基于关键链的环境监测数据联网项目进度管理方法研究

倪 永，冯文静，周 强，吕 欣，何立环，文小明

1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101 2.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100190 3.中国环境监测总站,国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 4. 中国农业电影电视中心，北京 100081

项目进度管理的目标是保证项目能在规定日期和一定成本内完成。因此一个合理的进度计划和有效的进度控制是进度管理的重要环节，计划和控制直接决定了项目成功与否[1]。联网项目进度管理就是在联网工作实施过程中对活动进度及日程安排进行管理，确保联网目标能够在规定的时间内实现。

随着大气污染防治的精准化要求不断提高，仅依靠国家层面的空气质量自动监测网络，还不足以全面系统地反映区域性的空气质量状况，而地方建设的大量空气自动监测站数据与国家站网数据整合、集成，进行相互比对、综合分析与评价等具有重要意义。为此，生态环境部要求推进全国城市空气质量自动站数据直联网工作。本文结合“2+26”城市空气质量自动站数据直联网工作实施过程中存在的问题，采用关键链技术加强项目过程管理。实验表明，关键链项目管理办法能有效解决项目进度管控中不确定性问题。

1 空气质量自动站直联网项目管理要求

环境监测有涵盖环境要素多、覆盖国土面积广、时间跨度久、数据量大等特点[2]。其中，环境质量自动站监测数据联网是实现环境质量状况动态监测的工作基础。我国大规模的国家空气质量自动站监测网络是从2000年开始建设，逐步覆盖空气质量背景站、区域站、农村站、常规站监测，替代原有手工监测手段成为监测空气质量的主力，可提升数据的时效性，为空气环境质量评价以及预报创造了条件[3]。

“2+26”城市是指京津冀及周边河北省、山西省、山东省、河南省所有京津冀大气污染传输通道上的28个城市。“2+26”城市空气质量自动监测站数据直联网工作是京津冀及周边地区2017—2018年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动中的一项重要任务。根据相关总体部署，2017年10月底前“2+26”城市327个县(市、区)的所有空气质量自动监测站原始监测数据第一时间直传中国环境监测总站。

空气质量数据直联网存在的问题：

1)标准规范相对缺乏。国内环境监测信息标准化工作进展相对滞后，监测仪器设备数据输出形式五花八门，数采仪多种多样，传输规则不统一。对国外监测设备缺少准入要求，对国产监测设备缺少强制标准，导致从地方自行建设的监测站点的监测仪器设备端直接获取数据变得非常困难。

2)协调工作量大。目前我国环境监测工作模式体系为“国家-省-地市-县”4级，由于待联网的监测站点是地方自行建设，各省级监测站(中心)、地市级监测站、县级监测站都有运作，地方站点情况各异，因此联网项目必然涉及大量、复杂的协调管理事务，需要进行广泛而深入的动员和组织。协调难度主要集中在监测站点基本情况、仪器设备调研、统计，地方联网软件工具开发、部署、调试阶段。

3)工期紧张，不确定性大。联网任务正式下发到完成给定的施工周期通常比较短，而且突发情况较多。“2+26”城市联网任务要求每县至少2个站点，每区至少1个站点，不足2个站点的县要新建站点，新建站点要耗用更多时间，进一步增加了项目不确定性。针对此种情况，中国环境监测总站和地方监测站应在联网任务编制初期，尽早谋划，提前准备基础环境，做好规划设计。

2 TOC 思想和关键链管理方法

约束理论TOC是由Goldratt在1997年提出的管理理论，在生产、运输、营销等多个行业得到了广泛应用并取得巨大成功[4]，其目的是对系统约束条件进行发现并消除。“局部最优的总和并不能导致全局最优”[5]。系统都存在约束(瓶颈因素)，对这些约束的系统调控可以有效改善项目进展效果。

项目实施过程中往往存在学生综合症、帕金森综合症、工期变动效应的不对称性3种心理行为。学生综合症是指假设人总是等到最后一刻才开始努力，如同作业提交截止日期前几天学生才开始准备一样。虽然前期时间充裕，但思想上的懈怠、工作低效等也易导致任务拖延。帕金森综合症是指项目任务安排的时间过多时项目成员会放慢工作节奏，用掉所有分配的时间，很少提前完成任务。工期变动效应的不对称性是指对于提前完成的工序，员工没有得到肯定或奖励，反而导致项目经理对类似任务工期预估减少，给员工带来不利，员工不仅不会主动接受下一个工序任务，反而会放慢工作节奏，结果是整个项目不会因为一项任务的提前完成而受益，却会因为一个任务的延迟引发后续任务的延迟。

基于约束理论的关键链方法就是为了克服上述情况。关键链是将用到关键资源的活动与关键路径上的活动连接起来形成的一串依存路径[1]。相比关键路径，关键链同时考虑了工序间的逻辑约束和资源的有限性。关键链项目管理(CCPM)是在传统的CPM/PERT技术的基础上，将约束理论、聚集理论等引入到计划的制订中，利用聚合原理缩短项目工期，通过设置缓冲区、调整工序优先级解决资源冲突等措施以消除不确定性，从而实现对项目进度的有效管控。

3 关键链项目进度管理在直联网项目中的应用

项目进度管理分为项目进度计划、项目进度控制2个阶段(图1)。缓冲区是保证项目计划能够按期完成，减少延期风险的有效手段，是2个阶段之间的纽带。关键链项目进度管理依靠对缓冲区的设置和管理指导项目进度控制。

图1 项目进度管理框架图Fig.1 Project porcess management framework

3.1 项目进度计划的编制

3.1.1 业务流程

空气质量自动站直联网项目按业务流程主要有调研、设计、论证、开发、部署、试运行和验收7个阶段。 每个阶段需要继续向下分解直到划分到任务的最小单元为止。任务分解情况如表 1所示。具体业务流程如图 2所示。

3.1.2 实验步骤

OYA等[6]确定了CCPM实施的步骤：估计任务的最可能工期；依照任务的前后关系调度每个任务到它的最晚开工时间；消除任务间的资源冲突；识别关键链和非关键链；设置缓冲区[1]。

3.1.2.1 工期估计

不同项目的工期特点不同。制造业、建筑工程项目等的工期估计相对典型、容易，可以根据设计图纸、实际的人力和物资供应给出较为客观的估计活动时间。监测站点联网项目是一次性的，没有标准工时定额，涉及软件开发，不确定性大。历史数据和资料的缺乏也给工期估计带来了难度。常见的工期估计方法有经验法、头脑风暴法、三点法(PERT，计划评审技术)等。三点法作为一种概率统计法被广泛推广和使用[7-9]，主要针对工期估计高度不确定的项目，借助乐观时间to、悲观时间tp和最可能时间tm，计算最终的预期活动持续时间te={to+tm×4+tp)/6。

表 1 全国空气质量自动站数据直联网任务分解

图2 空气质量自动站数据直联工作业务流程Fig.2 Workflow of the data networking of non-national control air quality monitoring sites

在实际项目管理中,工期估计倾向于凭借经验或历史数据,而基于经验的模糊工期估计更符合项目管理需要。在科学研究中，很多学者尝试用模糊数学理论处理主观不确定性[10]。对于带有模糊工期的项目计划，通过设定活动的一致性指数值，就可以得到具有相应一致性水平的可靠工期t,一个模糊网络计划就可转化为带有一致性水平的确定的网络计划[10]。

一致性指数AI(A,B)是指模糊事件A有多少比例在模糊事件B中，也表示事件A相对于事件B的满足水平，是衡量2个模糊事件一致性的指标[10-11]。

本文通过以50%的一致性水平计算各工序的可靠工期t，并以t为基准工期作为直联网项目工序工期(表 2)。

表 2 空气质量自动站数据直联网项目工期及约束Table 2 Schedule and constraints of the data networking project of non-national control air quality monitoring sites d

注：R1为调研人员；R2为系统设计人员。

3.1.2.2 确定关键路径

关键链的进度计划编制以关键路径为基础。以t计算自由时差为0的工序作为关键路径。

从图3可以发现，关键路径为A→B→C→D→F→K→L→M→O→Q→S→U→V→W。

依据表2,利用MS project 2016软件绘制直联网项目管理计划，输入各工序的名称、工期以及工序间逻辑关系,得到直联网项目的甘特图。

3.1.2.3 平衡资源冲突并确定关键链

如果项目中不存在资源冲突，关键路径即为关键链。识别关键链是项目进度计划编制的核心问题[4]。根据约束理论思想，当有资源约束存在时必须平衡资源冲突。通常做法是保障关键路径上的工序优先获得资源，自由时间少的工序优先占用资源。关键链是考虑工序进度和资源占用情况的最长路径。结合资源约束关系可以找到直联网项目关键链A→B→C→D→E→F→K→L→M→O→Q→S→U→V→W。

图3 空气质量自动站数据直联网项目网络图Fig.3 Network diagram of the data networking project of non-national control air quality monitoring sites

3.1.2.4 设定缓冲区

TOC采用了3种缓冲区:项目缓冲区(PB),汇入缓冲区(FB)和资源缓冲区(RB)。tPB为关键链末端的缓冲时间, 用来保障整个项目按时完成；tFB为安置在非关键链与关键链的接口处的缓冲时间, 避免非关键链上的任务影响关键链工序，用来保障非关键链按时完成；tRB为关键链工序所需资源到位的提前时间，保证其所需资源能及时获得。资源准备的时间可以是关键链上拥有资源冲突的关键任务的安全时间。

根据目前国内外研究，缓冲区计算采用的基本方法有50%法和根方差法2种，50%法计算简便，但主观性太强，将工序工期减一半缺乏科学性，而且缓冲区大小与累计安全时间呈线性关系，容易造成缓冲区过大或者过小的现象[12-13]。根方差法考虑了工序的数量及长度，缓冲区大小不会随着工序的长度线性增加，计算也较为简单[13]。这里采用三点法计算弹性系数Ki[9,14]:

式中：i代表第i项工序；a代表乐观时间to；b代表最可能时间tm；c代表悲观时间tp。

项目缓冲区PB的时间长度tPB等于关键链上各个工序基准时间与乐观时间的差值与弹性系数的乘积(工序安全时间)的和。计算得出直联网项目tPB=27.3 d。

汇入缓冲区FB位置确定根据CPM 网络图进行判断[14]。比较关键链和非关键链交汇处前关键链上的乐观时间之和tA与非关键链上的基准时间之和t之间的关系。如果t>tA，需要设置缓冲区；t≤tA时，不需要设置缓冲区。tFB的计算方法与tPB相同。需要注意tFB必须小于非关键链接入关键链的最后一个活动的自由时差，否则需要修正tFB，可令其等于最后一个活动的自由时差[10]。

在直联网项目中，非关键路线：①G；② H→N;③I;④ J→P→T;⑤ R。

非关键路线①，tA=7 d,t=tG=21.3 d。t>tA,需要设置缓冲区。路线①的tFB计为tFB-1,则tFB-1=2.1 d，G的自由时差tFF-G是1.6 d,tFB-1≥tFF-G,tFB-1=1.6 d。

同理可知非关键路线②的tFB-2=6 d；非关键路线③的tFB-3=2.1 d；非关键路线④的tFB-4=3.5 d；非关键路线⑤不需要设置缓冲区。

直联网项目除资源平衡的工序外,没有其他关键工序有再被共享的资源，因此不需要计算tRB。直联网项目的网络计划图见图4。

图4 插入缓冲区后的空气质量自动站数据直联网项目网络计划图Fig.4 Network diagram of the data networking project of non-national control air quality monitoring sites after inserting buffers

3.2 项目进度控制

关键链项目进度控制模型(图5)显示缓冲区管理需要借助风险预警机制、组织分层管控、激励机制3个方面的配合。

图5 关键链项目进度控制模型Fig.5 Critical chain project process control model

3.2.1 风险预警机制

风险预警机制是通过建立风险评估体系和进行风险控制来预防、化解风险的有效手段，允许划分风险等级来确定不同预警线，从而区分项目进度的督办和管控力度。

以PB为例，每一个关键工序i都有缓冲区Bi。Bi按照时长的30%、30%、40%分别设置代表督办急迫度级别j的3个区间Bij(j≤3)。第1个30%时间点称为1级警戒线，第2个30%时间点称为2级警戒线。1级警戒线以内是1级警戒区，表明项目进度较正常、时间充裕，属于安全区间; 1级与2级警戒线间为2级警戒区，属于较危险区间; 2级警戒线以后是3级警戒区，属于危险区间。当工序进展时间越过1级警戒线时应采取相应干预措施尽量控制工序在2级警戒区完成;当越过2级警戒线时，应采取应急措施防止风险发生或工期后延影响下一工序。如果关键工序的缓冲区时间(即安全时间)没有消耗完，则将其剩余的安全时间移到PB的末尾，作为整个项目的安全时间储备，用于补足其他工序工期的过度消耗，降低项目风险，由此便形成了完整的PB预警机制。

FB预警机制、RB预警机制与PB预警机制相同。FB预警机制是监控项目中所有FB的安全时间利用情况，预警关键工序前的非关键任务。RB预警机制针对虚拟的RB，要求在有资源冲突的关键任务之前设置资源准备时间，保证资源能有序利用。

3.2.2 组织分层管控

风险预警机制确定了不同的风险等级以及对应的管控措施，这些都需要相应权限和责任的组织主体来执行。组织分层的目的是针对不同预警区间设定合适的人员构成,使其各尽其职,更好的运用缓冲区域。直联网项目组织结构分为执行层、管理层和决策层，分别对应缓冲区预警机制的3个警戒区。工序进度越过警戒线时意味着项目风险等级升高，这时需要上一级组织介入，采取必要措施监控和管理工序防止引发整个项目延迟。

执行层。执行层负责执行具体任务，推进项目顺利开展并跟踪项目进度。执行层主要由直联网承建商项目团队中的执行人员组成，以软件开发、网络技术人员、文案编制、技术支持人员为主，总站和地方监测站网络运维技术人员为辅。执行层承担最小等级风险。当工序进度出现异常，缓冲区时间消耗进入1级警戒区时,执行层应予妥善处置并将情况及时报告给管理层。

管理层。管理层主要由直联网承建商项目经理级别人员组成。工序进度越过1级警戒线后，管理层应采取应急措施，如加班或增加资源,尽力将工序控制在2级警戒线之内完成。如果缓冲区消耗过快，工序进度已经越过2级警戒线，则意味着项目进度有延误的高风险,需要告知决策层介入。

决策层。决策层由总站和地方监测站联网负责人员、直联网承建商项目总监或总经理级别人员共同组成，负责应对最高等级风险。工序进度越过2级警戒线后，决策层应立即商定应急措施、充分调度人、财、物，防止项目出现拖延。

3.2.3 激励机制

激励机制是针对人的3种心理行为(学生综合症、帕金森综合症、工期变动效应的不对称性)而设计的。激励应涵盖物质和精神2种层面的奖励，用来鼓舞士气，增强团队凝聚力和员工积极性。在项目实施前，项目激励机制应由决策层的主要负责人编制完成并得到团队的理解与认同。

直联网项目的项目承建商由公开比选或招标产生，项目总费用是固定的。决策层成员分别属于3个机构实体，分别为项目主管部门、建设单位和承建单位。作为项目主管部门，生态环境部或地方环保厅局对直联网工作的肯定、通报就是一种有效激励方式。作为项目建设单位，总站、地方监测站点可以对按期保质保量完成的承建商以通报表扬、承诺对其未来类似项目的竞选提供相应证明等形式给予激励。作为项目承建单位，承建商必须制定内部激励制度，对内部决策层、管理层和执行层团队成员的激励应是全方位的，横向涵盖物质和精神2个维度，纵向包括常规过程激励、关键控制点激励以及结果导向激励3种激励形式[1]。这些激励形成的确定需要充分考虑执行主体、被激励对象、重要时间节点、绩效考价标准、风险处置效果等的奖罚设计等。

4 实施效果

“2+26”城市空气质量自动站数据直联网任务要求2017年10月底前(即进入试运行阶段之前)28个城市的327个区县超过600个点位接入网络。根据任务下达时间和工作内容测算，工期压减了约2/3。如果不提前准备，任务按计划完成难度极大(表3)。

表3 项目进度计划与实际执行情况Table 3 Project schedule and actual implementation

5 结语

关键链项目管理方法能有效克服学生综合症、帕金森综合症、工期变动效应的不对称性等实施人员心理行为，解决资源约束等不确定性问题。本文通过对空气质量自动站数据直联网工作中的问题与难点的分析，发现工程量巨大，涉及层级多、人员广，协调复杂，存在不确定性。在项目进度计划编制上，通过一致指数将模糊工期转化为确定工期,采用弹性系数K，以工序基准时间与乐观时间的差值与K的乘积进行项目计划，计算项目缓冲区和汇入缓冲区，吸收整个项目的不确定因素。在项目进度控制上，缓冲区预警机制设立使得缓冲区成为进度有效管理工具，组织分层与缓冲区预警机制的充分适应保证了管理的可操作性，激励机制提供了项目开展的动能。实践结果表明，该方法实现了空气质量自动站数据直联网项目进度的合理管控，达到了预期效果。因此，基于关键链的项目管理方法对实施全国范围内环境监测数据联网工作有一定的指导意义。