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工程施工项目进度控制的系统动力学模型研究 中文摘要 控制项目进度是工程施工项目管理的关键。以往的工程实践证明常用的项目 进度管理工具存在静态性等特点。这正是导致进度控制不力的原因之。本文研 究的重点在于工程旖工项目的动态性，探讨如何更加有效地控制项目进度。 本文采用系统动力学方法建立工程施工项目进度控制的系统动力学模型。首 先探讨应用系统动力学方法研究施工项目的必要性。其次介绍系统动力学的基本 理论和发展过程，重点总结了近年来应用系统动力学方法研究项目管理问题的进 展情况。再次，本文结合工程施工项目的具体情况首次建立了进度控制的系统动 力学模型。模型由三个子系统构成，分别是过程子系统、人力资源子系统以及控 制目标子系统。该模型可以用于模拟分析施工项目的进度控制过程。在该模型的 基础上，本文突破以往应用系统动力学方法建立项目模型的固定结构，首次将风 险概念引入其中。即结合施工项目风险管理理论与其系统动力学模型，建立考虑 风险作用下的施工项目系统动力学模型。这一模型可以用于模拟考虑风险影响作 用下施工项目的进度控制的动态过程。本文的最后以某职工宿舍的施工项目作为 案例进行分析。包括建立不考虑风险影响的项目进度控制模型以及考虑风险影响 的项目进度控制模型、试验结果分析及对比。通过案例分析验证了该模型的正确 性和实用性。 本文的研究成果对施工项目进度控制具有一定的理论和实际价值。 关键词：工程施工项目系统动力学项目管理进度控制风险分析 i i 工程施工项目进度控制的系统动力学模型研究 a b s t r a c t s u c c e s s f u l p r o c e s s c o n t r o li sc r i t i c a lt oc o n s t r u c t i o n p r o j e c t s i n v e s t i g a t i o n s s h o wt h a tt r a d i t i o n a lp r o j e c tm a n a g e m e n tt o o l sc a n n o t f u n c t i o ne f f e c t i v e l yf o rt h e i rs t a t i cv i e w so np r o j e c tm a n a g e m e n t t h i s r e s e a r c h i n v e s t i g a t e d t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t r u c t i o n p r o j e c t s i no r d e rt of i n dab e t t e rw a yt oc o n t r o1t h ep r o j e c t ad y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo fc o n s t r u c t i o np r o j e c t sw a sb u ii tb yu s i n g s y s t e md y n a m i c st h e o r y f i r s t l y ，t h e r e s e a r c hc o n f i r m e dt h a ti ti s n e c e s s a r yt os t u d yc o n s t r u c t i o np r o j e c tw i t hs y s t e md y n a m i c s s e c o n d l y ， t h er e s e a r c hi n t r o d u c e ds y s t e md y n a m i c st h e o r yw i t ha ne m p h a s i so nt h e r e s e a r c hs t a t u so fs y s t e md y n a m i c st h e o r yi np r o j e c tm a n a g e m e n t t h i r d l y ， t h er e s e a r c hb u i i tac o n s t r u c t i o np r o j e c t ss y s t e md y n a m i c sm o d e lf o r t h ef i r s tt i m e t h em o d e lc o m p o s e do fp r o c e s ss u b s y s t e m ，h u m a nr e s o u r c e s u b s y s t e ma n dt a r g e ts u b s y s t e m t h em o d e lc o u l ds i m u l a t et h ec o u r s eo f p r o c e s sc o n t r o lo fac o n s t r u c t i o np r o j e c t l a t e r ，t h er e s e a r c hd e p l o r e d t h ep r o b a b i l i t yo fi n t e g r a t i n gr i s km a n a g e m e n tt h e o r ya n ds y s t e md y n a m i c s m o d e l t h e nar i s k s u b s y s t e m w a sa d d e dt ot h ef o r m e rm o d e l t h e m e l i o r a t i v eo n ed e s c r i b e dt h ei n f l u e n c eo fr i s k so nc o n s t r u c t i o n p r o j e c t s f i n a l l yac a s es t u d yi sm a d et oi l l u s t r a t et h ea p p l i c a t i o no f t h ef i n d i n g sa n di d e a si nt h ep r e c e d i n gc h a p t e r s t h er e s e a r c hh a st h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lv a l u ei np r o c e s sc o n t r o lo f c o n s t r u c t i o np r o j e c t s k e yw o r d s ：c o n s t r u c t i o np r o j e c t s ，s y s t e md y n a m i c s ，p r o j e c tm a n a g e m e n t p r o c e s sc o n t r o l ，r i s km a n a g e m e n t 工程施工项目的系统动力学模型研究 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名白学签字嗍) 一年参月踢日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：= 身寺 签字日期： 佃；年6 月) 易日签字日期：翮年6 月；口日 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 工期延长是项目管理面临的主要问题之一。m o r r i s 和h o u g h 在1 9 8 7 年进行 的一项调查表明：大量项目存在工期延长的现象，通常超出计划值的4 0 至 2 0 0 。另有调查表明，超过5 0 的大型项目未能达到预期的工期目标”。相当 数量的项目即使在完成总工作量9 0 的时候仍然需要大约为总工期一半的时间来 完成剩余的工作，即所谓“9 0 综合症”。“ 其中，工程项目更因为具有项目环境多变，参与方众多以及实施过程复杂等 特点而闻名。这些特点意味着工程项目在实施过程中面临更多风险。由风险因素 引起的二次勘测设计、返工、工作效率下降等问题直接影响着项目的执行情况， 从而加重已经存在的工期延长问题。与此同时，建筑行业从上个世纪九十年代起 开始经历市场萎缩、全球竞争加剧的行业气候。买方市场的形成转变了承包商的 传统角色，并使之面临更多风险。 面临诸多问题，项目管理者以及项目管理理论的研究人员开始质疑常用的项 目管理工具，并且尝试通过各种方法改善这些工具。以期达到有效管理项目的目 的。 针对常用的一些项目管理工具，有学者提出疑问：相当一部分项目管理工具 以工作分解结构为基础。在工作分解结构的基础上，项目计划按照首先将项目拆 分为单元，其后进行计算进而将计算结果重新组合的过程进行。然而，通过重 新组合而得的项目计划虽然仔细考虑了项目中的每个单元，却忽略了项目单元之 间的相互作用关系。因此，实际项目往往有牵一发而动全身的特点；但根据项目 计划中所展示的项目却不具备这样的特点。此外，诸如工作分解结构、甘特图、 计划评审技术、工期费用优化分析等管理工具虽然能够进行详细的进度计 划，但它们都存在着静态性、封闭性的缺点“。这意味着人们在计划项目时已 经获得所有需要的信息，并l l 在项目进行过程中不会受到任何来自环境或项目自 身的干扰。在此条件下，项目实施时只需严格遵循初始计划即可。实际上，项目 实施过程是项目内部诸要素以及项目与环境不断作用的动态过程。如何对待这个 过程? 实践证明，仅在项目实施时不断地调整计划是不够的。对项目自身动态性 的研究才是解决问题的关键。 系统动力学是近年人们在研究大型项目动态性中常用的方法之“。迄今， 第一章绪论 系统动力学模型已经广泛的应用于项目管理的前沿领域，包括造船业，航空航天 业，以及软件产业等等。”1 。应用主要集中于成本以及进度控制。系统动力学 模型还被应用于项目管理之外的商业战略管理以及政策评价上。例如美国能源部 从1 9 7 8 年起使用系统动力学模型对国内以及国际能源系统进行详细预测及能源 政策分析评价。一些电力公司也采用系统动力学模型对扩容、价格以及规章变化 等问题进行分析”“”“1 。 在本章接下来的部分里，首先明确工程项目以及工程项目管理的一些具体概 念。在此基础上，详细讨论应用系统动力学模型研究工程项目，特别是施工项目 的必要性。最后给出本文的主要内容以及研究意义。 1 2 工程施工项目及其管理 1 2 1 工程施工项目的概念 项目是指按限定时间、限定费用和限定质量标准完成的一次性任务和管理对 象。 项目的三项主要特征如下： 第一，项目的一次性。一次性是项目最主要的特征。一次性也可称为单件性， 指就任务本身和最终成果而言，没有与这项任务完全相同的另一项任务。项目的 一次性决定了必须对其进行单件处置( 或生产) ，不能成批。同时，项目的一次性 也决定了必须有针对性地根据项目的特殊情况和要求进行管理。 第二，项目目标的明确性。项目的目标有成果性目标和约束性目标。成果性 目标指项目的功能性要求，如兴建一所学校可容纳的学生人数等；约束性目标是 指限制条件，包括期限、费用及质量等。 第三，项目的整体性。个项目，既是一项任务整体，又是一项管理整体。 项目的整体性决定了必须针对项目建立一个完整的管理系统，而不能割裂这个系 统进行管理。必须按整体需要配置生产要素，以整体效益的提高为标准进行数量、 质量和结构的总体优化。 工程项目是项目中数量最大的一类。凡最终成果是“工程”的项目，均可称 为工程项目。 施工项目是施工承包企业对一项或一群建筑产品的施工过程及最终成果。它 是一个工程项目、或其中的一个单项工程或单位工程的施工任务及成果。施工项 目具有下述特征； 第一，旖工项目是工程项目或其中的单项工程或单位工程的施工任务。 第一章绪论 第二，施工项目是以施工承包企业为管理主体的。 第三，施工项目的范围是由工程承包合同界定的。 1 2 2 施工项目管理 项目管理是为使项目取得成功( 实现所要求的质量、所规定的时限、所批准 的费用预算) 所进行的全过程、全方位的规划、组织、控制与协调。 项目管理的对象是项目。 项目管理的职能同所有管理的职能均是相同的。需要特别指出的是，项目的 一次性，要求项目管理的程序性、全面性和科学性。 施工项目管理有三点特征： 第一，施工项目的管理主体是施工企业。建设单位和设计单位都不进行工程 施工项目管理。一般地，旖工企业也不委托咨询公司进行项目管理。 第二，施工项目管理的对象是施工项目。施工项目管理的周期也就是施工项 目的生命周期，包括工程投标、签订工程项目承包合同、施工准备、施工、交工 验收及用后服务等。 第三，施工项目管理要求强化组织协调工作。由于施工项目生产活动的单件 性，其产生的问题难以补救或虽可补救但后果严重；参与项目施工的人员不断在 流动，需要采取特殊的流水方式，组织工作量很大；施工在露天进行，工期长， 需要的资金多；施工活动涉及到复杂的经济关系、技术关系、法律关系、行政关 系和人际关系等。以上种种实际情况使得施工项目管理中的组织协调工作艰难、 复杂、多变，必须通过强化组织协调的办法才能保证施工顺利进行。 1 3 应用系统动力学理论研究施工项目的必要性 上文从定义施工项目的角度谈了关于施工项目的特征。本节从系统动力学研 究的角度说明施工项目的特点。工程项目，尤其是大型建筑旌工项目属于复杂动 态系统。它们具有以下特征： 第一，复杂性； 第二，动态性 第三，多重反馈； 第四，非线性。 下面根据施工项目的这些特点一一说明应用系统动力学研究施工项目的可 能性与必要性。 第一章绪论 1 3 1 复杂性 施工项目由很多相关成份组成，它们之间的相互作用错综复杂。因此，人们 很难简单地在脑海中勾画出这些相关成分相互作用的方式。例如，更改某处设备 安装的工程图则可能引起其他子系统的设计变化以及返工。工程变更同时造成施 工人员在不同工作之间的重新分配，从而分别延缓和加速一些工作的施工进度。 在人员分配情况根据返工状况不断调整时，已经被延缓的施工工作可能进一步导 致那些与它们相关的施工工作延缓。如此一来，项目根本无法按计划执行“。 采用适当的方法建立系统模型并且进行模拟试验，可以提高人们对复杂系统 的认识。系统动力学模型就可以有效地表示多重相关关系。实际上，系统动力学 的主要用途之一就是捕捉系统中因相关性而变得扑朔迷离的因果关系。这一点尤 其适用于分析复杂的施工项目。 1 3 2 动态性 动态性是施工项目的内在属性。在发现缺陷、改正缺陷、以及对工程变更做 出反应的时候经常会产生多重延迟。在延迟的影响下，系统因干扰因素产生的短 期变化和长期变化有很大区别。例如从长期的角度看，雇用更多员工可以增加组 织的工作能力；但就短期而言，该举措也许并不能达到预期效果。在增加员工数 量的初期，新增员工需要一段时间适应工作环境。这段时间内，由此产生的工作 质量问题可能会抵消由新增员工带来的好处。或者在熟练工人紧缺的情况下，组 织不得不雇用并不具备工作能力的新手。新手必须受到老员工的培训。在培训的 过程中，新员工不具备工作能力，老员工的工作能力因为培训新员工而下降，从 而造成组织短期内总体工作能力的下降。系统动力学则可以动态地处理这类问 题。 1 3 3 多重反馈 施工项目包括大量多重正反馈以及负反馈过程。例如项目工期延长时，项目 管理者通常的做法之一是延长每日工作时间。每日延长的工作时间可以弥补落后 的进度，属于负反馈回路。但是，长时问加班会使得员工疲劳工作，从而降低效 率、增加缺陷率。进而形成不利于控制进度的正反馈回路。具有高度相关性的施 工项目中存在大量相互影响的反馈回路。 思维模型和常用的进度计划方法( 如关键路径法) 往往不能有效地处理反馈 问题。思维模型具有很大的模糊性，这使人们难以准确地理解反馈以及因果关系 “。关键路径法允许通过更改某一阶段某一工作的时间而改变整个计划工期，但 第一章绪论 它并不考虑由此更改引起的其他工作时间更改。可以看出，关键路径法暗含这样 的假设：一项工作时间的变化不会引起其他工作时间的变化。即工作间的相关关 系被忽略。工作间的相关关系可以用下例说明。业主关于某子系统的要求变更以 及其后的工程变更将会产生以下后果：( 1 ) 额外的设计工作；( 2 ) 雇佣和培训更 多的工程师；( 3 ) 有经验的工程师将由设计工作调往培训工作：( 4 ) 已经完成的 一部分图纸以及工程作废；( 5 ) 购买清单变动；( 6 ) 分包商相应的返工。在完成 额外设计工作的同时，人们往往没有意识到其他相关的子系统会受到影响。更多 的工作人员能引起工作场地以及施工现场的拥挤，进而降低劳动生产率、增加工 作缺陷并且增大安全隐患。随着这些效果的累积，项目管理人员可用来控制项目 其他方面的时间逐步减少，那么原本执行情况良好的质量控制有可能遭到损害。 业主与承包商的关系进而恶化；由此产生繁多的会议、检查则加重承包商的负担。 在这个例子中，最初的工程变更经过整个项目系统的运作被放大。如果初始变更 足够大，放大效应将会以非线性增长的幅度增加，最终造成戏剧化的超支与工期 延长。如果项目管理者能够在变更之前识别潜在反馈回路的影响，就可以采取有 效的措施避免产生恶果。 1 3 4 非线性 非线性同样是复杂系统的内在属性。这里的非线性指：条件变化的幅度不同 于结果变化的幅度。例如延长工作时间与施工进度之间的关系。在理想状态下， 当每周工作时间由4 0 小时增加至4 4 小时，每周完成的工作量也增加l o ( 4 4 0 ) ， 进而加快施工进度。但是长时间延长工作时间会造成诸如疲劳、额外缺陷等负面 效果。在延长工作时间初期，负面效果并不明显。一段时间后，负面效果增加的 幅度逐渐变大。这时每周完成的工作量不仅不能同比增加，反而以较大的幅度递 减，表现出明显的非线性。系统动力学可以发现这些非线性关系，并且确定它们 的影响1 5 m 。 从上文的分析可知，施工项目的复杂性、动态性、多重反馈以及非线性决定 了人们对其内在机制缺乏足够了解，需要通过使用系统动力学方法帮助人们更好 的认识项目的这些特性，从而达到有效控制项目目标的目的。 1 4 本文的主要内容 本文的主要内容包括： 第一，介绍系统动力学的发展过程和基本理论，以及如何建立系统动力学模 第一章绪论 型。其后深入探讨该方法在项目管理领域的应用。包括：( 1 ) 分析应用系统动力 学原理研究项目管理问题的原因：( 2 ) 介绍应用系统动力学研究项目管理问题的 历史：( 3 ) 总结迄今为止根据系统动力学方法建立的项目模型；( 4 ) 对比系统动 力学方法与常用项目管理方法的异同。 第二，建立施工项目的系统动力学模型，主要步骤包括：( 1 ) 分析模型的界 限与模型构成；( 2 ) 描述模型结构，模型由三个子系统构成，分别是过程子系统、 人力资源子系统以及控制目标子系统；( 3 ) 分析模型的灵敏度，包括模型结构测 试以及模型参数测试。 第三，建立考虑风险影响作用的施工项目系统动力学模型。首先介绍项目风 险管理的基本概念和风险管理的基本程序。其次建立施工项目的风险子系统模 型。 第四，结合施工项目案例说明系统动力学模型的实际应用方法。案例为某职 工宿舍的施工项目。首先建立不考虑风险影响的项目模型，根据模型进行模拟试 验，得出结论。其次建立考虑风险影响的项目模型，根据模型进行模拟试验，得 出结论。最后是两种情况的对比及结论。 第二章系统动力学与项目管理 第二章系统动力学与项目管理 2 1 系统动力学概述 2 1 1 系统动力学的内涵 系统动力学是一门分析研究信息反馈系统的学科，是一门交叉、综合性的探 索如何认识和解决系统问题的学科，是一门分析研究社会、经济、生态和生物等 一类复杂大系统及其复合系统的学科。系统动力学认为，系统的行为模式与特性 主要地取决于其内部的动态结构与反馈机制。 系统动力学研究处理复杂系统问题的方法是定性与定量结合、系统分析、综 合推理的方法，其模型模拟是一种结构功能的模拟。系统动力学模型被誉为 实际系统的实验室。其解决问题的过程实质上是寻优过程，可用来寻求系统的较 优结构与参数，以获取较优的系统功能。一般而言，系统动力学的建模过程就是 一个学习、调研的过程，其模型的主要功用在于向人们提供一个进行学习与政策 模拟分析的工具，使决策群体或组织成为一种学习型和创造性的组织。 系统动力学的学科基础可划分为三个层次： ( 1 ) 方法论。系统动力学的方法论是系统的方法论，其基本原则是将所研 究对象置于系统的形式中加以考察。 ( 2 ) 技术科学和基础理论。主要有反馈理论、控制理论、控制论、信息论、 非线性系统理论、大系统理论和正在发展中的系统学。 ( 3 ) 应用技术。为使系统动力学的理论与方法能真正用于分析研究实际系 统，必须藉助计算机模拟技术，以及在所应用领域中涉及的有关学科。 系统动力学是系统科学的一个分支。由于它被广泛地应用与微观与宏观管理 领域，因此也可以归属为管理科学的一个分支。 系统科学一般被认为可分为三个层次：第一层次为系统学；第二层次为系统 科学的基础理论学科；第三层次为实际的工程应用。系统动力学是一门理论与应 用紧密结合，以研究一般系统的结构、功能与动态行为、系统与环境的关系为主 要内容的系统科学。因此，它是- - i 1 同时属于第二层次和第三层次的系统学科。 系统动力学有五个主要特征： 第一，系统动力学是一门可用于研究处理社会、经济、生态和生物等一类高 度非线性、高阶次、多变量、多重反馈、复杂时变大系统问题的学科。它可在宏 7 第二章系统动力学与项目管理 观与微观层次上对复杂、多层次、多部门、非线性的大规模系统进行综合研究。 第二，系统动力学的研究对象主要是开放系统。它强调系统的观点，联系、 发展与运动的观点；认为系统的行为模式与特性主要根植于其内部的动态结构与 反馈机制。 第三，系统动力学研究解决问题的方法是一种定性与定量结合，系统思考、 系统分析、综合与推理的方法。其模型模拟是结构功能模拟。 第四，规范的模型，社会、经济一类系统的实验室。系统动力学最引人注目 的特点之一是它的模型从总体上看是规范的，变量按系统基本结构的组成加以分 类，尽管在辅助方程中可能含有半定量、半定性或定性的描述部分。规范的模型 便于二人们清晰地沟通思想，进行对存在问题的剖析和对政策试验的假设：便于处 理复杂的问题，能一步步可靠地把假设中任何隐含的零乱与迷津追索出来，而不 带有人们言词上的含糊，情绪上的偏颇或直观上的差错。 系统动力学模型被誉为实际系统的实验室。经模型模拟以剖析系统，获取更 丰富、更深刻的信息，进而觅寻解决问题的途径。在社会、经济、生态领域的应 用，它可用来定性与定量地剖析历史、分析现在和研究未来，是实现决策科学化 与经营管理现代化的有力手段。对于系统动力学模型而言，其解决问题的过程实 质上是寻优过程，可用来寻求系统的较优结构与参数，以获取较优的系统功能。 然而，一般而言，系统动力学的建模过程就是一个学习、调研的过程，其模型的 主要功用在于向人们提供一个进行学习、政策模拟分析的工具，使决策群体或组 织逐步发展成为一种学习型、创造型的组织。 第五，系统动力学的建模过程便于实现建模人员、决策者和专家群众的三结 合，便于运用各种数据、资料、人们的经验与知识，也便于汲取、融会其他系统 学科与其他科学理论的精髓。 2 1 2 系统动力学的发展简史 系统动力学的出现始于上个世纪五十年代中期，创始人为美国麻省理工学院 的福瑞斯特( j a ywf o r r e s t e r ) 教授。五十年代后期，系统动力学逐步发展成为 一门新的领域。初期它主要应用于工业企业管理，处理诸如生产与雇员情况的波 动，市场股票与市场增长的不稳定性等问题。此学科早期的称呼“工业动力 学”即因此而得名。尔后，系统动力学的应用范围日益扩大，从军用到民用；从 科研、设计工作的管理到城市摆脱停滞于衰退的决策；从世界面临人口指数式增 长的威胁与资源储量日趋殆尽的危机到检验糖尿病的病理假设 从吸毒到犯罪问 题。总之，其应用几乎遍及各类系统，深入到各种领域。显然此学科的应用己远 远超过“工业动力学”的范畴，所以改称为“系统动力学”。 第二章系统动力学与项目管理 在六十年代一批代表这一阶段的理论与应用研究成果与水平的论著问世。福 瑞斯特教授发表于1 9 6 1 年的工业动力学【l7 】已成为该学科的经典著作。它阐 明了系统动力学的原理与典型应用。系统原理一书侧重介绍系统的基本结构。 城市动力学则总结了美国城市兴衰问题的理论与应用研究的成果【l ”。这一阶 段是系统动力学成长的重要时期。它经过最初1 5 年的发展后，在理论与应用两 方面为其在七十至八十年代的壮大与成熟奠定了坚实雄厚的基础。 七十年代初，拥有来自2 6 个国家7 5 名科学家的罗马俱乐部( t h ec l u bo f r o m e ) 困惑于世界人口增长与资源日益枯竭的前景。鉴于当时一些惯用的工具 难以胜任对此复杂问题的研究，于是他们转向寄希望于系统动力学方法。在1 9 7 0 年6 、7 月间，经过一个多月的酝酿和召开学习讨论会，俱乐部的成员对福瑞斯 特教授提出的世界模型的雏形( w o r l di i ) 感到兴趣并受鼓舞。于是罗马俱乐 部决定提供财政支持，在麻省理工学院成立一个由福瑞斯特教授的学生梅多斯教 授( d e n n i sm e a d o w s ) 为首的国际研究小组担负世界模型的研究任务。这是系统 动力学面临的一次严峻考验与挑战。作为最初的研究成果福瑞斯特教授以 w o r l d 为基础先后发表了世界动力学 1 9 1 。接着他指导下的小组先后发 表了增长的限制【2 ”，趋向全球的均衡 2 1 1 等著作阐述其研究成果w o r l d 和他们对未来世界发展的观点。他们研究了世界范围内，人口、自然资源、 工业、农业和污染诸因素的相互联系、制约和作用以及其产生的后果的各种可能 性。他们的基本观点是：迄今世界范围指数式增长的势头不能再持续下去，世界 的发展将逐渐过渡到某种均衡发展的状态；由于工业化伴随而来的人口膨胀、资 源短缺和污染加剧，因此从长远的战略观点看，目前不发达国家按西方先进国家 的模式所进行的工业化的努力未必是明智的。这些论著引起了一场令人瞩目、旷 日持久的论战。正是在这番论战中，系统动力学加速壮大成熟起来。 在接受研究世界问题的挑战不久，几乎是在同一时期，福瑞斯特教授又主动 地去迎接研究美国全国模型的挑战。从1 9 7 2 年开始，他们先后在数十家企业公 司、本国和外国的政府部门的财政资助下，几乎倾其全组力量之半，历时十一年， 约耗资六百万美元，完成了一个方程数达四千的全国系统动力学模型。该模型把 美国的社会经济问题作为一个整体加以研究，解开了一些在经济方面长期存在 的、令经济学家们困惑不解的疑团。诸如，七十年代以来通货膨胀、失业率和实 际利率同时增长等问题。其最有价值的研究成果还在于揭示了美国与西方国家经 济长波形成的内在奥秘。 从八十年代中后期至今，系统动力学与其他理论、方法的综合运用得到广泛 重视【2 ”。澳大利亚技术大学k u m m e r o w 教授等综合运用系统动力学理论、方法 和计量经济学、制度经济学理论研究办公用品市场的周期变动问题和过度供给问 第二章系统动力学与项目管理 题，其效果远优于单一理论、方法的研究。美国休斯敦战略决策模拟公司的f o r r e s t 综合运用了系统动力学模型和情景分析方法进行未来研究，对所研究的系统获得 了更广、更深的了解。另外，比利时布鲁塞尔统计与运筹研究中心的m a c h a r i s 提出了混合建模的构想：组合运用系统动力学和多准则分析方法来设计复杂社会 经济系统的长期发展政策，并成功地用于研究城市日益严重的交通拥挤问题。 与此同时，以系统动力学模型为主框架和其他解的方法集成方面也取得了较 大的进步。系统动力学理论与方法虽然能够通过描述系统的反馈特点、非线性特 性、时间延迟和行为特征等方面研究各种社会经济复杂系统；但其不足之处在于 缺少解决各种具体问题的范式与专门方法。著名的m c k i n s e y 公司的k a e m p f 等 研究解决了以系统动力学模型为主框架和多种具体解的方法集成的问题。这些方 法包括：优化算法，对策论，微观经济的成本曲线分析和期权定价理论等。集成 后的系统动力学模型如虎添翼，可用来分析各种复杂的社会经济问题。他们己成 功地用于电力工业。另外，英国大英电信公司的e d w a r d s 把用户的系统动力学模 型和网上的非系统动力学模拟件组合起来，形成一种自适应的词电信网上的微世 界模拟件，可用于各种分析与处理。美国p o w e r s i m 公司的u m a r 运用系统动力 学理论和冲突理论研制了在竞争环境下双代理人的系统动力学模型，用于分析合 作与非合作条件下的冲突解，分析矛盾双方合作对非合作的战略，确定由于非合 作可能产生的潜在损失。该模型已用于研究美国的劳资关系问题。 在应用领域里，系统动力学在制定企业规划、发展战略等发面进行了对用有 限的信息资源进行战略规划、高新技术企业增长的管理问题等新研究。在能源问 题方面，系统动力学探讨了能源的更迭、能源的市场以及生态保护约束下的能源 政策等诸多问题。在生态环境和可持续发展方面，系统动力学涉足的问题包括： 环境承载能力和“可持续”的指标体系；作为整个经济生产和物质管理系统的有 机组成部分的废物处理产业：资源的再生技术；政府对生态保护的重视程度呈周 期性变化的原因。在公共事务方面的研究内容和成果则更加丰富，包括诸如医疗 保健、健康保险、社会治安、犯罪问题、毒品问题和教育等等。 2 1 3 系统动力学模型 2 1 3 1 系统、模拟与模型 系统动力学定义系统为：一个由相互区别、相互作用的各部分有机地联结一 起，为统一目的而完成某种功能的集合体。从系统动力学观点看，一个系统包含 物质、信息和运动( 可以包括人及其活动) 三部分。系统动力学所研究的范围可 大可小。其种类可以分为：天然的或人工的；社会的或工程的；经济的或政治的； 1 0 第二章系统动力学与项目管理 心理学的、医学的或生态的。 “模拟”的主要特点就是模仿、仿效真实的客观事物和过程。 模型是客观存在的事物与系统的模仿、代表或替代物。它描述客观事物与系 统的内部结构、关系与法则。为了实现模拟，首先模型的结构要仿效所要模拟的 客观事物的主要构成部分。然后经适当的处理手段使模型显示出该客观事物或过 程的基本动态行为。模拟模型有许多种类：思维模型、物理模型、数学模型、计 算机模型或者前述模型的组合。这里主要谈与作为管理科学分支的系统动力学密 切相关的思维模型以及计算机模型。 思维模型是指人们头脑中对客观事物、周围环境的认识、判断与决策。思维 模型往往是模糊的、不确定的、不完善的，其内容是变动的。其隐含的假设难以 鉴别，它们来源自何种信息与经验并不清楚，其来历亦无法考证。思维模型不易 用来与他人沟通，也难于有效地控制与处理。当人们面临复杂的系统与问题时， 简单直观的思维模型就无能为力了。这是因为人的思维能力不可能处理高阶次、 非线性、多回路的反馈系统。人们自发倾向于把一个复杂系统分割成子块，分别 从子块得出局部结论；却忽视了更重要的子块间相互作用与反馈作用。 计算机模拟自上个世纪四十年代以来己取代手算模拟。目前广泛应用于社会 科学和经济领域中。就世界模型而言，较知名的世界模型在二十世纪七十年代就 出现了七个。分别采用系统动力学，投入与产出，计量经济学，最优化方法，经 典经济理论以及混合方法建模。 系统动力学模型是按照系统动力学理论建立起来的数学模型，并采用专用软 件，借助数字计算机进行模拟，以处理行为随时间变化的系统的问题。 2 1 3 2 反馈系统 由前文可知，系统为相互作用诸单元的复合体。系统内同一单元或同一子块 其输出与输入间的关系称为“反馈”。推而广之，对整个系统而言，“反馈”则指 系统输出与来自外部环境的输入的关系。反馈可以从单元或子块或系统的输出直 接联至其相应的输入，也可以经由媒介其他单元、子块，甚至其他系统实现。 反馈系统就是包含有反馈环节与其作用的系统。它要受系统本身的历史行为 的影响，把历史行为的后果回授给系统本身，以影响未来的行为。图2 1 以由空 调设备组成的恒温系统为例说明其反馈关系。 图2 - l 给出的恒温系统是简单的反馈系统。从图中可知其形成闭合回路，称 之为反馈回路。即反馈回路就是由一系列的因果关系与相互作用链组成的闭合回 路或者说由信息与动作构成的闭合路径。反馈系统就是相互联结与作用的一组回 路；或者说反馈系统就是闭环回路。 第二章系统动力学与项目管理 图2 - 1 恒温系统 器 期望室温 按照反馈过程的特点，反馈分为正反馈与负反馈两种。正反馈的特点是产生 自身运动的加强过程，即在此过程中运动或动作所引起的后果将回授使原来的趋 势得到加强。负反馈的特点是能自动寻求给定的目标，未达到( 或者未趋进) 目 标时将不断做出响应。具有正反馈特性的回路称为正反馈回路( 如图2 2 ) ；具有 负反馈特性的回路称为负反馈回路( 如图2 3 ) 。分别以上述两种回路起主导作用 的系统则称之为正反馈系统与负反馈系统。 正反馈回路的特点是，发生于其回路中任何一处的初始偏离与动作循环回路 一周将获得增大与加强。正反馈回路可具有诸如非稳定的、非平衡的、增长的和 自增强的多种特性。负反馈回路力图缩小系统状态相对于目标状态( 或某平衡状 态) 的偏离。因此负反馈回路亦可称为稳定回路，平衡回路或自校正回路。 口 图2 2 正反馈回路举例图2 - 3 负反馈回路举例 第二章系统动力学与项目管理 2 1 3 3 系统的基本结构 系统的基本结构是反馈回路。反馈回路是系统状态、速率与信息的回路，它 们对应于系统的三个组成部分：单元、运动与信息。状态变量的变化取决于决策 或行动的结果。而决策( 行动) 的产生可能分为两种：一种是依靠信息反馈的自 我调节( 如图2 - 4 所示) ，这是普遍存在于生物界、社会经济与机器系统中的现 象。另一种是在一定条件下不依靠信息的反馈，而按照系统本身的某种特殊规律 ( 如图2 - 5 所示) ，这种现象存在于非生物界。这时并非信息不存在，而是信息 处于“潜在”状态未被利用。若用系统动力学的流图来表示则相当于信息到决策 图2 4 系统的基本结构之一图2 - 5 系统的基本结构之二 之间的联线被切断了。一个反馈回路就是由上述的状态、速率、信息三个基本部 分组成的基本结构。一个复杂系统则按一定的系统结构由若干相互作用的反馈回 路所组成；反馈回路的交叉、相互作用形成了系统的总功能。 2 1 3 4 建立模型的步骤 系统动力学建立模型的过程大体可分为五步： 第一步，系统分析。其主要任务在于分析问题，剖析要因。具体包括：调查 收集有关系统的情况与统计数据；了解用户提出的要求、目的；明确所要解决的 问题：分析系统的基本问题与主要问题，基本矛盾与主要矛盾，变量与主要变量； 初步划定系统的界限，并确定内生变量，外生变量，输入量；确定系统行为的参 考模式。 第二步，系统的结构分析。其主要任务在于处理信息，分析系统的反馈机制。 具体包括：分析系统总体以及局部的反馈机制；划分系统的层次与子块；分析系 统的变量、变量间的关系，定义变量( 包括常数) ，确定变量的种类及主要变量： 确定回路及回路间的反馈关系：初步确定系统的主回路及它们的性质；分析主回 路随时间转移的可能性。 第三步，建立数学的规范模型。具体包括：建立状态方程，速度方程，辅助 方程；确定与估计参数。 第二章系统动力学与项目管理 第四步，模型模拟与政策分析。具体包括：以系统动力学的理论为指导进行 模型模拟与政策分析，更深入的剖析系统；寻找解决问题的决策，并尽可能付之 实施；获取更丰富的信息，发现新的矛盾与问题；修改模型，包括结构与参数的 修改。 第五步，模型的检验与评估。这一步骤的内容并不都是放在最后一起来做的， 其中相当一部分内容是在上述其他步骤中分散进行的。 2 2 系统动力学在项目管理中的应用 系统动力学是研究项目管理问题的一种新方法，采用连续的观点看待项目管 理战略与其行为趋向。即系统动力学为如何控制项目提出战略性建议，而不是如 何设计一个详细的计划。与系统动力学方法相比，项目管理的其他常用方法侧重 于对项目单元的量化分析，以及在此基础上进行的进度计划和成本预算。在项目 中存在大量难以量化的因素时，这种做法甚至可能产生本末倒置的效果。 2 2 1 常用的项目进度管理方法 甘特图、网络图等是常用的项目进度管理方法。这些方法有一个共同的假设 前提：尽管每个项目不尽相同，但是组成它们的各个工作是相同的。根据以往的 项目经验对这些工作加以识别可以获得有关参数。识别这些工作的参数之后，在 网络计划技术提供的构架之上，通过对工作进行重组可以得到项目的进度、成本 以及资源计划。在这个分解与重组的过程中，虽然每个工作的参数估计很准确， 但是工作之间的相互作用关系被忽略了。 此外，常用的项目进度管理方法具有线性、静态性以及封闭性等特点。实际 上，项目进行的过程中会遇到各种风险，迫使计划不断变动，极少有项目能够按 照初始计划完工。第一章中提到的项目成本与工期戏剧化增长的例子就印证了这 一点。 2 2 2 系统动力学在项目管理中的应用 2 2 2 1 应用系统动力学原理研究项目管理问题的原因 应用系统动力学原理研究项目管理问题的原因如下所示： 研究作为整体的项目，而不是组成项目的各个单元； 识别控制项目的主要正负反馈回路以及由此引起的非线性变化现象 建立更为灵活的项目管理模型，以及检验系统运行情况的实验室； 1 4 第二章系统动力学与项目管理 克服常用项目管理工具中存在的一些不足之处。 2 2 2 2 应用系统动力学研究项目管理问题的进展 表2 1 总结了应用系统动力学进行项目管理问题研究的过程。该表以 a l e x a n d r er o d r i g u e s 与j o nb o w e r s l 2 3 1 于1 9 9 5 总结的基础上添加至2 0 0 2 年的新内 容组合而得2 4 】【2 5 】【2 6 1 1 2 7 幡1 1 2 9 】 3 0 1 1 ”1 。第一次使用系统动力学方法描述项目发生在 1 9 6 4 年。沉寂二十年后，第一个关于项目的系统动力学模型发表了。从1 9 9 0 年 开始，越来越多的项目管理理论研究人员开始尝试在项目管理的各个领域使用系 统动力学方法。 表2 - 1 系统动力学在项目管理中的应用 第二章系统动力学与项目管理 2 2 2 3 项目的主要反馈系统 从表2 1 可知，系统动力学在软件项目以及科研项目领域里得到了比较广泛 的应用和深入的发展。并且在研究这类问题时形成了较为成熟的模式。即采用项 目进度控制回路、返工回路以及人力资源回路子系统组成的项目模型。下面分别 介绍这三个子系统： ( 1 ) 项目进度控制回路 项目进度控制回路如图2 - 6 所示。除基本回路之外，图中还给出了对回路中 诸因素的限制条件。 项目工期延长时，人们通常会采用增加人力资源的方法加快进度。还有一种 做法就是直接调整工期( 如图中左半部分的回路所示) ，从而缓解工期压力。尽 管这两种方法都可以起到缓解工期压力的目的，但在实施的过程中往往会受到诸 多限制因素的制约作用。例如，对新增工作人员的培训使员工整体可工作时间减 少：工期压力可能造成工作效率低下。对其他项目因素的制约同样会产生预期效 果与实际效果的差值。 ( 2 ) 返工回路 返工回路如图2 7 所示。通常情况下项目进度由可获得的资源以及工作效率 决定。随着项目的进展，剩余工作量也逐渐减少。但是工作的质量有好有坏，项 目中不可避免缺陷与返工，从而增加了剩余工作量。及时发现缺陷并改正对项目 的危害较小；当后续工作已经开始或者完成的时候发现的缺陷则可能造成与其有 关的一系列工作返工，从而对项目造成较大的影响。由此不难理解9 0 综合症产 生的原因。 返工回路有四个可以通过管理手段控制的因素：资源、生产率、质量以及发 现缺陷的时间。通常人们更愿意通过调整资源以及生产率来保证项目进度。实际 上，对返工回路的研究结果表明：质量和缺陷发现的时间同样是至关重要的因素。 仅仅增加资源投入并不是对症下药的良方。这样的分析结果并不出乎人们的意 第二章系统动力学与项目管理 料，系统动力学所作的是帮助人深入了解其作用机理及其动态性，从而促进项目 管理者认真地对待这一问题。 图2 - 6 项目进度控制回路 1 7 第二章系统动力学与项目管理 图2 7 返工回路 ( 3 ) 人力资源回路 在作为项目基本回路的进度控制回路( 图2 6 ) 中已经指出限制人力资源的 诸多因素。这里用人力资源回路( 图2 8 ) 作进一步说明。这个回路假设当项目 进度滞后时，可以通过雇佣新员工来加快进度。尽管雇佣新员工会增加成本支出， 但是与滞后的进度相比这只是次要的。为了反映不同的项目管理者对通过调整人 力资源来调整进度这一方法的不同态度，图2 8 设置了“是否愿意增加员工数目” 的变量，用来反映项目管理者对改变员工数目的支持程度。“实际工作速度”变 量反映新员工从雇佣到形成生产力的过程中其工作速度并非从一开始就是期望 值，而是有一个渐变的过程。雇佣新员工需要支出一定的时间和费用。新员工在 初期工作中不可避免的产生一些缺陷，从而增加了返工的工作量，这些甚至加重 了进度滞后的程度。 提高项目进度的另一个方法是对员工施加工期压力。这种做法在加快进度的 同时也会产生一些副作用。员工对保证质量的要求将会降低；为了加快进度，会 违反工作顺序进行一些工作。这些都会增大返工工作的数目，从而减慢项目进度。 第二章系统动力学与项目管理 图2 - 8 人力资源回路 2 2 2 4 系统动力学方法与常用项目进度管理方法的对比 系统动力学和常用的项