EPC项目关键链缓冲区设置模型研究

EPC项目关键链缓冲区设置模型研究

刘书庆，罗丹，刘佳，陈丹丹

(西安理工大学经济与管理学院，陕西西安710054)

摘要：为有效解决EPC项目关键链缓冲区时间估计不够准确而影响项目进度计划编制与控制的问题，在分析现有关键链缓冲区设置方面研究成果及其存在不足基础上，首先采用探索性因子分析法，通过文献归纳、问卷设计与数据采集、数据处理与分析，进行了EPC项目缓冲区设置影响因素发掘与提取，提取出了21项EPC项目缓冲区设置关键影响因素；其次建立了基于影响因素权重及其对不同工序影响程度的工序综合权重计算模型，同时引入工序位置权重及工序作业时间风险弹性系数，构建了项目缓冲区及输入缓冲区定量确定模型；最后以某EPC项目为例进行了应用研究，论证了关键链缓冲区设置模型的准确性与可操作性，为EPC项目缓冲区设置提供了借鉴。

关键词：进度计划；缓冲区设置；关键链；EPC项目

收稿日期：2013-11-29

基金项目：国家社会科学

作者简介：刘书庆(1962-)，男，西安理工大学经济与管理学院教授，研究方向为项目管理与质量工程。

中图分类号：C935 文章标识码：A

Research on The Critical Chain Buffer Setting Model of EPC Project

LIU Shu-qing, LUO Dan, LIU Jia, CHEN Dan-dan

(SchoolofEconomicandManagement,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710054,China)

Abstract:The inaccurate estimation of buffer time always has influence on the project planning and control of EPC project, in order to solve the problem effectively, on the basis of analyzing the current research achievement and existing problems of critical chain buffer setting, firstly, viewing the literature, designing questionnaires and collecting data, processing and analyzing data, the influence factors of EPC project buffer setting have been extracted through the exploratory factor analysis method, and 21 key influence factors of buffer setting are determined; Secondly, the process synthesis weights calculation model is constructed based on the weight of different factors and different factors have different effects on the process, meanwhile, introducing the process position weight and the risk elastic coefficient of processes operating time, a quantitative determination model of the project buffer and the input buffer is established; Finally, an example of EPC project is applied, argued the accuracy and operability of the key chain buffer setting model, referenced for the EPC project buffer setting.

Key words:project planning; buffer setting; critical chain; EPC project

0引言

EPC模式是指总承包商按照合同约定，承担项目设计、采购、施工及试运行服务等，并对承包项目质量、安全、工期、造价等全面负责，该模式以其独特的一体化管理优势正逐步成长为一种国际通行的项目组织实施方式。但由于EPC项目具有工序种类繁多、工序深度交叉、接口衔接复杂、工序间资源依赖关系和逻辑关系复杂、项目周期长、影响工期的不确定因素多等特性，传统PERT/CPM等方法运用于工序间资源依赖关系和逻辑关系复杂、不确定性因素较多的EPC项目中具有一定局限性，已有学者尝试将关键链技术运用到EPC项目进度计划编制与控制中，而CCPM的精髓是缓冲区时间估计[1]，其通过缓冲机制的设置来吸收项目执行过程中可能出现的不确定性[2]，可以确保项目按期完工。由此可见，构建EPC项目关键链缓冲区设置模型，对于预防EPC项目延期交付具有十分重要的现实意义。现有关键链缓冲区设置方面的研究成果主要体现在：W L Peng等建议采用根方误差法(RSEM)计算缓冲区时间[3]；Cohen等提出从资源利用率、网络复杂性及完工期望率等角度来设置缓冲区[4]；施骞等综合考虑资源紧张度、网络计划复杂度和项目经理风险偏好等因素及资源的可替代性，提出了不确定条件下的缓冲区设置方法[5]；刘士新等提出结合经典RCPSP优化调度理论和根方差，采用启发式模型算法，进行缓冲区设置[6]；杨立熙在考虑工序数、工序执行时间不确定程度和开工柔性3个项目属性基础上，提出了缓冲区设置的改进方法[7]；Yu J 等提出考虑活动时间分配、资源影响因子和进料链的缓冲区设置方法[8]；Yang Xiao-ping等提出借鉴排队论模型设置缓冲区[1]；Luong等利用模糊数对活动工期进行描述，提出基于模糊技术的根方差法的项目缓冲区计算模型[9]；Gao Peng等基于灰色系统理论，引入α-截集来确定缓冲时间[10]；Ma Guofeng等借鉴项目柔性管理，提出改进型缓冲区大小设置方法[11]；Li Bie等提出了基于活动间依赖假设的缓冲区大小确定方法[12]；OyaI. Tukel等综合项目资源受限和网络复杂性特点来决定缓冲区大小，提出了自适应过程与密度法(APD)和自适应过程与资源限制法(APRT)[13]；Liu等引入结构熵概念表述建筑项目网络调度的复杂性，并提出基于活动属性的缓冲区尺寸计算方法[14]；Zhang Xiaoming等考虑了项目实施过程中各种不确定因素，通过模糊综合评价法确定各因素权重后，提出了一种新的缓冲区大小设置方法[15]。但现有CCPM缓冲区设置研究中，未能充分考虑EPC项目实施进度影响因素对缓冲区的影响、不同影响因素对于项目不同工序的影响程度及不同工序的贡献率等问题，从而导致缓冲区时间估计不够准确。基于此，本文试图在进行EPC项目缓冲区设置影响因素发掘与提取基础上，提出基于影响因素权重及其对不同工序影响程度的工序综合权重计算模型，同时引入工序位置权重及工序作业时间风险弹性系数，建立项目缓冲区及输入缓冲区定量确定模型，以期解决上述研究不足。

1EPC项目缓冲区影响因素提取

有关影响因素提取的方法主要有列举法、文献归纳分析法、关联分析法、探索性因子分析法等。前两种方法在影响因素提取中只重点考虑相关学者的研究成果；关联度分析法对影响因素最优关联度值较难确定，且主观性过强；而探索性因子分析法进行影响因素发掘相对其他方法较为客观、准确。故在此采用探索性因子分析法对EPC项目缓冲区影响因素进行发掘与提取。

1.1基于元分析的EPC项目缓冲区设置影响因素文献归纳

在此，以Google学术、EBSCO、Elseviewer、ASCE、Emerald、IEEE/IEE、CNKI、万方数字化期刊数据库等国内外知名数据库为平台，以设计进度、采购进度、生产进度、施工进度、项目进度等组合形成的中英文为关键词进行检索，对检索到与此相关的70余篇文献资料[16～30]进行分类整理及判别后，剔除部分关联性低的文献，然后对筛选出的影响因素精炼提纯与规范命名[31]，归纳出21项影响EPC项目缓冲区设置的影响因素，形成如表1所示EPC项目缓冲区设置相关影响因素元分析表。

表1　EPC项目缓冲区设置影响因素元分析表

1.2EPC项目缓冲区设置影响因素问卷设计与数据分析

a.问卷设计与数据采集

(1)问卷设计

依据表1所示元分析结果，采用直接调查法与间接调查法相结合的问卷调查方法，对EPC项目缓冲区设置影响因素进行调查，其问卷设计包括直接设计、间接设计和整体设计。

1)问卷直接设计：以表1所示EPC项目缓冲区设置影响因素元分析所得出21个影响因素作为直接设计的问卷题项，以体现理论界的研究成果。

2)问卷间接设计：由于探索性因子分析资料收集弹性较大，在此采用类目网格技术[32]，邀请精细化工领域EPC总承包商设计、采购、施工管理、现场项目管理部门主管与监理工程师及其相关进度管理人员作为访谈对象，采用现场访谈方式，与调查对象共同反复斟酌问卷题项的必要性，进行有关EPC项目缓冲区设置影响因素的补充、调整与深入发掘，找出更多的EPC项目缓冲区设置影响因素或对现有因素的合理性进行判断。调查信息收集结果表明：部分调查对象提出资金保障及时性是其他影响因素的基础性保障因素，若资金不能及时到位，则EPC项目实施过程中所需的人员、物料、设备等也不能及时有效控制到位，因而资金保障及时性可在其他因素中体现，在此不作为单独因素考虑。同时将所收集到的EPC项目缓冲区设置影响因素进行规范命名，以此形成间接调查问卷题项，体现实践界的关注焦点。

3)问卷整体设计：将上述直接调查问卷和间接调查问卷题项进行合并汇总基础上，首先依据问卷设计应遵循的简明性、清晰性、客观性、目的性与针对性等原则，通过多样性题型和检验性题型设置及其采用开放式提问方式进行问卷整体设计，以确保问卷类型与结构的有效性；其次选取10家具有一定代表性的EPC项目总承包商为预调查对象，邀请其设计、采购、施工管理、现场项目管理部门主管与监理工程师及其相关进度管理人员进行预调研，斟酌问卷题项的必要性、适用性、提问方式及题项顺序、问题数量等；然后依据收集的反馈信息与专家建议，对调查问卷题项进行调整和修改而形成最终调查问卷。其中：①将相关方需求识别准确性、设计组织结构完备性及设计相关信息技术获取及时性合并规范命名为设计准备完备性；②将外部协调有效性细分为业主协调有效性、监理协调有效性、分包商协调有效性、社区政府协调有效性。由此形成正式调查问卷，具体涉及表2所示21个EPC项目缓冲区设置影响因素。正式调查问卷采用“内部一致性”的李克特(Likert)的五级量表法，从5(完全认同)到1(完全不认同)。

表2　EPC项目缓冲区设置影响因素

(2)数据采集与样本特征。此次调查选取石油、化工、电力、建筑等行业具有一定代表性的EPC项目总承包商作为最终调查样本。调查对象主要为具有参与EPC项目丰富实践经验的管理人员，具体邀请其设计、采购、施工管理及现场项目进度管理人员，采用现场访谈、问卷调查等形式，请其判断问卷提出的影响因子对EPC项目缓冲区设置的影响程度，并努力保证问卷判定过程处于受控状态。本次调查发出问卷450份，回收有效问卷220份(>21×10=210)，占发出问卷总数的48.9%，其获得的数据能满足研究需要。

b.数据处理与分析

(1)因素分析

①KMO和Bartlett球形检验。在此使用SPSS 19.0软件运行调查数据，得出EPC项目缓冲区设置影响因素的KMO和Bartlett检验结果具体如表3所示，其KMO值为0.801>0.7，χ2值为5154.093、统计概率为0.00﹤0.01，说明适合于进行因子分析[33]。

表3　球形检验结果

②公因子提取。在此采用主成分分析法，使用SPSS 19.0软件提取量表中21个因子的共同因子，得出如表4所示总方差解释表。由表4可知，初始特征值>1.0的因子共5个，因而可提取5个公因子，提取的5个公因子累计解释变量为80.182%>70%，说明问卷设计具有较高的结构效度[33]。

表4　总方差解释表

(2)信度分析

在此使用SPSS 19.0软件，进行基于Cronbach’sα信度系数法的调查数据信度分析，分析结果如表5所示，其Cronbach’sα值均大于0.7，表明调查量表的内部一致性较高，收集数据信度水平良好[33]。

表5　信度检验总表

(3)信度分析

在此使用SPSS 19.0软件，进行基于Cronbach’sα信度系数法的调查数据信度分析，分析结果如表5所示，其Cronbach’sα值均大于0.7，表明调查量表的内部一致性较高，收集数据信度水平良好[33]。

由以上EPC项目进度影响因素实证分析结果可得，表2中A1～A21对应的21项因素为EPC项目缓冲区设置的关键影响因素。

图1　EPC项目关键链缓冲区定量设置流程图

2EPC项目缓冲区定量设置模型构建

在此依据上述提取的EPC项目缓冲区设置影响因素，进行缓冲区设置影响因素综合权重确定，并结合工序位置权重系数[34]和作业时间风险弹性系数[2]，共同确定缓冲区，缓冲区定量设置流程如图1所示。

2.1工序综合权重计算模型

在此，在确定工序综合权重涉及缓冲区影响因素客观权重与主观权值基础上，计算工序综合权重值。

(1)缓冲区影响因素客观权重确定

结合影响因素权重确定方法的适用范围[35～37]，选取熵权法确定缓冲区影响因素的客观权重。

①初始判断矩阵A构造。选取J个相关同类EPC项目作为评价对象，进行进度影响因素对EPC项目进度影响程度重要性判断，得到初始判断矩阵A。A=(rij)I×J，其中rij表示第i个影响因素对第j个项目影响程度的评价值，i=1,2,…,I；j=1,2,…,J。

②标准化判断矩阵B构建。对效益型指标按式(1)进行标准化、损失型指标按式(2)进行标准化，计算得出rij′，由此可实现将判断矩阵A=(rij)I×J标准化为矩阵B=(rij′)I×J。

(1)

(2)

其中：max{rij}为第i个影响因素对J个EPC项目影响程度评价结果的最大值，min{rij}为第i个影响因素对J个EPC项目影响程度评价结果的最小值。

③影响因素熵值Hi确定。影响因素i的熵值计算公式如(3)所示。为使lnfij有意义，假定fij=0时，fijlnfi=0。

(3)

其中：rij′为rij无量纲化后的值，fij为rij′归一化后的值，i=1,2,…,I；j=1,2,…,J。

④影响因素客观权重值wi确定。影响因素的熵值越小，其熵权越大，表示该影响因素对相关工序进度的影响程度越大。因此，熵权值可作为项目缓冲区设置影响因素的客观权重值。其中，由熵值Hi确定项目缓冲区设置影响因素i的熵权计算公式如式(4)所示。

(4)

其中：Hi为影响因素的熵值，I为影响因素个数，i=1,2,...,I。

(2)缓冲区影响因素主观权值确定

每个影响因素对EPC项目各工序的影响程度不同，为明确不同影响因素对不同工序作业时间的影响程度，在此探讨缓冲区影响因素对不同工序作业时间的影响程度的主观权值确定方法。

①EPC项目不同工序作业时间潜在影响因素确定。邀请EPC项目相关设计、采购、施工进度管理人员及外部专家，选择I个影响因素中对不同工序存在潜在影响关系的因素，以判断确定出其潜在影响因素。

②潜在影响因素对不同工序作业时间影响程度主观判断。通过邀请上述专家分别判断各潜在影响因素对不同工序作业时间的影响程度，可形成不同专家有关潜在影响因素对相关工序作业时间影响程度的主观判断矩阵N，并统计出k×i个初始均值及离散程度。N=(ski)K×I，其中ski表示第i个影响因素对第k个工序影响程度的评价值，i=1,2,…,I；k=1,2,…,K。

③影响因素主观权值矩阵Nk×i确定。运用Delphi法进行循环调查，直至sik均值及离散程度稳定为止，形成主观权值矩阵Nk×i，Nk×i即为第i个影响因素对EPC项目第k道工序的影响程度主观权值。

(3)工序综合权重λk×1确定

现有综合权重确定方法主要包括主客观权重相乘及主客观权重线性组合两种方法，主客观权重线性组合法适用于主客观权重具有同样的意义，而EPC缓冲区影响因素主客观权重所针对的对象不同，因而此方法不适用于EPC项目缓冲区工序综合权重的确定；主客观权重相乘法可综合体现不同对象的影响程度，故选用主客观相乘法进行EPC缓冲区工序综合权重λk×1确定。具体计算公式如(5)所示：

λk×1=Nk×i×wi×1

(5)

其中：Nk×i为第i个影响因素对EPC项目第k道工序的主观权值，wi×1为第i个影响因素客观权重值。

2.2项目缓冲区及输入缓冲区定量确定模型

在此，结合上述确定的工序综合权重，引入工序位置权重系数及工序作业时间风险弹性系数，进行项目缓冲区及输入缓冲区定量确定模型构建。

(1)工序位置权重系数αk确定

缓冲区除了受上述影响因素作用外，工序所在关键链位置也会对不确定性产生影响，距离项目开始时间越近的工序不确定性越小，反之不确定性越大[34]。因此，需要在缓冲区计算时加入第k道工序位置权数αk，通过αk值来反映工序所处位置的差异而产生不同的不确定性。αk计算公式见式(6)：

αk=lk/L

(6)

其中，lk表示项目开始至第k道工序时间中点的距离；L表示项目工期；k=1,2，…，K。

(2)工序作业时间风险弹性系数βk确定

各工序作业时间分布的差异对工序的不确定性也有影响，若PERT三点估计中的第k工序最可能时间mk越接近于其最乐观时间ak，则该工序延期的可能性越小；若mk越接近最悲观时间bk，则该工序延期的可能性越大[2]。因此，不同工序对缓冲区大小的影响程度也不相同，故将第k道工序时间的风险弹性系数βk作为缓冲区大小确定的系数之一，其计算公式见式(7)：

(7)

其中，ak为第k道工序估计的最乐观时间值；bk为第k道工序估计的最悲观时间值；mk为第k道工序估计的最可能时间值；k=1,2,…,K。

(3)项目缓冲区与输入缓冲确定

缓冲区包括项目缓冲区(PB)，输入缓冲区(FB)和资源缓冲区(RB)，其核心是PB及FB的确定。其中，PB属于关键链末端的缓冲时间，用来保证整个项目按时完成；FB属于安置在非关键链与关键链接口处的缓冲时间，用来保证非关键链按时完成；RB属于关键链工序所需资源到位的提前时间，保证其工序进行过程中所需资源能及时获得。综合考虑各工序的综合权重λk×1、位置权重系数αk、风险弹性系数βk，即可确定项目缓冲区PB及输入缓冲区FB，其计算公式见式(8)、(9)。对于并联工序链，应分别计算其PB及FB，然后各取其最大值。

(8)

(9)

依据上述步骤确定PB及FB后，应重新计算和调整插入缓冲后的关键链。调整过程中，尽可能将可以调整任务的开始时间向后推迟，将多任务情形的比例降至最低。

3EPC项目缓冲区定量设置模型应用

在此结合某转制科研院所承担的某EPC项目实际，进行EPC项目缓冲区设置模型应用研究。该EPC项目是该科研院所将其水处理核心技术应用于某水处理项目实际，进行水处理项目设计、设备与物料采购、施工及设备安装、调试与试运行投产的交钥匙工程，其中设计(E)包括3个子系统单元、采购(P)包括7项业务、施工与安装(C)包括6个核心任务，该EPC项目实施中存在设计、采购、施工安装任务重叠、作业交叉，需要根据过程反馈进行设计调整与系统优化，进度计划编制复杂且存在并行控制，采用传统进度计划编制方法不能满足项目进度管理要求，故结合该项目实际，进行EPC项目缓冲区定量设置模型应用。

3.1EPC项目初始关键链识别

在调查整理该EPC项目原始数据基础上，得出其设计系统单元、采购业务、施工与安装任务时间及所需关键资源等资料如表6所示(应科研院所要求，工序名称用符号代替)，其中该项目所能支配的设计人员R1=3组、采购员R2=2组、施工技术人员R3=3组、施工人员R5=35组及施工设备R4若干。运用启发式算法对资源进行优化，利用Project软件得出考虑资源冲突的网络图如图2所示，运用基于期望时间的CPM确定出初始关键链为1-4-6-9-12-13-14-15-16，工期为231d。

表6　某EPC项目工序活动时间及资源需求表

图2　考虑资源冲突的网络图

3.2项目缓冲区与输入缓冲区计算

a.缓冲区设置影响因素权重确定

(1)缓冲区设置影响因素客观权重确定

①初始判断矩阵构造及标准化。对所提取的21个EPC项目缓冲区影响因素进行综合评价后，得到初始矩阵如式A所示。依据公式(1)、(2)可将A矩阵转化为标准矩阵如式B所示。

②影响因素熵值与客观权重值确定。依式(3)、(4)得各指标熵值Hi与客观权重值wi如表7所示。

表7　EPC项目进度影响因素熵值及熵权计算结果表

(2)基于Delphi法的主观判断权值确定

通过邀请相关专家对各工序潜在影响因素及其重要性进行循环调查与专家主观判断，得出如表8所示EPC项目21个作业时间影响因素对16个工序各自的影响程度主观判断权值。

表8　EPC项目进度影响因素主观权重评价表

(3)工序综合权重

第二天，他又接到两起申诉，一起来自一个男的，用温和的语气提出意见。“法官，我们对这件事实在不能不过问了。我是最不愿意打扰爱米丽小姐的人，可是我们总得想个办法。”那天晚上全体参议员—-三位老人和一位年纪较轻的新一代成员在一起开了个会。

依据公式(5)得出上述EPC项目中16个工序对应21个影响因素的综合权重λ如表9所示。

表9　EPC项目缓冲区参数的计算列表

b.项目缓冲区与输入缓冲区计算

依据公式(6)、(7)、(8)、(9)分别计算相关工序的位置权重系数α、工序作业时间风险弹性系数β、项目缓冲区PB及输入缓冲区FB，具体计算结果如表9所示。向上取整，可得FB1=2d、FB2=5d、FB3=5d、PB=12d。利用Project软件形成CCPM基准进度计划如图3所示，可见加入缓冲区后的项目关键链为1-3-7-10-13-14-15-16-PB，除尾部加入缓冲区外，关键链未发生变化，项目总工期为204d。

3.3应用算例结果对比分析

由上述EPC项目缓冲区定量设置模型应用结果可得，以E1为例，采用CPM法确定E1的活动时间为25d，而采用CCPM法确定E1的活动时间为22d，不仅活动时间缩短了12%，而且能够有效避免对后续关键活动造成拖延的影响；利用CCPM法确定的工期(204d)较基于期望时间的CPM法确定的工期(231d)缩短了27d，缩短了项目工期的11.7%，提高了EPC项目运营效率；传统CPM网络计划的关键路线是1-4-6-9-12-13-14-15-16，而CCPM法的关键链是1-3-7-10-13-14-15-16-PB，插入缓冲区PB后，可保证各工序皆在其对应的缓冲区保护下按时完成，提高了各工序完工的概率，并能够有效保护非关键链向关键链转移。由此可见，CCPM法较CPM法在EPC项目进度计划编制中的活动时间估计、项目计划周期确定准确性及缓冲区机制等方面具有明显优越性。

图3　某EPC项目CCPM进度计划

4结语

本文将CCPM运用到EPC项目缓冲区设置中，首先利用探索性因子分析方法，发掘出了EPC项目缓冲区设置的21个影响因素，克服了EPC项目缓冲区设置影响因素研究欠缺与依据不够充分的问题；其次通过建立基于影响因素权重及其对不同工序影响程度的工序综合权重计算模型，同时结合工序位置权重及工序作业时间风险弹性系数，构建了项目缓冲区及输入缓冲区定量确定模型，考虑了各工序的不确定性和各利益相关方的风险偏好，使得缓冲区时间估计更加准确，克服了缓冲区研究中主观不确定性量化的不足；最后以某EPC项目为例，进行了基于CCPM的EPC项目关键链确定模型应用研究与算例分析，论证了其模型的可操作性，为EPC项目缓冲区设置提供了借鉴。

由于本文在进行EPC项目缓冲区设置主要影响因素发掘时，主要选取石油、化工、电力、建筑等行业有代表性的EPC项目总承包商作为最终调查样本，但实际所收集的220份有效调查问卷中超过50%来自于精细化工领域，故本文EPC项目进度影响因素实证分析结果更多适合于精细化工领域EPC项目进度影响因素的控制。企业在实际操作过程中，应结合其EPC项目实际，按照此思路与方法提取适合于项目实际的缓冲区设置影响因素或对21个影响因素进行符合实际的调整；同时，还应依据实际项目特征，对工序影响因素权重进行客观估算，为项目关键链的准确识别及工期的科学规划提供保障。

EPC项目进度计划编制与控制中缓冲区的设置能够吸收项目执行过程中的不确定性，但缓冲区设置还存在反应滞后性及预警效果问题，后续还需要在EPC项目进度预警方面展开进一步研究。

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