系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在地鐵車輛工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李勇，趙楊

（西門(mén)子交通技術(shù)（北京）有限公司上海分公司，上海 200082）

1 引言

城市軌道交通工程作為城市建設(shè)工程中一項(xiàng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南到y(tǒng)工程，也是城市得以迅速發(fā)展的重要工程。地鐵車輛的工程設(shè)計(jì)，作為城市軌道交通工程的重要環(huán)節(jié)，是涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的龐大復(fù)雜系統(tǒng)的組合，各系統(tǒng)間的接口銜接十分復(fù)雜，整體性要求極高。對(duì)接口環(huán)節(jié)中的任何問(wèn)題處理不當(dāng)，輕則造成員工相互推諉，員工生產(chǎn)效率下降，返工，從而影響工期；重則造成設(shè)計(jì)功能無(wú)法達(dá)到，造成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)管理辦法，如建立進(jìn)度跟蹤矩陣，制定接口問(wèn)題網(wǎng)絡(luò)圖，接口問(wèn)題記錄表，制定接口管理程序等，多局限于根據(jù)接口的成因，對(duì)接口進(jìn)行細(xì)節(jié)劃分，對(duì)接口管理的措施和注意事項(xiàng)進(jìn)行逐一定義。然而，這種管理方法是建立在假設(shè)項(xiàng)目中的每一個(gè)細(xì)節(jié)都能夠被合理地理解和拆分的基礎(chǔ)上?，F(xiàn)實(shí)工程設(shè)計(jì)管理中，各因素之間彼此相互作用，工程設(shè)計(jì)的實(shí)際進(jìn)展要遠(yuǎn)比單純依據(jù)經(jīng)驗(yàn)將工程設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行拆分要復(fù)雜。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)能夠有效解決系統(tǒng)中的組成要素間相互作用對(duì)系統(tǒng)發(fā)展的影響。并且能夠根據(jù)要素的變化，利用計(jì)算機(jī)軟件快速預(yù)測(cè)工程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。本文首先對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法做簡(jiǎn)要介紹，接著通過(guò)案例介紹系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在工程設(shè)計(jì)管理中的應(yīng)用，最后總結(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)工程設(shè)計(jì)管理的價(jià)值，并建議系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法可作為傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)管理辦法的補(bǔ)充。

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是描述系統(tǒng)總體行為因果關(guān)系的研究工具。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)從社會(huì)因素、經(jīng)濟(jì)因素、人因要素、工業(yè)環(huán)境因素等方面，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多角度全面分析，并從總體角度出發(fā)，考慮反饋、變化對(duì)系統(tǒng)發(fā)展運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)計(jì)算軟件（Vensim），對(duì)變化因素進(jìn)行量化測(cè)試和分析。表1 總結(jié)了傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)管理方法和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的對(duì)比。

表1 傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)管理方法和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的對(duì)比

3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在地鐵車輛工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

地鐵車輛工程設(shè)計(jì)管理體現(xiàn)在對(duì)工程接口的管理上。其接口除專業(yè)技術(shù)接口外，還有職能管理接口和合同管理接口。按照工程階段，又可劃分為項(xiàng)目規(guī)劃接口、項(xiàng)目分析接口、項(xiàng)目設(shè)計(jì)接口、項(xiàng)目施工接口等。在項(xiàng)目的眾多接口管理要素中，本文從3 個(gè)側(cè)重點(diǎn)對(duì)影響工程設(shè)計(jì)接口發(fā)展的因素進(jìn)行分析，即監(jiān)督控制、返工和員工工作管理制度。并根據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分析各要素對(duì)工程設(shè)計(jì)管理的影響作用。

3.1 監(jiān)督控制

圖1 展示了在工程設(shè)計(jì)管理中監(jiān)督控制環(huán)節(jié)的主要反饋循環(huán)。箭頭表示了不同要素間的相互影響關(guān)系。當(dāng)管理團(tuán)隊(duì)感知到工程設(shè)計(jì)計(jì)劃實(shí)施進(jìn)度將要延后時(shí)，主觀上將分配更多的資源和員工，以期望獲得實(shí)際進(jìn)展率的提升。同時(shí)剩余的工作總量也將減少，預(yù)期完成時(shí)間將會(huì)提前，通過(guò)這一反饋循環(huán)阻止工程設(shè)計(jì)實(shí)施進(jìn)度推遲。但在工程設(shè)計(jì)管理的實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，有很多因素將會(huì)阻止管理者獲得更多資源，圖1 中列出了可能影響管理者獲得更多人力資源、政策資源和阻礙工程設(shè)計(jì)管理進(jìn)展速率的因素。通過(guò)構(gòu)建各因素間相互影響的平衡循環(huán)，量化分析各因素間的相互關(guān)系和各因素對(duì)工程設(shè)計(jì)管理工作的總體影響。

圖1 監(jiān)督控制循環(huán)

3.2 返工

圖2 展示了在工程設(shè)計(jì)管理中返工環(huán)節(jié)的主要反饋循環(huán)。感知中的工程設(shè)計(jì)管理進(jìn)度往往跟管理的實(shí)際進(jìn)度相差很大。在返工循環(huán)中，總工作效率由可用的資源和員工的工作效率決定，隨著時(shí)間的推移，剩余的工作總量應(yīng)該減少。然而，由于工作中會(huì)產(chǎn)生一定量的錯(cuò)誤，從而需要一定量的返工，同時(shí)這些返工的工作量也會(huì)增加總的剩余工作量。需要返工的工作量會(huì)受到錯(cuò)誤沉積時(shí)間的影響，如果某個(gè)錯(cuò)誤發(fā)生在概念設(shè)計(jì)初期，那建立在該錯(cuò)誤工作上的所有設(shè)計(jì)活動(dòng)都將需要返工，因此，工程設(shè)計(jì)管理工作的實(shí)際進(jìn)度往往遠(yuǎn)落后于感知中的管理進(jìn)度。返工循環(huán)體現(xiàn)了4 個(gè)管理學(xué)中的控制因素：資源水平、生產(chǎn)效率、質(zhì)量和錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn)所需的時(shí)間。通常，管理者會(huì)將注意力集中在資源水平和生產(chǎn)效率上。然而，從返工循環(huán)模型中可以看出，質(zhì)量和錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn)的效率也是十分重要的影響因素。

圖2 返工循環(huán)

3.3 員工工作管理制度

圖3 展示了在工程設(shè)計(jì)管理工作中員工管理制度的主要反饋循環(huán)。這個(gè)循環(huán)假設(shè)當(dāng)項(xiàng)目進(jìn)度下滑時(shí)，管理者首先想到招聘更多員工。然而，直接的招聘行為反而會(huì)減小工程的實(shí)際勞動(dòng)效率。如圖3 所示，一方面將增加培訓(xùn)和溝通量。新員工需要一定時(shí)間的培訓(xùn)才能達(dá)到預(yù)期的員工工作效率，老員工在為新員工進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，自身的工作效率也會(huì)降低。另一方面，更多的員工需要更多的管理資源投入，需要更多的時(shí)間討論工作細(xì)分辦法，職責(zé)分工和工作對(duì)接等。另一個(gè)改善項(xiàng)目進(jìn)度下滑的方法是將員工置于嚴(yán)格的時(shí)間壓力下，但員工的工作質(zhì)量也會(huì)受到負(fù)面影響，產(chǎn)生更多的錯(cuò)誤率，增加返工，最終仍然會(huì)造成工程進(jìn)度的下滑。

圖3 員工工作管理制度循環(huán)

3.4 輸出

圖4 給出了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，本文主要對(duì)個(gè)人工作效率、員工數(shù)量、工程預(yù)計(jì)完成時(shí)間和總工作效率進(jìn)行仿真。依據(jù)傳統(tǒng)工程技術(shù)管理經(jīng)驗(yàn)，預(yù)估工程持續(xù)時(shí)間，將預(yù)估數(shù)據(jù)輸入上述組合模型中，得到工程發(fā)展的實(shí)際持續(xù)時(shí)間（曲線3）遠(yuǎn)超計(jì)劃。此時(shí)，管理者將雇傭更多員工（曲線2），然而，員工的個(gè)人工作效率將因此下降（曲線1），總工作效率（曲線4）在一定程度上上升過(guò)后反而下降。從仿真結(jié)果可以看出，管理團(tuán)隊(duì)試圖通過(guò)增加員工雇傭量的方式解決工程延期問(wèn)題，將無(wú)法取得預(yù)期的效果。實(shí)際的管理工作應(yīng)該找到雇傭員工數(shù)量和整個(gè)工程項(xiàng)目發(fā)展規(guī)模的平衡點(diǎn)，達(dá)到資源的最大可利用率。

圖4 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真輸出結(jié)果

4 將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法與傳統(tǒng)工程技術(shù)管理方法相結(jié)合

所有的工程設(shè)計(jì)管理方法，無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)圖、工程計(jì)劃細(xì)分表，還是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，都試圖提供以下2 方面內(nèi)容：

1）提供能反映現(xiàn)實(shí)環(huán)境、客觀公正的工程評(píng)估，包括工程時(shí)間、花費(fèi)、資源需求等。這些評(píng)估也許跟預(yù)期有差別，但卻能反映工程的客觀事實(shí)。

2）一個(gè)能反映真實(shí)、有能力達(dá)到的預(yù)期評(píng)估。這個(gè)預(yù)計(jì)包含合理的細(xì)節(jié)劃分、合理定義的工作內(nèi)容以及每項(xiàng)工作所需要的資源。

一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)管理辦法能夠很好地處理工程預(yù)期方面的工作。傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)管理規(guī)則要求將工程工作細(xì)分，并明確定義各項(xiàng)工作間的接口。但這種工程管理辦法是人為定義工程管理計(jì)劃，要求工程執(zhí)行人員嚴(yán)格按照所制訂的管理計(jì)劃執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的工程進(jìn)度和資源消耗，當(dāng)然這是建立在管理人員有能力對(duì)工程做出全面預(yù)測(cè)和準(zhǔn)確規(guī)劃的基礎(chǔ)上。相比之下，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型重點(diǎn)關(guān)注現(xiàn)實(shí)工程執(zhí)行中的不足。它能夠提供更精確的、公正的估計(jì)，并且能夠幫助管理團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)所有可能偏離工程預(yù)期發(fā)展軌跡的因素。因此，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法可以作為傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)管理方法的有益補(bǔ)充，彌補(bǔ)傳統(tǒng)管理方法中無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)演變過(guò)程做出響應(yīng)的不足。

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和傳統(tǒng)工程技術(shù)管理方法可以作為互補(bǔ)方法，為地鐵車輛的工程設(shè)計(jì)提供有益幫助。傳統(tǒng)工程技術(shù)管理辦法能夠提供管理所需的細(xì)節(jié)信息，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法能夠提供管理所需的策略信息，并對(duì)管理策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過(guò)將二者的合理組合，獲得管理所需的最優(yōu)方案。