城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)評(píng)價(jià)與優(yōu)化

鄭 弦，盧昱杰，李永奎，樂 云

（1.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海200092；2.新加坡國立大學(xué)設(shè)計(jì)與環(huán)境學(xué)院，新加坡117566）

城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)評(píng)價(jià)與優(yōu)化

鄭 弦1，盧昱杰2，李永奎1，樂 云1

（1.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海200092；2.新加坡國立大學(xué)設(shè)計(jì)與環(huán)境學(xué)院，新加坡117566）

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊的合理劃分和科學(xué)評(píng)價(jià)，采用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（design structure matrix，DSM）的理論和技術(shù)提出了城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目集成控制系統(tǒng)模塊化評(píng)價(jià)方法，包括系統(tǒng)功能依賴強(qiáng)度、數(shù)量的確定以及傳遞成本和聚類成本的計(jì)算等.針對(duì)該類系統(tǒng)的更新提出將遺傳算法應(yīng)用到DSM聚類算法中以尋找最優(yōu)更新方案.以長春基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)作為典型案例，比較了更新前后兩階段系統(tǒng)版本的模塊化程度，并提出了新一代系統(tǒng)的更新方案，該案例驗(yàn)證了DSM方法在系統(tǒng)模塊劃分、評(píng)價(jià)和方案優(yōu)選方面的可行性和有效性，為同類大型集成控制系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)提供了理論和實(shí)踐參考.

項(xiàng)目群綜合控制；模塊化；設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

我國正處于快速城市化發(fā)展階段，大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目正處于建設(shè)和規(guī)劃中，管理這些項(xiàng)目亟需借助多項(xiàng)目集成信息平臺(tái)以滿足多主體的個(gè)性化需求［1］.商業(yè)軟件如Oracle Primavera P6等雖然是較好的項(xiàng)目管理軟件，但相對(duì)于城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群綜合管控情境的復(fù)雜性和特殊性，這些系統(tǒng)功能的完整性和適應(yīng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而且缺乏一些復(fù)雜項(xiàng)目群管理的功能，如投資管理、前期管理、招投標(biāo)管理等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目全過程管理功能等，因此必須結(jié)合具體的管理情境進(jìn)行個(gè)性化開發(fā).

此類系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜工程，具有功能多且相互關(guān)聯(lián)、用戶多樣、需求不確定及跨組織工作流程和項(xiàng)目群信息集成復(fù)雜等特點(diǎn).系統(tǒng)需求的復(fù)雜性導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)這種復(fù)雜性增加了維護(hù)難度，例如由于系統(tǒng)功能模塊的高度關(guān)聯(lián)性，一個(gè)錯(cuò)誤的產(chǎn)生將引起更大范圍的系統(tǒng)錯(cuò)誤，這種連鎖反應(yīng)增加了維護(hù)時(shí)間和成本，使系統(tǒng)應(yīng)對(duì)變化的能力降低，最終縮短系統(tǒng)的使用壽命.因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)是決定系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵性因素［1-3］，良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)為利益相關(guān)者帶來最大化的全生命周期價(jià)值，包括了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)價(jià)值和維護(hù)價(jià)值.統(tǒng)計(jì)顯示，系統(tǒng)的維護(hù)成本占系統(tǒng)總投入的40%～75%［4］.針對(duì)以上問題，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性是應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、減少高昂維護(hù)成本［5］的最主要手段.

模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)促進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)性意義重大［6］，能促使系統(tǒng)有效應(yīng)對(duì)各種變化和由此產(chǎn)生的各類風(fēng)險(xiǎn).系統(tǒng)模塊化的研究可以追溯至1972年［7］，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架的研究還存在一些共性問題：僅分析系統(tǒng)的局部而不是作為整體進(jìn)行研究；大多關(guān)注當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的不良結(jié)果（如增加維護(hù)成本等），對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架本身的問題關(guān)注較少；系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究局限在某一階段，缺乏對(duì)系統(tǒng)全壽命周期價(jià)值影響的考慮；對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架的評(píng)價(jià)主要依賴于定性和手工分析.設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（DSM）技術(shù)能較好地解決以上系統(tǒng)開發(fā)中的問題.它是一種能定量反映信息關(guān)聯(lián)和反饋的工具，通過充分考慮系統(tǒng)的整體性和關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全生命周期的優(yōu)化，科學(xué)地提高系統(tǒng)的適應(yīng)性.

DSM算法中的聚類是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化的有效方法，通過將DSM中緊密相連的行列元素歸入同一類型的過程，使聚類內(nèi)部的各要素之間的聯(lián)系強(qiáng)度加強(qiáng)，而聚類之間的聯(lián)系強(qiáng)度減弱，這可有效減少系統(tǒng)全生命期過程中變更風(fēng)險(xiǎn)和錯(cuò)誤連鎖反應(yīng).在系統(tǒng)優(yōu)化方面，部分學(xué)者已將DSM方法與其他方法融合以解決復(fù)雜的優(yōu)化問題，例如Cho和Eppinger［8］采用DSM和高級(jí)仿真相結(jié)合預(yù)測(cè)項(xiàng)目完工時(shí)間；錢曉明等［9］利用DSM和遺傳算法結(jié)合啟發(fā)式調(diào)度規(guī)則研究了新產(chǎn)品并行開發(fā)過程的資源調(diào)度與優(yōu)化算法；盛海濤和魏法杰［10］以遺傳算法為工具，通過在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中引入信息耦合強(qiáng)度等參數(shù)，有效解決了大規(guī)模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣的優(yōu)化問題.

本文對(duì)信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性及變更對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響開展研究，采用基于任務(wù)的DSM，即把系統(tǒng)的功能任務(wù)作為模型的行列元素，在功能之間的信息需求關(guān)系的基礎(chǔ)上對(duì)過程模型進(jìn)行建模和分析.雖然DSM技術(shù)在軟件開發(fā)領(lǐng)域也已有相關(guān)研究，Sangal等［11］采用DSM進(jìn)行復(fù)雜軟件構(gòu)架研究；LaMantia等［12］將設(shè)計(jì)規(guī)則理論與DSM結(jié)合解決系統(tǒng)的模塊化劃分問題，但目前對(duì)該技術(shù)的研究仍不夠深入，缺乏結(jié)合實(shí)例對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化的研究.鑒于此，本文將DSM和遺傳算法結(jié)合后引入城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)與優(yōu)化問題，驗(yàn)證該方法在實(shí)踐中的有效性和可行性.

1 DSM在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于DSM技術(shù)在過程建模、信息流規(guī)劃以及優(yōu)化等方面的作用，近年來被越來越多地用于航天、汽車、建筑設(shè)計(jì)和制造業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域［13-14］，具體研究內(nèi)容包含設(shè)計(jì)過程管理、進(jìn)度優(yōu)化、流程重組和團(tuán)隊(duì)合作等［15-17］.在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，DSM技術(shù)能描述某一特定設(shè)計(jì)域內(nèi)各設(shè)計(jì)要素之間的相互依賴和約束等關(guān)系，能夠?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)中的變更以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供規(guī)劃和分析的基礎(chǔ).尤其是在大型復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)了設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程信息流的理解，輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃、調(diào)度、運(yùn)行和管理，提高設(shè)計(jì)效率.DSM同樣可以作為分析和管理工具，通過DSM對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)功能模塊之間的聯(lián)系和依賴關(guān)系有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，幫助開發(fā)和管理人員進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成控制等工作.

具體而言，DSM是由排列順序相同的行列元素組成的方陣，布爾型DSM示意如圖1.M1～M6等表示系統(tǒng)元素，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，若M2和M3之間存在關(guān)聯(lián)，表明M2對(duì)應(yīng)的元素需要M3的輸入，則矩陣中的第2行3列的值為1；否則空格（或由數(shù)字0表示）.在DSM矩陣中，對(duì)角線上的值無意義，對(duì)角線以下的“1”表示前信息反饋，對(duì)角線以上的“1”表示后信息前饋.若元素間既存在前饋也存在反饋，稱之為耦合（例如M2和M3），如果某一元素與大多數(shù)元素均相關(guān)，稱此類元素為bus（例如圖1中M5）.

圖1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣示意Fig.1 Diagram of design structure matrix

DSM技術(shù)應(yīng)用于城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)這樣基于流程和表單的大型綜合管控系統(tǒng)的模塊化劃分有如下優(yōu)勢(shì)：①當(dāng)被分析系統(tǒng)規(guī)模較大、依賴關(guān)系復(fù)雜眾多時(shí)，方框和箭頭圖（如UML包和類圖）難以直觀分析，此時(shí)DSM顯示較好的直觀性；②使用DSM劃分方法可以識(shí)別出模塊結(jié)構(gòu)并發(fā)現(xiàn)環(huán)依賴；③DSM為系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)提供了一種自動(dòng)劃分機(jī)制，可根據(jù)實(shí)際需要（或組織結(jié)構(gòu)）對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整以得到滿意的系統(tǒng)構(gòu)架開發(fā)視圖；④通過DSM進(jìn)行系統(tǒng)模塊劃分后，被劃分的模塊可并行開發(fā)，縮短開發(fā)時(shí)間；⑤DSM使系統(tǒng)構(gòu)架呈現(xiàn)“高內(nèi)聚、松耦合”的構(gòu)架模式，當(dāng)由于內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，可減少更新過程中錯(cuò)誤連鎖反應(yīng)的產(chǎn)生.

2 基于DSM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化評(píng)價(jià)和優(yōu)化方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)DSM模型構(gòu)建

（1）DSM中要素的選擇.由于本文研究的問題是系統(tǒng)的模塊化程度，因此采用系統(tǒng)的功能作為DSM分析要素.

（2）DSM中依賴關(guān)系的選擇.城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)的各功能間依賴關(guān)系是信息的傳遞，包括了數(shù)據(jù)、信息（狹義）和知識(shí)3種依賴介質(zhì)，例如用戶輸入的數(shù)據(jù)、圖紙等，因此統(tǒng)計(jì)信息和表單等均可作為輸入和輸出被其他功能所調(diào)用，使功能之間產(chǎn)生依賴關(guān)系.

（3）DSM中元素的依賴強(qiáng)度和數(shù)量.建立了不同系統(tǒng)元素間依賴關(guān)系和信息流向的二元DSM矩陣，它能對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較好的初始分析.為簡化計(jì)算，本文選擇采用布爾型矩陣描述功能間的相互關(guān)系，即依賴強(qiáng)度分為“0”和“1”.DSM中非對(duì)角線的“1”數(shù)量之和為DSM依賴數(shù)量，它反映系統(tǒng)元素聯(lián)系的緊密程度，緊密程度越高表示系統(tǒng)越復(fù)雜.依賴密度是將依賴數(shù)量和功能數(shù)量聯(lián)系起來的一個(gè)相對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，用來反映單位成對(duì)元素的依賴數(shù)量.計(jì)算公式是：依賴密度等于依賴數(shù)量除以矩陣的總元素對(duì)數(shù)（N×N），其中，N表示元素的總數(shù)量.

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化評(píng)價(jià)

2.2.1 傳遞成本

傳遞成本是用來揭示系統(tǒng)設(shè)計(jì)各功能之間的耦合關(guān)系，進(jìn)而反映單一功能變化對(duì)其他功能可能產(chǎn)生的直接或間接的影響，例如：從圖1中功能間信息依賴關(guān)系可以看出，M3直接依賴于M1和M2，因此傳遞成本為1；而需要經(jīng)過M2后間接依賴于M4，因此傳遞成本為2.對(duì)傳遞成本的計(jì)算可借鑒可達(dá)矩陣的概念和算法［18］.在采用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣轉(zhuǎn)置得到鄰接矩陣后可計(jì)算出可達(dá)矩陣.傳遞成本的算法為：可達(dá)矩陣中非空（或非“0”）單元格的總數(shù)量除以矩陣的總元素對(duì)數(shù)（N×N）.該指標(biāo)表示系統(tǒng)的耦合程度，耦合程度越高表示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊化程度越低，適應(yīng)性越差.

2.2.2 聚類成本

由于存在于同一個(gè)聚類塊中的元素傳遞成本較小，在不同聚類中的元素傳遞成本較大，因此聚類成本是采用差別成本的方式來反映系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化程度的優(yōu)劣，以有效補(bǔ)充“傳遞成本”單一指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化程度的不足，有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化.系統(tǒng)設(shè)計(jì)聚類成本的計(jì)算分為3步：①對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)DSM進(jìn)行聚類；②找到大部分其他行列元素均有聯(lián)系的bus類元素；③根據(jù)元素所處的聚類塊，計(jì)算兩兩元素之間的依賴成本；④最后將所有元素的依賴成本求和.聚類成本算法如下：

（2）對(duì)于元素Mi和Mj，若兩者屬于同一個(gè)聚類塊，則依賴成本I＝dijxλ，x為該聚類塊內(nèi)元素的數(shù)量，λ根據(jù)計(jì)算需要取定，一般取2.

（3）對(duì)于元素Mi和Mj，若兩者不屬于同一個(gè)聚類塊，則依賴成本I＝dijNλ.

2.3 基于GA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化優(yōu)化

城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)在使用過程中面臨極大的內(nèi)外部環(huán)境變化，如組織變革和技術(shù)更新等，因此系統(tǒng)維護(hù)過程中系統(tǒng)更新十分常見.系統(tǒng)更新是一個(gè)持續(xù)的過程，來保證系統(tǒng)的有用性，不良的更新管理導(dǎo)致軟件的全生命周期中出現(xiàn)更多的錯(cuò)誤，因此系統(tǒng)更新直接決定著系統(tǒng)的使用壽命［19］，研究表明大部分的系統(tǒng)淘汰是由于不良的系統(tǒng)更新導(dǎo)致的.雖然前文提出的評(píng)價(jià)算法能評(píng)估不同模塊化方案的優(yōu)劣，但是不能直接進(jìn)行更新方案的優(yōu)選.遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）是搜索復(fù)雜問題最優(yōu)解的有效方法，通過選擇、交叉、變異等操作將擇優(yōu)與隨機(jī)信息交換相結(jié)合，再進(jìn)行一系列的迭代過程來得到問題的最優(yōu)解.遺傳算法應(yīng)用到DSM聚類劃分有利于得出系統(tǒng)模塊化最優(yōu)更新方案.

2.3.1 系統(tǒng)模塊編碼及種群初始化

在系統(tǒng)更新前先對(duì)組織的功能需求進(jìn)行再調(diào)研，了解系統(tǒng)需求的變化并據(jù)此得出更新后DSM模型.對(duì)于獨(dú)立元素需先進(jìn)行識(shí)別和分離，因?yàn)樗鼈兣c其他元素沒有關(guān)系或者僅有很少的關(guān)系，從而可簡化模型，在最后非獨(dú)立元素聚類完成后再將獨(dú)立元素增加到行列元素的前方.假設(shè)系統(tǒng)中非獨(dú)立功能為數(shù)量為n（n≤N），則DSM模型的行列元素按照順序依次編碼為M1，M2，M3，…，Mn.若系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)允許的系統(tǒng)最大聚類數(shù)為k，則對(duì)功能進(jìn)行模塊化聚類劃分的二維編碼矩陣為k×n矩陣C，如式（1）所示.編碼矩陣的每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)聚類，則有k個(gè)聚類，分別為C1，C2，…，Ck，行列元素的順序與聚類前DSM模型順序保持一致，編碼矩陣中每一個(gè)單元格sij的值代表Mj是否在Ci中.以聚類C1為例，假設(shè)其包含的功能要素為M1，M2，映射到編碼結(jié)果矩陣C的第1行中，行列要素M1，M2對(duì)應(yīng)的單元格s11和s12的值為1，其他單元格為0.

課程采用的開卷考試可以避免使學(xué)生將過多的精力花費(fèi)在記憶上,而更多地側(cè)重于知識(shí)的應(yīng)用。考卷情況分析表明,學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握略顯薄弱;對(duì)材料選擇和應(yīng)用方面的成績較好,但由于題目形式單一,并不能全面反映學(xué)生的掌握情況。以此考核的結(jié)果為基礎(chǔ),提出不斷改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的方法。

對(duì)種群進(jìn)行初始化如下：①對(duì)于一條染色體C（k×n矩陣），每1個(gè)列向量中僅任取1個(gè)行元素置其為1，其余為0；②反復(fù)執(zhí)行步驟①使獲得足夠的初始染色體.

2.3.2 構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)

構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)的原則是：①聚類內(nèi)部元素之間聯(lián)系盡可能大，聚類之間聯(lián)系盡可能??；②較小聚類中的聯(lián)系比較大聚類中的聯(lián)系更加容易［20］.

對(duì)于DSM模型，設(shè)在任意一代種群中，第y個(gè)染色體聚類數(shù)目為k，則第i個(gè)聚類中第j個(gè)基因相對(duì)于其他不為零的基因?qū)?yīng)的權(quán)重可用式（3）計(jì)算.

式中：sij，sig為染色體C中第i個(gè)聚類中第j，g個(gè)基因?qū)?yīng)的數(shù)值；djg為該染色體第i個(gè)聚類中第j個(gè)基因?qū)?yīng)的元素與第g個(gè)基因?qū)?yīng)的元素在更新的DSM中顯示的依賴強(qiáng)度.

如果第i個(gè)聚類中有xi個(gè)元素，那么聚類Ci為

如果該染色體實(shí)際聚類數(shù)為kx，那么該染色體的整體聚類值為

把聚類劃分的染色體整體聚類值作為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)相對(duì)系數(shù)確定適應(yīng)度函數(shù)的方法，該染色體的適應(yīng)度函數(shù)為

式中：Cmin為種群中目標(biāo)函數(shù)的最小值；Cmax為目標(biāo)函數(shù)的最大值.

種群的選擇概率按照輪盤賭的方法計(jì)算，則第y個(gè)染色體被選擇的概率為

式中：f（y）為種群中第x條染色體的適應(yīng)度值；h為染色體總數(shù).

2.3.3 交叉與變異

采用單點(diǎn)交叉，在父染色體矩陣列中任意選擇一列作為交叉點(diǎn)，交換交叉點(diǎn)右側(cè)的列元素；變異方法采取任意選取父染色體中2列元素進(jìn)行交換（行列元素順序不變）.

根據(jù)以上3個(gè)步驟即可得到最優(yōu)的系統(tǒng)更新方案，保證系統(tǒng)開發(fā)人員能較獨(dú)立開展系統(tǒng)更新，提供系統(tǒng)的適應(yīng)性.

3 實(shí)證分析

3.1 長春市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)介紹

自2007年以來，長春市針對(duì)政府投資項(xiàng)目采用了集中代建模式，成立了長春市政府投資建設(shè)項(xiàng)目管理中心（簡稱“建管中心”），承擔(dān)基礎(chǔ)設(shè)施等政府投資項(xiàng)目代建管理.隨著長春市城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目急劇增加，給建管中心帶來了極大的管理挑戰(zhàn).為了提升基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群管控水平，開發(fā)長春市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)成為必然選擇.

依據(jù)建管中心定位，其基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群管理的職能和任務(wù)涉及前期、勘察設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、施工準(zhǔn)備、施工和驗(yàn)收及移交階段，因此涉及前期立項(xiàng)與手續(xù)管理、勘察設(shè)計(jì)管理、造價(jià)管理、招投標(biāo)與合同管理、征地與拆遷管理、施工管理、驗(yàn)收與移交管理等職能，這些管理工作既有一定獨(dú)立性也有很大相關(guān)性.在組織方面，既涉及建管中心各職能部門和項(xiàng)目部，也涉及外部政府監(jiān)管部門、投資（融資）機(jī)構(gòu)、監(jiān)理單位、總包等，呈現(xiàn)出復(fù)雜的多主體多項(xiàng)目多階段特征.以合同管理子系統(tǒng)為例，該業(yè)務(wù)內(nèi)容與各職能部門、項(xiàng)目部、外部政府監(jiān)管部門和融資公司均有關(guān)聯(lián)，子模塊與流程管理、招標(biāo)管理、計(jì)量管理、造價(jià)管理和進(jìn)度管理等子模塊均有依賴性，通過模塊化的架構(gòu)設(shè)計(jì)有助于軟件的功能集成、開發(fā)和維護(hù)管理.

3.2 基于DSM的系統(tǒng)模塊化比較

由于建管中心內(nèi)外部環(huán)境變化，長春市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)從首次開發(fā)至今共經(jīng)歷了3個(gè)階段，第3階段的V3.0實(shí)際上為第1階段V1.0的更新.與系統(tǒng)V1.0相比，系統(tǒng)V3.0在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了較好的優(yōu)化，使系統(tǒng)功能、模塊劃分和流程設(shè)計(jì)更具合理性和適應(yīng)性.因此，先采用基于DSM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化劃分和評(píng)價(jià)方法來比較系統(tǒng)V1.0和V3.0的模塊化程度.

3.2.1 數(shù)據(jù)收集和模型建立

通過搜集完備的長春市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)V1.0和V3.0資料，并對(duì)該系統(tǒng)需求調(diào)研人員、系統(tǒng)開發(fā)人員和項(xiàng)目經(jīng)理的多次訪談，初步建立了基于信息依賴關(guān)系的V1.0和V3.0的系統(tǒng)功能DSM.由于功能數(shù)量之多，本文僅選取了系統(tǒng)功能層級(jí)里的二級(jí)功能作為分析要素建立DSM模型.系統(tǒng)V1.0包含69個(gè)二級(jí)功能，系統(tǒng)V3.0包含47個(gè).將各項(xiàng)基本數(shù)據(jù)錄入ProjectDSM，得到表示功能模塊之間依賴關(guān)系的初始DSM模型.再通過調(diào)研取得了2個(gè)系統(tǒng)功能的模塊化聚類方式，如圖2和圖3所示.可以看出，系統(tǒng)V3.0的功能DSM在聚類后，除去與bus類元素的依賴關(guān)系外，聚類塊之間的依賴關(guān)系已非常少，但存在規(guī)模過大的聚類塊，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)的一個(gè)重點(diǎn).系統(tǒng)V1.0的DSM在聚類后，雖然聚類塊之間的依賴關(guān)系明顯減少了，但聚類塊數(shù)量過多，且同樣存在規(guī)模較大的聚類塊.

圖2 系統(tǒng)V1.0聚類后DSM模型Fig.2 Clustered DSM model of V1.0system

圖3 系統(tǒng)V3.0聚類后DSM模型Fig.3 Clustered DSM model of V3.0system

通過對(duì)2個(gè)系統(tǒng)版本的DSM建模和聚類可以計(jì)算出相應(yīng)的依賴關(guān)系數(shù)量、依賴關(guān)系密度、傳遞成本和聚類成本等.此外，還收集了2個(gè)系統(tǒng)版本的源文件數(shù)量、系統(tǒng)代碼行數(shù)和部分性能指標(biāo)（如：網(wǎng)頁平均響應(yīng)時(shí)間、錯(cuò)誤個(gè)數(shù)等）.具體比較如表1.

表1 2個(gè)系統(tǒng)版本的評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)對(duì)比Tab.1 Comparison of two system versions on evaluation indexes

3.2.2 結(jié)果分析

從表1可見：系統(tǒng)V3.0的功能的平均源文件數(shù)量、功能的平均代碼行數(shù)均低于V1.0，而網(wǎng)頁平均響應(yīng)時(shí)間、錯(cuò)誤個(gè)數(shù)也明顯少于系統(tǒng)V1.0，說明系統(tǒng)V1.0存在冗余或無用的系統(tǒng)源文件和代碼，從而降低系統(tǒng)效率；而V3.0通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了源文件數(shù)量和代碼行數(shù)，提升了系統(tǒng)性能，該對(duì)比再次證實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能的重要性，良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能大大減少系統(tǒng)維護(hù)成本，提高用戶滿意度.

對(duì)于系統(tǒng)V1.0和系統(tǒng)V3.0的依賴關(guān)系數(shù)量和依賴關(guān)系密度，系統(tǒng)V3.0中的功能依賴關(guān)系減少了近40%，這說明更新后系統(tǒng)V3.0進(jìn)行了較好的模塊劃分，使功能之間的聯(lián)系緊密程度降低了，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性.但對(duì)比依賴關(guān)系密度，系統(tǒng)V3.0高于系統(tǒng)V1.0，主要原因是系統(tǒng)V3.0中bus類元素增加了，若去掉bus類元素與其他元素的關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)V3.0的依賴關(guān)系密度會(huì)大幅降低，小于V1.0密度.

功能系統(tǒng)V1.0比系統(tǒng)V3.0的依賴關(guān)系復(fù)雜，但通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)版本的傳遞成本相差僅3%，這說明系統(tǒng)V3.0功能之間的間接依賴關(guān)系較多，只有發(fā)現(xiàn)這種隱藏依賴關(guān)系，才能更好開展模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì).而對(duì)于聚類成本這一指標(biāo)，系統(tǒng)V1.0比系統(tǒng)V3.0多出6倍，說明系統(tǒng)V1.0雖然采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，但是模塊間的關(guān)聯(lián)性依然過多，功能組合需要優(yōu)化，以減少功能依賴性，提高系統(tǒng)適應(yīng)性.改進(jìn)后的系統(tǒng)V3.0對(duì)功能的開發(fā)順序和組合進(jìn)行了更佳的設(shè)計(jì)，通過調(diào)整模塊劃分方式，減少了維護(hù)成本，增大系統(tǒng)的全壽命周期價(jià)值.通過以上數(shù)據(jù)對(duì)比，充分說明了系統(tǒng)V3.0的模塊化程度顯著高于系統(tǒng)V1.0，驗(yàn)證了DSM技術(shù)在系統(tǒng)模塊化劃分和評(píng)價(jià)上的有效性.

3.3 DSM和GA結(jié)合的系統(tǒng)更新方案優(yōu)選

在V3.0系統(tǒng)使用1年后，建管中心為了精細(xì)化、規(guī)范化和高效化基礎(chǔ)設(shè)施管理，在管理模式、部門與職能、人員崗位與數(shù)量等方面均進(jìn)行了一系列的變革.例如，在管理模式上，建管中心成立了項(xiàng)目管理公司；在部門與職能方面，部分部門進(jìn)行了職責(zé)調(diào)整，包括將征地與拆排遷部、前期計(jì)劃部的部分職能并入了總工辦，征地與拆遷部和前期計(jì)劃部合并為征地拆遷部（前期部）等.在這樣的組織改革背景下，再次需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新.本文擬針對(duì)系統(tǒng)從V3.0到V3.1的更新，將DSM和GA技術(shù)結(jié)合得出最優(yōu)的更新方案.

首先進(jìn)行需求調(diào)研，更新后的二級(jí)功能子模塊數(shù)量為59，再對(duì)各個(gè)部門的部分員工進(jìn)行半結(jié)構(gòu)的訪談后得出子模塊間的依賴強(qiáng)度，從而得到V3.1系統(tǒng)的布爾型DSM模型.假設(shè)系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)允許的最大聚類數(shù)為8，則染色體編碼為8×59矩陣.將種群大小設(shè)定為200，交叉概率為0.9，變異概率為0.1，終止代數(shù)為200代，在MATLAB軟件中執(zhí)行選擇、交叉和變異算子后得出收斂過程曲線如圖4所示，曲線表明執(zhí)行到155代時(shí)收斂，收斂時(shí)最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值為20.36.將最優(yōu)染色體解碼至DSM模型中，得到聚類后的DSM模型如圖5所示.以第1個(gè)聚類塊為例，二級(jí)功能模塊33（工程計(jì)量管理子模塊）、35（工程洽商管理子模塊）、39（形象進(jìn)度管理子模塊）、44（工程計(jì)量匯總子模塊）、45（工程洽商匯總子模塊）、49（計(jì)劃監(jiān)控子模塊），它們并非屬于同一個(gè)業(yè)務(wù)部門的職能，但是由于二級(jí)功能模塊間相互的關(guān)聯(lián)性，此6個(gè)子模塊組合成一個(gè)更新模塊，由一個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)更新.如此使聚類塊內(nèi)部聯(lián)系得到了增強(qiáng)，依賴強(qiáng)度較弱的元素已從聚類塊中分離出來，聚類塊之間的聯(lián)系大大減小，系統(tǒng)開發(fā)人員可以據(jù)此進(jìn)行更新的分工，避免模塊之間的強(qiáng)依賴性和錯(cuò)誤的連帶反應(yīng)，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性.

通過將DSM和GA結(jié)合進(jìn)行更新方案的優(yōu)選后，各二級(jí)功能模塊在系統(tǒng)更新時(shí)的組合方式更加均衡和合理，以合同管理功能模塊（圖5中編號(hào)23）為例，在V3.0系統(tǒng)版本中，由于該子模塊與流程管理、招標(biāo)管理、計(jì)量管理、造價(jià)管理和進(jìn)度管理等子模塊均有依賴性，因此聚類形成了一個(gè)包含18個(gè)二級(jí)功能模塊的大功能集合，包括排遷任務(wù)管理、攔標(biāo)價(jià)管理、排遷內(nèi)業(yè)信息、履約保證金、標(biāo)段劃分管理、結(jié)算管理等（見圖3），這類大功能塊并不利于系統(tǒng)更新，因此本次更新的一個(gè)重點(diǎn)是對(duì)該大聚類塊的解耦.此外，V3.1系統(tǒng)進(jìn)行更新的主要原因是功能模塊的內(nèi)容進(jìn)行了增加或整合，例如合同管理子模塊中增加了合同金額的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)功能，因此功能模塊之間的依賴關(guān)系有了較大變動(dòng)，需要提出最合理的更新方案.經(jīng)過采用GA算法進(jìn)行模擬和優(yōu)化后，V3.1系統(tǒng)的更新方案中大功能集合模塊被重新劃分，合同管理功能模塊僅與其他8個(gè)二級(jí)功能模塊一起被更新，包括征收資金管理（編號(hào)28）、履約保證金（編號(hào)29）、提請(qǐng)款管理（編號(hào)30）以及其他若干與合同資金相關(guān)的功能，這極大地提高了更新效率.此外，更新后的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的調(diào)用方面更加靈活和快捷，這提高系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)的效率和計(jì)算速度.

圖4 收斂曲線Fig.4 Convergence curves

4 結(jié)語

城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)是一類復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)，需應(yīng)對(duì)系統(tǒng)功能、用戶和需求的不確定性和管理環(huán)境的復(fù)雜性，提高模塊化程度能增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性.本文提出了基于DSM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化劃分、評(píng)價(jià)和更新優(yōu)化方法，通過建立系統(tǒng)功能之間信息依賴關(guān)系的DSM，采用DSM聚類方法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊化劃分，根據(jù)聚類后的DSM計(jì)算依賴關(guān)系數(shù)量、依賴關(guān)系密度、傳遞成本和聚類成本等，并結(jié)合系統(tǒng)性能指標(biāo)，可以對(duì)系統(tǒng)模塊化程度進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)；此外，通過將GA算法與DSM聚類算法相結(jié)合可得出最優(yōu)的更新方案，提高更新效率，延長使用壽命.本文以長春市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目群集成控制系統(tǒng)為例，通過比較更新前后2個(gè)版本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊化程度并結(jié)合組織變更需求提出了下一代系統(tǒng)的最優(yōu)變更方案，驗(yàn)證了該方法在提高系統(tǒng)適應(yīng)性和全生命周期價(jià)值上的有效性，該方法有助于同類集成控制系統(tǒng)在開發(fā)和維護(hù)過程中進(jìn)行系統(tǒng)模塊化劃分、方案評(píng)價(jià)和優(yōu)選.

圖5 最優(yōu)更新方案的DSM模型Fig.5 DSM mode of the optimal updated scheme

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Evaluation and Optimization of City Infrastructure Multi-projects Integration Control System

ZHENG Xian1，LU Yujie2，LI Yongkui1，LE Yun1
（1.School of Economics and Management，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.School of Design and Environment，National University of Singapore，Singapore 117566，Singapore）

Aimed at implementing the rational modular partition and scientific evaluation，design structure matrix（DSM）theories and technologies were adopted to establish the evaluation and optimization methodology for city infrastructure multi-projects integration control system，encompassing the algorithm of independent intensity and number，propagation cost，clustered cost etc.In terms of the system update，the genetic algorithm was combined with the clustering algorithm of DSM so as to achieve the most optimal update scheme.Changchun infrastructure multi-projects integration control system was selected as the typical case，two versions of which before and after updating respectively were compared on degree of modularity and an update scheme for next generation had been put forwarded.The results verify the feasibility and effectiveness of the proposed methodology on modular partition，schemes evaluation and optimal selection，which provide theoretical and practical references for the development and maintenance of large integrated control system of the same kind.

multi-projects integration control；modularity；design structure matrix

TU17

A

0253-374X（2015）12-1908-07

10.11908／j.issn.0253-374x.2015.12.022

2015 04 13

國家自然科學(xué)基金（71390523）

鄭 弦（1989—），女，博士生，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜工程項(xiàng)目管理.E-mail：sine2588@163.com

樂 云（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜工程項(xiàng)目組織.E-mail：yunle@kcpm.com.cn