机械产品研发项目的进度计划管理研究.doc

机械产品研发项目的进度计划管理研究 分类号TP弓cf f密级份彳单位代码10422学号埘2D跸J东岁，博士学位论文Dissertation forDoctoral Degree论文题目机槭严|5b酾筻砍目韵进度计划管理6哥宠脚从们姒它批岣觚叩它砒群融从洲脚唧聊砒哪卡，MP诛及州c以渤姗作者姓名盈咝培养单位盏越呈塑星迭专业名称血翅至鲤f绫蠖丞纽上堡息2狃2指导教师盔至垄拯超合作导师纠V年够月P日A DissertationSubmitted toShandongUniversityfor theDegree ofDoctor ofPhilosophyResearch onScheduling Managementof ResearchandDevelopment Projectfor MechanicalProductCandidate!竺望g塑i垒SpecialtyManufacturing SystemInformationEngineeringSupervisor里塑墨Qi鱼璺QShandong University,Jinan，ChinaAprilxxjjj_i耵一9舢删7，9舢5删2舢Y原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名童!嵫日期塑!兰圭兰2关于学位论文使用授权的声明本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 (保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名壅!邀导师签名壹骛Et期塑!竺。 乙7目录目录摘要?IXABSTRACT?XI第1章绪论?-1-11研究背景?-112国内外研究现状?-2121任务分解的研究?2一122任务排序的研究?3123任务工时估算的研究?6124进度计划编制的研究?813课题的研究目的和意义?914论文的主要研究内容和组织结构?10第2章研发项目WBS的任务分解体系研究?1321研发项目WBS的分解?13211WBS的分解模型?13212研发任务的标识制定规则?1522基于产品结构树的零部件研发任务分解?。 15221产品结构树和工作分解结构的关联性分析?15222基于产品结构树的任务分解过程?16223WBS分解的数学模型?1923本章小结?27第3章基于分层设计结构矩阵的任务规划排序?2931分层设计结构矩阵的建模过程?2932基于可达矩阵的耦合任务集识别?3333耦合任务的合并重组策略?34331设计结构矩阵的数字化?35332基于聚类分析法的耦合任务合并重组?36T山东大学博士学位论文34任务的排序?40341非耦合任务的排序?40342耦合任务排序?4035本章小结?43第4章基于灰色预测模型的耦合任务集工时预测?4541灰色预测模型基础理论?45411灰色序列累加累减生成算子?46412灰色预测GM(1，1)模型?4842耦合任务集工时数据的特点?4943耦合任务集工时的灰色预测模型?49431离散灰色预测DGM(1，1)模型?49432耦合任务集工时的DGM(1，1)预测模型?50433灰色预测模型精度检验?5344耦合任务集工时的灰色预测过程?55-45实例分析?5546本章小结?59-第5章GPRs下多模式柔性资源受限项目调度问题的研究?一61-51广义时序分析?61-511广义优先关系?61-512任务的时间窗分析?62-52MFRCPSPGPRs的建模?-63-521柔性资源的定义?-63-522问题描述?64523数学模型?一6553基于遗传算法的MFRCPSPGPRs求解?-66531编码方法?68532解码方法?68一II目录533初始种群产生?69534适应度函数?69535遗传算子?6954算例验证与分析?71541算例构建?71542实验和结果分析?7355本章小结?75第6章系统的开发与实现?7761研发项目进度计划管理业务流程?7762系统设计与开发?78621系统体系架构?79622系统功能结构?8063系统功能实现?81-631系统登录及主界面?81632项目进度计划管理?82633WBS的任务分解?84634基于DSM的任务规划排序?86635耦合任务集工时的灰色预测?89636MFRCPSPGPRs优化?9064本章小结?92结论与展望?93结念?93展望?95论文创新点摘要?97参考文献?99攻读博士学位期间发表的学术论文?113攻读博士学位期间参与的科研与实践项目?113III山东大学博士学位论文致谢?115附录英文论文?117IVTABLE OFCONTENTSTABLE OFCONTENTSAbstract(in Chinese)?IXAbstract(in English)?XIChapter1Introduction?”。 1-11Research background?-1-12Research statusreview?一2-121Research ontask deposition?_2-122Research ontask sequencing?-3-123Research ontask durationestimate?-6-124Research ondevelopning project schedule?。 8-13Purpose andsignificance?9-14Main contentsand structure ofthe thesis?-10-Chapter2Research ontask depositionsystem oftheWBSfor R&Dproject?-13-21Deposition ofWBS forR&D project?l3-211Deposition model ofWBS?。 13-212Identification generationrules ofR&D task?-1522Deposition ofparts R&D task based on product structural tree?-15-221Analysis oftherelevance betweenproduct structuraltree andWBS?15_222Task depositionprocess based onproductstructuraltreeOm16-223Mathematical modelofWBS deposition?一19-23Chapter conclusion?-27Chapter3Task planning and sequencingbased onhierarchical DSM?。 29-31Modelling process of hierarchicalDSM?-29-32Recognition of coupled task set based on reachabilitymatrix?-3333Merging and reorganizing strategyofcoupled task?-34331Digitization ofDSM?-35-332Merging andreorganizing coupled taskbased on clusteringmethodology?V山东大学博士学位论文?3634Task sequencing?40341Sequencing ofuncoupled tasks?40342Sequencingg ofcoupled tasks?4035Chapter conclusion?43Chapter4Prediction for coupled task set durmionbased on grey prediction model-4541Basic theoryongrey prediction model?45411AGOoperator andIAGO operatorofgrey sequence?-46-412Grey prediction model GM(1，1)?-48-42Features of coupled task set durmion?-49-43Grey prediction for coupled taskset duration?-49-431Discrete greyprediction modelDGM(1，1)?一49-432Coupled taskset duration prediction modelDGM(1，1)?-50433Auracy testingof greypredictionmodel?-53-44Grey predictionprocess ofcoupledtaskset duration?一55-45Instance analysis?-55-46Chapter conclusion?-59-Chapter5Research onmulti-mode flexibleresource-constrained project schedulingproblem with generalized precedence relations?-61-VI51Analysis ofgeneralizedtemporal?-61511Generalized precedencerelations?-61512Analysis oftimewindowfor task?-62-52Modelling ofMFRCPSP-GPRs?-63521Definition forflexible resources?63-522Problem description?-64-523Mathematical model?6553MFRCPSP-GPRs solutionbased ongeic algorithm?一66-TABLE OFCONTENTS531Encoding method?。 68-532Decoding method?-68_533Generating initialpopulation?-69_534Fitness function?-69-535Geic operator?-69-54Example validationand analysis?一7l-541Establishment ofexample?-71-542Experiment andresults analysis?。 73_55Chapter conclusion?-75-Chapter6System developmentand implementation?-77-61Opermion flow of R&D projectscheduling management?77-62Design anddevelop forthesystem?78-621System structure?-79-622System functionalstructure?-80-63System functionrealization?-81-631System loginand maininterface?81-632Project schedulingmanagement?-82633Task depositionofWBS?-84634Task planningand sequencingbased onDSM?。 86-635Grey predictionforcoupledtaskset duration?。 89-636MFRCPSPGPRs optimization?-90-64Chapter conclusion?。 92-Conclusions andprospects?_93Conclusions?-93Prospects?-95-Innovations ofthethesis?-97-References?-99VII山东大学博士学位论文Published papersduring PhD study?-113-Participant scientificresearch andpractical projectsduringPhD study?一113-Acknowledgements-115-Appendix Papersin english?一-117摘要机械产品研发项目的进度计划管理研究摘要全球化竞争的日益加剧对机械制造企业的产品研发效率提出了越来越高的要求，如何缩短产品研发的项目周期，加快新产品的上市时间，成为企业亟待解决的难题。 目前企业中大约有70的研发项目不能按时完成，使新产品无法按预定计划上市，错失了新产品在市场中的先机。 导致此问题的根本原因之一是在产品研发项目管理的过程中，项目的进度计划通常由项目管理人员凭经验制定，任务分解的主观性强，任务间的耦合迭代被忽视，使任务的逻辑顺序、任务的工时估算等不准确，导致在实际执行过程中出现设计任务过度迭代、资源冲突、任务拖期等问题，计划的可执行性差，最终导致项目拖期。 在机械制造企业中75的设计活动是基于实例的设计，也就是说，多数产品研发项目是基于变型设计开展的。 对基于变型设计的产品研发项目，在其开展之前，为进度计划的制定提供依据的产品的研发过程、产品结构的基本构成、零部件设计的技能需求等信息是己知的。 因此，本文重点研究基于产品研发过程、产品结构树等数据和信息编制机械产品研发项目进度计划的方法，使进度计划更科学，更符合产品研发实际，提高计划的可执行性。 在机械产品研发项目中，产品研发过程、产品结构和交付物是工作分解结构(Work BreakdownStructure，wBs)中任务分解的依据，基于此构建了产品研发的WBS分解模型，提出了具体的研发任务分解过程和研发任务的标识制定规则。 根据产品结构树层次性和复杂性的特点，研究了基于产品结构树的零部件研发任务的分解方法，制定了零部件和任务之间的一系列映射规则，构建了映射的数学模型和映射算法的流程，实现了基于产品结构树的WBS自动分解，提高了研发项目任务分解的规范化、准确性和分解效率。 为清晰的描述和方便的分析研发项目中任务之间的信息交互关系，结合WBS分层的特点，提出了基于分层设计结构矩阵的建模方法，实现了WBS中任意层次、+本课题得到了国家“863”高科技研究发展计划资助项目(编号xxAA040910)莆lJth东省自然科学基金(编号ZRxxGM015)的资助。 IX山东大学博士学位论文任意部分研发任务对应设计结构矩阵模型的构建，以及模型随任务的逐层分解不断扩展，降低了模型的构建难度，同时提高了模型的构建效率。 在分层设计结构矩阵建模的基础上，重点研究了耦合任务集的规划排序，提出了基于可达矩阵的耦合任务集识别方法，研究了基于聚类分析法的耦合任务合并重组策略，构建了基于数量依赖和信息依赖双次序指标的耦合任务集割裂算法，实现了耦合任务的规划排序。 为解决研发项目中的耦合任务贫信息、小样本事件、不确定性的工时预测问题，结合耦合任务集工时的离散型和振荡性等特点提出了基于振幅压缩灰色预测模型的耦合任务集工时预测方法。 采用了平滑性算子对振荡序列进行平滑性处理运算，推导构建了振荡序列的离散灰色预测DGM(1，1)模型，建立了耦合任务集工时灰色模拟预测的过程步骤。 此工时灰色预测方法有效的减少了耦合任务集工时估算过程中灰因素的影响，提高了工时估算的准确性。 在产品研发项目中任务间的时序优先关系是广义优先关系(generalizedprecedence relations，GPRs)，即任务间存在开始开始、开始结束、结束开始、结束结束四种时序优先关系，且每种时序优先关系包含有最d,最大时滞要求。 基于此研究了考虑研发任务间GPRs下的多模式柔性资源受限项目调度问题，分析了广义优先关系条件下任务开始时间对应的时间窗，构建了GPRs下多模式柔性资源受限项目调度问题的数学模型，使用遗传算法对其进行求解，提出了相应的编码和解码方法，确定了项目任务的开00结束时间、执行模式、资源分配方案，完成了对进度计划的编制，获得了最终可执行的总工期最短的项目进度计划。 在前面理论研究的基础上，分析了研发项目进度计划管理的业务流程，扩展了产品全生命周期管理系统的体系架构，开发实现了项目进度计划管理的主要功能模块，并在某企业的海上风力发电机组研发项目中成功实施应用。 关键词研发项目进度计划；工作分解结构；分层设计结构矩阵；灰色预测模型；广义优先关系XABSTRACTResearch onScheduling Managementof ResearchandDevelopment Projectfor MechanicalProductJABSTRACTIncreasingly intenseglobal petitionis callingfor higherand higherproductdevelopment efficiencyof machinerymanufacturing enterpriseThus，it hasbee anurgentproblem tofind outthe wayto shortenproject cycleof productdevelopment andaeleratethe speedto pushnew productinto marketBut atpresent，about70of theresearchand development(R&D)proj ectin theenterprise Cant bepleted ontimeAsa result，the newproduct Cant bepushed intomarket asplanned，missing thebestopportunitiesOne of the mostfundamental reasonsleading tothis problemis thattheproject schedule is usuallydeveloped byproject managersaording to their experiencesduringthe product R&D projectmanagement process，which leadsto strongsubjectivityof task deposition，ignorance ofcoupling iterationbetween tasks，resulting intheinauracy oflogical orderand durationestimationThe projectwill bedelayed duetothe poorenforceability of the schedule，where OCCurStoo muchtask iteration，resourceconflict andtask delay75of designactivities are based oncase inthe machinerymanufacturingenterprise，which isto saythat mostproduct R&D projectsarebased onvariant designFor thoseprojects，the data and information，providing basisfor creatingtheschedule，is knownbefore the project isstarted，such as product R&Dprocess，basiomposition ofproduct structure，skill requirementsfor partsdesignTherefore，themethod ofdeveloping machineryproduct R&D projectscheduleis proposed，which isbased on thedataand information suchasproduct R&Dprocess andproduct structure+The projectis supportedbythe NationalHi曲-Tech Researchand DevelopmentProgram(Grant NoxxAA040910)and NaturalScience Foundationof ShandongProvince(Grant NoZRxxGM015)XI山东大学博士学位论文treeInthis way,theprojectschedule willbe moreconsistent withactual R&Dprocessand executable，with lesssubj ectivityand morescientificityIn mechanicalproduct R&Dprojects，the tasksof work breakdown structure(WBS)can bedeposed aordingtothe productR&Dprocess，the product structure and thedeliverables，based onwhich，a productR&D WBS deposition modelis proposedAspecific R&Dtask depositionprocessisput forward，and theidentification generationrulesof R&D taskare definedAording tothe hierarchyand plexityoftheproductstructure tree，a depositionmethod ofpartsR&D taskbased onproduct structuretreeispresentedThe mappingrules betweenponents andtasks aredevelopedThemathematical modelsof mappingand theprocessofmappingalgorithm areestablishedThe automaticW13Sdepositionbasedonproductstructuretree isachieved，and thestandardization，efficiency,and auracyoftheR&D projecttaskdepositionisimprovedConsidering thehierarchy ofWBS，the modelingmethod basedon DSMisproposedto clearlydescribe andconveniently analysisthe informationinteraction betweenR&Dproject tasks，which realizesthe constructionof DSMcorresponding toany levelor partof tasks andthe extensionof modelswith thestep-bystep evolutionof R&Dprocessreduces the modeling difficultyand improvesthe modelingefficiencyOn thebasis ofmodellingwith hierarchicalDSM，the planningand sequencing ofcoupledtask setsisresearchedThe recognitionmethod ofcoupledtasksets basedon reachabilitymatrix ispresentedThe mergingandreorganizingStrategy ofcoupledtask setsbasedonclusteringmethodology isput forwardThe tearingalgorithm ofcoupledtaskset isproposed torealizeplanningandsequencingofthe coupledtasks，which isbasedondual orderindexes-number dependenceandinformationdependenceIn orderto solvethe problemoftaskduration predictingin R&Dproject withpoorinformation，small sampleevent anduncertainty,a methodbasedongrey predictionmodelof amplitudepression isput forwardto predictingthe durationofcoupledtaskXIIABSTRACTsetin considerationof discretenessand oscillationfeatures ofcoupledtasksetdurationThe smoothoperator isused toenhance thedegree ofoscillation sequenceThe discretegreypredictionmodelDGM(1，1)for oscillationsequence isestablished，andthesteps ofgreypredictionforcoupledtasksetdurationis setupThe predictionmethod willreducethe effectof greyfactors incoupledtasksetdurationprediction，and improvethe auracyofdurationpredictionGeneralized precedencerelations(GPRs)exist betweentasks inproductR&Dproject，including foursequential precedencerelations asstart tostart，start toend，end tostart，end toendEach oftheserelations containminimum andmaximum lagsrequirementAordingly,Multi-mode flexibleresource-constrained projectscheduling problemwithconsideration ofGPRs betweenR&D tasksiS studiedThe timewindow oftaskstart timewithGPRs is analyzedThe mathematicalmodelofmulti-mode flexibleresourceconstrained projectschedulingproblemwithgeneralized precedencerelationsisestablished，and ageic algorithmisproposedto solvethemodelThe correspondingencodingand decodingmethodis presentedThen，the startend time，the executionmodeand resourceallocation schemeof projecttasks isidentifiesThe projectscheduledevelopment isfinished andthe executableprojectschedulewhose durationis shortestisobtainedAt last，basedonprevious theoreticalresearch，the operationflowofR&Dprojectscheduling managementisanalyzedThe systemstructureoftheproductlife cyclemanagementsystem isextendedThe mainfunctional modulesof projectschedulingmanagement isdeveloped，and Wassuessfully appliedinan offsetwind turbineR&Dproj ectKeywordsR&D projectscheduling；workbreakdownstructure；hierarchy designstructurematrix；greypredictionmodel；generalizedprecedencerelationsXIII第1章绪论11研究背景第1章绪论在经济全球化的驱动下，新产品研发能力逐渐成为企业的核心竞争力【l-31。 据我国国家统计局xx年统计的数据表吲41，我国规模以上工业企业从2000年到xx年十几年间新产品研发项目数量的平均增长率约为1017，新产品研发经费投入的平均增长率约为2323，到xx年所有规模以上工业企业开展的新产品研发项目总量中机械制造企业的新产品研发项目占4227，投入机械制造企业新产品研发经费占所有规模以上工业企业研发经费的3805，机械制造企业中新产品销售收入占其主营业务收入的比例高达2244。 显然，我国工业企业尤其是机械制造企业已经意识到新产品研发的重要性。 虽然新产品研发项目能够给企业带来丰厚的回报，但如果研发的新产品不能及时上市，抢占市场先机，就会失去新产品的相应价值，降低为企业带来的效益。 麦肯锡公司建立的一个经济模型表明，在一个每年销售增长20、价格下跌12的市场上，如果高技术产品的研发成本在预算之内，但上市晚6个月，将导致企业在5年内少赢利33。 相反，产品及时上市，但是超预算50，在同样的市场上利润仅削减4151。 因此，企业要在日益激烈的市场竞争中占据优势地位，获得更多的利益，必须要提高产品的研发效率，缩短产品的研发周期【681。 新产品研发具备独特性、目标明确性、时限性、制约性、协调性、不确定性等项目的典型特征，应用项目管理的思想和方法管理新产品研发过程，可以有效地控制产品的研发周期，保证产品的上市时间。 在项目管理中，项目的进度、成本和质量是对立统一的三要素，三者相互影响。 在进度和成本之间，项目进度越快，完成的工作量越多，则单位工程量的成本较低，但突击性的作业，往往会增加项目成本。 在进度和质量之间，一般项目工期越紧，如若采取快速突击、加快项目进度的方法，项目质量越难以保证19,10。 因此，合理安排项目进度，是保证项目成本和质量的基山东大学博士学位论文础和关键。 在项目进度管理中，进度计划是核心和基础，通过进度计划的制定系统地确定项目的任务、制定任务的时间表、编制完成任务所需要的资源预算等，保证项目能够在合理的工期内，用尽可能低的成本和尽可能高的质量完成，使项目取得最佳的经济效益和社会效益【ll】。 因此制定一个良好的进度计划，是项目进度管理的一个关键过程。 制定进度计划是在项目任务分解的基础上分析任务顺序、执行时间、资源需求和进度约束，编制进度计划的过程【lo】。 因此在制定进度计划过程中主要涉及以下关键工作。 (1)任务分解将项目分解成较小的、易于控制和管理的若干子任务或工作模块【101，创建项目的工作分解结构112,131。 (2)任务排序识别WBS中各项任务的相互关系，并据此对各项任务的先后顺序进行安排和确定【14】。 (3)任务工时估算根据现有条件估算完成一项任务所需要的工时数量【”】。 (4)排定进度计划根据项目的任务定义、任务排序、任务工时估算的结果和所需资源等信息编制进度计划，主要确定各任务的起始和完成日期【11】。 下面对任务分解、任务排序、任务工时估算和排定进度计划这四方面的国内外研究进展进行分析总结。 121任务分解的研究WBS是制定进度计划、资源分配、成本估算、风险管理等的重要基础，它既是项目进度计划也是项目管理的最重要因素116,17。 目前，研发项目的任务主要是项目经理依据自身经验手工分解，这种任务分解方法的分解效率较低，对于大规模和非常复杂的研发项目来说，其任务分解过程既费时又费力，并且无法保证任务分解结构的正确性和完整性，