复杂机电系统制造过程项目化管理目标构建分析

2020-05-18周云飞赛云秀

兵器装备工程学报 2020年4期

周云飞，赛云秀,2，闫莉

(1.西安工业大学机电工程学院，西安 710021； 2.西安石油大学，西安 710065)

现代复杂机电系统(Complex electromechanical system,CES)已经被广泛应用于航空航天工业、电力系统、轨道交通、海洋工程和民用机械等领域。这类产品的生产具有单件、小批量的特点，是典型的面向订单设计(ETO)或项目制造(PMs)的生产组织方式[1]。由于要为客户提供定制化的专用产品，所以从产品设计、采购、制造、装配到交付等全部过程都是由客户订单驱动的，产品完全根据客户的特殊需求定制，每一份订单(或合同)的实现都可以看作是具有特定目标与非常规的一次性制造任务，具有项目的典型特征。因此，将项目管理思想引入到复杂机电系统的制造过程中，实现制造过程的项目化管理，对于提升大型复杂装备制造企业的制造能力和管理水平具有重大的推动作用。

项目化管理(Projectification Management)[2]作为一种新的管理方式，已经被越来越多的企业所认可和接受，成为企业实现或变革商业和技术战略的方式。在西方经济体中，项目化已然成为了一种普遍现象，并涉及到所有的经济部门。根据调查，目前西方国家经济活动的项目化程度(项目工作在组织中的份额)大约在30%的范围内[3]，这意味着大约三分之一的经济活动是以项目的形式进行的。我国学者邹庆云等[4]认为复杂机电系统制造不同于一般机械产品生产，缺乏均衡性和重复性，同时制造任务与大型建设工程项目紧密相连，应当作为建设项目的子项目并采用项目管理的方式实施管理。刘国靖等[5]通过分析国内装备制造企业的一般特征和面临的挑战，阐述了国内装备制造企业推行项目管理的必要性和优越性，并给出了推行项目管理的模式。Xu等[6]以煅烧移动式起重机制造项目为例，研究了协同项目管理解决重型设备制造跨部门的协作问题。王立国[7]从我国装备制造型企业项目管理能力评价方面进行研究，认为目前我国制造型企业项目管理发展和研究水平均落后于国外发达国家，我国对企业项目管理能力的研究有待深化。罗洪清[8]通过对项目管理引入国内重型装备制造企业的适应性进行研究，提出在重型装备制造企业选择应用项目管理时，在产品运作业务流程应该对标准项目管理进行裁剪，即采用不完全项目管理模式。由此可见，将项目管理的理论和方法引入到复杂机电系统制造过程中，具有一定的优越性，适合于复杂机电系统的制造环境。然而，这些研究仅仅探讨了装备制造企业引入项目管理模式的必要性和可行性，并未就复杂机电系统制造过程项目化管理如何实施进行研究，也没有从目标体系构建角度进行研究。

为了解决上述问题，本文从项目管理的三大目标协调机理出发，致力于复杂机电系统制造过程的进度、成本和质量三大目标的构建，并提出统筹管理策略。

1 项目管理的三大目标

企业最基本的活动分为两类：一类是连续不断、周而复始的活动，称为“作业”或“运作”；另一类是临时的、一次性和独特的活动，称之为“项目”。因此，对应的就有两种管理方式，即运作管理和项目管理。前者认为环境是稳定的或者环境的干扰是可以忽略的，给定输入就可以得到预期的输出，这种输出的结果是固定的，并且对输出的评价只有事后的检测而没有过程中的反馈，所以运作管理是开环控制；而后者认为环境是变化的，必须考虑干扰因素的控制才能得到预期的输出，所以项目管理必须采用闭环控制，通过过程中的监测和反馈进行动态的控制[9]。传统上，机械制造企业的管理活动并不关注项目，而是关注企业的运作活动。因此，进度、成本和质量并不是直接关注的问题，因为它们变化极小且持续稳定。具体而言，在进度方面，一般制造管理为每项活动制定了可参考的标准时间，并定义了客户可以信任的交货时间：较短的时间意味着产品可能性能不佳，较长的时间意味着可以改进设计和工程部门制定的规范；在成本方面，为每一项制造活动制定了标准费用(定额)，并使总成本最小化；在质量方面，质量是一致性的同义词，参考全面质量管理的关键原则，质量是在设计/工程阶段的上游产生的，必须努力减少并尽可能消除生产链中的差异，以便符合为产品/过程制定的标准[10]。然而，在项目管理中，进度是指活动的持续时间，并且具有明确的开始和结束日期，但是没有具体可参考的标准时间，因为项目所涉及的活动是新的，可能会改变，只能估计它们的持续时间；在成本方面，项目活动中因为没有固定的成本，唯一能做的就是预算；在质量方面，项目管理的目的就是确保客户的需求得到满足和确认。所以，项目管理与一般制造管理的目标存在根本的差异，如表1所示。

表1 项目管理与制造管理的目标差异

由表1可知：进度、成本和质量的定义从根本上区别了项目活动与一般制造活动的管理差异。管理意味着处理可能受到或多或少影响的变量：当不允许变化时，或者当因素无法控制时，无法进行管理，因为管理意味着做出决策并采取相应地行动(即规划和执行控制)。所以，在项目的概念下，可以管理的是那些典型的项目变量：进度、成本、质量和资源，因为它们与其定义密切关联。前3个变量表示项目绩效，是项目经理用来识别、支持和评估项目成功的3个基本标准，而最后一个变量表示限制执行项目所需活动的人力和技术限制。所以，在项目管理领域，通常将进度(工期、时间)、成本(费用、投资、预算)和质量(功能要求、规格、绩效)称为项目的“三大目标”或“三重约束”[11]。它们共同定义了项目与一般制造活动(非项目)的根本区别，是开展项目管理活动的核心，也是判断项目成功的标准。三大目标之间是高度相关且相互矛盾的，通过相互依赖、相互影响、相互制约，形成辩证统一的关系，也被称为项目管理的“铁三角”[12]，如图1所示。

图1 进度、成本和质量的“铁三角”关系

项目管理与一般制造管理的最大区别在于完成一项任务或工作时，突出了进度、成本和质量这三大核心目标[13]。它们代表了在特定日期之前以特定成本交付特定结果的目标。项目管理的目的就是在进度、成本和质量约束下追求项目总体目标的最优化；同时，项目管理的成功取决于这些约束的平衡程度。如果过分强调任何一个约束，那么另外两个可能会产生“负担”。因此，这三大目标必须是同步的，必须进行统筹管理。反映在图形中，就表示项目必须在图1中的三角形约束范围内进行计划和控制。

2 复杂机电系统项目三大目标构建

2.1 复杂机电系统项目的定义

复杂机电系统大多是由客户定制的服务于特殊工况的一类产品。在面向订单设计的背景下，每个产品都是项目的最终结果，都可以像项目一样管理这类独特的产品(订单)：在短期内成功交付项目，满足进度、成本和质量目标的要求；在长期内对客户和企业产生积极影响，在项目执行期间和之后创造长期价值[14]。基于此，本文将复杂机电系统项目(Complex electromechanical system project,CESP)定义为：在一定的时间、成本、技术和资源约束下，为实现客户的特定需求，而进行的具有明确目标与非常规的一次性制造任务。“一次性”是指CESP是在具有明确的开始和结束日期内完成；“非常规”意味着CESP是一次独特的努力去做以前从未做过的事情；“客户需求”是实施CESP的主要驱动力，并且持续影响CESP实施的全过程；“明确目标”是指实施CESP的主要目的是制造能够满足客户需求的产品或进行产品再制造。所以，每一个产品对应一个新的项目，由专门从事设计、制造和服务的大型装备制造企业提供。

2.2 复杂机电系统项目目标体系构建

对于一般项目而言，进度、成本和质量固然是三大核心目标。然而，在CESP背景下，除了传统的进度、成本和质量外，项目经理还必须确保遵守所有安全要求和安全程序。因此，还必须建立另外一个目标：安全，以反映确保满足许多重要的健康和安全要求。换言之，安全应被视为与进度、成本和质量同样重要或更重要的第四大目标(标准)，因为无论是在产品设计、制造、装配、调试或运营过程中，安全必须是最重要的标准，具有“一票否决”的权力。任何安全性的降低都可能会导致灾难、死亡，甚至还可能会在“一夜之间”摧毁一个项目或一个企业。即使最终产品的成本可能会超过预算，或者可能会延迟投入使用，或者可能不得不牺牲某些方面的质量要求(如舒适性)，但在任何情况下都不能损害安全性。实际上，无论是CESP还是一般机电产品制造项目，都必须建立安全标准，而且持续监控是安全政策的基本要素。换言之，CESP的进度、成本、质量三大目标必须以安全性为前提，而后形成“铁三角”约束关系。所以，CESP的目标主要包括四大方面，如果按照重要性顺序列出四大目标，则顺序将是安全(Safety)、质量(Quality)、进度(Schedule)和成本(Cost)，可以简称为SQSC目标。基于此，本文将CESP目标定义为“3目标1标准”，即进度、成本、质量三大目标和安全性标准，可以用“钻石”图形表示，如图2所示。

图2 CESP的“3目标1标准”钻石模型

从通用的项目管理的角度来说，安全属于事业环境因素，一般在项目风险管理中进行识别和管控[15]，并且安全通常是法律法规要求并且载于工作中的健康与安全法规的一个因素[16]。而进度、成本和质量是可以由项目经理直接负责管控，以适应项目不断变化的要求和环境。正如任何项目经理所知，可以通过增加资源(成本)来减少持续时间(进度)，甚至可以通过降低质量等级或较少某些不太重要的性能要求(如舒适性)来节省成本，但在任何情况下都不能危及安全。此外，除了安全、质量、进度和成本目标外，有时候管理一个CESP还需要添加其他更多的目标，如技术、环境、资源、人本等。然而，进度、成本和质量三大目标是经典的解释，它们强调了项目管理的“主干”——既没有增加，也没有减少，并且考虑其他因素的模型都是在三大目标基础上建立的。因此，本文主要从进度、成本和质量三个方面探讨复杂机电系统制造过程项目化管理目标体系的构建；同时将安全目标作为三大目标必须遵守的一项标准，即CESP三大目标需要根据各自的特点和要求来确立，但无论如何都必须以安全为标准。

2.3 复杂机电系统项目三大目标的确立

1) 进度目标的确立。进度目标规定了完成CESP所需的时间范围。它定义了CESP是一个以开始和结束为前提的临时性工作。具体而言，它包括两层含义：其一，为完成单项制造活动的临时性工作；其二，为完成所有制造活动的总的临时性工作(并非是所有制造活动的累加和)。临时性意味着CESP具有明确的开始和结束日期。换言之，CESP的每一项活动都有明确的截止日期。它指出了客户希望开始获得可交付成果的收益日期，是项目进度目标的一个最重要的日期。

2) 成本目标的确立。成本目标规定了完成CESP所需的预算或费用总额。它定义了CESP是一个为生产高价值产品的一次性制造任务。“高价值”一方面体现在它是通过B2B形式获得的资本货物[17]，其单位成本远远高于一般商品；另一方面体现在它通常需要巨大投资，持久的努力，旨在创造社会的长期价值。这种价值不仅包括增加收入，节约成本，缩短进度和提高质量，它还涉及提高企业竞争力，培养人才，提高客户/供应商/分包商/员工的满意度，以及积极参与项目的相关方的长期利益。所以，CESP成本目标需要项目参与者通过共同开展活动来创造价值，并通过协调单个参与者的目标，为项目成果创建一个明确的战略愿景[18]，从而创造价值。

3) 质量目标的确立。对于CESP而言，项目质量最重要的是满足(或超出)客户需求和期望，并符合系统设计和规范。项目团队应该事先识别、理解客户的需求和期望，如果客户提供看似不切实际的质量要求或规格，应该与客户一起审核并更改它们，以便切实实现所需的最终结果。所以在确立CESP质量目标时要考虑到明确的和暗含的需求：明确的需求是与客户在合同(技术协议)中约定的最终产品必须要达到的技术参数；暗含的需求则是产品或服务应该具备的最基本特性，如功能要求、安全性、可靠性、适用性等要求。

由上述分析可以得出：进度目标体现了CESP与一般制造活动(非项目)的根本区别；成本目标体现了CESP与一般制造项目的主要区别；质量目标体现了CESP与其他设备制造项目，特别是同类设备制造项目的重要区别，如表2所示。

表2 CESP三大目标的定义及区别对象

3 复杂机电系统项目三大目标统筹管理分析

3.1 复杂机电系统项目三大目标权衡关系

CESP的管理是一个连续的过程，一切都必须在进度、成本和质量刚性约束界限内完成。如果预期质量更好，则必须沿进度和成本轴进行折衷，从而改变三角形的形状。在无法精确优化的情况下，需要在三个成功因素之间进行权衡。权衡关系并不是线性的，必须从多个视角进行讨论。为了简明地说明问题，本文绘制“铁三角”内CESP进度、成本和质量的权衡关系，如图3所示。

图3 进度、成本和质量的权衡关系

总体而言，范围要求确定了项目边界，必须在该边界内实现权衡。进度、成本和质量的不同组合构成了立方体的8个顶点(a～h)，其中e点是无作为状态，没有质量要求，没有进度安排，没有预算成本，所以它不能成为组织追求的目标。a点表示满足所有质量要求，而不需要投入时间或成本的极端情况。这在任何实际环境中，都是不切实际的极端情况。然而，它却是项目发起人最希望的点。相比之下，c点为质量、成本和进度提供了最大可能，如果允许尽可能长的时间，并分配尽可能多的预算，就可以满足最高的质量，即c点为三大目标权衡的理想点。然而，在实际情况中，这是不切实际的期望。因为，任何一个组织都无法获取执行项目所需的一切资源。但是，它却是项目执行者最希望的点。所以，为了尽可能靠近理想点，就需要在三大目标之间进行权衡和取舍，以达到较为满意的解，如图3中示例的最优点i。实际上，任何一个项目都是独一无二的，它们要求不同的资源，而又不得不在进度、成本和质量的严格约束下执行。成功或失败很大程度上取决于管理者能否在质量、成本和进度之间识别重心的细微变化，并解决它们之间发生的持续明显的冲突。当成本成为管理重心时，如果过分强调进度可能带来致命的缺陷，反之亦然。当必须满足质量要求以适应现实要求时，优秀的项目经理将通过适当的控制策略，以进度、成本和质量的平衡为目标，并尽力保持管理的灵活性，以便在出现新情况时能够适应新情况。

3.2 复杂机电系统项目三大目标统筹管理模型

CESP目标具有的多要素性，决定了在实现总目标时，需要统筹兼顾各个目标要素之间的相互影响。从数学意义上来讲，这是一个多目标决策优化问题，需要运用多目标决策理论来解决。为了构建CESP三大目标统筹管理模型，需要定义有关变量，如表3所示。

表3 模型参数定义

据此，构建CESP三大目标优化模型，其中目标函数如式(1)～式(3)：

(1)

MinT= ∑ij∈P∑k∈Mij(ESijk+dijk)xijk

(2)

MinC= ∑ij∈A∑k∈Mij(DCijk+ICijk+TCijk)xijk

(3)

约束条件如式(4)～式(11)所示：.

∑k∈Mijxijk= 1,ij∈A

(4)

ESj-ESi≥∑k∈MijESijkxijk= 1,ij∈A

(5)

∑k∈MijAQRijkxijk≥QRminij,ij∈A

(6)

∑ij∈A∑k∈Mij(DCijk+ICijk+TCijk)xijk≤Cmax

(7)

ESn+dn≤Tmax

(8)

ES1=0

(9)

di≥0,i∈V

(10)

xijk={0,1},ij∈A,k∈Mij

(11)

目标函数式(1)表示最大化CESP的整体质量；目标函数式(2)和式(3)分别表示最小化CESP的总进度和成本。约束式(4)确保为每项活动分配一种执行模式；约束式(5)保留项目活动之间的优先关系；约束式(6)要求每项活动的实际质量完成值满足最低质量水平；约束式(7)定义了CESP的成本阈值；约束式(8)定义了CESP截止日期；约束式(9)强制活动不早于时间零开始；约束式(10)确保每项活动持续时间为非负数；约束式(11)是二进制符号，当活动ij按照模式k执行时为1，否则为0。

3.3 复杂机电系统项目三大目标统筹管理策略

CESP制造过程统筹管理是一项复杂的系统化工程，落实到三大目标的统筹过程中，必须要考虑目标纵向的集成控制与横向的协调关系[19]。CESP目标的纵向集成是一个由抽象到具体的过程，是自上而下逐层分解来完成的，具有一定的层次性，可以将CESP目标描述为一个系统化的层次结构。最高层是总体目标，指明项目拟解决问题总的期望和结果，是对项目总体概念的确定。它一般由投资人或客户，以及项目高层管理者在项目立项阶段提出，具有模糊性和不可控性；其下层是子系统目标，由系统目标的分解得到，一般在规划阶段根据CESP的工作分解结构或边界条件对系统目标的约束进行确定；再下层是技术目标，是对系统目标的进一步解释和具体化，包括进度目标、成本目标和质量目标；最下层是具体目标，或称为可执行目标，这些目标在项目执行过程中逐步细化，具有确定性和可测量性；最后是在验收阶段，根据目标管理计划对所有目标的实现结果进行检验和评估。

CESP目标的横向协调则是以各层目标的实现为依据，将具体目标重点落实到进度、成本和质量三大目标要素中，据此开展相关的计划、组织、指挥、控制和协调等管理工作。具体来讲，包括以下两个主要层面：第一，子系统目标间的横向协调。将CESP总目标分解到子系统、组件对应的子项目、次级子项目以后，由于各子项目的启动时间不同，项目进度不同，项目成本不同，所要求的质量标准也不同。所以，在组织资源有限的情况下，需要对各个子目标进行优选排序和资源优化配置，这是有效地控制项目总体目标的关键。第二，三大目标间的横向协调。在专项目标管理上，虽然三大目标要素在具体控制内容上无直接关系，但处于同一项目阶段中的各目标控制过程和结果却会相互影响。所以，项目经理要与职能经理密切配合，进行组织、人员和资源的协调，最终权衡好三大目标要素(即进度、成本和质量)之间的协同关系，以实现目标协同管理与优化。