基于关键链的航天项目进度管理研究与实践

/北京宇航系统工程研究所

张江、崔文星 /中国运载火箭技术研究院

项目管理是综合利用多种知识、技能、工具和技术对项目过程进行计划、监督和控制,从而在预期的时间、成本、质量、范围和收益等约束条件下实现项目目标的管理工作。航天型号项目由于项目规模大、涉及单位广、持续时间长、政治意义重、不确定性和风险多的特点,其进度目标和完成情况已日渐成为项目利益相关方最重视的方面。随着我国航天项目的不断增多,由于研制资源紧张、任务链条复杂、管理层级庞大等因素,造成航天项目无法按计划如期完成和进度计划无法满足用户要求等现象,成为航天项目开展过程中的主要问题和矛盾。

项目进度管理一直以来都是国内外研究的重点,其发展经历了甘特图和里程碑图、网络计划技术、关键链技术3个主要阶段。关键链技术阶段更加关注资源约束和管理者的心理行为,能够确保项目计划的可行性,并适应项目工期的不确定性,是对传统项目管理的重要改进。相比较于关键路径法和计划评审技术而言,关键链管理更能体现系统化的思想,更关注项目整体的执行情况。笔者重点针对项目进度管理技术的发展历程和关键链技术的原理进行研究,以某航天分离试验项目为例对关键链技术的应用进行实践,并对关键链技术在航天项目进度管理中的应用经验进行总结。

一、项目进度管理技术的发展历程

1.甘特图和里程碑图

甘特图由Henry L. Garntt于1917年提出,可以体现工作包或活动之间的包含关系和逻辑关系,常用于向管理层汇报情况。以某航天型号分离试验项目(包含3个工作包,其中工作包1和工作包2分别包含2个活动任务)为例,其甘特图如图1所示。

里程碑图是在甘特图的基础上,仅标示出主要可交付成果和关键外部接口的计划开始或完成日期,即项目计划里程碑节点,描述项目在某时间段应达到的状态或已完成的工作。某航天型号分离试验项目里程碑图如图2所示。

尽管甘特图和里程碑图在项目进度管理中有着简单、直观、便利的优势,但是存在许多不足,主要表现以下几个方面:甘特图随着任务复杂性的增加而变得难以操作,不适用于大型项目的管理使用;甘特图不能体现出关键工作和关键路线等项目的关键环节;甘特图无法反映项目进展与所耗资源、成本之间的关系;里程碑图仅适用于关键节点的表达,对项目细节没有展现。

图1 某航天型号分离试验项目甘特图

图2 某航天型号分离试验项目里程碑图

2.网络计划技术

针对甘特图和里程碑图在项目进度管理方面的不足,以关键路径法(CPM)、计划评审技术(PERT)为代表的CPM/PERT网络计划技术应运而生。其核心思想是按照项目各工作包或活动的逻辑关系和时间估算形成进度网络,找出关键路径并计算非关键路径的浮动时间,进而分析该网络的灵活性和鲁棒性。在关键路径上,每一项活动的浮动时间均为0。某航天型号分离试验项目网络计划图如图3所示。

图3 某航天型号分离试验项目网络计划图

随着现代项目的大型化和复杂化,网络计划技术的不足也逐渐展现,主要表现在以下几个方面:项目的预估周期较长,在每项任务工期估计中加入额外安全时间,造成项目的预估周期较长;未考虑资源制约因素,传统网络计划技术仅考虑各活动间的逻辑依赖关系和进度估计,对资源的冲突情况考虑不足,不利于对项目资源和进度的全局把控;未充分考虑项目进度中的不确定因素,目前学术界已普遍认可将单个活动的进度估计视为遵从某一概率分布的随机函数;未考虑项目管理机构和管理者的心理行为因素,研究表明,管理者的心理行为因素对活动的额外安全时间估计、安全时间的处理等将严重影响项目进度管理。

3.关键链技术

关键链作为突破了传统项目进度管理方法的新技术,在项目进度计划制定和控制的过程中,不但考虑了活动间的逻辑依赖关系等约束条件,更考虑各项活动间的资源冲突、管理机构和管理者的心理行为因素,强调了从项目全局的角度系统把握项目进度规划,并在执行过程中进行动态管理,有针对性地解决了以下传统项目管理领域的问题或现象。

帕金森定律。在项目实施过程中,每项工作会自动的膨胀占满所有可用的时间。项目执行机构在规划阶段一旦争取到时间余量,后续即使该时间余量未被消耗,该活动的进展节奏仍将被执行者放缓,最终按照“预算”的时间完成,即在项目活动进度规划时增加的时间余量无法得到充分的利用。

学生综合症。无论某项工作的进度时限设定得多长,其大部分内容都是在完成该工作前的最后时段间进行的,即项目人员的努力总在完成时间到达前才出现。

墨菲定律。项目在进展过程中往往会遭遇不可预期的风险,进而导致项目时间呈现随机性。因此,在项目活动执行时间估计和项目总周期规划时,需要充分考虑项目风险的随机性。

工期变动效应的不对称性。在项目实施进程中,某一项活动的推迟往往造成项目最终完成节点的推迟,而该活动提前完成的收益很难使项目的总周期受益,尤其是实际工作中,由于没有有效的激励机制,任务提前完成意味着将承担更多的任务,甚至同类活动在下次项目规划中的时间余量将被压缩等,导致不能有效地利用任务提前完工的时间。

资源在多任务转换间的浪费。当同一资源被不同的项目活动所使用时,在不同任务间的频繁转换将降低该资源的使用效率,从而造成每个项目活动的时间加长。这种资源在多任务转换间的浪费,不但在制造设备和生产工装上表现突出,在关键技术人员、管理人员等资源上也尤为明显。

二、关键链技术的理论基础

关键链技术是在关键路径法(CPM)和计划评审技术(PERT)等进度管理技术的基础上,针对上述项目管理领域问题,关注项目活动间的资源调配和执行时间的随机性,在约束集理论的框架下提出的项目进度管理技术。

1.约束集理论

以色列物理博士Goldratt于20世纪70年代末基于最优生产技术理论提出了约束集理论,经过不断研究和发展,在制造业、运输业等行业取得了良好的应用效果。约束集理论的核心思想是:任何系统都存在制约因素,而这些制约因素将成为系统实现其产出目标的瓶颈。因此,应将管理重点放在系统的制约因素上,通过调控管理制约因素达到最大的有效产出。

约束集理论主要有5个核心步骤,具体流程如图4所示。

实际应用中,制约因素是指妨碍实现系统目标的实物制约因素或制度制约因素;挖掘制约因素的潜能就是对制约因素提出解决办法,实现系统的有效产出的增加;围绕制约因素调配管理非制约因素就是要以制约因素为主要矛盾开展系统优化,并在调整后实质提升制约因素能力;最后对系统制约因素进行校验,直到迭代至再无新的制约因素出现。

2.项目活动执行时间估计

项目活动执行时间的估计是项目进度管理的基础和核心,也是决定项目进度计划总周期的关键要素,尤其是项目活动执行时间的不确定性和随机性,也使对其的估计成为项目进度计划管理中的难点。根据对项目统计规律的研究,项目活动执行时间通常遵循对数正态统计规律,即随着项目按照估计时间完成概率的提升,项目估计时间将大幅增加,主要原因就是项目周期本身的不确定性,以及如前所述原因导致项目估计时间中所增加的安全余量。如图5所示,当按照80%的按期完工概率对项目周期进行估计时,该估计值是按照50%的按期完工概率的时间估计值的2倍,这就是项目活动执行时间不确定性的体现。

三、关键链技术在航天项目进度管理中的应用

在约束集理论和项目活动执行时间估计不确定性的条件下,针对项目进度管理领域的经典问题,关键链进度管理技术着眼点是:如何尽量压缩无法被有效利用的安全时间,以及有效合理地实现资源调配。

1.项目活动分解及逻辑关系梳理

在完成项目活动分解及各活动间逻辑依赖关系梳理阶段,主要对项目本身进行WBS分解,直至分解到具体的工作包;完成各工作包间逻辑依赖关系的梳理,最终形成该项目的网络计划图。该阶段的工作方法和内容基本等同于关键路径法等传统网络计划,但需要注意以下2点:一是由于关键链技术强调对瓶颈资源的调配,所以在进行工作包分解时,需要将工作包尽量细化到独立占用某一项资源的层级,为后续资源调配创造条件;二是形成的网络计划图采用双标号线段形式的网络计划图,有利于后续缓冲区设置。

图4 约束集理论核心步骤流程图

图5 项目活动执行时间估算

某试验项目进行活动分解和逻辑关系梳理的网络计划图如图6所示。其中工作包1的活动1.1为第1个部段零件生产,活动1.2为第1个部段总装;工作包2的活动2.1为第2个部段零件生产,活动2.2为第2个部段总装,工作包3为分离试验实施阶段。每个圆形表示该活动的起点或终点,日期标在圆形内部;每条线段代表该活动的持续和逻辑关系,工作包或活动的名称、持续工期标在线段上;无名称和工期标注的线段仅代表逻辑关系。

2.项目活动时间估计和安全时间压缩

在网络计划图的基础上,重新对项目活动的时间进行估计,即需要将目前分散到各个项目活动中的安全时间进行压缩,为后续设置项目各级时间缓冲作好准备。按照目前流行的关键链时间估计和安全时间压缩方法,主要以项目活动时间估计值的50%或者其均方根值作为压缩后的时间估值。进行时间压缩后的网络计划图,如图7所示。

3.项目活动资源识别和调配

在充分辨识每个项目活动所用到资源的基础上,将重要瓶颈资源标注在每项活动中,如图8所示。

经过对分离试验项目中部段总装阶段资源的识别,发现2个部段的总装工作均需要用到同一个工装“资源C”,因此需要围绕该制约因素,即资源C进行调配。按照单一资源串行使用的惯例,调配后的网络计划图如图9所示。特别说明,此时的资源调配仅考虑单一项目环境下的资源使用,暂未考虑有其它项目对该资源的需求。根据图9的调配情况,项目计划中目前已不存在同一时间对相同资源的竞争,但对资源的串行使用造成了部分项目活动的顺延;同时在网络计划图上出现了项目活动不连续的情况,这些都将在后续的缓冲区设置中加以利用。

图6 某试验项目活动分解及逻辑关系

图7 某试验项目活动时间估计和安全时间压缩

图8 某试验项目活动所用资源识别

图9 某试验项目活动资源调配

4.关键链识别

在确定了项目活动的具体内容、逻辑依赖关系和经过压缩后的时间估值的基础上,完成对瓶颈资源的调配后就可以识别出此时网络计划图中决定项目周期的最长项目活动链路,即所谓的项目关键链,如图10所示。

5.缓冲区设置

在关键链技术的实施过程中,尽管对项目活动的执行时间估值大大压缩,但也降低了项目活动按照时间估值完成的概率。因此,需要在关键链的各个环节设置缓冲区,从而增强项目进度计划的鲁棒性。缓冲区的本质也就是将原来分散在各个项目子环节中的大量安全时间集中到项目顶层进行分配使用,从而避免安全时间浪费现象和提前完成并无益处现象。关键链的缓冲区共分为3类,具体如下。

项目缓冲。设置在关键链的最后,以应对关键链上活动拖延对项目总周期的影响,属于系统级缓冲,目前通用的方法是使用压缩的安全时间的50%用于项目缓冲。

接驳缓冲。设置在非关键链活动与关键链上的活动接驳处,类似于网络计划中的浮动时间,用于缓冲非关键活动的拖延对关键链乃至全项目周期的影响。

图10 某试验项目活动的关键链

资源缓冲。设置在瓶颈资源的交界处,与前2种缓冲的不同之处在于资源缓冲用于对瓶颈资源交接班的预警,防止出现瓶颈资源外的因素影响关键链的情况。

根据上述缓冲设置方法,对某试验项目进行了缓冲区设置,结果如图11所示。

至此,基于关键链技术的项目进度计划已经完成。与原网络计划相比,项目计划周期由2月28日提前至2月14日,且通过设置不同的缓冲区来应对项目进度拖延风险;对关键瓶颈资源的交接班预警,有效提升了该分离试验项目进度的风险可控性和计划鲁棒性。

四、实践效果

近年来,通过将关键链技术应用于航天型号项目进度管理,有效地对航天项目中长周期、多制约因素的大型地面试验、总装、出厂测试等工作的周期进行了压缩,并基于此技术实现了项目进度的可控。在完善进度管理的基础上,总结并提炼出一套在航天项目进度管理中具有普适性的进度管理方法,如基于关键链技术的航天项目WBS方法、航天项目执行时间的估计方法、航天项目的资源调配策略、基于缓冲区的航天项目进度风险控制、加强航天项目组织过程资产积累等。

图11 某试验项目缓冲区设置

1.基于关键链技术的航天项目WBS方法

为了使关键链技术在航天项目进度管理中发挥其有效消除资源冲突的优势,需要在应用关键链技术时特别关注前期项目WBS的颗粒度,尤其是对于需要特定资源的项目活动,务必分解至能够精细到特定资源使用周期的程度,为后续进行瓶颈资源的识别和调配创造条件。同时,由于航天项目必须遵循严格的研制程序和质量标准,所以需要对各项活动间的逻辑关系进行认真的梳理,保证后续形成的网络计划图准确有效。

2.航天项目执行时间的估计方法

目前,项目管理界通用的执行时间估计方法多数按照某种特定的概率分布(如正态分布、对数分布、贝塔分布等)进行修正后,通过数学计算得到估计结果。此种方法虽然有普适性好的特点,但针对特定行业过于武断。针对航天项目,由于有大量前期研制基础和历史数据作为参考,笔者建议在进行执行时间估计和安全时间压缩时采取以下方法。

历史经验法。针对近期历史工序时间相对固定的某些零件加工、部段装配等活动,按照近期历史经验均值作为执行时间估计值,并上浮一定比例(10%左右)作为安全时间。

统计计算法。针对易受外界因素影响、历史数据散差较大的活动,利用历史数据统计其概率分布规律,应用关键链技术的“50%法”确定估计时间和安全时间。

综合分析法。针对某些固定时间长度的试验,如温度试验、可靠性试验等,必须重视项目活动本身的内在规律,在保证完成研制内容的情况下,适当加入安全时间。

3.航天项目的资源调配策略

在近年的航天科研生产中,关键生产资源、试验资源往往成为制约项目进度的瓶颈短线。因此,在实施关键链中的资源调配时,不仅仅要考虑到项目内资源的调配,更要充分考虑组织内其它项目对该资源的利用。尽管多数航天项目机构只进行本型号范围内的单一项目管理,但在资源调配环节必须站在组织内项目集管理的全局角度了解资源的使用情况,必要时可以动用一定的项目缓冲来缓解外部由于政策、用户或其它不可抗力造成的资源延迟使用。

五、后续思路

尽管关键链技术在实践中取得了很好的效果,但后续还应该在以下2个方面做进一步研究,提高该技术在航天型号项目进度管理方面的应用效果,并在其它行业应用中予以推广。

1.重点研究基于关键链缓冲区的项目进度控制方法

在项目风险管理领域对风险进行量化管理一直是研究的难点,特别在对于项目进度异常重要的航天项目管理中,有效的进度风险量化方法更加必要。PMBOK所提倡的基于项目经费使用率的“挣值管理法”尽管可以有效反应项目进展情况,但在当前航天项目管理领域,由于项目经费的管理方式仍处于计划经济模式下,经费管理机构与进度管理机构常常处于分离状态,导致“挣值管理法”在航天领域并未得到良好的应用。未来,可以利用关键链技术中的各类缓冲区提出对项目进度进行控制的方法,从而实现在项目执行过程中对进度情况的动态监控和管理,研究主要集中在基于项目缓冲区实现项目进度执行情况监控、基于接驳缓冲区的非关键链监控、基于资源缓冲区的制约因素预警机制。

2.加强航天项目组织过程资产积累

在关键链技术应用于航天项目管理的过程中,多次提出需要基于历史数据、组织级资源使用数据等。随着航天工业的逐步发展,航天产品的加工制造逐步实现了数字化和信息化,以此为契机,各级航天科研生产管理部门需要加强对科研生产中各类活动的实际执行时间、资源发生意外故障概率、组织内项目集对资源的需求等组织过程资产进行积累,并反馈于后续项目的关键链技术应用。基于当前大数据和深度学习的概念,随着数据的不断积累和关键链技术应用迭代次数的不断增多,目前基于数学统计和经验规律的项目执行时间估计、缓冲区设置等关键环节将更加合理有效。