关于动力学基于系统动力学高技术工程项目成本管理学位

摘要：高技术工程项目成本管理系统构成复杂，具有多因素、非线性等典型系统动力学特点。在高技术工程项目管理中，质量、进度、成本缺一不可，三者相互作用与影响。文章在进行实地调研与分析的基础上，建立高技术工程项目成本管理系统动力学模型，并通过Vensim软件进行系统仿真模拟。仿真结果显示，加强项目质量控制力度、重视项目人才培养，可以在一定程度上改善高技术工程项目成本管理状况，并可提高进度水平，对工程实践具有一定指导意义。
关键词：高技术工程项目；成本管理；系统动力学模型；系统仿真

一、 前言

我国经济发展和综合国力的提高，对高技术产业的健康发展提出了更高要求。在实现高技术产业科技带动作用及广泛社会影响力的同时，其经济效益的提升也受到更多重视。对高技术工程项目实施有效的成本管理，从而降低工程成本，提高经济效益，是工程项目顺利完成的必要保证，更是高技术产业持续蓬勃发展的必要条件。然而，由于高技术工程项目技术难度大、可靠性要求高且系统复杂，其成本支出存在较强的不可预见性，成本管理具有较大难度。如何描述高技术工程项目成本管理中各个因素间复杂的反馈关系，从而有效识别成本管理的关键点，提高成本管理效率，具有十分重要的研究意义。
高技术工程项目成本管理以圆满完成工程任务为最终目标，质量、进度、成本等多因素相互作用，形成多重非线性反馈系统，具有多因素、非线性、系统复杂等典型系统动力学特点。运用系统动力学方法，对高技术工程项目成本管理系统进行模拟仿真，可以为工程实践提供一定的政策指导。

二、 系统动力学方法简介

系统动力学（System Dynamics，以下简称SD）是系统科学理论与计算机仿真紧密结合、研究系统反馈结构与行为的一门科学，是系统科学与管理科学的一个重要分支。系统动力学认为，系统的行为模式与特性主要取决于其内部结构与反馈机制，只有把整个系统作为一个反馈系统才能得出正确的结论。系统动力学是一个视角，可以帮助我们理解复杂系统的结构和动态行为特征。
根据系统动力学建模方法，首先需要对现实系统进行观测，提炼出具有代表性的数据和信息，得到模型结构框架，绘制SD模型因果反馈回路图。这是建模的“定性”阶段。进一步，需要区分变量性质，明确系统的反馈形式和控制规律，在存量流量图的基础上，建立模型方程与函数关系。这可以视为模型的“定量”阶段。最后，进行模型仿真，通过改变既定参数，观察模型的运行结果，进行政策分析。

三、 高技术工程项目成本管理SD模型构建

1. 高技术工程项目成本管理特点及模型边界。在高技术工程项目管理中，质量、进度、成本三大要素缺一不可。一方面，质量是高技术工程项目的生命线，由于高技术工程项目大多关系国计民生，严格的可靠性要求是其必须满足的条件之一；另一方面，严格进度的进度要求也是高技术工程项目区别于一般项目的显著特征，关键里程碑的时点保证，是工程顺利完成的必要保障。
在这样的总体条件下，高技术工程项目成本管理面临重大挑战。高技术工程项目在关键技术攻关及系统集成等方面存在较大的不确定性，加之其投资规模大、研制周期长、系统构成复杂，高技术工程项目成本支出影响因素众多，其间存在复杂的因果反馈关系，具有典型的系统动力学特征。
高技术工程项目成本管理SD模型中，模型边界设定为影响项目成本支出的相关因素。结合项目实际情况，主要选取与质量、进度、人员投入等方面有关的变量，重点研究三大要素间的相互影响关系。
2. 因果反馈关系分析。高技术工程项目成本管理SD模型中的因果反馈关系主要围绕质量、进度与成本展开。较高的质量要求在一定程度上延长了项目进度，从而提升了项目成本；但高质量的研发成果减少了返工率，对成本控制具有良好贡献。宽松的项目进度为质量保证工作提供了可用时间，有益于项目质量的提高；紧张的项目进度需要额外的人力与时间投入，使得项目成本上升。而一个较高的项目成本预算，可以为质量与进度的保证提供必要的成本支持，改善项目质量与进度情况。
根据各变量之间的因果反馈关系，绘制如图1所示的因果回路图。
3. 模型存量流量结构。在因果回路图中提取关键变量，构建高技术工程项目成本管理SD模型的存量流量结构。分别选取累计使用经费、剩余可用经费、累计完工量、剩余工作量、预计完工时间作为状态变量，设置经费使用速率、毛生产速率、返工率及完工时间增长率等速率变量。此外，设定单位工作量成本、质量成本、培训成本、质量受控比率、培训比率、总工作量、研发效率及管理效率等常量。绘制存量流量图如图2所示。
4. 模型主要方程。根据存量流量图所示的变量间关系，建立高技术工程项目成本管理SD模型方程。模型中状态变量与速率变量的方程如下：
累计使用经费.K=累计使用经费.J+DT（经费使用速率）
剩余可用经费.K=剩余可用经费.J-DT（经费使用速率）
经费使用速率=月均工作量×单位工作量成本×（累计使用经费/预算总经费）×剩余可用经费
预算总经费=（3000+质量受控比例×质量成本+培训成本×培训比例）×（1+返工率）
累计完工量.K=累计完工量.J+DT（毛生产速率-返工率）
剩余工作量.K=剩余工作量.J+DT（返工率-毛生产速率）
毛生产速率=研发效率×管理效率×（1+培训比例）×（累计完工量/总工作量）×剩余工作量
返工率=一般返工率/质量受控比例
预计完工时间.K=预计完工时间.J+DT（完工时间增长率）
完工时间增长率=1/（毛生产速率-返工率）
其中，K、J表示时间点，DT表示速率变量对时间的积分。
高技术工程项目成本管理SD模型共含13个方程，其中状态方程5个，速率方程4个，辅助方程4个。状态方程与速率方程列示如上，其余辅助方程在此不予赘述。

四、 高技术工程项目成本管理SD模型系统仿真

1. 模型测试及参数设定。对高技术工程项目成本管理SD模型进行模型边界测试、模型结构及行为测试以及量纲一致性测试，均通过系统检验，从

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而验证模型的有效性和实用性。
基于对某高技术工程项目的实地调研情况以及相关文献的经验数据，进行高技术工程项目成本管理SD模型的变量及参数设置。在此采用系统动力学专用处理软件Vensim进行系统仿真。首先设定模型模拟时间为12个月，时间步长为1。之后设定各变量方程，并输入起始值，主要变量方程如上所述。
根据模型研究目标，在系统仿真中，主要观察质量要求的变化对于项目成本支出的影响，以及影响项目研发团队实力的人才培训情况产生的影响。首先设定模型初始状态，将其命名为Current：
质量受控比例0.8，培训比例0.05，研发效率0.3项/月，管理效率0.85，预算总经费基数3 000万元，总工作量20项。
2. “质量受控比例”变化模型仿真。质量受控比例在模型中被定义为，在工程研制过程中，质量受控环节占总工作量的比例。为研究工程质量对项目成本的影响作用，将Current中值为0.8的质量受控比例提高至0.9，其他参数保持不变，将这种状态命名为Current2。利用Vensim软件得到仿真结果如图3所示。
提高质量受控比例，意味着加强高技术工程项目质量管理力度。图3中得到的仿真结果显示，项目累计使用经费随质量受控比例的提高而略有降低。这表明，质量管理力度提高所带来的经费减少额度大于其本身所消耗的质量成本。进一步的，对提高质量受控比例后的系统进行累计完工量的模拟仿真，考察质量提高对进度的影响作用。仿真结果如图4所示。
由仿真结果可以看出，工程质量受控比例的提高，使得同期累计完工量有一定程度的增长。这是由于质量管理力度加强后，工程返工率减少，同期累计完工量增长。由此可以得出结论：高技术工程项目质量管理力度的提升，会降低工程成本支出，同时可以提高工程进度水平，对于工程进展具有良好的促进作用。
3. “培训比例”变化模型仿真。高技术工程项目研制中，对项目研发参与人员进行培训，可以在一定程度上提高其研发水平，进而影响工程成本与进度，对其进行仿真研究。将Current状态下值为0.05的“培训比例”提高至0.15，并将此种状态命名为Current3。累计使用经费与累计完工量的仿真结果分别如图3与图4所示。
仿真结果显示，“培训比例”的提高，可以降低项目累计成本支出，同时可以提高工程同期累计完工量。这可能归功于毛生产率的提高与实际返工率的降低。根据这一仿真结果，在实际工作中，加强对研发人员的培训力度，可以为高技术工程项目输入高质量的研发与管理人才，从而提高工程项目生产率，并降低成本支出。
最后，观察经费使用速率的变化。图5是在上述Current2及Current3状态下的经费使用速率仿真结果。从图中可以看出，高技术工程项目质量受控比例与培训比例的提高，都降低了其经费使用速率的峰值与平均水平，并且使得经费支出速率变得较为平缓。平缓的经费支出速率更容易得到观察与控制，相对较小的经费支出波动也是工程项目平稳推进的良好保障。

五、 结语

高技术工程项目具有重大的社会意义与经济意义，其成本管理任重而道远。基于对高技术工程项目的实地调研，文章构建了高技术工程项目成本管理的系统动力学模型，在描绘系统复杂反馈关系的基础上，以方程对系统模型进行了定量约束。最后，利用Vensim软件进行了系统仿真。
仿真结果显示，提高高技术工程项目质量管理水平，可以降低工程实际返工率，进而影响经费使用速率与毛生产速率，从而在一定程度上降低项目成本支出，并且对项目进度产生促进作用。而通过提高研发人员培训力度，可以提升团队研发能力，降低工程返工率、提高毛生产速率，从而有效降低高技术工程项目的成本支出，提高单位时间完工量。高技术工程项目的发展以人为本，优秀的人才输入，良好的团队建设，是我国高技术产业持续健康发展的根本保证。
参考文献：

1. 钟永光，贾晓菁，李旭.系统动力学.北京：科学出版社，2009.

2. 周黎莎，李晨，余顺坤.智能电网工程项目管理模型的系统动力学仿真研究.华东电力，2012，（1）：31-34.
3. 张栋，罗飞，罗小明.武器装备全寿命费用宏观控制的系统动力学模型.国防科技大学学报，2005，（3）：111-114.
重点项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目“面向航空航天领域的光纤总线关键技术研究”（项目号：KGCXZ-YW-420）。
作者简介：张善从，中国科学院空间科学与应用中心空间物理学博士，中国科学院空间应用工程与技术中心专业技术部主任、研究员、硕士生导师；董晓欢，中国科学院大学、中国科学院空间应用工程与技术中心硕士生。
收稿日期：2013-05-27。