空間科學衛星工程項目進度及風險分析
——基于蒙特卡洛模擬仿真

劉 兵，池宜興，2，曾建麗，張榮展

（1.河北工業大學經濟管理學院，天津 300401；2.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190；3.天津城建大學經濟與管理學院，天津 300384）

中國衛星研制工作始于20 世紀50 年代末期，經過近70 年艱苦奮斗，以較少的投入，在短時間取得了重大成就，形成了比較完整的衛星工程研制體系，從技術準備階段和技術試驗階段走向工程全面應用階段。空間科學衛星工程實施以來，創造了我國甚至國際空間科學衛星工程的若干個“第一”，我國首顆暗物質粒子探測衛星，在軌運行階段已經成功觀測到伽馬射線爆發；我國首顆重力科學實驗衛星，成功開展了15 項空間科學實驗，首次取得哺乳動物胚胎太空發育、太空觀察煤燃燒現象；全球首顆量子科學實驗衛星，在國際上首次成功實現1000km 量級的星地量子糾纏分發、星地量子密鑰分發及地星量子隱形傳態等科學實驗，成功發射“悟空”“墨子”“實踐十號”“慧眼”等空間科學衛星，對國家科學布局產生了深刻的影響，進一步鞏固了我國在空間科學衛星領域的地位［1］。但是縱觀世界先進航天國家的空間衛星研制情況，我國空間科學衛星工程無論在性能上還是在周期上與之相比存在一定的差距。

空間科學衛星不同于其他衛星，主要體現在產出方面，通訊、電視廣播、導航、天氣預報等衛星主要產出是應用和服務，而空間科學衛星工程的產出是對太空和宇宙的新發現和對其自然規律的新認識以及由此形成的科學知識，空間科學衛星從提出到完成始終圍繞科學目標，常常使用與其他衛星任務不同的運行軌道、不同的有效載荷，甚至對衛星平臺也有特殊要求［2］。空間科學衛星工程比其他衛星工程更為復雜，技術難度更加大，參與單位更加多，環節更加復雜，研制周期更加長，不確定風險較多，容易導致空間科學衛星工程性能指標在研制初期處于世界先進水平，但是在衛星發射運行時卻已落后。因此，強化空間科學衛星工程研制管理，縮短空間科學衛星周期，強化衛星工程過程控制極為重要。本文從實際出發，運用雙代號時標網絡計劃法對空間科學衛星工程的進度計劃進行研究，并運用蒙特卡洛仿真模擬空間科學衛星工程項目的完成周期，并識別風險的主要工序，以此為提高空間科學衛星工程管理水平提供一定的借鑒。

1 文獻綜述

關于空間科學衛星工程的研究主要集中在科學發現和技術層面，現有文獻主要從技術方面研究空間科學衛星的發現和一些重要的成果，使中國逐漸在國際空間科學衛星領域提高話語權［3-4］。例如2015 年以來先后成功發射暗物質粒子探測衛星（悟空號），實踐十號返回式科學實驗衛星（實踐十號），量子科學實驗衛星（墨子號）和硬X 射線調制望遠鏡衛星（慧眼號）四顆科學衛星［5-9］。

從定性角度分析的文章比較少，從管理學角度研究的也比較少，主要體現在空間科學衛星概念的科學考證方面，國外對空間機構對科學衛星任何和研究領域進行不同分類，NASA 對美國的空間科學計劃和項目進行分類和資助，將其分為四大類大的方向，再按照研究對象具體細分［10］。歐洲空間局（ESA）將空間科學計劃劃分為天體物理學、太陽探測、太陽系探測和基礎物理［11］。日本宇宙航空開發機構則將空間科學任務歸入天文觀測以及月球和行星科學探索2 類［12］。為進一步理清空間科學的基本概念，對空間科學追根溯源，從而促進中國航天事業的發展，范全林等通過一定的技術科學手段辨析空間科學與空間技術和應用、空間科學與天文學、日球層頂與太陽系邊界、空間科學與深空探測、科學衛星與業務衛星、空間科學任務以及有效載荷技術等概念的內涵，并指出空間科學任務指的是實現科學衛星或搭載其他航天器平臺的科學載荷從遴選、立項、研制、發射到科學運行或實驗、成果產出的全生命周期［13］。

除此之外，空間科學衛星數據的處理辦法學者也有研究，例如孫小涓等［14］基于流式計算空間科學衛星數據，并對這些數據進行實時處理。劉洋等［15］研究SVOM 衛星星載VHF 系統設計，并對單機設計、軟件設計和調制算法設計等進行了詳細描述。管理層面，池宜興等［16］運用采用改進層次分析法（AHP）-模糊綜合評價法對空間科學衛星工程進行風險評估，探索了空間科學衛星的評估方法。

從上述分析可知，現有學者主要從科學發現角度，研究空間科學衛星，但是從管理學層面研究空間科學的較少，探索空間科學風險的較少，因此，本文從管理學視角出發，運用工程項目管理的思維邏輯研究空間科學衛星工程項目進度控制，并對項目進度進行仿真模擬。

2 工程項目進度活動工期估算和進度控制方法的比較與選擇

2.1 工程項目進度活動工期估算和進度控制方法的比較

工程項目進度活動的工期估算和進度控制根據具體情況決定，一般有專家判斷法、類比估算法、三點估算法、關鍵路徑法，但是上述方法存在一定的優缺點。

（1）專家判斷法。專家判斷法是專家根據以往參加工程項目的經驗估計的工期，其結果具有數理統計的功能，專家評估工期比較權威。但是，也存在如下缺點，一方面，由于專家經驗不同，并且很對因素影響專家對歷史經驗的判斷，如果專家不具備相應的經驗，可能使估計的工期結果不可靠；另一方面，在專家的選擇上，如何保證專家的權威性和專家小組組成的合理性也是實際工作中需要考慮的方面；另外，專家對項目工程活動工期的估算具有主觀傾向性，缺乏客觀數據支撐。

（2）類比估算法。類比估算法就是根據曾經類似的工程項目持續時間，估算將要開展的工程進度活動的工期時間。這種方法可以參考以往進行的相關活動，對以往空間科學衛星工程歷時數據真實程度要求較高。該種方法的優點是花費成本較少，尤其是當一些工程項目資料難以獲得時，此方法是用來估算工期的有效方法。但是仍然存在一些局限性，由于工程項目都是一次性的，實際中不可能同時存在兩個完全相同的項目，因此估計的工期準確性較差。

（3）三點估算法。三點估算法是在點估計方法的基礎上計算的，三點估計法就是把工程項目的完成時間進行劃分，根據完成時間的長度不同，將完成時間劃分成樂觀時間、最可能時間、悲觀時間。根據估算的這三類時間，用公式估算出空間科學衛星工程可能完成的時間，計算公式為：工期時間=（樂觀時間+4×最可能時間+悲觀時間）/6。該種時間估算方法計算比較簡單，但是需要估算出三種方式的時間，增加估算工作量，而且不能處理網絡圖中的路徑收斂問題。

（4）雙代號時標網絡法。雙代號時標網絡法是一種在建筑工程領域運用比較成熟的技術，雙代號時標網絡法是以箭線及其兩端節點的編號表示工作情況的網絡圖，主要包括箭線、節點、線路和邏輯關系四方面內容［17］。該種方法能夠清晰的標明工程的時間進程，使用起來比較方便，可以在圖上直接顯示工程的開始時間、結束時間、完成時間以及關鍵線路，但仍存在一定缺點，由于箭線受到時間坐標的控制，當項目工程時間發生變化時，往往需要調整網絡圖。該種方法適用于子工程項目較少、工藝流程簡單的項目工程以及局部網絡工程。

（5）蒙特卡洛模擬仿真分析法。蒙特卡洛模擬法是一種先進的模擬仿真技術，該方法是以概率論以及數理統計為指導，用來數值估計的方法。能夠充分考慮一個工程項目在開展過程中涉及的持續時間、資源、人力、成本等不確定風險。使用最樂觀、最可能、最悲觀持續時間來估算活動的持續時間，能夠基于估算結果進行抽樣統計模擬，進而反映出較為全面的工期信息，可用于工程量大、涉及面廣、技術復雜、不確定因素多的項目［18］。該方法的優點是預測結果可以給出預測值的區間范圍和分布規律，能夠科學、合理地解決難以用數學分析方法求解的具有多要素不確定性的復雜問題［19］。

2.2 空間科學衛星工程項目進度評估與控制的選擇

制定工程的進度計劃就是明確定義各個工程項目之間的邏輯關系及開始和結束日期，從而方便控制時間和節約時間。編制進度規劃應該統籌考慮項目網絡圖、工期時間、人力物力財力等資源。由于空間科學衛星工程項目比較復雜，子項目繁多，創新性強，可以參考的歷史數據較少，對于空間科學衛星工程進度管理顯得尤為重要。本文主要解決空間科學衛星工程項目進度活動的工期估算和進度控制問題。通過進度工期的估算預測空間科學衛星工程項目的完成時間，通過識別風險主要位于的工序階段，加強對空間科學衛星工程項目的進度控制管理。

源指的是可以通過傳輸介質（對河流廊道而言主要是水）為鄰近的生態系統提供物質和能量，而匯指的是從相鄰地方吸收物質和能量。

上述工程項目進度控制方法在工程領域很常用，但結合空間衛星工程項目復雜性高、工程量大、不確定性因素高、花費成本高等特點，空間科學衛星工程項目的時間進度較難估計，運用專家判斷法、類比估算法、三點估算法、雙代號時標網絡法難以精確估計空間科學衛星工程項目完成的時間。而蒙特卡洛仿真模擬方法能夠結合上述不同方法的優點，得到不同概率下項目的總體完成時間，能夠為空間科學衛星工程項目管理人員制定合理的進度管理計劃提供一定的依據。同時，蒙特卡洛模擬仿真法中包含模擬計算、敏感性分析，能夠識別出空間科學衛星工程項目執行過程中重點關注的項目工序，使得空間衛星工程項目可預測的風險達到最低。因此，本文借助蒙特卡洛模擬仿真方法，借助Crystal Ball軟件對某空間科學衛星工程項目的進度計劃進行蒙特卡洛模擬仿真分析，將時間變量概率分布中隨機抽取的數值作為輸入值，通過Crystal Ball 軟件模擬仿真N 次，獲得空間科學衛星工程項目的完成日期作為輸出值，并獲得項目完成日期的概率分布直方圖、期望值、方差等特征數據。

本文應用蒙特卡洛模擬仿真方法分析空間科學衛星工程項目進度工期估算與進度控制的主要步驟為：首先，分析空間科學衛星工程項目的工作分解結構，了解空間科學衛星工程項目的不同工序；其次，運用專家判斷法邀請中科院空間科學衛星相關專家對空間科學衛星工程項目各個階段的進度時間進行估算，包括最樂觀時間、最可能時間、最悲觀時間，編制出含有持續時間三點估算的項目工作關系表，并繪制雙代號時標網絡計劃圖；再次，運用Crystal Ball 軟件對空間科學衛星工程項目的完成時間進行仿真模擬；最后，對空間科學衛星工程項目進行敏感度分析，識別空間科學衛星工程項目風險的主要工序階段。

3 空間科學衛星工程WBS 與進度網絡分析

空間科學衛星工程進度完成的快慢，關鍵是計劃得當，計劃是一切工作開展的前提，也是進行項目控制的前提。在空間科學衛星工程項目目標明確之后，要制定進度計劃就必須對空間科學衛星工程進行相應的分解，明確空間科學衛星工程各個階段的總任務以及各子任務。對空間科學衛星工程的工作結構進行分解，能夠準確把握工程項目的進度信息，WBS 提供了一個良好的平臺，通過建立標準的WBS 工作分解結構，統一對空間科學衛星工程進行定義，注明每個分工的范圍和具體內容，方便空間科學衛星工程各個參與組織之間使用統一的“語言”進行交流，實現對整個空間科學衛星工程進度的高效管理。

3.1 工作分解結構定義以及構成要素

工作分解結構（Work Breakdown Structure，WBS）就是將工程項目中的各項內容，按照一定的原則進行拆分，將復雜的內容分解成內容單一，便于管理的工作，形成一個個相互獨立，但又相互聯系的模塊，并按照一定的層次進行排布，最后通過樹狀結構圖或者縮進表格的形式呈現，形成一個直觀的WBS 結構圖［20］。

目前WBS 作為有效的管理和控制工程項目的工具，已經被廣泛應用于各個企業，四要素包括：WBS 元素、工作包、結構化編碼、WBS 字典［21］。這些構成要素使得工程項目在項目的初期就能明確整個工程項目的目標，從而形成比較完善的工程項目控制體系。在形成的工程項目體系基礎上，將各個項目工程進行肢解，拆分成具體的工程項目，完成對項目工程的進度計劃的控制管理。

（1）WBS 元素。WBS 元素是工程項目管理中的一個個“節點”，通俗的理解就是“組織機構圖”上的一個“方框”，這些方框代表了獨立的、具有隸屬關系/匯總關系的“可交付成果”［22］。工作結構分解的關鍵是必須面向最終產品或可交付成果，因為項目工程各參與主體雖然文化、組織不同，但是要求最終完成的項目成果必須相同，只有識別最終的可交付成果，才能識別工程項目參與主體完成此項工作使用的方法、程序和資源［23］。

（2）工作包。工作包（Workpackage）是WBS最底層元素，一般的工作包是最小的“可交付成果”，這些可交付成果很容易識別出完成它的活動、成本和組織以及資源信息［24］。例如飛機研制項目中場地、艦船和車輛改造工作包可能含有飛機場地建設與維護、車輛改造、艦船改造等幾項活動，包含場地維護、設施改造等成本，過程中產生的報告/檢驗結果等等文檔，以及被分配的工班組責任包干信息等。

（4）WBS 字典。WBS 字典是使工程項目管理規范化和標準化的工具，用于描述和定義WBS 元素中的工作的文檔，詳細描述工程項目必須完成的工作以及元素上下級的關系。通過WBS 字典的詳細描述，有利于工程項目外部的參與主體理解與接受。

3.2 空間科學衛星工程的WBS 分析

具體到空間科學衛星工程領域，空間科學衛星工程研制項目WBS 的定義可以細化為：對空間科學衛星工程研制項目從立案論證、初樣階段、正樣階段到使用階段過程中應完成的所有工作自上而下逐級分解形成的一個層級體系，完全限定了空間科學衛星工程研制項目的工作，并表示出各子工程項目之間以及它們與交付物之間的關系。空間科學衛星工程項目WBS 的編制工作是其工程項目管理的核心內容，為其資源配置、任務安排、風險評估、質量管理、成本控制等奠定了重要基礎，并提供了各個項目工作的唯一聯系。在空間科學衛星工程領域，按照不同的分解邏輯，遵循完整性、可控性、協調性等原則，可以將整個空間科學衛星工程研制項目劃分成多個WBS 單元，劃分成3 種WBS 構建方式，具體包括：基于空間衛星產品構建的WBS、基于空間衛星研制過程構建的WBS、基于組織機構管理構建的WBS。這3 種WBS 劃分方式具有不同的特點：

（1）基于空間衛星產品項目結構構建WBS。這種構建方式以要研制的空間科學衛星產品為中心，由空間科學衛星工程產品研制的其他相關工作（包括系統工程項目管理、系統實驗評定、專用保障設備、資料、初始備件以及維修備件等）組成。這一WBS構建方式更加強調空間科學衛星工程的最終交付成果的實現，同時這種WBS 構建方式需要確保明確的項目工程責任主體，有利于空間科學衛星工程實現資源優化配置。

（2）基于空間衛星研制過程構建的WBS。這種方式構建的WBS 是以空間科學衛星項目研制過程的時間順序為基本分解邏輯。按照這一方式構建的空間科學衛星工程項目工作分解結構一般由空間衛星工程開展過程經歷的階段組成，具體包括“立項論證”“方案制定”“初樣設計”“正樣研制”“使用驗收”頂層單元。

（3）基于空間衛星業務分工構建的WBS。這種WBS 方式構建的邏輯是以空間科學衛星工程項目的不同承擔單位或者職能部門所獨立完成的項目工作和可交付成果。這一方式構建的WBS 通常會與項目職能部門或業務分工相連。采取這種方式構建的空間科學衛星工程WBS 框架通常包括“工程規劃論證中心”（立案）、“綜合計劃部”（規劃）、“工程管理部”（管理）、“運行與成果管理部”（制造）等頂層WBS 單元。

基于空間衛星產品項目結構構建的WBS 更加強調項目最終交付成果的實現，著重呈現最終產品的層次結構，對空間衛星工程項目各個階段的責任主體要求較高；基于空間衛星業務分工構建的WBS 強調職能部門的功能，比較清晰的呈現各個研制階段的責任主體；基于空間衛星研制過程構建的WBS，有助于空間衛星工程項目管理者對不同的研制階段控制和把握，有效監督和管理空間衛星工程的進度和質量，由于我國空間科學衛星工程研制項目通常會按照項目研制階段開展里程碑階段控制，所以為契合這種管控方式的需要，本文采取這種基于空間衛星研制過程的WBS 構建方式，從而實現對整個空間衛星工程項目各個階段交付成果的有效監控。如圖1 為典型的基于空間衛星工程項目研制過程構建的WBS 頂層框架示例。從圖1 可以看出，面向空間科學衛星工程研制過程構建的WBS 包括“立項論證”“方案制定”“初樣設計”“正樣研制”“使用驗收”5 個頂層結構，每個WBS 單元下又包括二級階段，該方式囊括了空間科學衛星工程整個研制流程，清晰地界定了空間科學衛星工程研發項目的各個階段，可以有效的監督每個環節，保證空間科學衛星工程完成的進度。

圖1 基于空間衛星研制過程構建的WBS 示意圖

3.3 空間科學衛星工程的進度網絡分析

以某空間科學衛星工程項目研制過程為例，一般來說，空間科學衛星工程項目包括“立項論證”“方案制定”“初樣設計”“正樣研制”“使用驗收”5個頂層結構，根據空間科學衛星工程的項目實質研制過程、實施流程以及實際工作需要，確定了某科學衛星工程的工作分解結構，并邀請中國科學院國家空間科學中心的專家和設計研發部門對項目各個階段的進程時間進行估算，包括最樂觀時間、最可能時間、最悲觀時間，編制出含有持續時間三點估算的項目工作關系表，如表1 所示。

表1 某空間科學衛星工程項目工作關系

表1 （續）

根據某空間科學衛星工程工作關系表，得到雙代號時標網絡計劃表，如表2 所示，網絡計劃表清楚地表達了空間科學衛星工程的各個階段中各個工序間緊前緊后的邏輯關系，有利于幫助工作人員檢查修改，同時也有利于后續對于空間科學衛星工程的進度仿真模擬的建立與分析。

表2 某空間科學衛星工程雙代號時標網絡計劃表

4 空間科學衛星工程項目進度的蒙特卡洛仿真模擬分析

利用蒙特卡洛仿真軟件Crystal Ball，以某一空間科學衛星工程為例，預測該項目工程的完成時間，并進行敏感性分析，識別出該項目工程的主要風險項。

4.1 模擬計算

本文利用Crystal Ball 軟件對空間科學衛星工程項目進度進行蒙特卡洛模擬仿真分析。由于在空間科學衛星工程項目中的每個階段每個工序的進行，都是在上一個工序結束之后開展的，所以每個工序的開始時間為上一個工序結束時間再加上持續時間，根據這一條工序關系，利用表1 中的空間科學衛星工程項目工作表中的數據，通過Crystal Ball 軟件建立仿真模型，其工序邏輯關系范例如表3 所示。表3 中工作代號1.2 到5.3 為假設單元，各假設單元的概率分布，選擇三角分布，預測單元為結束時間列。

表3 某空間科學衛星工程項目仿真模型案例 單位：月

本文模擬次數N 選取10 000 次，通過Crystal Ball 軟件模擬某空間科學衛星工程項目進度，預測的統計結果如表4 所示。由表4 可知，該空間科學衛星工程項目進度的最小值為122.71 個月，最大值為135.22 個月，平均值為128.67 個月，中間值為128.64 個月。根據空間科學衛星工程項目各個工序均以最可能執行時間執行的情況下，衛星工程項目的完成時間為122 個月。

表4 某空間科學衛星工程進度預測統計情況

通過Crystal Ball 軟件得到進度頻率分布直方圖和累計頻率分布圖，分別如圖2、圖3 所示。由圖2可知，該項目以等于或小于122 個月（最可能估計）完成項目的可能性為0，這說明在各種風險因素的作用下，不能以最可能估計的時間完成項目。75%的可能性下，最低的完成空間衛星工程項目的時間為126.5 個月，即需要預留四五個月的應急時間。由圖3 可知，如果空間衛星工程想要75%的確定性，需要將項目完成時間估計為126.5 至131 個月之間。對于空間科學衛星工程而言，前期的工程進度規劃十分重要，如果前期進度規劃項目不合理，會影響整個進度規劃進程，導致進度驗收滯后，資源分配不合理。因此，本文通過案例項目意識到前期計劃的重要性，根據蒙特卡洛模擬的結果對項目完成時間有進一步的估計，為空間衛星工程項目完成奠定一定的基礎。

圖2 某空間科學衛星工程頻率分布直方

圖3 某空間科學衛星工程進度累計頻率分布直方

4.2 敏感性分析

敏感性分析又稱方差分析或靈敏度分析，是從定量的角度出發，通過計算多個變量的方差，識別出有關因素的變化對某一個或一組關鍵指標影響程度的一種不確定分析技術，通過方差貢獻率和等級相關程度表征。通過敏感度分析，可以解釋關鍵指標受這些因素變動影響大小的規律。對于衛星工程而言，通過敏感度分析可以識別空間科學衛星工程實施過程中，各個階段對于整個衛星工程項目進度完成的影響大小，有助于明確空間衛星工程最具潛在影響的風險項，從而為空間衛星工程項目管理人員提供一定的決策依據。本文通過Crystal Ball 軟件得到某科學衛星工程項目的敏感度分析結果，如圖4 所示。

圖4 某空間科學衛星工程項目敏感度分析

由圖4（a）（b）可知，某空間衛星工程項目研制過程中，各階段與衛星工程總進度的相關程度各不相同，通過方差貢獻與等級相關程度反映出來。工序1.1 即需求論證是影響空間衛星工程項目總體進度不確定性的最大風險，方差貢獻高達20.2%，等級相關程度高達0.43，是影響整個工程進度的高風險項。規劃計劃論證（1.4）、方案評審（2.2）、分系統生產報告（4.1）、分系統測試（4.2）工序也是影響某空間科學衛星工程項目進度的較高風險項，方差貢獻率均在6%左右，等級相關程度均在0.23～0.24 之間。衛星發射（5.1）、方向重點論證（1.2）、方案研制（2.1）、研制任務書（2.3）、飛行試驗（4.4）、飛行試驗評審（4.5）、轉交應用系統（4.6）工序是影響某空間衛星工程項目進度的低風險項，方差貢獻率均在4%到5%之間，等級相關程度為20%左右。其他工序為影響衛星工程項目進度的較低風險項，方差貢獻率均為1%至2%之間，等級相關程度為10%到13%之間。

根據某空間科學衛星工程項目研制過程中各工序的等級相關程度大小和方差貢獻率，將各工序分成四組，分別為低風險項、較低風險項、高風險項、較高風險項，如圖5-6 所示。高風險項和較高風險項大部分為空間科學衛星工程項目的立項論證階段、正樣研制階段的工序，方案制定階段、初樣設計階段、使用驗收階段的工序大部分為低風險項和較低風險項。因此，在空間科學衛星工程項目建設過程中，管理人員應該重點關注立項階段以及正樣階段，做好風險識別、評估、防控以及應對的措施，保證工程進度的準時完成。

圖5 某空間科學衛星工程項目分組后等級

圖6 某空間科學衛星工程項目分組后方差

綜上所述，空間衛星工程項目工序比較復雜，研制過程中會遇到諸多風險，影響空間科學衛星工程項目的進度開展。本文繪制空間衛星工程項目的雙代號時標網路計劃圖，并通過三點估計，估算空間科學衛星工程項目各工序的持續時間，最后使用Crystal Ball 軟件對工程項目進度進行仿真模擬，得到工程項目的完成時間，并進行敏感度分析，識別出工程項目研制過程中主要的風險項目。結果表明，該模型能夠得到不同概率下的空間衛星工程項目完成時間，能夠為空間衛星工程項目管理人員，提供一定的決策依據。