間to確定關(guān)鍵鏈CC，關(guān)鍵鏈為L(zhǎng)→M→N→O→P→Q→S→T→U→V，關(guān)鍵鏈長(zhǎng)度為

TCC=5+12+4+4+12+5+8+5+14+16=85

再以三點(diǎn)估計(jì)時(shí)間計(jì)算緩沖區(qū)比例系數(shù)KB

得到緩沖區(qū)比例系數(shù)KB之后，計(jì)算緩沖區(qū)的大小，見表2。

表2 緩沖區(qū)計(jì)算

將項(xiàng)目緩沖PB和接駁緩沖FB分別插入對(duì)應(yīng)位置，得到網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，如圖5所示。

比較兩種方法得到的總工期，運(yùn)用PERT計(jì)劃評(píng)審技術(shù)制訂進(jìn)度計(jì)劃，總工期為116天；運(yùn)用CCPM-PERT方法制訂進(jìn)度計(jì)劃，基本工期85天，項(xiàng)目緩沖PB為26天，總工期111天。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，CCPM-PERT方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①運(yùn)用該方法制訂衛(wèi)星在軌測(cè)試進(jìn)度計(jì)劃可以獲得更短的工期；②該方法利用樂觀時(shí)間to作為基本工期，可以減少“帕金森定律”“學(xué)生綜合癥”等因素造成的時(shí)間浪費(fèi)；③通過(guò)設(shè)置緩沖區(qū)可以充分克服衛(wèi)星在軌測(cè)試的不確定性，確保試驗(yàn)計(jì)劃能夠按時(shí)完成；④管理部門可以利用緩沖區(qū)對(duì)衛(wèi)星在軌測(cè)試進(jìn)度計(jì)劃的實(shí)施進(jìn)行有效控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于關(guān)鍵鏈法，利用計(jì)劃評(píng)審技術(shù)中的三點(diǎn)估計(jì)確定關(guān)鍵鏈和緩沖區(qū)的大小，彌補(bǔ)了單純運(yùn)用計(jì)劃評(píng)審技術(shù)制訂進(jìn)度計(jì)劃時(shí)存在的缺陷，同時(shí)發(fā)揮了關(guān)鍵鏈法的優(yōu)勢(shì)，克服了衛(wèi)星在軌測(cè)試的不確定性，縮短了衛(wèi)星在軌測(cè)試工期，并為管理者提供了進(jìn)度跟蹤與控制的手段，為衛(wèi)星在軌測(cè)試的進(jìn)度管理提供了新的思路和方法。

由于衛(wèi)星在軌測(cè)試的特殊性，資源約束對(duì)進(jìn)度影響較小，本文在運(yùn)用關(guān)鍵鏈法時(shí)沒有引入資源緩沖RB，僅考慮時(shí)間作為唯一的約束條件。隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)射的頻率和數(shù)量都在不斷上升，對(duì)衛(wèi)星在軌測(cè)試的要求也會(huì)不斷提高，要運(yùn)用關(guān)鍵鏈法對(duì)衛(wèi)星在軌測(cè)試進(jìn)行管理還需要探索更為合理的緩沖區(qū)計(jì)算方法，進(jìn)一步提高衛(wèi)星在軌試驗(yàn)進(jìn)度計(jì)劃的準(zhǔn)確性和有效性。