系统动力学模型在管理信息系统开发项目管理中的应用

陈志明

摘要：本文将管理信息系统开发项目视为一个复杂的动态系统，通过系统的思考，识别出决定项目时间、成本和MIS功能的主要因果反馈回路。深入分析了回路中各变量的相互关系，帮助管理者更好理解项目过程表现出的复杂行为及其背后的影响机理。借助仿真软件Vensim，建立了管理信息系统开发的系统动力学模型，预测了项目时间和成本随MIS功能的修改而变化的情况。通过灵敏度分析，模拟了不同参数下的管理策略对项目绩效的影响，为项目管理的决策优化提供参考依据。

Abstract： This paper considers the management information system （MIS） development as a complex system， establishes the causal loops determining the functions of MIS， the cost and time of the project. According to systems thinking， we analyze the relationships of key variables in order to help manager better understand the behaviors of the complex system. We use Vensim to set up a system dynamics model of MIS development which can predict the cost and time of the project. Finally， the sensitivity analysis is applied to evaluate the performance of different project management strategies.

关键词：系统动力学；管理信息系统开发；项目管理

Key words： system dynamics；management information system development；project management

中图分类号：N941.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）18-0102-05

0 引言

管理信息系统（Management Information System，MIS）的开发涉及因素众多，牵连关系复杂，不仅是一个技术的应用过程，更是一个人的交互过程。因为人类活动是一种复杂的影响因素，所以在有人参与并由人控制的管理信息系统开发项目中往往会出现各种问题，如系统规划阶段制定的项目期限或者开发费用在实际执行中超出预定目标[1]。此外，系统开发容易受到环境的影响，企业会随着环境的变化对系统提出新的功能要求，造成开发过程的不确定性，给项目管理带来一定的难度。

管理者在面对这类问题时，要认识到MIS开发的各个环节紧密联系，相互影响。只有将开发MIS的整个过程视为一个系统，从全局上理清各种因素间的复杂关系，找出产生问题的关键因素，才能制定出科学的解决方案。系统问题的解决需要系统的方法，而系统动力学（System Dynamics，SD）为此提供了强大的理论和工具。它将研究对象视为一个相互联系的，具有整体性的系统，通过因果回路直观地表示各因素间错综复杂的关系，为深入理解系统结构提供了清晰的脉络。因果回路又可以很自然地扩展成系统动力学模型，通过计算机流图定量地描述各个因素间的变化关系，使人们对系统结构的认识从感性上升到理性[2-5]。

系统动力学模型在项目管理中的应用最早始于Roberts[6]，他在1964年建立了一个只有30个方程的SD模型，研究R&D;中基本的动力学问题。模型虽然简单，但拓展了SD的应用领域，为后人研究项目管理问题打下了基础。Cooper[7]建立了一个用于大型造船项目评审的SD模型，并进一步发展成为造船项目的战略分析及預测工具。Ford等[8]建立了半导体芯片开发过程的SD模型，对开发过程各阶段之间协调关系的重要性进行了研究。Williams等[9]把SD运用到项目管理的咨询服务中，在客户需求变化对项目期限的影响方面做了大量的研究工作。Love等[10-11]用SD模拟了计划外的未知因素对建筑项目管理的影响。翟丽等[12]则用SD模拟加班策略对软件项目管理的影响。王静宇等[13]应用SD解决大型复杂项目建设中CPM计划与项目实际进展脱离的问题。冯磊等[14]对Partnering模式下的工程项目进行系统动力学分析，为评估项目工期提出了一种可行的方法。Li[15]等用SD优化电网工程项目管理，找到影响项目绩效的关键因素。宁晓倩[16]建立了一个包括软件开发过程、人员管理、计划、控制等方面的软件开发项目管理模型，从战略性的视角帮助项目管理者分析理解软件开发的动态过程。

虽然SD已经成为项目管理的一个有效工具，但是鲜有在MIS开发中的应用。本文将MIS开发项目视为一个复杂的动态系统，通过系统的思考，从全局出发，识别出影响项目时间、成本和MIS功能的主要因果反馈回路。以定性分析和定量分析相结合，建立管理信息系统开发的系统动力学模型，通过仿真软件Vensim预测加班和增员两种策略对项目时间和成本等方面的影响，以使管理者深入理解系统复杂性的根源，提高项目管理的科学性。

1 模型建立

本文遵循生命周期法，将开发MIS的项目分为相互联系的五个阶段：系统规划→系统分析→系统设计→系统实施→系统运行和维护。因为项目是以MIS的交付使用为结束标志，所以系统运行和维护不在本文的研究范畴。而系统规划作为MIS开发前的准备工作，所耗费的时间和费用很少，为了简化模型，系统规划也不纳入研究范围。下面根据MIS开发项目中遇到的主要问题，即费用超出预算、时间超出期限、系统功能变更，将时间、成本和MIS功能做为关键变量，确定主要的因果反馈回路，通过Vensim建立系统动力学模型。

1.1 MIS功能的因果反馈回路

MIS功能是在系统分析阶段确定的，系统分析员通过参观访谈，识别出企业存在的问题，确定MIS功能。然而，由于企业职员不了解MIS，不能很好地提出系统需求。另一方面，系统分析人员缺少管理的相关知识，无法充分理解企业的业务流程。双方的信息不对称会使系统开发偏离正确的方向，造成交付使用的MIS功能无法满足用户的需求。而且，企业的环境是在不断地变化，新的变化产生新的问题，从而对系统功能提出新的要求。因此，系统分析阶段确定的MIS功能并不完善，在后续开发中需要修改和补充。

图1展示了MIS功能的因果反馈回路，功能与企业问题存在对应关系。随着“预期项目时间”推移，环境变化可能会产生新的问题。当问题积累到一定程度的时候，就会凸现出来，这些“新识别出的问题”使企业不得不考虑补充“MIS新功能”。“MIS总功能”的增加意味着MIS的复杂度增加，需要投入更多的研发力量，因此“预期工作量”要相应的增加，而原先的“预期项目时间”已不再适用，也要增加。可以看到，最外层的回环是一个正反馈回路，一旦变化的环境对MIS提出新的要求，原有平衡就被打破，“MIS总功能”就会不断增加。然而，“MIS总功能”不能无限增长，因为开发时间在企业的成长过程中，只是很短的一个时间段。在该阶段，企业的潜在问题是有限的，随着 “需求分析识别出的问题”增加，使得“企业存在的总问题”减少，当减少到零的时候，“MIS总功能”就不再增加。需要注意的是，MIS的开发时间不可能長到将企业的潜在问题全部识别出来，但“MIS新功能”随时间推移的增加幅度会越来越小，同时会受“预期成本”的限制。

1.2 项目成本的因果反馈回路

MIS开发项目的成本包含从系统分析阶段到系统实施阶段的所有费用，一切与人相关的费用可以归为“人员费用”，与外购物资相关的费用可以归为“外购软硬件费用”，故项目成本是两者之和。图2展示了项目成本的因果反馈回路，“MIS功能”决定了项目的“预期工作量”。在初始阶段，“预期成本”等于“计划成本”。当企业环境发生变化，对MIS提出新的功能要求时，预期成本会增加，导致“成本偏差”出现。此时，项目管理者可以采取两种措施：当“成本偏差”不大，在企业财务的承受范围之内时，调整“计划成本”，追加新的预算；当“成本偏差”过大，削减MIS功能，减轻财务负担。

项目成本因果反馈回路有很强的寻的性，体现了企业管理者的控制策略。“计划成本”是控制的目标，当出现“成本偏差”时，反馈回路开始运作，试图减少偏差，使“预期成本”朝它的目标“计划成本”靠拢。这一特点使系统趋向于稳定，抑制了MIS功能因果反馈回路的增强放大效果，迫使系统重新回到平衡状态。控制成本给企业带来的好处是减少开支，但是付出了一定的代价——减少MIS功能。然而，为了应对环境变化提出的挑战，有的新功能十分必要，迫切需要实现，管理者只能增加“计划成本”。

1.3 项目时间的因果反馈回路

项目时间是指从系统分析到交付使用所耗费的时间，对应的因果反馈回路如图3所示。由于系统分析阶段估计出的“计划工期”无法将不确定性因素考虑在内，环境变化可能给MIS功能提出新的要求，需要延长“预期工期”，产生“进度偏差”。为了避免项目延期，可以采取增员策略。因为新人员需要跟进学习才能熟悉业务，所以提高“开发速度”之前存在一段延迟。另一方案可以采取加班策略，虽然能立刻提高“开发速度”，但会加大员工的“疲劳度”，增加工作的“错误”，导致“返工”而延长了“预期工期”。而且员工不能无限加班，开发速度存在上限，即“进度偏差”增大到一定程度时，就无法通过赶工进行弥补。这时，管理者不得不接受延期的事实，必须延长“计划工期”。

项目时间因果反馈回路也是一个带有寻的性的调整性回路，起点始于“进度偏差”。只要偏差大于零，回路就会发生连锁作用，试图将“进度偏差”缩小。然而，“加班”牵引出的两个关系环存在相互制约的作用：一个能够缩短时间，另一个却增长时间。在两股此消彼长的力量共同作用下，“预期工期”究竟是减小还是增加呢？回答这个问题，需要分清哪一条是主导回路，当“加班”带来的“预期工期”的减小幅度大于“疲劳度”带来的增加幅度时，“预期工期”就会朝减小的方向发展，反之亦然。因此，管理者要慎重考虑加班策略，适当的加班强度会对缩短“预期工期”带来积极的效果，如果过度会产生不良后果。也许人们在决策中会感到迷惘，因为加班强度无法在现实中反复试验，稍有不当就会带来难以估量的损失。此时，系统动力学提供了强有力的解决方法，可以通过建模仿真对加班强度进行数测试，得出一份合理的加班方案。

1.4 管理信息系统开发的系统动力学模型

将上述三个因果反馈回路通过公共变量连接起来，转化为Vensim能够运行的计算机流图，如图4所示。模型中主要变量的计算公式及注释如表1所示。

2 模型仿真

为了检验SD模型的有效性，本节模拟一个大型管理信息系统开发项目。MIS初始功能模块为60个，开发人员数量为8人，仿真时间为150周（约3年）。下面将分析主要变量如何受因果回路的影响而变化，使管理者对项目的全局进展情况有清晰的认识。通过模型提供的预测数据，管理者可以获得各种问题解决方案的实施效果，从而选出最佳方案。

2.1 MIS功能变化分析

MIS功能作为模型的扰动变量，是一切变化的根源，对模型的非平衡性起到关键作用，变化情况如图5所示。CURRENT曲线是基准运行的结果，可以看出实际系统功能前期增加幅度较大，后期趋于平稳。因为MIS功能受到项目管理者的控制，越是临近后期，可用的时间和资源越是紧张，除非新功能十分重要，否则不会改动，所以MIS功能在仿真后期的增长态势不明显。如果没有控制，实际系统功能的变化将和test1曲线一致，即使到了后期也会大幅增长，会给项目管理带来巨大不稳定性，并非理想的结果。值得注意的是，当MIS功能增加导致追加成本超出企业的承受能力时，MIS功能会被削减，表现为图5中曲线的小幅回落。

2.2 项目成本和时间变化分析

项目成本与MIS功能存在正比关系，倘若MIS功能增加，项目成本也会相应增加，变化趋势如图6所示。可以看到，计划成本出现增长的时点对应着MIS功能增加的时点，进一步验证了MIS功能是项目过程中一切变化的根源。项目时间的变化与应对延期的管理策略有关，下面的分析以加班策略为例。图7展示了项目时间的变化情况，计划工期在第34周、127周出现调整。第一次调整的原因是实际系统功能在第32周发生巨幅增长，使预期工作量猛增。在现有的开发速度下，预期工期和计划工期产生了巨大的偏差，加班策略无法在短时间内解决问题，所以只能延长计划工期。第二次调整的原因是系统开发速度在第124周增加到了极限，如图8所示，无法满足追加的工作量，项目管理者只能延长计划工期。经过2次调整，计划工期增加至150周，MIS开发项目于仿真阶段末期结束。

2.3 管理策略对比分析

当采取加班策略时，我们可以通过调节加班强度的大小，来控制员工加班的负荷。例如计划剩余工期为30周，而预期剩余工期还需要45周，当加班强度取值为0.6时，根据表1公式计算出加班率为0.3。如果当前系统开发速度为10任务/周，那么采取加班策略后，开发速度=10×（1+0.3）=13任务/周。虽然加班强度越大，系统开发速度越快，但会受到极限开发速度和任务出错率的制约。表2展示了不同加班策略对项目绩效的影响结果。

当采取增员策略时，我们可以调整现有人员数的大小，来提升系统开发的速度。因为新补充的人员需要一定的时间适应团队和熟悉业务，所以开发速度的提升存在一段延迟。而且，人员数量会受到增员意愿的影响，越是到项目后期，项目管理者越是希望保持开发人员队伍的稳定。表3展示了不同增员策略对项目绩效的影响结果。

通过模拟不同参数下的管理策略，我们可以看到：

①在采取加班策略下，加班强度从0上升到1.2时，项目时间从200周下降到150周，总体趋势是项目时间随加班强度的增大而减小，最佳加班强度为1.2。随着加班强度进一步增强，项目时间不减反增，主要原因是加班所引起的员工不满情绪及疲劳度与日俱增，导致加班的负面影响占主导地位，出错的任务越来越多，拖累了系统开发的速度。

②在采取增员策略下，将现有人员数从8人增至17人时，项目工期从200周减至121周。总体趋势是项目时间随人员数量增加而减小，且减小的幅度增大，主要原因是团队的协同效应随人数的增多而增强。虽然增员策略可以显著缩短项目时间，但只有当人员数大于14人时，增员策略的项目时间才小于加班策略。

3 结论

本文以系统动力学为研究方法，识别出影响MIS开发项目的主要变量，构建了MIS功能、项目成本和时间三个主要的因果反馈回路。通过系统的思考，深入分析了变量的相互关系，帮助管理者更好理解项目过程表现出的复杂行为及其背后的影响机理。借助仿真软件Vensim，建立了MIS开发的系统动力学模型，通过调整相关参数，模拟了不同管理策略对项目工期的影响，为项目管理的决策优化提供参考依据。需要指出的是，本文对MIS开发的系统动力学模型做了适度简化，只将主要的变量纳入建模范畴，而变量重要性的界定会随研究者思考角度的不同有所差异。部分变量间复杂的非线性关系仅用表函数表示，模拟的结果不够精确。未来的研究工作可考虑更广泛的变量，借助统计工具确定更准确的变量关系，提高模型的精准性和实用性。

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