基于关键链技术（CCM）的船舶设计项目管理模型

苏凌茹 张楠 左小德

摘    要：本文依据关键链技术（CCM），对船舶设计项目进度计划与控制进行优化。通过介绍船舶设计模式、流程和进度计划体系，对船舶设计项目的特点和主要问题进行归纳，提出了CCM在船舶设计领域运用的关键点;结合对船舶设计项目进度管理的需求分析，建立了基于CCM的船舶设计项目进度管理模型;并结合船舶设计工作的实际需求，提出了关键链识别、缓冲区设置、缓冲区管理的具体方法;通过实例验证了模型设计的有效性和CCM在船舶设计项目管理中的优势，丰富了船舶设计项目管理理论体系，为具有类似特点的项目进度管理提供一定参考。

关键词：项目进度管理;关键链技术;船舶设计

中图分类号：U673.2                                文献标识码：A

Abstract： Based on the critical chain method （CCM）， the ship design project scheduling and control optimization model is established. By introducing the ship design mode， process and schedule planning system， the characteristics and main problems of the ship design project are summarized， the key points of CCM application in ship design field are put forward， and the ship design project scheduling management model based on CCM is established in combination with the demand analysis of ship design project scheduling management. Combined with the actual needs of ship design， the specific methods of key chain identification and buffer zone setting are proposed. The effectiveness of the model design and the advantages of CCM in ship design project management are verified by an example， which enriches the theoretical system of ship design project management and provides some references for project scheduling management with similar characteristics.

Key words： Project scheduling management; CCM; Ship design

1     引言

船舶設计是船舶配套和船舶制造的主要依据。国内大型船舶企业为了提升企业竞争力，正大力发展船舶设计的数字化、信息化，提升设计效率和管理水平。目前，我国船舶制造企业中先进的项目管理理念和技术还比较薄弱，凭经验策划的现象还普遍存在。在落后的进度管理现状与市场需求产生矛盾的关键时期，通过运用现代化的项目管理理论和技术，引导企业的产品开发设计向规范有序的管理方向发展，是船舶企业应着重考虑的问题之一。

2    CCM的基本概念和相关研究

2.1  CCM的基本思想

CCM是由Goldratt的约束理论发展而来，是一种根据有限的资源来调整项目进度计划的网络分析技术。其基本思想是：根据持续时间估算和给定的依赖关系及制约因素，绘制项目进度网络图;计算关键路径;在确定了关键路径之后，再考虑资源的可用性，制定出资源约束型进度计划，该计划中的关键路径通常与原先的不同，资源约束型关键路径就是关键链;CCM在网络图中增加作为非工作进度活动的持续时间缓冲，用来应对不确定性;CCM的关注重点是如何管理剩余的缓冲持续时间与剩余的任务链持续时间之间的匹配关系。

2.2   CCM的管理优势

CCM的目标是整个项目最佳，而不是单个任务的最优。在项目进度的早期阶段，就注意到资源冲突的平衡，避免由于资源冲突而使原来的计划不能按期完成;50%完工概率的工期估算虽然比较激进，但是能够消减项目执行者对于安全工期的浪费;对缓冲区的设置，将分散的安全工期相对集中后有目的的进行整体安排，消除不确定因素对项目工期的影响。

2.3   CCM的相关研究

1997年，Goldratt出版了《关键链》一书，书中提出：项目中的制约因素影响项目的整体进度，并用“关键链”一词来表示一系列制约因素在最长一条工序中的争夺资源而引起的相互依存的关系;此后，引起了国内外学者广泛关注，如：Newbold R提出了用根方差法设置缓冲区大小[3];周正龙等通过分析管理信息系统研发特点，建立了关键链识别模型，并通过算例分析验证了模型的适用性[10];褚春超提出了项目资源紧张度、网络图结构复杂度、管理者风险偏好等因素对缓冲区大小的影响[5];徐小琴等将汇入缓冲区的设置，划分为汇入位置和汇入缓冲区大小的确定[12];单泊源等分析了缓冲区管理的缺陷，将缓冲突破分为三层，并提出缓冲突破与行动决策的矩阵图[7];王肖文等在关键链的缓冲管理中，加入了风险矩阵的相关理论思想，建立了缓冲区进度控制的等级矩阵法[13]。

CCM的应用步骤为：关键链识别——缓冲区设置——缓冲区管理。关键链识别：根据工作分解结构（WBS）和各活动之间的工序逻辑关系，绘制项目初始网络计划图;缓冲区设置主要分为三类：项目缓冲（PB）、汇入缓冲（FB）及资源缓冲（RB）;缓冲区管理运用较多的，是Goldratt提出的三色区管理法。

3     基于CCM的船舶设计项目进度管理模型

3.1   模型建立

结合船舶设计项目的工作流程和现有的进度管理、手段，将进度管理流程与CCM应用的各个步骤有效结合起来，建立了基于CCM的船舶设计项目进度管理模型，探讨更为合理的船舶设计项目进度管理手段，如图1所示。

3.2   CCM应用

3.2.1  CCM识别

在设计项目合同生效后，根据船东与研发部门签订的技术规格书内容、专业分工和设计流程，对设计任务的工序进行梳理，形成初步网络图;再按照50%的完工概率，对各个阶段的设计任务进行工期预估，结合各设计任务之间的工序关系和资源约束情况对初始网络图进行调整，并通过各活动最早开工时间和最晚开工时间的计算，求得各排列关键链和缓冲区，最终筛选出最合理的关键链为最终关键链，并确定非关键链汇入点。

3.2.2  缓冲区设置方法

（1）缓冲区设置方法

缓冲区大小的设置方法，由Goldratt法、剪切-粘贴法发展到根方差法。有学者使用了非关键链修正系数γ，即非关键链工期总和与上关键链工期总和之比，对传统的根方差法进行改进。按照船舶设计项目不同区域并行设计的特点，为消除并行工序的非关键链引起PB偏大或偏小的极端情况，笔者在修正系数γ的处理上加入维度的修正，减弱并行设计影响的修正，此时PB的计算公式为：

式中：Di为关键链上每个设计活动原始估算工期;dj为关键链上以50%完工率进行估计的工期;V和I分别为关键链和非关键链上的每个设计活动;J为关键链上的每个设计活动;γ为非关键链修正系数;ΣiεuTi为非关键链上活动工期的总和;ΣjεVTj为关键链上活动工期的总和;N为并行设计的区域划分的数量。

（2）汇入缓冲设置方法

汇入点：由于汇入缓冲是考虑非关键链上的活动对于关键链上活动产生的影响，因此以最晚开工时间为参照。若关键链上某活动的最晚开始时间刚好等于非关键链上的某活动的结束时间，且后者是前者的紧后活动或资源紧后活动，则两者的结束与开始之间的位置为该项目进度计划中的非关键链汇入点;

汇入缓冲大小：依据项目特点，将设计难度、变更风险等因素与关键链汇入点相结合，讨论缓冲区大小的计算方法。设置汇入缓冲系数α、工序系数β、变更因子δ。其中：δ的取值依据设计难度和专业交叉的复杂程度;设计变更风险等由专家组研讨得出。

用m表示设计活动所在非关键链的紧前任务的数量、w表示非关键链上的设计项目活动的总数，则工序系数β按下式计算：

（3）资源缓冲设置方法

Goldratt在《突破项目管理的瓶颈：关键链》一文中提出：资源缓冲的实质就是一种预警机制[2]。船舶设计项目中的关键资源以各专业的设计人员为主，在使用关键资源的设计活动前加入资源缓冲，使项目管理人员对该区域进行管理时，能合理的提前确认关键资源的到位情况。而由于设计阶段的差异，不同阶段的设计人员资源需求不同，缓冲设置方法也有所不同。

3.2.3缓冲区管理

（1）缓冲和汇入缓冲管理

项目的缓冲区管理可以借鉴Goldratt的三色缓冲区管理方法，将缓冲区的消耗百分比与项目关键链的完成情况相结合，对设计活动的缓冲区消耗情况进行监控;并根据完成阶段和进度，将整个缓冲区域划分为红、黄、绿三种颜色区域进行管理，如图2所示;不同颜色区域釆取不同的措施。比如：绿色“安全期”保持观望;黄色“警示区”采取适当措施;红色“危险区”调整计划。

设计过程中出现严重超期情况一般是发生在新船型的设计项目中，特别是设计过程中产生的大量修改。这时，应根据实际情况与生产部门协商修改建造计划;若是船东单方面的修改，可与船东讨论项目延期;若时间上不能调整，则需要安排加班或者增加设计人员等措施保证设计进度。

（2）资源缓冲管理

资源缓冲管理应当贯穿于整个项目的所有任务，主要有以下要点：

① 编制详细的资源需求及使用计划，结合预警设置，优化设计管理系统功能;

② 结合实际项目进度，对资源需求及使用计划予以动态更新;

③ 总结资源缓冲管理经验，形成适用于项目的资源缓冲管理办法或程序文件，通过持续改进，确保资源缓冲管理在企业的项目进度管理中发挥作用;

④ 运用系统的信息手段，对于资源占用情况进行分析预测，改变传统的一把抓的管理模式，提高管理水平。

4     模型技术路线分析

4.1   模型设置过程

① 根据项目活动信息，将同一级别活动中占用相同的资源认定为关键资源;

对并行的设计活动进行分组，如图3所示。

③ 将资源占用情况考虑到工序顺序中进行全排列，如圖4所示：组别1的全排列分别为{A1，A3，A2}和{A3，A1，A2};组别2的全排列分别为{B2，B3，B1}和{B3，B2，B1};

④ 邀请专家组完成50%概率下的工期估算;

⑤ 计算各活动最早开工时间和最晚开工时间：最早开工时间取活动工序顺序的最早开工时间和在关键资源约束情况下的最早开工时间的最大值;

⑥ 求各序列的关键链。由最晚开工时间集合LST与最早开工时间EST的差值，得到序列S，按照活动的逻辑先后顺序排列后，为该序列下的项目关键链;

⑦ 根据项目的汇入缓冲设置方法，计算各序列缓冲区大小及计划工期;

⑧ 筛选最合理的关键链为最终项目关键链。文献[4]提出了关键链的选取要求，若各关键链都能满足选取要求，则取工期最短的关键链为最终的项目关键链。

4.2   实例分析

根据某船上建部分区域生产设计项目模拟情况，估计出若干部分工序：船体结构初步模型A、铁舾模型B、管系风管模型C、管系风管制作图D、铁舾制作图E、管系安装图F、铁舾安装图G、重量重心统计H、PDM数据管理T。所需3类资源的需求数量，如表1所列：

（1）根据设计活动信息绘制初始网络图

根据上述设计活动信息，绘制初始网络图。初始网络图考虑了各设计活动之间的关系，暂不考虑活动之间的资源约束情况，如图5所示。

从初始网络图中，计算出关键路径CPM为：C-D-F-H。此时项目总工期为47。

（2）平衡资源冲突的各项目关键链计算

① 设计活动分组，1至4组分别为：{A，B，C}、{D，E}、{F，G}、{H};

② 按照设计活动分级和关键资源占用情况，对所有活动进行全排列，并计算出各活动的最早开工时间和最晚开工时间;

③ 对各序列的EST和LST求差值，差值为0的活动的组合，即为各序列的关键链，如表2所示：

（3）设置项目缓冲PB

运用项目缓冲的设置方法，分别计算出L1、L2、L3、L4的项目缓冲期为：4.8、5.4、6.4、6.4。因此，四条关键链加入项目缓冲后，得到的项目总工期分别为：34.8、37.4、35.4、35.4。使用L3或L4得到的项目总工期最短，比原项目进度计划缩短11.7，故将L4确定为项目的最终关键链。

（4）设置项目汇入点位置

参照最晚开始时间，以甘特图为主要工具计算汇入点的位置。如关键链L1：非关键链工序中活动F的最晚完工时间与关键链工序中活动H的最晚开工时间相等，因此非关键链活动F的完成时间对关键链活动H的开始有影响，设置关键链L1的汇入点为H1={F}。

根据汇入点的设置，对原网络图进行整理，得到考虑各活动顺序和资源约束的网络图，如图6所示;另外，其他三条关键链的汇入点，分别是：H2={F}、H3={G}、H4={G}。

（5）设置汇入缓冲FB

将L4确定为项目的最终关键链后，项目中还有3条非关键链（见图7）。分别给出风险变更因子δ值为0.4、0.3、0.2，得到FB1、FB2、FB3分别为2.4、3.5、1.2。最终得到包含了项目缓冲和汇入缓冲的关键链，如图7所示。

5      结语

在运用了基于CCM的船舶设计项目管理优化模型后，整个上建生产设计项目进度计划都得到了改善，主要表现在：总工期比原计划缩短11.7;活动开始时间更为明确;缓冲区的合理设置，能够较好的应对不定因素产生的项目更改而造成的设计拖期问题;50%概率的乐观的工期预估，能够有效的应对人的心理和行为因素;资源约束的考虑，减少了项目延期风险;改进后的工期确定方法按照数学模型生成，寻找到使项目总工期最短的最优组合，其方法更为合理科学;优化后的项目安全工期结合了各个活动的工序关系和资源约束，以设置缓冲的方式将原项目超期的风险进行了分担，能够满足实际的项目进度管理需求;改进后的管理方式与工期计划紧密结合，管理重点穿插在项目各活动的实施进程中，通过PB、FB和RB的设置，对项目超期严加防范，保证建造计划的顺利完成。

参考文献

[1]艾利·高德拉特.突破项目管理的瓶颈：关键链[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2] Herman S. An investigation into the fundamentals of critical chain project scheduling[J]. International Journal of Project Management. 2001，19（6）：363-369

[3]马国丰，王爱民，屠梅曾.CCM：一种基于TOC的项目管理技术[J].系统工程理论方法应用，2004（02）：167-171.

[4]马国丰，屠梅曾.制约因素在项目进度管理的应用[J].管理工程学报，2002（04）：72-75.

[5]褚春超.缓冲估计与关键链项目管理[J].计算机集成制造系统，2014.

[6]赵道致，廖华.对关键链法的几个认识误区[J]. 工业工程， 2005，8（2）：4-6.

[7]单汨源，龙颖.一种关键链缓冲机制改进方法及其应用研究[J].项目管理技术，2006（09）：32-35.

[8]徐小琴，韩文民.关键链汇入缓冲区的设置方法[J].工业工程与管理，2007（05）：51-55.

[9]姜丽媛. 基于关键链技术的修船项目进度管理研究[D].大连理工大学，2015.

[10]周正龙，董雄报，左园.MIS开发项目进度管理的關键链识别研究[J].科技管理研究，2014，34（19）：177-180+194.

[11]马国丰，屠梅曾，史占中，吴伟.基于关键链技术的项目进度管理系统设计与实现[J].上海交通大学学报，2004（03）：377-381.

[12]徐小琴，韩文民.关键链汇入缓冲区的设置方法[J].工业工程与管理，2007（05）：51-55.

[13]王肖文，刘伊生，仇鹏.关键链法缓冲区设置及其监控方法研究[J].建筑经济，2013（02）：42-45.