系統動力學模型在管理信息系統開發項目管理中的應用

陳志明

摘要：本文將管理信息系統開發項目視為一個復雜的動態系統，通過系統的思考，識別出決定項目時間、成本和MIS功能的主要因果反饋回路。深入分析了回路中各變量的相互關系，幫助管理者更好理解項目過程表現出的復雜行為及其背后的影響機理。借助仿真軟件Vensim，建立了管理信息系統開發的系統動力學模型，預測了項目時間和成本隨MIS功能的修改而變化的情況。通過靈敏度分析，模擬了不同參數下的管理策略對項目績效的影響，為項目管理的決策優化提供參考依據。

Abstract： This paper considers the management information system （MIS） development as a complex system， establishes the causal loops determining the functions of MIS， the cost and time of the project. According to systems thinking， we analyze the relationships of key variables in order to help manager better understand the behaviors of the complex system. We use Vensim to set up a system dynamics model of MIS development which can predict the cost and time of the project. Finally， the sensitivity analysis is applied to evaluate the performance of different project management strategies.

關鍵詞：系統動力學；管理信息系統開發；項目管理

Key words： system dynamics；management information system development；project management

中圖分類號：N941.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0102-05

0 引言

管理信息系統（Management Information System，MIS）的開發涉及因素眾多，牽連關系復雜，不僅是一個技術的應用過程，更是一個人的交互過程。因為人類活動是一種復雜的影響因素，所以在有人參與并由人控制的管理信息系統開發項目中往往會出現各種問題，如系統規劃階段制定的項目期限或者開發費用在實際執行中超出預定目標[1]。此外，系統開發容易受到環境的影響，企業會隨著環境的變化對系統提出新的功能要求，造成開發過程的不確定性，給項目管理帶來一定的難度。

管理者在面對這類問題時，要認識到MIS開發的各個環節緊密聯系，相互影響。只有將開發MIS的整個過程視為一個系統，從全局上理清各種因素間的復雜關系，找出產生問題的關鍵因素，才能制定出科學的解決方案。系統問題的解決需要系統的方法，而系統動力學（System Dynamics，SD）為此提供了強大的理論和工具。它將研究對象視為一個相互聯系的，具有整體性的系統，通過因果回路直觀地表示各因素間錯綜復雜的關系，為深入理解系統結構提供了清晰的脈絡。因果回路又可以很自然地擴展成系統動力學模型，通過計算機流圖定量地描述各個因素間的變化關系，使人們對系統結構的認識從感性上升到理性[2-5]。

系統動力學模型在項目管理中的應用最早始于Roberts[6]，他在1964年建立了一個只有30個方程的SD模型，研究R&D;中基本的動力學問題。模型雖然簡單，但拓展了SD的應用領域，為后人研究項目管理問題打下了基礎。Cooper[7]建立了一個用于大型造船項目評審的SD模型，并進一步發展成為造船項目的戰略分析及預測工具。Ford等[8]建立了半導體芯片開發過程的SD模型，對開發過程各階段之間協調關系的重要性進行了研究。Williams等[9]把SD運用到項目管理的咨詢服務中，在客戶需求變化對項目期限的影響方面做了大量的研究工作。Love等[10-11]用SD模擬了計劃外的未知因素對建筑項目管理的影響。翟麗等[12]則用SD模擬加班策略對軟件項目管理的影響。王靜宇等[13]應用SD解決大型復雜項目建設中CPM計劃與項目實際進展脫離的問題。馮磊等[14]對Partnering模式下的工程項目進行系統動力學分析，為評估項目工期提出了一種可行的方法。Li[15]等用SD優化電網工程項目管理，找到影響項目績效的關鍵因素。寧曉倩[16]建立了一個包括軟件開發過程、人員管理、計劃、控制等方面的軟件開發項目管理模型，從戰略性的視角幫助項目管理者分析理解軟件開發的動態過程。

雖然SD已經成為項目管理的一個有效工具，但是鮮有在MIS開發中的應用。本文將MIS開發項目視為一個復雜的動態系統，通過系統的思考，從全局出發，識別出影響項目時間、成本和MIS功能的主要因果反饋回路。以定性分析和定量分析相結合，建立管理信息系統開發的系統動力學模型，通過仿真軟件Vensim預測加班和增員兩種策略對項目時間和成本等方面的影響，以使管理者深入理解系統復雜性的根源，提高項目管理的科學性。

1 模型建立

本文遵循生命周期法，將開發MIS的項目分為相互聯系的五個階段：系統規劃→系統分析→系統設計→系統實施→系統運行和維護。因為項目是以MIS的交付使用為結束標志，所以系統運行和維護不在本文的研究范疇。而系統規劃作為MIS開發前的準備工作，所耗費的時間和費用很少，為了簡化模型，系統規劃也不納入研究范圍。下面根據MIS開發項目中遇到的主要問題，即費用超出預算、時間超出期限、系統功能變更，將時間、成本和MIS功能做為關鍵變量，確定主要的因果反饋回路，通過Vensim建立系統動力學模型。

1.1 MIS功能的因果反饋回路

MIS功能是在系統分析階段確定的，系統分析員通過參觀訪談，識別出企業存在的問題，確定MIS功能。然而，由于企業職員不了解MIS，不能很好地提出系統需求。另一方面，系統分析人員缺少管理的相關知識，無法充分理解企業的業務流程。雙方的信息不對稱會使系統開發偏離正確的方向，造成交付使用的MIS功能無法滿足用戶的需求。而且，企業的環境是在不斷地變化，新的變化產生新的問題，從而對系統功能提出新的要求。因此，系統分析階段確定的MIS功能并不完善，在后續開發中需要修改和補充。

圖1展示了MIS功能的因果反饋回路，功能與企業問題存在對應關系。隨著“預期項目時間”推移，環境變化可能會產生新的問題。當問題積累到一定程度的時候，就會凸現出來，這些“新識別出的問題”使企業不得不考慮補充“MIS新功能”。“MIS總功能”的增加意味著MIS的復雜度增加，需要投入更多的研發力量，因此“預期工作量”要相應的增加，而原先的“預期項目時間”已不再適用，也要增加。可以看到，最外層的回環是一個正反饋回路，一旦變化的環境對MIS提出新的要求，原有平衡就被打破，“MIS總功能”就會不斷增加。然而，“MIS總功能”不能無限增長，因為開發時間在企業的成長過程中，只是很短的一個時間段。在該階段，企業的潛在問題是有限的，隨著 “需求分析識別出的問題”增加，使得“企業存在的總問題”減少，當減少到零的時候，“MIS總功能”就不再增加。需要注意的是，MIS的開發時間不可能長到將企業的潛在問題全部識別出來，但“MIS新功能”隨時間推移的增加幅度會越來越小，同時會受“預期成本”的限制。

1.2 項目成本的因果反饋回路

MIS開發項目的成本包含從系統分析階段到系統實施階段的所有費用，一切與人相關的費用可以歸為“人員費用”，與外購物資相關的費用可以歸為“外購軟硬件費用”，故項目成本是兩者之和。圖2展示了項目成本的因果反饋回路，“MIS功能”決定了項目的“預期工作量”。在初始階段，“預期成本”等于“計劃成本”。當企業環境發生變化，對MIS提出新的功能要求時，預期成本會增加，導致“成本偏差”出現。此時，項目管理者可以采取兩種措施：當“成本偏差”不大，在企業財務的承受范圍之內時，調整“計劃成本”，追加新的預算；當“成本偏差”過大，削減MIS功能，減輕財務負擔。

項目成本因果反饋回路有很強的尋的性，體現了企業管理者的控制策略。“計劃成本”是控制的目標，當出現“成本偏差”時，反饋回路開始運作，試圖減少偏差，使“預期成本”朝它的目標“計劃成本”靠攏。這一特點使系統趨向于穩定，抑制了MIS功能因果反饋回路的增強放大效果，迫使系統重新回到平衡狀態。控制成本給企業帶來的好處是減少開支，但是付出了一定的代價——減少MIS功能。然而，為了應對環境變化提出的挑戰，有的新功能十分必要，迫切需要實現，管理者只能增加“計劃成本”。

1.3 項目時間的因果反饋回路

項目時間是指從系統分析到交付使用所耗費的時間，對應的因果反饋回路如圖3所示。由于系統分析階段估計出的“計劃工期”無法將不確定性因素考慮在內，環境變化可能給MIS功能提出新的要求，需要延長“預期工期”，產生“進度偏差”。為了避免項目延期，可以采取增員策略。因為新人員需要跟進學習才能熟悉業務，所以提高“開發速度”之前存在一段延遲。另一方案可以采取加班策略，雖然能立刻提高“開發速度”，但會加大員工的“疲勞度”，增加工作的“錯誤”，導致“返工”而延長了“預期工期”。而且員工不能無限加班，開發速度存在上限，即“進度偏差”增大到一定程度時，就無法通過趕工進行彌補。這時，管理者不得不接受延期的事實，必須延長“計劃工期”。

項目時間因果反饋回路也是一個帶有尋的性的調整性回路，起點始于“進度偏差”。只要偏差大于零，回路就會發生連鎖作用，試圖將“進度偏差”縮小。然而，“加班”牽引出的兩個關系環存在相互制約的作用：一個能夠縮短時間，另一個卻增長時間。在兩股此消彼長的力量共同作用下，“預期工期”究竟是減小還是增加呢？回答這個問題，需要分清哪一條是主導回路，當“加班”帶來的“預期工期”的減小幅度大于“疲勞度”帶來的增加幅度時，“預期工期”就會朝減小的方向發展，反之亦然。因此，管理者要慎重考慮加班策略，適當的加班強度會對縮短“預期工期”帶來積極的效果，如果過度會產生不良后果。也許人們在決策中會感到迷惘，因為加班強度無法在現實中反復試驗，稍有不當就會帶來難以估量的損失。此時，系統動力學提供了強有力的解決方法，可以通過建模仿真對加班強度進行數測試，得出一份合理的加班方案。

1.4 管理信息系統開發的系統動力學模型

將上述三個因果反饋回路通過公共變量連接起來，轉化為Vensim能夠運行的計算機流圖，如圖4所示。模型中主要變量的計算公式及注釋如表1所示。

2 模型仿真

為了檢驗SD模型的有效性，本節模擬一個大型管理信息系統開發項目。MIS初始功能模塊為60個，開發人員數量為8人，仿真時間為150周（約3年）。下面將分析主要變量如何受因果回路的影響而變化，使管理者對項目的全局進展情況有清晰的認識。通過模型提供的預測數據，管理者可以獲得各種問題解決方案的實施效果，從而選出最佳方案。

2.1 MIS功能變化分析

MIS功能作為模型的擾動變量，是一切變化的根源，對模型的非平衡性起到關鍵作用，變化情況如圖5所示。CURRENT曲線是基準運行的結果，可以看出實際系統功能前期增加幅度較大，后期趨于平穩。因為MIS功能受到項目管理者的控制，越是臨近后期，可用的時間和資源越是緊張，除非新功能十分重要，否則不會改動，所以MIS功能在仿真后期的增長態勢不明顯。如果沒有控制，實際系統功能的變化將和test1曲線一致，即使到了后期也會大幅增長，會給項目管理帶來巨大不穩定性，并非理想的結果。值得注意的是，當MIS功能增加導致追加成本超出企業的承受能力時，MIS功能會被削減，表現為圖5中曲線的小幅回落。

2.2 項目成本和時間變化分析

項目成本與MIS功能存在正比關系，倘若MIS功能增加，項目成本也會相應增加，變化趨勢如圖6所示。可以看到，計劃成本出現增長的時點對應著MIS功能增加的時點，進一步驗證了MIS功能是項目過程中一切變化的根源。項目時間的變化與應對延期的管理策略有關，下面的分析以加班策略為例。圖7展示了項目時間的變化情況，計劃工期在第34周、127周出現調整。第一次調整的原因是實際系統功能在第32周發生巨幅增長，使預期工作量猛增。在現有的開發速度下，預期工期和計劃工期產生了巨大的偏差，加班策略無法在短時間內解決問題，所以只能延長計劃工期。第二次調整的原因是系統開發速度在第124周增加到了極限，如圖8所示，無法滿足追加的工作量，項目管理者只能延長計劃工期。經過2次調整，計劃工期增加至150周，MIS開發項目于仿真階段末期結束。

2.3 管理策略對比分析

當采取加班策略時，我們可以通過調節加班強度的大小，來控制員工加班的負荷。例如計劃剩余工期為30周，而預期剩余工期還需要45周，當加班強度取值為0.6時，根據表1公式計算出加班率為0.3。如果當前系統開發速度為10任務/周，那么采取加班策略后，開發速度=10×（1+0.3）=13任務/周。雖然加班強度越大，系統開發速度越快，但會受到極限開發速度和任務出錯率的制約。表2展示了不同加班策略對項目績效的影響結果。

當采取增員策略時，我們可以調整現有人員數的大小，來提升系統開發的速度。因為新補充的人員需要一定的時間適應團隊和熟悉業務，所以開發速度的提升存在一段延遲。而且，人員數量會受到增員意愿的影響，越是到項目后期，項目管理者越是希望保持開發人員隊伍的穩定。表3展示了不同增員策略對項目績效的影響結果。

通過模擬不同參數下的管理策略，我們可以看到：

①在采取加班策略下，加班強度從0上升到1.2時，項目時間從200周下降到150周，總體趨勢是項目時間隨加班強度的增大而減小，最佳加班強度為1.2。隨著加班強度進一步增強，項目時間不減反增，主要原因是加班所引起的員工不滿情緒及疲勞度與日俱增，導致加班的負面影響占主導地位，出錯的任務越來越多，拖累了系統開發的速度。

②在采取增員策略下，將現有人員數從8人增至17人時，項目工期從200周減至121周。總體趨勢是項目時間隨人員數量增加而減小，且減小的幅度增大，主要原因是團隊的協同效應隨人數的增多而增強。雖然增員策略可以顯著縮短項目時間，但只有當人員數大于14人時，增員策略的項目時間才小于加班策略。

3 結論

本文以系統動力學為研究方法，識別出影響MIS開發項目的主要變量，構建了MIS功能、項目成本和時間三個主要的因果反饋回路。通過系統的思考，深入分析了變量的相互關系，幫助管理者更好理解項目過程表現出的復雜行為及其背后的影響機理。借助仿真軟件Vensim，建立了MIS開發的系統動力學模型，通過調整相關參數，模擬了不同管理策略對項目工期的影響，為項目管理的決策優化提供參考依據。需要指出的是，本文對MIS開發的系統動力學模型做了適度簡化，只將主要的變量納入建模范疇，而變量重要性的界定會隨研究者思考角度的不同有所差異。部分變量間復雜的非線性關系僅用表函數表示，模擬的結果不夠精確。未來的研究工作可考慮更廣泛的變量，借助統計工具確定更準確的變量關系，提高模型的精準性和實用性。

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