基于關鍵鏈的環境監測數據聯網項目進度管理方法研究

倪 永，馮文靜，周 強，呂 欣，何立環，文小明

1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101 2.中國科學院大學資源與環境學院，北京 100190 3.中國環境監測總站,國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012 4. 中國農業電影電視中心，北京 100081

項目進度管理的目標是保證項目能在規定日期和一定成本內完成。因此一個合理的進度計劃和有效的進度控制是進度管理的重要環節，計劃和控制直接決定了項目成功與否[1]。聯網項目進度管理就是在聯網工作實施過程中對活動進度及日程安排進行管理，確保聯網目標能夠在規定的時間內實現。

隨著大氣污染防治的精準化要求不斷提高，僅依靠國家層面的空氣質量自動監測網絡，還不足以全面系統地反映區域性的空氣質量狀況，而地方建設的大量空氣自動監測站數據與國家站網數據整合、集成，進行相互比對、綜合分析與評價等具有重要意義。為此，生態環境部要求推進全國城市空氣質量自動站數據直聯網工作。本文結合“2+26”城市空氣質量自動站數據直聯網工作實施過程中存在的問題，采用關鍵鏈技術加強項目過程管理。實驗表明，關鍵鏈項目管理辦法能有效解決項目進度管控中不確定性問題。

1 空氣質量自動站直聯網項目管理要求

環境監測有涵蓋環境要素多、覆蓋國土面積廣、時間跨度久、數據量大等特點[2]。其中，環境質量自動站監測數據聯網是實現環境質量狀況動態監測的工作基礎。我國大規模的國家空氣質量自動站監測網絡是從2000年開始建設，逐步覆蓋空氣質量背景站、區域站、農村站、常規站監測，替代原有手工監測手段成為監測空氣質量的主力，可提升數據的時效性，為空氣環境質量評價以及預報創造了條件[3]。

“2+26”城市是指京津冀及周邊河北省、山西省、山東省、河南省所有京津冀大氣污染傳輸通道上的28個城市。“2+26”城市空氣質量自動監測站數據直聯網工作是京津冀及周邊地區2017—2018年秋冬季大氣污染綜合治理攻堅行動中的一項重要任務。根據相關總體部署，2017年10月底前“2+26”城市327個縣(市、區)的所有空氣質量自動監測站原始監測數據第一時間直傳中國環境監測總站。

空氣質量數據直聯網存在的問題：

1)標準規范相對缺乏。國內環境監測信息標準化工作進展相對滯后，監測儀器設備數據輸出形式五花八門，數采儀多種多樣，傳輸規則不統一。對國外監測設備缺少準入要求，對國產監測設備缺少強制標準，導致從地方自行建設的監測站點的監測儀器設備端直接獲取數據變得非常困難。

2)協調工作量大。目前我國環境監測工作模式體系為“國家-省-地市-縣”4級，由于待聯網的監測站點是地方自行建設，各省級監測站(中心)、地市級監測站、縣級監測站都有運作，地方站點情況各異，因此聯網項目必然涉及大量、復雜的協調管理事務，需要進行廣泛而深入的動員和組織。協調難度主要集中在監測站點基本情況、儀器設備調研、統計，地方聯網軟件工具開發、部署、調試階段。

3)工期緊張，不確定性大。聯網任務正式下發到完成給定的施工周期通常比較短，而且突發情況較多。“2+26”城市聯網任務要求每縣至少2個站點，每區至少1個站點，不足2個站點的縣要新建站點，新建站點要耗用更多時間，進一步增加了項目不確定性。針對此種情況，中國環境監測總站和地方監測站應在聯網任務編制初期，盡早謀劃，提前準備基礎環境，做好規劃設計。

2 TOC 思想和關鍵鏈管理方法

約束理論TOC是由Goldratt在1997年提出的管理理論，在生產、運輸、營銷等多個行業得到了廣泛應用并取得巨大成功[4]，其目的是對系統約束條件進行發現并消除。“局部最優的總和并不能導致全局最優”[5]。系統都存在約束(瓶頸因素)，對這些約束的系統調控可以有效改善項目進展效果。

項目實施過程中往往存在學生綜合癥、帕金森綜合癥、工期變動效應的不對稱性3種心理行為。學生綜合癥是指假設人總是等到最后一刻才開始努力，如同作業提交截止日期前幾天學生才開始準備一樣。雖然前期時間充裕，但思想上的懈怠、工作低效等也易導致任務拖延。帕金森綜合癥是指項目任務安排的時間過多時項目成員會放慢工作節奏，用掉所有分配的時間，很少提前完成任務。工期變動效應的不對稱性是指對于提前完成的工序，員工沒有得到肯定或獎勵，反而導致項目經理對類似任務工期預估減少，給員工帶來不利，員工不僅不會主動接受下一個工序任務，反而會放慢工作節奏，結果是整個項目不會因為一項任務的提前完成而受益，卻會因為一個任務的延遲引發后續任務的延遲。

基于約束理論的關鍵鏈方法就是為了克服上述情況。關鍵鏈是將用到關鍵資源的活動與關鍵路徑上的活動連接起來形成的一串依存路徑[1]。相比關鍵路徑，關鍵鏈同時考慮了工序間的邏輯約束和資源的有限性。關鍵鏈項目管理(CCPM)是在傳統的CPM/PERT技術的基礎上，將約束理論、聚集理論等引入到計劃的制訂中，利用聚合原理縮短項目工期，通過設置緩沖區、調整工序優先級解決資源沖突等措施以消除不確定性，從而實現對項目進度的有效管控。

3 關鍵鏈項目進度管理在直聯網項目中的應用

項目進度管理分為項目進度計劃、項目進度控制2個階段(圖1)。緩沖區是保證項目計劃能夠按期完成，減少延期風險的有效手段，是2個階段之間的紐帶。關鍵鏈項目進度管理依靠對緩沖區的設置和管理指導項目進度控制。

圖1 項目進度管理框架圖Fig.1 Project porcess management framework

3.1 項目進度計劃的編制

3.1.1 業務流程

空氣質量自動站直聯網項目按業務流程主要有調研、設計、論證、開發、部署、試運行和驗收7個階段。 每個階段需要繼續向下分解直到劃分到任務的最小單元為止。任務分解情況如表 1所示。具體業務流程如圖 2所示。

3.1.2 實驗步驟

OYA等[6]確定了CCPM實施的步驟：估計任務的最可能工期；依照任務的前后關系調度每個任務到它的最晚開工時間；消除任務間的資源沖突；識別關鍵鏈和非關鍵鏈；設置緩沖區[1]。

3.1.2.1 工期估計

不同項目的工期特點不同。制造業、建筑工程項目等的工期估計相對典型、容易，可以根據設計圖紙、實際的人力和物資供應給出較為客觀的估計活動時間。監測站點聯網項目是一次性的，沒有標準工時定額，涉及軟件開發，不確定性大。歷史數據和資料的缺乏也給工期估計帶來了難度。常見的工期估計方法有經驗法、頭腦風暴法、三點法(PERT，計劃評審技術)等。三點法作為一種概率統計法被廣泛推廣和使用[7-9]，主要針對工期估計高度不確定的項目，借助樂觀時間to、悲觀時間tp和最可能時間tm，計算最終的預期活動持續時間te={to+tm×4+tp)/6。

表 1 全國空氣質量自動站數據直聯網任務分解

圖2 空氣質量自動站數據直聯工作業務流程Fig.2 Workflow of the data networking of non-national control air quality monitoring sites

在實際項目管理中,工期估計傾向于憑借經驗或歷史數據,而基于經驗的模糊工期估計更符合項目管理需要。在科學研究中，很多學者嘗試用模糊數學理論處理主觀不確定性[10]。對于帶有模糊工期的項目計劃，通過設定活動的一致性指數值，就可以得到具有相應一致性水平的可靠工期t,一個模糊網絡計劃就可轉化為帶有一致性水平的確定的網絡計劃[10]。

一致性指數AI(A,B)是指模糊事件A有多少比例在模糊事件B中，也表示事件A相對于事件B的滿足水平，是衡量2個模糊事件一致性的指標[10-11]。

本文通過以50%的一致性水平計算各工序的可靠工期t，并以t為基準工期作為直聯網項目工序工期(表 2)。

表 2 空氣質量自動站數據直聯網項目工期及約束Table 2 Schedule and constraints of the data networking project of non-national control air quality monitoring sites d

注：R1為調研人員；R2為系統設計人員。

3.1.2.2 確定關鍵路徑

關鍵鏈的進度計劃編制以關鍵路徑為基礎。以t計算自由時差為0的工序作為關鍵路徑。

從圖3可以發現，關鍵路徑為A→B→C→D→F→K→L→M→O→Q→S→U→V→W。

依據表2,利用MS project 2016軟件繪制直聯網項目管理計劃，輸入各工序的名稱、工期以及工序間邏輯關系,得到直聯網項目的甘特圖。

3.1.2.3 平衡資源沖突并確定關鍵鏈

如果項目中不存在資源沖突，關鍵路徑即為關鍵鏈。識別關鍵鏈是項目進度計劃編制的核心問題[4]。根據約束理論思想，當有資源約束存在時必須平衡資源沖突。通常做法是保障關鍵路徑上的工序優先獲得資源，自由時間少的工序優先占用資源。關鍵鏈是考慮工序進度和資源占用情況的最長路徑。結合資源約束關系可以找到直聯網項目關鍵鏈A→B→C→D→E→F→K→L→M→O→Q→S→U→V→W。

圖3 空氣質量自動站數據直聯網項目網絡圖Fig.3 Network diagram of the data networking project of non-national control air quality monitoring sites

3.1.2.4 設定緩沖區

TOC采用了3種緩沖區:項目緩沖區(PB),匯入緩沖區(FB)和資源緩沖區(RB)。tPB為關鍵鏈末端的緩沖時間, 用來保障整個項目按時完成；tFB為安置在非關鍵鏈與關鍵鏈的接口處的緩沖時間, 避免非關鍵鏈上的任務影響關鍵鏈工序，用來保障非關鍵鏈按時完成；tRB為關鍵鏈工序所需資源到位的提前時間，保證其所需資源能及時獲得。資源準備的時間可以是關鍵鏈上擁有資源沖突的關鍵任務的安全時間。

根據目前國內外研究，緩沖區計算采用的基本方法有50%法和根方差法2種，50%法計算簡便，但主觀性太強，將工序工期減一半缺乏科學性，而且緩沖區大小與累計安全時間呈線性關系，容易造成緩沖區過大或者過小的現象[12-13]。根方差法考慮了工序的數量及長度，緩沖區大小不會隨著工序的長度線性增加，計算也較為簡單[13]。這里采用三點法計算彈性系數Ki[9,14]:

式中：i代表第i項工序；a代表樂觀時間to；b代表最可能時間tm；c代表悲觀時間tp。

項目緩沖區PB的時間長度tPB等于關鍵鏈上各個工序基準時間與樂觀時間的差值與彈性系數的乘積(工序安全時間)的和。計算得出直聯網項目tPB=27.3 d。

匯入緩沖區FB位置確定根據CPM 網絡圖進行判斷[14]。比較關鍵鏈和非關鍵鏈交匯處前關鍵鏈上的樂觀時間之和tA與非關鍵鏈上的基準時間之和t之間的關系。如果t>tA，需要設置緩沖區；t≤tA時，不需要設置緩沖區。tFB的計算方法與tPB相同。需要注意tFB必須小于非關鍵鏈接入關鍵鏈的最后一個活動的自由時差，否則需要修正tFB，可令其等于最后一個活動的自由時差[10]。

在直聯網項目中，非關鍵路線：①G；② H→N;③I;④ J→P→T;⑤ R。

非關鍵路線①，tA=7 d,t=tG=21.3 d。t>tA,需要設置緩沖區。路線①的tFB計為tFB-1,則tFB-1=2.1 d，G的自由時差tFF-G是1.6 d,tFB-1≥tFF-G,tFB-1=1.6 d。

同理可知非關鍵路線②的tFB-2=6 d；非關鍵路線③的tFB-3=2.1 d；非關鍵路線④的tFB-4=3.5 d；非關鍵路線⑤不需要設置緩沖區。

直聯網項目除資源平衡的工序外,沒有其他關鍵工序有再被共享的資源，因此不需要計算tRB。直聯網項目的網絡計劃圖見圖4。

圖4 插入緩沖區后的空氣質量自動站數據直聯網項目網絡計劃圖Fig.4 Network diagram of the data networking project of non-national control air quality monitoring sites after inserting buffers

3.2 項目進度控制

關鍵鏈項目進度控制模型(圖5)顯示緩沖區管理需要借助風險預警機制、組織分層管控、激勵機制3個方面的配合。

圖5 關鍵鏈項目進度控制模型Fig.5 Critical chain project process control model

3.2.1 風險預警機制

風險預警機制是通過建立風險評估體系和進行風險控制來預防、化解風險的有效手段，允許劃分風險等級來確定不同預警線，從而區分項目進度的督辦和管控力度。

以PB為例，每一個關鍵工序i都有緩沖區Bi。Bi按照時長的30%、30%、40%分別設置代表督辦急迫度級別j的3個區間Bij(j≤3)。第1個30%時間點稱為1級警戒線，第2個30%時間點稱為2級警戒線。1級警戒線以內是1級警戒區，表明項目進度較正常、時間充裕，屬于安全區間; 1級與2級警戒線間為2級警戒區，屬于較危險區間; 2級警戒線以后是3級警戒區，屬于危險區間。當工序進展時間越過1級警戒線時應采取相應干預措施盡量控制工序在2級警戒區完成;當越過2級警戒線時，應采取應急措施防止風險發生或工期后延影響下一工序。如果關鍵工序的緩沖區時間(即安全時間)沒有消耗完，則將其剩余的安全時間移到PB的末尾，作為整個項目的安全時間儲備，用于補足其他工序工期的過度消耗，降低項目風險，由此便形成了完整的PB預警機制。

FB預警機制、RB預警機制與PB預警機制相同。FB預警機制是監控項目中所有FB的安全時間利用情況，預警關鍵工序前的非關鍵任務。RB預警機制針對虛擬的RB，要求在有資源沖突的關鍵任務之前設置資源準備時間，保證資源能有序利用。

3.2.2 組織分層管控

風險預警機制確定了不同的風險等級以及對應的管控措施，這些都需要相應權限和責任的組織主體來執行。組織分層的目的是針對不同預警區間設定合適的人員構成,使其各盡其職,更好的運用緩沖區域。直聯網項目組織結構分為執行層、管理層和決策層，分別對應緩沖區預警機制的3個警戒區。工序進度越過警戒線時意味著項目風險等級升高，這時需要上一級組織介入，采取必要措施監控和管理工序防止引發整個項目延遲。

執行層。執行層負責執行具體任務，推進項目順利開展并跟蹤項目進度。執行層主要由直聯網承建商項目團隊中的執行人員組成，以軟件開發、網絡技術人員、文案編制、技術支持人員為主，總站和地方監測站網絡運維技術人員為輔。執行層承擔最小等級風險。當工序進度出現異常，緩沖區時間消耗進入1級警戒區時,執行層應予妥善處置并將情況及時報告給管理層。

管理層。管理層主要由直聯網承建商項目經理級別人員組成。工序進度越過1級警戒線后，管理層應采取應急措施，如加班或增加資源,盡力將工序控制在2級警戒線之內完成。如果緩沖區消耗過快，工序進度已經越過2級警戒線，則意味著項目進度有延誤的高風險,需要告知決策層介入。

決策層。決策層由總站和地方監測站聯網負責人員、直聯網承建商項目總監或總經理級別人員共同組成，負責應對最高等級風險。工序進度越過2級警戒線后，決策層應立即商定應急措施、充分調度人、財、物，防止項目出現拖延。

3.2.3 激勵機制

激勵機制是針對人的3種心理行為(學生綜合癥、帕金森綜合癥、工期變動效應的不對稱性)而設計的。激勵應涵蓋物質和精神2種層面的獎勵，用來鼓舞士氣，增強團隊凝聚力和員工積極性。在項目實施前，項目激勵機制應由決策層的主要負責人編制完成并得到團隊的理解與認同。

直聯網項目的項目承建商由公開比選或招標產生，項目總費用是固定的。決策層成員分別屬于3個機構實體，分別為項目主管部門、建設單位和承建單位。作為項目主管部門，生態環境部或地方環保廳局對直聯網工作的肯定、通報就是一種有效激勵方式。作為項目建設單位，總站、地方監測站點可以對按期保質保量完成的承建商以通報表揚、承諾對其未來類似項目的競選提供相應證明等形式給予激勵。作為項目承建單位，承建商必須制定內部激勵制度，對內部決策層、管理層和執行層團隊成員的激勵應是全方位的，橫向涵蓋物質和精神2個維度，縱向包括常規過程激勵、關鍵控制點激勵以及結果導向激勵3種激勵形式[1]。這些激勵形成的確定需要充分考慮執行主體、被激勵對象、重要時間節點、績效考價標準、風險處置效果等的獎罰設計等。

4 實施效果

“2+26”城市空氣質量自動站數據直聯網任務要求2017年10月底前(即進入試運行階段之前)28個城市的327個區縣超過600個點位接入網絡。根據任務下達時間和工作內容測算，工期壓減了約2/3。如果不提前準備，任務按計劃完成難度極大(表3)。

表3 項目進度計劃與實際執行情況Table 3 Project schedule and actual implementation

5 結語

關鍵鏈項目管理方法能有效克服學生綜合癥、帕金森綜合癥、工期變動效應的不對稱性等實施人員心理行為，解決資源約束等不確定性問題。本文通過對空氣質量自動站數據直聯網工作中的問題與難點的分析，發現工程量巨大，涉及層級多、人員廣，協調復雜，存在不確定性。在項目進度計劃編制上，通過一致指數將模糊工期轉化為確定工期,采用彈性系數K，以工序基準時間與樂觀時間的差值與K的乘積進行項目計劃，計算項目緩沖區和匯入緩沖區，吸收整個項目的不確定因素。在項目進度控制上，緩沖區預警機制設立使得緩沖區成為進度有效管理工具，組織分層與緩沖區預警機制的充分適應保證了管理的可操作性，激勵機制提供了項目開展的動能。實踐結果表明，該方法實現了空氣質量自動站數據直聯網項目進度的合理管控，達到了預期效果。因此，基于關鍵鏈的項目管理方法對實施全國范圍內環境監測數據聯網工作有一定的指導意義。