基于關(guān)鍵鏈法的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)進度研究

朱開鼎、陸云霞、王書超、任遠 /北京衛(wèi)星制造廠有限公司

近年來，隨著我國經(jīng)濟實力的大幅增加，航天事業(yè)步入了高速發(fā)展的黃金時期，航天型號的高密度發(fā)射和高強度研制已經(jīng)成為常態(tài)。北京衛(wèi)星制造廠有限公司承擔(dān)著我國絕大多數(shù)衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)及相關(guān)配套產(chǎn)品的研制，這幾年爆炸式增長的型號研制需求給型號科研生產(chǎn)和質(zhì)量管理帶來了極大的挑戰(zhàn)。筆者針對當前衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝生產(chǎn)存在的一系列問題，利用基于關(guān)鍵鏈法的項目管理模型，研究衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝過程中存在的關(guān)鍵資源沖突、進度管控措施有效性差等問題，以提高多型號主結(jié)構(gòu)同步研制的生產(chǎn)效率。

一、存在的問題

航天型號結(jié)構(gòu)部裝研制是一種較為復(fù)雜的多項目管理項目，同時包含有多個次級項目，項目內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)和影響，多型號結(jié)構(gòu)部裝進度管理是指揮調(diào)度人員根據(jù)各個型號項目辦公室的整星計劃安排制定，并根據(jù)制定的計劃對型號多個項目的實施進行統(tǒng)籌、控制和修正，目的是在項目辦公室允許的時間范圍內(nèi)完成多個型號的結(jié)構(gòu)部裝交付。但由于結(jié)構(gòu)部裝受外部因素影響較大，實際生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)較多的問題，導(dǎo)致大多數(shù)結(jié)構(gòu)部裝未能按時完成。

1.部裝結(jié)構(gòu)輸入啟動時間推遲

部裝輸入由總體決定，由于用戶相關(guān)載荷接口尺寸確認及IDS 簽署過程中存在反復(fù)，導(dǎo)致大多數(shù)產(chǎn)品狀態(tài)確認較晚，使得部裝和結(jié)構(gòu)板圖紙未能按時下廠，給結(jié)構(gòu)板和部裝直屬件的生產(chǎn)帶來了較大的難度、部裝按時啟動增加了極大的不確定性，進而給部裝工位資源統(tǒng)籌協(xié)調(diào)帶來了較大的沖擊。

2.過程中不斷處理技術(shù)問題

由于航天產(chǎn)品高質(zhì)量、高標準的要求，生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)要求極為苛刻，任何有疑問的地方都會通知設(shè)計辦理相關(guān)質(zhì)量單據(jù)，反復(fù)確認無誤后方可進行下一步操作，給型號進度帶來了一定的影響。

3.管理層級多，產(chǎn)品接口單位多，進度協(xié)調(diào)效果差

結(jié)構(gòu)部裝的研制一般采用多級職能式的管理模式，使得管理層級和接口界面較多，上下序之間銜接不流暢，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題時無法第一時間明確責(zé)任人，各部門之間存在相互推諉扯皮現(xiàn)象，給型號研制帶來一定的影響。

4.多型號集中生產(chǎn)，資源沖突嚴重

近幾年航天型號不斷增加，多型號集中生產(chǎn)已成為常態(tài)，結(jié)構(gòu)部裝屬于衛(wèi)星研制的主線，且是總裝階段啟動的先決條件，各型號項目辦公室對結(jié)構(gòu)部裝的時間節(jié)點要求也極為嚴格，再加上前期輸入推遲導(dǎo)致的圖紙集中到廠，使得有限的工位和人員無法滿足多型號、短周期的生產(chǎn)任務(wù)，資源沖突、進度推遲成為常態(tài)。

二、關(guān)鍵鏈法

1997 年，高德拉特博士提出了關(guān)鍵鏈理論，他將約束條件引入項目管理中，指出制約整個項目進展的因素是關(guān)鍵鏈，也就是需要考慮有限資源約束的關(guān)鍵路徑，并重新優(yōu)化工序時間和設(shè)置緩沖區(qū)以保護關(guān)鍵鏈，從而使得項目管理效率顯著提高，基于約束理論的關(guān)鍵鏈法能夠?qū)㈨椖恐g及項目內(nèi)部的資源約束影響以及人為因素影響對項目產(chǎn)生的制約考慮進去。其中，Lawrance P. Leach 全方位地研究了使用關(guān)鍵鏈法對項目的進度、資源、通訊等方面的管理，并使之應(yīng)用到多個項目的管理。在國內(nèi)，陳友玲等利用關(guān)鍵鏈法進行多項目管理計劃的排產(chǎn)，在考慮資源制約和人為因素的影響下構(gòu)建了一個新型的管理方法；謝聰利對多項目管理中的復(fù)雜資源約束進行了研究，并給出了設(shè)置緩沖區(qū)的方法。

1.實施步驟

關(guān)鍵鏈項目管理是一種新型的先進管理技術(shù)，它能夠綜合考慮工序時間、工序前置約束以及上下序之間的關(guān)鍵資源制約，將人為因素的管理和項目進展有機結(jié)合，通過設(shè)置緩沖區(qū)來吸收風(fēng)險因素對項目的影響，以期達到提高項目進展效率的目的。

關(guān)鍵鏈是整個項目中考慮資源約束后的最長工序路徑，通過設(shè)置緩沖機制管控項目整體進展，通過管理關(guān)鍵鏈來提高項目的生產(chǎn)效率，其中關(guān)鍵鏈的確定和緩沖區(qū)域的劃定是解決問題的核心內(nèi)容。具體步驟為：

首先，通過消除工序間的大量安全時間，將工期長度設(shè)定為完工概率為50%的有效長度，并在對應(yīng)的鏈路末端設(shè)置緩沖區(qū)；其次，考慮資源約束，將涉及瓶頸資源的路徑根據(jù)優(yōu)先順序進行串聯(lián)處置，形成關(guān)鍵鏈；第三，運用聚合原理，在關(guān)鍵鏈尾部設(shè)置項目緩沖區(qū)；第四，在關(guān)鍵鏈和非關(guān)鍵鏈相交匯處加入輸入緩沖；最后，設(shè)置資源緩沖，提前預(yù)警資源使用情況。

2.多型號結(jié)構(gòu)部裝案例分析

部裝A：某通信衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝工序（見表1）。部裝B：某遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝工序（見表2）。部裝C：某導(dǎo)航衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝工序（見表3）。其中，理想周期用a 表示，實際周期用m 表示，充裕周期用b 表示，3 個項目共需要4 種關(guān)鍵資源類型R1、R2、R3、R4。4 種關(guān)鍵資源的產(chǎn)能供給量見表4。

表1 某通信衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝工序

在不考慮資源沖突的情況下，項目A 的總工期為86 天，項目B 的總工期為103 天，項目C 的總工期為78 天。然而，當3 個項目同時展開時，在資源R1 上的總需求為11，高于資源供給數(shù)量8，產(chǎn)生了資源沖突，隨之而來的是R2、R3、R4 上的資源沖突，由于沒有考慮如何解決資源在項目之間的制約問題，所以很容易出現(xiàn)因資源分配不合理而導(dǎo)致所有項目的延期。

3.基于關(guān)鍵鏈法的進度計劃安排

（1）繪制甘特圖

由于傳統(tǒng)方法無法有效解決資源沖突問題，采用關(guān)鍵鏈法對3 個項目進行進度計劃安排，選取3 個項目中最理想的工期編制流程，如圖1 所示。

此時，項目A 的總工期為66 天，項目B 的總工期為81 天，項目C 的總工期為61 天。

（2）識別沖突資源，確定優(yōu)先級順序

通過理想工期求得3 個項目的進度計劃后，對各個項目各工序存在的資源沖突進行優(yōu)先級順序的確定，使得資源分配相對合理。根據(jù)網(wǎng)格圖，存 在 資源沖突 的 是A1、B1 和C1，A2、B2 和C2，A3、B3 和C3，A5、B3 和C5。此時，需要對這些工序進行優(yōu)先級排序，以決定使用資源的優(yōu)先權(quán)。

確定項目的優(yōu)先級。項目的優(yōu)先級是根據(jù)CARVER法進行確定的，根據(jù)5 個指標進行分析，即項目重要程度C、項目緊迫度A、項目風(fēng)險系數(shù)E、項目回報率R 和項目難度系數(shù)V。根據(jù)3 個項目的實際情況，設(shè)定5 個指標的權(quán)重比例為0.3、0.2、0.1、0.1、0.3。由型號總設(shè)計師和總指揮評定的3 個項目的指標（見表5）。

表2 某遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝工序

表3 某導(dǎo)航衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝工序

表4 4種關(guān)鍵資源的產(chǎn)能供給量

CARVER 矩陣法的優(yōu)先級系數(shù)為PP(i)，假設(shè)各指標的權(quán)重分別是α1、α2、α3、α4、α5，那么，各個項目的優(yōu)先級系數(shù)由5 個指標的得分與權(quán)重比例乘積的和與所有項目的權(quán)值和的最大值的比值得到，即：

圖1 3個項目的理想工期流程圖

表5 3個項目的項目評價指標

其中，0 ≤PP(i)≤1, Max{CAERV(i)}是所有項目中權(quán)值之和的最大值。根據(jù)公式可得：

則 PP(1)=0.52/0.66=0.79，PP(2)=0.63/0.66=0.95，

PP(3)=0.63/0.63=1

確定各項目中工序的優(yōu)先級。影響項目中工序的因素很多，如工序的重要程度、工序間的邏輯關(guān)系、影響工序的風(fēng)險系數(shù)以及工序所需要的資源供給量等。通常選用4 個影響因素，設(shè)定工序優(yōu)先級系數(shù)用PP(i,j)表示，其中i 代表項目，j代表工序。那么，這4 個影響工序優(yōu)先級的因素系數(shù)分別是：資源需求強度系數(shù)E(i,j)，代表工序?qū)Y源的需求量和需求影響；工序緊后系數(shù)N(i,j)，代表工序后面的工序量以及對資源的需求程度；工序緊后任務(wù)鏈長度L(i,j)，代表工序的位置權(quán)重比例；風(fēng)險系數(shù)R(i,j)，代表工序的重要程度。4 個影響因素系數(shù)的指標權(quán)值假定分別為β1、β2、β3、β4，設(shè)定某項目為i，那么其對應(yīng)的工序j 的優(yōu)先級系數(shù)PP(i,j)為：

其中，Max{PP'(i, j)}為工序的4 個指標權(quán)值和的最大值；PP(i, j)值越大，其工序的重要程度越高。

3 個項目中，各個指標的取值見表6。

表6 各工序的評價指標

表7 各工序的優(yōu)先級系數(shù)

表8 各個工序的綜合優(yōu)先級

其中，r1、r2代表工序所處的單個項目的優(yōu)先級和工序優(yōu)先級的權(quán)重系數(shù)，且0＜ r1， r2＜1，r1+ r2=1。

一般取r1=0.6，r2=0.4，那么各個工序的綜合優(yōu)先級見表8。

第一道工序的優(yōu)先級為：B1 ＞C1 ＞A1，第二道工序的優(yōu)先級為：B2 ＞C2 ＞A2，第三道工序的優(yōu)先級為：C3 ＞B3 ＞A3，第四道工序的優(yōu)先級為：C4 ＞A4 ＞B4，第五道工序的優(yōu)先級為：C5 ＞B5 ＞A5。

（3）識別關(guān)鍵鏈

根據(jù)計算得出的工序綜合優(yōu)先級順序，可以得到各個項目的關(guān)鍵鏈（見圖2）。

項目A 的關(guān)鍵鏈為：C1-A1-B2-A2-A3-A4-A5；項目B 的關(guān)鍵鏈為：B1-B2-B3-C4-B4-B5；項目C的關(guān)鍵鏈為：C1-C2-C3-C4-C5。

（4）加入緩沖區(qū)優(yōu)化后的進度計劃

通過關(guān)鍵鏈法優(yōu)化后，由于各個工序的時間按照理想時間取值，降低了項目按時完成的幾率，增加了延期風(fēng)險。在此，設(shè)置緩沖區(qū)來抵消項目實施過程的不確定因素，以期達到更加真實的完成概率。緩沖區(qū)的設(shè)置是根據(jù)實際生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的各種工期延誤因素積累起來的經(jīng)驗，只占用時間，不占用資源。

設(shè)定項目A 和項目B 相互交叉使用資源的緩沖期為FB(A,B)=4 天，項目A 和項目C 相互交叉使用資源的緩沖期為FB(A,C)=5 天，項目B 與項目C 相互交叉使用資源的緩沖期為FB(B,C)=3 天，

經(jīng)評估，這4 個影響因素的權(quán)重比值分別為β1=0.5、β2=0.2、β3=0.3、β4=0.2，那么，根據(jù)公式（3）、（4）求得各工序的優(yōu)先級系數(shù)（見表7）。

圖2 各個項目的關(guān)鍵鏈

圖3 加入緩沖區(qū)優(yōu)化后的進度計劃

確定工序的綜合優(yōu)先級。多個項目中各個工序的綜合優(yōu)先級系數(shù)為：那么，在各個項目關(guān)鍵鏈中相關(guān)制約的資源交替使用中加入緩沖期，可以得到優(yōu)化后的進度計劃，如圖3 所示。

項目A的總工期為：C1+FB(A,C)+A1+B2+FB(A,B)+A2+A3+A4+A5=15+5+15+20+4+4+2=11 0 天，比不考慮資源沖突情況下傳統(tǒng)管理方法估計的工期多了24天；

項目B的總工期為：B1+B2+B3+C4+FB(B,C)+B4+B5=20+20+30+4+3+7+4=88 天，比不考慮資源沖突情況下傳統(tǒng)管理方法估計的工期少了15 天；

項目C的總工期為：C1+C2+C3+C4+C5=15+20+20+4+2=61天，比不考慮資源沖突情況下傳統(tǒng)管理方法估計的工期少了17天。

由于資源沖突不可避免，利用關(guān)鍵鏈法進行多項目管理時，能夠在資源沖突的情況下確定出各項目之間工序的優(yōu)先級順序，雖然造成了單個項目比傳統(tǒng)理論方法預(yù)估工期推遲的現(xiàn)象，但卻縮短了其他項目的生產(chǎn)工期，減少了關(guān)鍵資源的不合理利用，使得關(guān)鍵資源利用最大化，項目收益最大化。