基于依赖结构矩阵的产品开发项目进度优化方法_图文

1、2010年2月第8卷第2期项目管理技术PROJECT M ANAGEMENT T ECHNOLOGY 130 引言成功的产品开发项目能给企业带来丰厚的回报。Cooper和Kleinschamids的研究表明,一个成功的产品开发项目平均投资回报率高达89%,市场回收期只要2至3年,而其新产品的市场份额可以达到46%。高回报往往也意味着高风险,随着社会的发展和科技的进步,产品开发项目的复杂程度变得越来越高,工序之间耦合性越来越强,项目开发过程的复杂性对项目管理提出了更高的要求。产品开发项目因具有复杂性、不确定性、耦合性等特点,项目进度、成本以及资源往往难以准确估计,项目开发存在高度的风险1。Sta

2、ndish的一项统计表明,2000年美国产品开发项目失败率高达72%,而我国2001年产品开发项目的成功率也没有超过30%2。在实际的产品开发过程中,产品开发过程混乱,项目开发过程得不到很好的组织和管理是导致项目失败的一个重要原因。产品开发的复杂性、不确定性源于产品开发过程不仅仅需要考虑技术问题,而且还要考虑产品开发的组织问题。基于这种复杂性,国内外众多组织机构和科研人员从项目管理的角度对产品开发过程进行了研究。其中研究最多,也最为核心的是项目进度计划管理。其他诸如工作分解结构、生命周期、风险管理及成本管理等也成为了人们研究的重点3。产品开发过程可以看做是一类特殊的项目,知识、信息的产生和传递

3、在产品开发过程中占据着主导地位,并行、迭代(Iteration是产品开发项目的重要特征4。产品开发过程的复杂性决定了在项目开发过程中管理者需要对产品的开发过程具有深刻的认识,能够对开发流程进行合理的规划和管理,能够对风险进行有效的识别和监控,从而提高项目的成功率。如何通过系统化的方法对产品开发过程进行管理,对产品开发进行集成控制是一个非常值得研究的问题。本文在现有依赖结构矩阵(DependencyStruc-tureMatrix,DSM研究的基础上,考虑产品开发过程中的迭代问题,提出了基于解耦的排序优化算法,并分析了该算法的优点及不足,指出优化时,除了考虑最小化反馈标记个数,还应当考虑工序的费

4、基于依赖结构矩阵的产品开发项目进度优化方法*基金项目:国家自然科学基金委员会与中国民用航空总局联合资助项目(60672185。吕杰峰1,2杨青2黄建美2(1.北京航天万源煤化工工程技术有限公司,北京100176;2.北京科技大学经济管理学院,北京100083摘要:依赖结构矩阵(DSM能够清晰地描述和分析产品开发过程中大量出现的迭代问题,并可以对工序进行排序优化,以减少迭代,从而加快项目进度,节约成本。首先对产品开发项目的特点做了介绍,指出传统项目管理工具在处理此类问题上的不足。然后对DSM理论做了概述,并提出了一种基于解耦的DSM流程优化算法。最后指出排序优化时除了考虑最小化反馈标记个数,还应

5、当考虑工序的费用、时间等因素。关键词:产品开发项目;依赖结构矩阵;迭代;项目优化2010年第8卷第2期项目管理技术14用、时间等因素。1 产品开发项目的特点及传统项目管理工具的不足1.1产品开发项目的特点为降低产品开发的时间、成本,同时提高产品质量,项目经理开始关注复杂工程产品的设计和开发过程,在两个方面得到了广泛的共识:设计迭代(返工是产品开发项目的典型特征;正是迭代导致了产品开发成本和进度的增加。因此,迭代成为产品开发管理的中心内容之一。产品开发项目的设计过程实际上就是信息的传递过程,即一个设计过程信息的输出是另一个设计过程信息的输入。产品开发过程中的信息流向可分为两类,一种是与现有工序排

6、序方向一致的顺序流动,即上道工序信息的输出是下道工序信息的输入;另一种是与现有工序排序相反的逆向流动,即下道工序信息的结果要反馈给上道工序,重新开展上道工序并产生新的输出,这种信息的逆向流动称为迭代。设计中某项工序在开始执行时,由于缺少所需的信息(或信息尚未确定,该信息将在工序执行了一定时期以后收到(或改变,从而导致迭代的出现。信息传递滞后(或信息因故改变的原因有很多,比如在设计中出现了设计错误、质量出现问题、改变了设计目标等。对迭代进行有效的管理能够计划和控制好项目成本、进度、质量和风险等。1.2传统项目管理工具的不足在实际运用中,传统的项目管理方法主要为利用计划评审技术(ProgramEv

7、aluationandReviewTechnique,PERT,关键路径法(CriticalPathMethod,CPM和图形评审技术(GraphicalEvalu-ationandReviewTechnique,GERT对网络结构进行分析,通过计算项目的成本和进度,确定项目开发情况。然而这些工具只能描述工序之间的顺序和并行关系,并不能描述复杂工程项目工序网络中大量存在的迭代问题以及项目开发过程中的学习效应,因此利用这些工具所做的进度规划往往与项目实际存在较大的差距。鉴于大部分现行的项目管理工具和模型在处理迭代问题上的不足,促使人们去寻找一种能够清晰反映并处理迭代问题的工具。DSM因为能够描述

8、和分析产品开发过程中经常大量出现的迭代问题,且当产品开发项目中的工序不断增加及其之间的关系不断复杂时,能够非常清晰地反映出迭代循环,并可以对工序进行重新排序优化,以减少迭代,越来越受到重视,也成为一个深入研究的方向。2 依赖结构矩阵理论概述系统工序间的关系有三种基本结构:平行(或同步关系;序列(或依赖关系;耦合(或相互依赖关系,如图1所示。在平行关系结构中,工序之间没有信息交流。在序列关系结构中,后面的工序需要前面工序的输出作为输入才开始进行。而在耦合关系结构中,信息流是耦合在一起的:工序A影响着工序B,同时工序B又影响着工序A。耦合工序常见于设计工序中,是影响产品开发进度和开发质量的重要因素

9、。DSM理论产生于1981年,Steward5教授将DSM理论运用到复杂系统的结构设计、分析和管理中。DSM是个n阶方阵,如图2所示,项目由一组从A到G顺序进行的工序组成,“X”标记表示项目中从某工序流向另一工序的信息流的存在及其方向(更 一般地说,是一种依赖关系。图2中,工序A与B之图1 工序之间三种基本关系及DSM 描述2010年第8卷第2期 15间没有信息交流,属于平行(或同步关系;工序B将信息传递给工序C,属于序列(或依赖关系;工序E 与F相互传递信息,属于耦合(或相互依赖关系。在图2b中,沿着每一横排看过去,会得到完成每一项工序所需要的所有信息输入;而顺着每一列看下去,则可以了解到每

10、一工序需要为其他工序提供哪些信息输出。比如,沿着B行看过去,可以知道工序B需要来自工序D的信息;顺着B列看下去,可知工序B将为工序C、E提供信息。D S M 能清晰地显示出与设计迭代有关的信息交流。对角线下面的所有“X”标记表示前馈(Feed Forward信息交流,即来自前续工序的信息可以被后面的工序所用;对角线以上的“X”标记表示反馈(Feedback,即后续工序完成后将输出信息给前续工序,这可能会导致前续工序返工。如在图2中,后续工序D、F完成后将分别给前续工序B、E输出信息,这将可能导致工序B、E发生返工。在网络计划技术中,无论是单代号还是双代号网络计划均有一些强制要求,比如:网络图中

11、严禁出现循环回路;节点之间严禁出现带双向箭头或无箭头的连线等。然而在实践中,产品开发项目中往往存在大量的迭代返工问题,这是与一般项目管理不同的一个显著特点。因此,传统的网络计划技术在处理这类问题上有明显的不足。DSM提供了一个简洁的可视化矩阵,用来更好地理解和分析信息需求、返工等问题。它对于在产品开发过程中突出迭代(返工和相互依赖的工序而言特别有用,这种特性是传统的计划评审技术和关键路径方法所不具备的。3 基于解耦的DSM 的排序优化方法一个工程项目由多个工序构成,这些工序之间存在着复杂的逻辑关系、信息流向关系、物质交换关系等多种关联关系。这种关联关系可以通过专家调查、参考类似项目等方式得到,

12、DSM能够描述工序之间的关联关系,从而对项目进行管理和控制。Kusiak等6提出通过合理安排工序的执行顺序,可以优化项目的执行过程,降低工序执行过程中的返工迭代,从而降低成本、缩短进度。基于解耦的排序优化思想就是尽量缩小设计迭代的影响范围,同时又考虑项目执行过程中工序之间的逻辑关系。3.1优化原则基于解耦的D S M 优化的目标是通过对D S M 的行与列进行操作(重新排序,最小化DSM矩阵上三角部分的反馈标记,即将DSM变形为一个下三角型式。这样,项目执行过程中将包含较少的返工迭代,从而加快研发过程。优化原则按下列步骤展开:(1步骤1:找出不需要其他工序的输入就可进行的系统工序。这一类工序对

13、应于矩阵中没有标记的空行。将这些工序移到DSM的顶端。每次移动一个工序,且需将其行列及相关标记一起移动。移动结束,再对矩阵其他工序重复步骤1,直到再无这样的工序。(2步骤2:找出不向矩阵中其他工序输出任何信息的系统工序。这一类工序对应于矩阵中没有标记的空列。将这些工序移动到DSM的底端。每次移动一个工序,且需将其行列及相关标记一起移动。移动结束,再对矩阵其他工序重复进行步骤2,直到再无这样的工序。(3步骤3:经过步骤1、2,DSM中再无未调整的工序,则矩阵已经达到最优化;否则,剩余的工序必定包含信息循环(至少一个。(4步骤4:找出信息循环,使用所谓的“路径搜索”方法。在该方法中,从某一工序开始

14、,向前或向后跟踪信息流,直到第二次追溯到同一个工序,这之间的所有工序构成一个信息流循环。(5步骤5:将简单循环中的工序合并起来,并图2 项目网络图及相应的DSM 示意图吕杰峰 等:基于依赖结构矩阵的产品开发项目进度优化方法2010年第8卷第2期项目管理技术16用另一代表工序代替,并重新开始步骤1的操作。3.2优化步骤下面结合图3所示的一个简单的例子对上述过程进行说明。图3所示为未优化的DSM的初始排序(包含七个工序。从相应的双代号网络图中可以看出,该工序执行的顺序中充满了信息反馈(反向箭头表示信息反馈,双向箭头表示耦合。(1优化过程(a。进行步骤1,找到工序F,它不依赖于任何其他工序的信息输入

15、。如图4a中所示,工序F所在行为无标记的空行。将工序F置于矩阵最前端。接着对其他工序进行考察(工序F已达到优化,就不予考虑了,用阴影标出。图4a中,无其他工序符合步骤1的要求,遂转入步骤2。(2优化过程(b。进行步骤2,找到工序E,它不向矩阵中任何其他工序输出信息。如图4b中所示,工序E所在列为无标记的空列。将工序E置于矩阵最后端。接着对其他工序进行考察(工序E已达到优化,就不予考虑了,用阴影标出。图中,无其他工序符合步骤2的要求,遂转入步骤3。(3优化过程(c。进行步骤3,发现此时矩阵中还有未调整的工序。则可判断,必然存在循环。进入步骤4。此时,任选一未调整的工序,如工序A。追溯A的信息来源

16、,发现它依赖于工序C的输入(工序A所在行与工序C所在列的交叉点有一个“X”标记,表明工序C对工序A有信息输入;而同时,工序C也依赖工序A的输入(工序C所在行与工序A所在列的交叉点有一个“X”标记,表明工序A对工序C有信息输入。因此,工序A和工序C构成一个信息循环。转入步骤5,此时矩阵中尚未调整的工序有C、A、B、D和G。如图5a所示。(4优化过程(d。重新开始步骤1、步骤2,将工序A与工序C合并,作为一个简单的复合工序来对待,用工序CA来标记,找到工序CA所在列为无标记的空列。将工序CA移至当前矩阵的底端。接着对其他工序进行考察(工序CA已达到优化,就不予考虑了,用阴影标出。如图5b所示。(5

17、优化过程(e。转入步骤3,此时尚有工序B、D、G未作调整。转入步骤4。任取工序B,追溯其信息来源,得出工序B依赖于工序G的输入,而工序G又依赖于工序D的输入,同时工序D又依赖于工序B的输入。因此,B、D、G又构成了一个信息循环。转入步骤5,此时将B、D、G合并,看成一个简单的复合工序。此时所有工序都得到了调整,优化过程结束。如图5c所示。(6优化过程(f。将合并的复合工序拆开表示,可得到最终的优化矩阵,如图6所示。此处将工序C置于工序A之前,目的是使信息交流(即“X”标记更靠近对角线处,尽可能减少信息交流。从图6中可以看出,经过重新排序后,工序之间信息反馈 明显减少,信息流越加顺畅,从而能够加

18、速项目的图3 项目网络图及相应的DSM 示意图图4 优化过程(a、(b 图5 优化过程(c、(d、(e 2010年第8卷第2期 17执行。可见,流程改进完后,DSM基本形成了下三角型式(即图中“X”标记大部分在对角线的下方,设计过程中的信息反馈大为减少。显然下三角型式的依赖结构矩阵为理想的设计规划矩阵,意味着串行的开发方式而不需要反馈信息,但实际的设计经验表明,这是一种追求目标所体现的理想状态。对矩阵进行变换处理,首先尽可能减少反馈带来的设计重复,其次,在不可避免的情况下,尽量将反馈信息与相应的工序接近,从而实现优化。4 工序的费用与时间对工序排序优化的影响分析上述基于解耦的D S M 排序优

19、化的目标是通过对D S M 行与列进行重新排序,以使新的D S M 排列中尽量不含反馈标记,即将DSM变形为一个下三角型式。然而,对于一个复杂的工程系统来说,经过上述简单的行列变换为下三角型式并非易事。为此,对于复杂的工程项目的排序优化问题,人们提出了各种不同的目标函数,借助计算机进行系统优化。起初,这些目标函数主要集中在最小化DSM对角线以上的反馈个数5;近年来,优化目标函数以使D S M中的信息交互关系的标记尽量推向矩阵的左下角为目标来提高产品开发过程的并行性7;或为上述各种目标函数结合,即同时优化迭代和并行性8。在国内,盛海涛9以遗传算法为工具,在优化目标函数中引入了信息耦合强度、设计时

20、间及费用等参数,有效地解决了大规模依赖结构矩阵的优化问题,并与现有优化算法进行了对比。然而,上述方法主要考虑返工对项目进度的影响,过于强调反馈标记个数对项目的影响,忽略了工序的费用、时间对整个项目的影响,因而可能使优化结果并不是最优的。4.1引例分析由图7a所示的A、B、C三个工序之间的关系可用图8所示的甘特图描述,横道上的数字表示各工序的费用,可见工序B的费用相对其他工序较高。分两种情况讨论:(1若工序B的时间较短(图8a,由于工序C信息反馈给工序A,导致工序A返工,工序A完成后又导致工序B返工,而由于工序B的时间较短,工序A 的信息反馈给工序B时,工序B已完工,因此工序B 发生完全返工,费

21、用增加100。(2若工序B的时间较长(图8b,与上同样,工序C信息反馈给工序A,导致工序A返工,但由于工序B较长,工序A的信息反馈给工序B时,工序B还未执行完毕(只完成了(2+2/10=40%的工作量,因此B部分返工,增加40(即100×40%=40。因此,应图6 优化后的DSM及相应的网络计划图图7 简单的DSM矩阵图8 项目甘特图吕杰峰 等:基于依赖结构矩阵的产品开发项目进度优化方法2010年第8卷第2期 项目管理技术 将项目重新排序如图所示，将工序的排序改为 之前，则可以降低返工引起的增加。 从上面的分析中可得知，对于费用较大、时间 较短的工序，由于其对项目总费用的影响较大，当 其发生返工时，该返工是完全返工，使项目的总费 用增加较多，因此应当尽量在优化时避免其发生返 工，即尽量使其处于返工循环之外。由此可知，工序 的费用和时间也是 排序优化时应当考虑到的 因素之一。 进一步分析 由上述分析可知，在的排序优化中，除了 应当考虑最小化反馈个数和反馈距离，同时，也应 当考虑工序时间和费用的影响。否则，所得到的优 化解，可能并不是最优解。 考虑两种不同优化结果，如图所示。 言均比较小，或者说这些工序相对而言是一些不重 要的