大型复杂机电系统制造过程项目化管理

2019-04-11周云飞赛云秀

兵器装备工程学报 2019年3期

周云飞，赛云秀,2，闫莉

(1.西安工业大学机电工程学院，西安 710021； 2.西安石油大学，西安 710065)

近年来，随着我国对地下空间、轨道交通、海洋资源和宇宙空间等领域的探索，产生了对重大技术装备的极大需求[1]。大型复杂机电系统(Large-scale Complex Electromechanical Systems,LCES)作为重大技术装备的一类特殊产品，在能源开发、原材料生产、加工制造、交通运输等基础工业和国防工业等领域发挥着重要作用[2]，是国家实施重大战略工程不可或缺的关键装备[3]。然而，理论研究的薄弱一直是制约我国大型装备发展的重要瓶颈[4]。纵观西方发达国家(如美国、德国、英国、日本)，项目管理已成为推动大型复杂装备制造的有效管理方式[5]。越来越多的企业采用基于项目的制造和管理方式[6]，如AT&T、GE、波音、西门子、IBM和三菱重工等。研究表明[7]：通过引入项目管理，制造周期减少30%～65%，缺陷/报废和返工减少35%～75%，范围和工程变更减少45%～68%，平均利润增加6%，投资回报增加20%。

我国早在20世纪60年代初期，由著名数学家华罗庚教授引进并推广项目管理技术(当时命名为“统筹法”)，后来被成功应用于多个工程项目并取得了良好的经济效益，如布鲁革水电站、葛洲坝工程、二滩水电站、三峡水利枢纽建设等。但是我国一直把项目管理作为一种管理技术使用，没有对这种技术所隐含的组织管理的内涵进行研究[10]，未能将项目管理的真正优势很好地发挥出来，并且应用领域也仅仅局限在建筑和软件等个别行业，在现代制造业中开展的研究寥寥无几。在实践中，很多制造型企业尚未树立项目化管理的概念和意识，目前多是临时的、被动性的接受。企业内部虽然制定了大量的规范性制度，形成了强大的执行能力，但在执行过程中，由于没有组织协调能力，很多职能游离于项目之外，最终导致项目的延期和成本的失控[11]。基于此，本文基于PMBOK的基本理论，对LCES项目制造过程项目化管理的概念、基本模型和实施框架进行研究。

1 大型复杂机电系统(LCES)的概念

目前，大型复杂机电系统(LCES)尚缺乏统一的定义，大多数学者采用复杂机电系统[10]这一术语来描述他们在各个领域所研究的对象和系统。当然也有学者将尺寸小型功能复杂的诸如导引头和磁盘驱动器、自动摄像头、微型磁盘驱动器、录像机、CD播放器、CD-ROM和便携式摄像机等产品定义为复杂机电系统[11]。在我国LCES的研究成果最早出现在20世纪90年代，见于张祖明等[12]研究印刷机的可靠性预测，定义复杂机电系统是由机械零件、电子零件、液压零部件等组成的复杂机电产品。温熙森等[13]定义复杂机电(系统)设备均有多个互联的机械、液压、气动、电力、电子及机电结合的子系统构成，每个子系统又由多个机电集合的部件或部分组成，并具有复杂性(组成复杂性、结构复杂性、状态复杂性、描述复杂性)，实时性，开放性，寿命周期很长等特征。钟掘[14]定义现代复杂机电系统是机、电、液、光等多物理过程融合于载体的复杂物理系统，也是将多单元技术集成于机电载体，形成特定功能的复杂装备。国家自然科学基金委-工程与材料科学部[10]定义现代复杂机电系统是机、电、液、光等多物理过程、多单元技术集成于机械载体而形成整体功能的复杂装备。如空天运载工具、高速列车、大型舰船、高速连轧连铸机、数控中心、IC制造装备、大型火、水、核电机组和全断面隧道掘进机等都是高度复杂、功能异常丰富和运行控制能力十分强大的LCES[2,10]。

大量的专家、学者根据其所研究领域的对象和系统赋予了现代LCES新的内涵。然而，对于处在迅速发展中的LCES，要提出一个真正准确和全面的定义，来准确概括和反映其科学内涵和系统边界，是一个需要继续探讨的问题。但是，可以总结出LCES的一些共性特征[10,14]：

1) LCES是规模/体积/尺寸大型的、由多种高新技术集成的多功能机电装备；

2) 由机、电、液、流体等多个不同学科领域的子系统组成，各子系统之间通过耦合构成结构复杂的有机整体；

3) 由于在结构、功能、耦合关系和物理过程等方面所具有的复杂性，表现出一般复杂系统的典型特征，如动态性、非线性、整体涌现性等。

以上是从系统的角度，定义了LCES的一些共性特征。事实上，国内外复杂机电装备的研发大都是以重大工程和基础设施项目为依托，通过组织大规模、跨区域和跨学科的研究团队甚至是大科学中心进行集体攻关，其产出是复杂的产品和系统[15]，如大型飞机(如空客A380、波音梦想飞机787、中国商飞C919)，核潜艇，战列舰，高速列车等。一般具有如下共性特征[15-17]：

4) 高价值、技术密集程度高，是定制的，一次性或小批量生产的资本货物；

5) 生产周期长，涉及众多相关专业企业与承包商，它们共同组成一个动态联盟；

6) 吸引大量公众关注，具有强烈象征意义或对经济、环境和社会产生长期影响。

2 大型复杂机电系统项目化管理的概念和模型

2.1 大型复杂机电系统项目化管理的概念

LCES制造过程既具有典型的一次性、独特性、系统性和约束性等“项目”的一般特征，同时也是一个加工特定技术装备产品的过程。因此，LCES项目具有两种过程：面向产品的制造过程和面向项目的管理过程。前者的目的是产品创造，即LCES项目被视为一个从输入到输出的转换过程。与一般生产活动一样，具有3个目标[18]：其一，获得预期产品的一般目标；其二，内部目标，如成本最小化和效率水平；其三，与客户需求相关的外部目标，如质量、可靠性和灵活性等。LCES项目是面向订单的制造，基本推力来自第三个目标，从客户的角度达到最佳的价值，即是一个价值创造的过程。后者由于LCES项目是一类需要大量的投资，需要多年的时间来开发和制造，涉及多个公共和私人利益相关者，并对经济、环境和社会产生长期影响的大型项目[17]。每个LCES项目都是新的、前人从未做过的事情，最终产品不能事先充分确定。所以，要使其按照规定的时间和预算，并且高质量的完成是一项重大挑战[19]。

LCES项目以LCES产品的生产为主体，面向客户订单，根据客户需求进行个性化定制设计和生产制造。每个订单就是一个项目，每个LCES产品就是一个LCES项目的最终结果。LCES项目化管理就是将项目管理的知识、技能、工具和方法[20]应用于LCES产品的制造过程，形成以LCES产品为主体，以LCES项目为中心，将项目管理的范畴向制造过程延伸，制造产品只是制造项目的一部分，每个产品(子系统或组件)都是项目的可交付成果。所以，LCES项目的成功在很大程度上取决于LCES制造企业实施项目管理解决方案的能力[21]。

2.2 大型复杂机电系统项目化管理的基本模型

在项目背景下，无论LCES项目多么复杂或琐碎，与任何项目一样，都要经历一个共同的生命周期开发序列，即启动项目、组织和准备、执行项目工作和交付并结束项目[20]，这也是将项目与非项目区别开来的最主要特征[21]。当然，在现实中，LCES项目可能存在很多子项目，子项目可能存在很多次级子项目，但无论是子项目或次级子项目，这个序列是不变的。项目管理就是将成功的管理技能通过项目生命周期成功地执行。根据PMBOK[20]，项目管理的内容包括三大层面：第一，以范围、质量、进度和成本构成的四个核心目标层面；第二，以资源、风险、采购、沟通和相关方构成的五个综合保障层面；第三，将以上九大知识领域集成在一起的整合层面，即整合管理。这三大层面之间相互影响、相互协调，在项目最终可交付物(产品、服务或成果)实现过程中进行权衡。每个知识领域的管理要求取决于项目的性质、项目经理的角色以及项目生命周期的不同阶段。项目化管理不仅强调使用专门的知识和技能，还强调项目的管理过程是通过计划、组织、指挥、控制和协调等活动实现的。计划最优化、组织科学化、控制有效化、指挥统一性和协调全面性是项目管理科学性和先进性的重要体现[23]。

基于上述分析，构建LCES项目化管理的基本模型如图1。

图1 LCES项目化管理的基本模型

LCES项目化管理的基本模型以项目和项目管理的理论为核心和基础，有效集成PMBOK的十大知识领域和科学管理的基本要素，为LCES制造企业的项目管理人员提供实现项目成功的工具和方法的指导。

3 大型复杂机电系统制造过程项目化管理的实施框架

LCES制造过程项目化管理的概念和基本模型在一定程度上为当前装备制造企业管理模式创新提供了理论基础，然而如何进行有效的LCES项目化管理应用和实践是需要继续探索的问题。为此，本文提出了LCES制造过程项目化管理的实施框架，如图2所示。

图2 LCES制造过程项目化管理实施框架

LCES制造过程项目化管理总体框架是制造技术、项目管理技术和组织技术的有效集成。图2说明了LCES制造过程项目化管理实施的多维特征，左上方的组织结构图说明了当前的复合型组织架构，它表明了临时组织与传统的部门和功能逻辑之间的关系。右上图显示了LCES制造过程的基本模型，它反映了将原材料转化为产品实体(或服务)的制造过程其实是对产品标准转化成过程标准的基本控制过程。下图说明了项目管理的最基本过程。

3.1 组织结构设计维

LCES项目是一项规模较大、技术复杂、系统性强的系统工程，需要非常具体的、结构化的组织形式，来满足项目管理高度“目标导向”和确定性的过程，所以就必须建立合理的项目组织结构[24]。任何一个组织结构的设计都需要解决3个相互联系的问题，即职权如何划分，部门如何确立，以及管理层次如何划分。解决这些问题离不开对组织内外环境和管理模式的考察。权变理论认为，不存在适用于任何环境条件的通用的、一般的管理模式。换言之，管理思想和方法的有效性须视具体情境而定。所以LCES项目组织结构的设计需要具有高度的灵活性，并与环境变化相匹配。实施LCES项目的组织结构意味着需要对旧的组织结构进行变革，这就需要解决3个方面的管理问题[25]：第一，组织协调问题；第二，部门协调问题；第三，职能部门与项目部门间的协调问题。这些问题反应了由传统职能组织向项目组织转变的本质，需要对企业所拥有的可获得的生产要素和资源进行优化组合，分散风险，达到效益最大化。但无论采取何种项目组织结构(职能式、矩阵式、项目式或其他)，其根本目的是实现LCES项目的组织目标。在确定了LCES项目组织目标之后，围绕着组织目标，需要进行组织分工和协作。依据项目分解结构明确职责分工的粗细，对每个部门和每个岗位的工作内容、工作范围、项目协作方式进行明确的规定，并依据各部门的技术和管理标准、规范，组织开展LCES制造过程的相关管理工作。

3.2 制造过程控制维

从表面上看，制造过程其实是一个“转化过程”，即原材料转化成产品或服务的过程[26]。然而，在实践中，研发部门并不直接与客户联系，只是通过对产品概念进行详细的分析，进而明确如何在设计阶段实现客户期望的目的，这样就容易出现制造过程的标准与产品要求的标准不一致，不能满足产品使用者的期望。实际上，客户的需求和期望体现在对产品标准的要求上，产品(或服务)可以看作是客户需求的一系列标准，产品实体只不过是标准集的载体。研发部门设计的根本目的是确定包含在产品概念中的为了满足客户需求和期望的所有标准，然后将这些标准转化成生产制造的过程标准，如生产制造过程中每一个工艺环节的方法、程序、参数、要求等。因此，为了得到“最好”的产品，必须对这个过程进行必要的控制。输入的物料、人员、设备、资金和工具等都只是控制系统(信息)的载体和执行者，是表象的东西；而将产品标准转化为过程标准才是控制系统的实质性要素。在制造过程中，控制的标准越多，产品的一致性和有序性也越高，产品表现也会越好。换言之，制造过程给产品施加什么标准，产品就会变成这种标准的结果。施加好的标准就会有好的结果，施加不好的标准就会有不好的结果。因此，制造过程的控制对产品形成起着决定性的作用。

3.3 项目管理过程维

LCES项目可以划分为若干阶段，每个阶段可以看作是一个子项目。它是一组具有逻辑关系的项目活动集合，通常是以一个或多个可交付成果的完成(转移或移交)为标志。阶段结束点是重新评估项目活动，并变更或终止项目(如果必要)的一个当然时点，可以定义为阶段门、里程碑、关键决策点等[20]。为了成功实现各阶段的主要可交付成果或目标，需要对各阶段及其活动进行独特的控制。启动、规划、执行、监控和收尾组成一个通用的项目生命周期结构(或称五大过程组)，重复执行全部生命周期结构中的过程，可以提供所需的额外控制，并定义项目(阶段)的边界[20]。LCES项目阶段通常按顺序执行，但在某些情况下也会重叠，一个阶段可能着重执行某个特定过程组中的过程，但也会不同程度地执行其他项目管理过程。阶段与阶段之间可能存在不同的关系：顺序、交叠、并行等，用来保证对项目适当的控制并产出所需的产品和服务。LCES项目阶段划分的数量和必要性，以及每个阶段所需控制的程度，取决于项目的规模、复杂程度和潜在的影响，同时也与项目团队或组织的风格息息相关。