基于項目管理成熟度模型的創(chuàng)新工程質(zhì)量目標(biāo)控制研究

張小強, 丁玉喬

(中鐵二院集團工程有限公司， 成都 610000)

在創(chuàng)新工程領(lǐng)域，新型軌道交通等創(chuàng)新項目的成功需要技術(shù)的不斷創(chuàng)新，但是技術(shù)創(chuàng)新需要較高的費用和較長的周期。一個工程項目往往受到來自工程的工期、費用和質(zhì)量三者共同影響，而這三者一般情況下都有著對立統(tǒng)一的關(guān)系，一個因素的改變往往會引起另外一個因素的改變。創(chuàng)新工程需要大量的新型技術(shù)，而新型技術(shù)往往造成工期和費用的不確定性，所以這三者的關(guān)系在創(chuàng)新工程中的矛盾更為突出。在創(chuàng)新工程中如何達到工期、費用和質(zhì)量三者的最佳狀態(tài)是工程建設(shè)需要不斷考慮的問題。工程質(zhì)量是否達標(biāo)是象征一個國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平和生產(chǎn)力提高的重要標(biāo)志和明顯特征，在一些工程項目中，質(zhì)量管理的重要性日漸突出，直接關(guān)系到工程的成敗，關(guān)系到經(jīng)濟的發(fā)展，對工程質(zhì)量管理的關(guān)注度也在逐漸提高。

目前，在實踐過程中對于創(chuàng)新工程質(zhì)量的優(yōu)化控制較少。根據(jù)已有的研究，很多工程建設(shè)方面的研究往往著重于工期和費用兩者之間的研究[1-2]；注重工程技術(shù)和財務(wù)等方面的問題，對工程的質(zhì)量不達標(biāo)概率控制關(guān)注不夠[3-4]。工程質(zhì)量往往決定創(chuàng)新工程項目是否成功，因此，應(yīng)重視對工期、費用和質(zhì)量三者之間關(guān)系作用的研究[5-6]。由于缺少對項目質(zhì)量的關(guān)注，所以一些工程實際完成質(zhì)量目標(biāo)低于計劃完成的質(zhì)量目標(biāo)，使得最后延期交付或者是無法交付。因此，工程質(zhì)量控制和優(yōu)化也是工程管理極其重要的一個方面。

目前，創(chuàng)新工程項目的質(zhì)量管理主要存在以下3個方面的問題[7]：①標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，沒有一個行業(yè)內(nèi)通用的成熟的質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)；②創(chuàng)新性較差，目前的質(zhì)量管理往往還是根據(jù)以往的管理思想和經(jīng)驗步驟來進行管理，這種管理手段往往難以解決工程項目中不斷出現(xiàn)的新的質(zhì)量管理問題，從而使得質(zhì)量管理效率低下；③缺乏數(shù)據(jù)的支持，正如上面所述很多的質(zhì)量管理往往根據(jù)經(jīng)驗來進行管理，而沒有數(shù)據(jù)方面的決策支撐與優(yōu)化，使得最后的質(zhì)量目標(biāo)和計劃目標(biāo)相差甚遠?；谝陨蠁栴}，現(xiàn)借鑒項目管理成熟度模型(project management maturity model,PMMM)思路對質(zhì)量控制進行研究。針對創(chuàng)新工程新問題，基于PMMM模型思想，通過考慮費用和工期對工程質(zhì)量進行控制，使得實際質(zhì)量目標(biāo)低于計劃質(zhì)量目標(biāo)的概率降低；建立質(zhì)量控制模型，采用動態(tài)規(guī)劃求解，同時通過對歷史數(shù)據(jù)驗證，確認了模型的有效性，一定程度上為質(zhì)量控制提供了參考和借鑒。

1 質(zhì)量管理相關(guān)研究

1.1 質(zhì)量、工期和費用關(guān)系

影響創(chuàng)新工程的因素很多，包括質(zhì)量、工期、成本、人力資源、風(fēng)險及溝通等多方面[8]，其中工程的工期、費用和質(zhì)量是工程建設(shè)的3個決定因素，被稱作“鐵三角”。在實際的工程建設(shè)中往往無法同時達到三者的最優(yōu)，為了保證質(zhì)量目標(biāo)的實現(xiàn)可能需要變更一些資源條件(包括工期和費用等)，工程中質(zhì)量與其他資源的關(guān)系如圖1[3]所示。

圖1 工程質(zhì)量和費用、工期的關(guān)系[3]

在實際建設(shè)工程中，工程質(zhì)量的提高通常需要工程工期和費用的支持。通常來說，工程工期和費用的縮減往往會導(dǎo)致質(zhì)量的下降[9]；相反，如果在原有基礎(chǔ)上給工程追加一些資源，例如延長工期、增加費用等，一般情況下會使得工程的質(zhì)量得到提高。基于此，本研究希望通過工期和費用兩種資源的約束，對創(chuàng)新工程的質(zhì)量進行優(yōu)化。通過考慮如何增加工程的工期和費用資源使得工程的“質(zhì)量不達標(biāo)概率”最小，令工程質(zhì)量可以達到最優(yōu)。

1.2 質(zhì)量管理方法

目前，質(zhì)量管理大多集中在管理手段方面的研究而針對質(zhì)量控制的研究較少。質(zhì)量管理就是通過質(zhì)量的目標(biāo)制定、質(zhì)量的實施方針以及各成員的職責(zé)履行等，并且通過管理中的控制、保證以及質(zhì)量策劃等，確保工程、產(chǎn)品和項目等質(zhì)量的目標(biāo)實現(xiàn)。目前質(zhì)量管理途徑與方法很多，例如汪霄和雷祖亮提出建立工程質(zhì)量監(jiān)督人員的評價模型，以此來督促管理人員對工程的監(jiān)督[10]；曾暉等和熊瑛等提出基于流程管理的質(zhì)量管理方法[11-12]，通過對流程進行分類以及構(gòu)建流程化的質(zhì)量管理模型對質(zhì)量進行管理，從而可以從一個較為系統(tǒng)的角度來審視工程建設(shè)中的質(zhì)量問題；烏云娜等通過將具體的工程質(zhì)量管理問題與生物免疫機制相結(jié)合研究質(zhì)量管理思想和方法，實現(xiàn)質(zhì)量免疫系統(tǒng)的運行[13]；楊高升等和郭延景等提出在政府項目中，工程主體可以運用系統(tǒng)動力學(xué)和演化博弈動態(tài)復(fù)制理念進行監(jiān)督和管理[14-15]；在供應(yīng)鏈質(zhì)量管理中，單汨源等通過社會責(zé)任和質(zhì)量控制兩個方面出發(fā)優(yōu)化供應(yīng)鏈質(zhì)量管理[16]；在工程企業(yè)和項目中，王琳娜等提出基于人工智能的質(zhì)量管理方法，創(chuàng)新結(jié)合遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對質(zhì)量水平進行預(yù)測，從而提高企業(yè)質(zhì)量管理水平[17]。

影響工程質(zhì)量的因素較多，使得工程質(zhì)量問題逐漸復(fù)雜化[18]。傳統(tǒng)的管理思路和管理方法已經(jīng)難以適應(yīng)新的管理問題。已有研究表明，工程質(zhì)量受到多方面因素影響[19]。如果僅從工程質(zhì)量方面出發(fā)進行研究往往難以克服不斷出現(xiàn)的質(zhì)量管理問題，故而需要從不同的視角進行質(zhì)量管理問題研究[20-21]，即工程工期和費用對工程質(zhì)量的約束進行探討。在創(chuàng)新工程中，工程受到技術(shù)影響較大，所以可以采用提高專利工法申請量[22]和設(shè)計施工總承包[23]等方法進行質(zhì)量管理。

1.3 PMMM

PMMM最開始起源于美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程研究所，該研究所最先基于軟件項目研究，主要是針對軟件過程的人員能力提升，經(jīng)過幾次修訂后成為具有廣泛影響的模型。之后，有多家組織及個人從項目管理的角度,參考模型和項目管理知識體系，使用不同的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù),提出了各自的PMMM。目前PMMM被分為初始級、認知級、重用級、集成級和戰(zhàn)略級5個階段[24]。顯然，成熟等級越高，工程的質(zhì)量管理水平越強。

從PMMM考慮創(chuàng)新工程質(zhì)量問題主要有以下3個優(yōu)點：①PMMM可以將質(zhì)量管理問題很好地融合在框架內(nèi)進行研究；②PMMM質(zhì)量問題研究主要是基于以往的歷史數(shù)據(jù)，使得質(zhì)量問題研究有數(shù)據(jù)支撐；③已有的PMMM中已經(jīng)充分考慮過質(zhì)量管理問題領(lǐng)域的基本過程，具有良好的適配性。

2 質(zhì)量控制模型

2.1 假設(shè)與定義

雖然在創(chuàng)新工程項目中，質(zhì)量與時間、費用有因果關(guān)系，但影響工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素很多。因此，在研究質(zhì)量、時間、費用三者關(guān)系時，做出以下假設(shè)。

假設(shè)1：在工程項目的開始階段，工程質(zhì)量與時間、費用成線性因果關(guān)系，即增加時間或費用，可以確保工程質(zhì)量，降低質(zhì)量風(fēng)險。

假設(shè)2：在工程項目的中期，當(dāng)工程質(zhì)量是可逆時，增加時間或費用可維持或提高質(zhì)量。當(dāng)工程質(zhì)量不可逆時，可能增加時間或費用就不一定能維持或增強質(zhì)量。

假設(shè)3：在工程項目的后期，工程質(zhì)量與時間、費用成非線性因果關(guān)系，增加時間或費用就不可能維持或增強質(zhì)量。

本研究主要考慮的是工程質(zhì)量可逆的前期和中期，即在此階段增加時間和費用的投入，可以降低質(zhì)量風(fēng)險。

2.2 質(zhì)量模型

設(shè)ri為沒有實施質(zhì)量控制時子任務(wù)i的實際完成質(zhì)量低于計劃完成質(zhì)量的概率，即ri=P(qi

設(shè)工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為R，沒有實施質(zhì)量控制時工程實際完成質(zhì)量目標(biāo)低于計劃完成質(zhì)量目標(biāo)的概率R=P(Q

如果工程有n個子任務(wù)，則工程質(zhì)量不達標(biāo)概率[25]為

(1)

整個工程的質(zhì)量不達標(biāo)概率目標(biāo)為

(2)

2.3 考慮費用及工期追加

通常來說工程的質(zhì)量不達標(biāo)概率與費用、時間的投入有負相關(guān)的關(guān)系，設(shè)在子任務(wù)i上增加費用投入ci，增加時間投入di，投入前后的質(zhì)量不達標(biāo)概率分別為ri(0,0)和ri(ci,di)，分別記為r′i和ri。 投入前后質(zhì)量不達標(biāo)概率和時間費用之間的關(guān)系為

ri=gi(r′i,ci,di)

(3)

式中，gi取決于任務(wù)i本身組織的優(yōu)化能力。

假設(shè)追加的總費用為Cmax，并且工程有n個子任務(wù)，如果Cmax在n個任務(wù)之間中有e種分配方案，對于其中第h種分配方案，每個任務(wù)得到的追加投入分別為c1h,c2h,c3h,…,cnh相應(yīng)各個子任務(wù)的質(zhì)量不達標(biāo)概率為r1h,r2h,r3h,…,rnh。

假設(shè)管理追加的總時間為Dmax，并且工程有n個子任務(wù)，如果Dmax在n個任務(wù)之間中有l(wèi)種分配方案，對于其中第p種分配方案，每個任務(wù)得到的追加時間投入分別為d1p,d2p,d3p,…,dnp相應(yīng)各個子任務(wù)的質(zhì)量不達標(biāo)概率為r1p,r2p,r3p,…,rnp。

設(shè)U和V分別是可以選擇的投入方案以及相應(yīng)的狀態(tài)。

2.4 優(yōu)化模型

考慮成本進度，多目標(biāo)優(yōu)化模型為

(4)

2.5 模型求解

運用動態(tài)規(guī)劃求解，假設(shè)追加的費用投入為α，時間投入為β，對于其中的第i個子任務(wù)追加投入為αi和βi，相應(yīng)各個子任務(wù)的質(zhì)量不達標(biāo)概率為f(αi,βi)，存在以下4種情況：

1)如果該工程的所有子任務(wù)都沒有追加投入，則此時總的追加費用和時間投入α0=0，β0=0，設(shè)此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為f0(α0,β0)。

2)如果該工程只有子任務(wù)1得到追加投入而其他子任務(wù)沒有得到追加投入，那么此時總追加費用投入為α1(0≤α1≤Cmax)，總追加時間投入為β1(0≤β1≤Dmax)，相應(yīng)的此時只有子任務(wù)1的質(zhì)量不達標(biāo)概率發(fā)生變化，其余的子任務(wù)質(zhì)量不達標(biāo)概率都沒有變化，設(shè)此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為f1(α1,β1)。

3)如果子任務(wù)1,2,3,…,k(k

4)如果所有的子任務(wù)都得到了追加投入，那么此時的追加費用總投入為αn(0≤αn≤Cmax)，追加時間總投入為βn(0≤βn≤Dmax)，此時所有子任務(wù)的質(zhì)量不達標(biāo)概率都發(fā)生變化，設(shè)此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為fn(αn,βn)。

求解如下：

(5)

式中，α=β=α0=β0=0，α′i=ri(α0,β0)。

2)f1(α1，β1)=min(1-{1-f0[(α1-c1)+(β1-d1)]δ1(c1,d1)})

(6)

式中，δ1(c1,d1)=[1-r1(c1,d1)]/[1-r1(c0,d0)]。

3)fk(αk,βk)=min(1-{1-fk-1[(αk-ck)+(βk-dk)]δk(ck,dk)})

(7)

式中，δk(ck,dk)=[1-sk(ck,dk)]/[1-sk(c0,d0)]。

3 應(yīng)用舉例

3.1 項目概況

中國某段新型軌道移動供電項目被某企業(yè)承包，該項目采用目前最新的技術(shù)工藝，屬于目前國內(nèi)首創(chuàng)的技術(shù)，并且零部件結(jié)構(gòu)還在不斷改進。該項目主要是對原有軌道進行更換，即新型軌道采用鋼鋁融合導(dǎo)電軌，采用革命性的新工藝制造，整體性能大幅度提高，滿足最新的軌道要求，增加軌道的耐磨性。該項目主要有貼邊和打磨等生產(chǎn)環(huán)節(jié)和材料物理性能檢測、材料化學(xué)性能檢測和電性能檢測等試驗環(huán)節(jié)，本研究主要針對研發(fā)試驗環(huán)節(jié)。

由于該軌道項目采用新型技術(shù)，會給工程的質(zhì)量帶來不確定性，所以在工程實施過程中會涉及工期和費用的變動；同時由于該段軌道更換只能夜間進行，為了保證工程質(zhì)量，在項目實施過程中需要增加人員等進行彌補，而人員的增加往往也會涉及工期和費用的變動，所以本研究以該項目為實例來驗證模型的有效性。

3.2 沒有追加投入

基于PMMM思想，根據(jù)該新型軌道工程項目研發(fā)試驗環(huán)節(jié)的歷史數(shù)據(jù)，得出子任務(wù)在不同的追加費用下的質(zhì)量不達標(biāo)概率程度。其中Cmax=400萬元，在最開始沒有追加費用投入的情況下，3個子任務(wù)的質(zhì)量不達標(biāo)概率分別為0.2、0.1和0.08，同時表1給出了不同追加費用情況下的備選方案。

表1 子任務(wù)追加費用后質(zhì)量不達標(biāo)概率

表2根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)，得出子任務(wù)在不同的追加時間下的質(zhì)量不達標(biāo)概率程度。同樣地Dmax=4個月，在最開始沒有追加投入時間的情況下，3個子任務(wù)的質(zhì)量不達標(biāo)概率分別為0.15、0.12和0.1，表2給出了不同追加時間情況下的不同備選方案。

表2 子任務(wù)追加時間后質(zhì)量不達標(biāo)概率

在沒有追加投入的情況下可分為3種方案，為了方便計算，考慮追加投入的時間和費用一致。

1)在最初工程沒有追加投入費用的情況下，即追加費用為0，工程的最初質(zhì)量不達標(biāo)概率分別為0.2、0.1和0.08；同時在沒有追加投入時間的情況下，即追加投入時間為0，工程的最初質(zhì)量不達標(biāo)概率為0.15、0.12和0.1，所以此時工程的質(zhì)量不達標(biāo)概率為

2)子任務(wù)分別追加投入0、1、-1(包括時間和費用)，即子任務(wù)1沒有追加投入，子任務(wù)2追加投入1個月和100萬元，子任務(wù)3減少投入1個月和100萬元，此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為

3)子任務(wù)分別追加投入1、0、-1(包括時間和費用)，即子任務(wù)1追加投入1個月和100萬元，子任務(wù)2沒有追加投入，子任務(wù)3減少投入1個月和100萬元，此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為

從以上3種方案的計算結(jié)果可以看出，3種方案的質(zhì)量不達標(biāo)概率分別為0.584 26、0.564 565和0.525 526，方案3的質(zhì)量不達標(biāo)概率最小，即子任務(wù)1追加投入1個月和100萬元，子任務(wù)2沒有追加投入，子任務(wù)3減少投入1個月和100萬元，此時每個子任務(wù)在不同方案下的質(zhì)量不達標(biāo)概率如圖2所示。

圖2 不同方案下子任務(wù)質(zhì)量不達標(biāo)概率

從結(jié)果可以看出方案3相較于其他兩個方案質(zhì)量不達標(biāo)概率更小，但是方案3的質(zhì)量不達標(biāo)概率R=0.525 526，此時整個工程的質(zhì)量不達標(biāo)概率仍然比較大，所以可以考慮不斷向工程追加投入。

3.3 增加追加投入

在考慮追加投入時，根據(jù)已有歷史數(shù)據(jù)，分為以下4種情況，即原始方案沒有追加投入、追加部分任務(wù)的投入、追加全部任務(wù)的投入和隨機追加投入。

3.3.1 原始方案

工程沒有追加投入，即每個子任務(wù)的追加投入為0，此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為

3.3.2 追加部分任務(wù)投入

將全部追加投入分配給子任務(wù)1和子任務(wù)2，即分別得到200萬元追加費用和2個月的追加時間，此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為

3.3.3 追加全部任務(wù)投入

1)將全部追加投入分別分配給3個子任務(wù)，分別得到200萬費用和2個月時間的追加、100萬費用和1個月時間追加，以及100萬費用和1個月時間追加投入，此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為

3.3.4 隨機追加投入

1)將全部追加投入隨機分配給3個子任務(wù)，分別得到100萬費用和1個月時間的追加、300萬費用和3個月時間追加，以及0費用和0時間追加投入，此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為

2)將全部追加投入隨機分配給3個子任務(wù)，分別得0費用和0時間的追加、300萬費用和3個月時間追加,以及100萬費用和1個月時間追加投入，此時的工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為

以上方案中，不同子任務(wù)的質(zhì)量不達標(biāo)概率如圖3所示。

圖3 追加投入后不同方案下子任務(wù)質(zhì)量不達標(biāo)概率

由計算結(jié)果可知，方案3即3個子任務(wù)分別得到200萬費用和2個月時間的追加、100萬費用和1個月時間追加，以及100萬費用和1個月時間追加投入，工程的整體質(zhì)量不達標(biāo)概率最小為0.312 265，同時從圖3也可以看出，該方案下各子任務(wù)的整體質(zhì)量不達標(biāo)概率最??；其次就是方案4，即3個子任務(wù)分別得到100萬費用和1個月時間的追加、200萬費用和2個月時間追加，以及100萬費用和1個月時間追加投入，此時工程質(zhì)量不達標(biāo)概率為0.331 423。這兩個方案都是將全部追加投入分別分配給3個子任務(wù)，也說明了這一追加投入方法可以使得工程質(zhì)量不達標(biāo)概率降到最低，在后期的工程實踐中也驗證了該方法的科學(xué)性。

4 結(jié)語

在實際的工程質(zhì)量管理中，為了保證質(zhì)量目標(biāo)的達成，應(yīng)該將追加投入分配給盡可能多的項目子任務(wù)，這樣可以保證工程項目質(zhì)量不達標(biāo)的概率最低；針對軌道交通這一類創(chuàng)新工程具有更為重要的意義，這類項目周期長成本高，通過協(xié)調(diào)費用和周期的追加，使得創(chuàng)新工程的質(zhì)量效果最大化，降低創(chuàng)新質(zhì)量不達標(biāo)的風(fēng)險。

值得注意的是在創(chuàng)新工程項目中，除了費用和工期會影響工程質(zhì)量以外，技術(shù)、溝通和環(huán)境等因素都會直接或間接影響工程質(zhì)量，應(yīng)該加強項目的實施管理； 同時本文只考慮將質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，在以后的研究中，應(yīng)該把費用和工期也作為優(yōu)化對象，綜合優(yōu)化是下一步的研究方向。