空间科学卫星工程项目进度及风险分析——基于蒙特卡洛模拟仿真
发布时间：2021-10-23
摘要：通过CrystalBall软件对空间科学卫星工程项目进度进行蒙特卡洛模拟仿真模拟，预测工程项目完成的时间，并进行敏感度分析，识别出整个研制项目过程中的风险主要存在的阶段。研究表明，蒙特卡洛模拟仿真方法是一种适用于空间卫星工程项目进度管理以及风险识别分析的便捷方法;要注重加强对空间科学卫星工程项目立项论证阶段以及正样研制阶段的风险管理。此方法对空间科学卫星工程项目的进度以及风险管理具有一定的决策依据。
关键词：空间科学卫星工程项目;蒙特卡洛模拟;进度管理;风险识别;CrystalBall
中国卫星研制工作始于20世纪50年代末期，经过近70年艰苦奋斗，以较少的投入，在短时间取得了重大成就，形成了比较完整的卫星工程研制体系，从技术准备阶段和技术试验阶段走向工程全面应用阶段。空间科学卫星工程实施以来，创造了我国甚至国际空间科学卫星工程的若干个“第一”，我国首颗暗物质粒子探测卫星，在轨运行阶段已经成功观测到伽马射线爆发;我国首颗重力科学实验卫星，成功开展了15项空间科学实验，首次取得哺乳动物胚胎太空发育、太空观察煤燃烧现象;全球首颗量子科学实验卫星，在国际上首次成功实现1000km量级的星地量子纠缠分发、星地量子密钥分发及地星量子隐形传态等科学实验，成功发射“悟空”“墨子”“实践十号”“慧眼”等空间科学卫星，对国家科学布局产生了深刻的影响，进一步巩固了我国在空间科学卫星领域的地位[1]。但是纵观世界先进航天国家的空间卫星研制情况，我国空间科学卫星工程无论在性能上还是在周期上与之相比存在一定的差距。
空间科学卫星不同于其他卫星，主要体现在产出方面，通讯、电视广播、导航、天气预报等卫星主要产出是应用和服务，而空间科学卫星工程的产出是对太空和宇宙的新发现和对其自然规律的新认识以及由此形成的科学知识，空间科学卫星从提出到完成始终围绕科学目标，常常使用与其他卫星任务不同的运行轨道、不同的有效载荷，甚至对卫星平台也有特殊要求[2]。空间科学卫星工程比其他卫星工程更为复杂，技术难度更加大，参与单位更加多，环节更加复杂，研制周期更加长，不确定风险较多，容易导致空间科学卫星工程性能指标在研制初期处于世界先进水平，但是在卫星发射运行时却已落后。因此，强化空间科学卫星工程研制管理，缩短空间科学卫星周期，强化卫星工程过程控制极为重要。本文从实际出发，运用双代号时标网络计划法对空间科学卫星工程的进度计划进行研究，并运用蒙特卡洛仿真模拟空间科学卫星工程项目的完成周期，并识别风险的主要工序，以此为提高空间科学卫星工程管理水平提供一定的借鉴。
1 文献综述
关于空间科学卫星工程的研究主要集中在科学发现和技术层面，现有文献主要从技术方面研究空间科学卫星的发现和一些重要的成果，使中国逐渐在国际空间科学卫星领域提高话语权[3-4]。例如2015年以来先后成功发射暗物质粒子探测卫星(悟空号)，实践十号返回式科学实验卫星(实践十号)，量子科学实验卫星(墨子号)和硬X射线调制望远镜卫星(慧眼号)四颗科学卫星[5-9]。
从定性角度分析的文章比较少，从管理学角度研究的也比较少，主要体现在空间科学卫星概念的科学考证方面，国外对空间机构对科学卫星任何和研究领域进行不同分类，NASA对美国的空间科学计划和项目进行分类和资助，将其分为四大类大的方向，再按照研究对象具体细分[10]。欧洲空间局(ESA)将空间科学计划划分为天体物理学、太阳探测、太阳系探测和基础物理[11]。日本宇宙航空开发机构则将空间科学任务归入天文观测以及月球和行星科学探索2类[12]。为进一步理清空间科学的基本概念，对空间科学追根溯源，从而促进中国航天事业的发展，范全林等通过一定的技术科学手段辨析空间科学与空间技术和应用、空间科学与天文学、日球层顶与太阳系边界、空间科学与深空探测、科学卫星与业务卫星、空间科学任务以及有效载荷技术等概念的内涵，并指出空间科学任务指的是实现科学卫星或搭载其他航天器平台的科学载荷从遴选、立项、研制、发射到科学运行或实验、成果产出的全生命周期[13]。
除此之外，空间科学卫星数据的处理办法学者也有研究，例如孙小涓等[14]基于流式计算空间科学卫星数据，并对这些数据进行实时处理。刘洋等[15]研究SVOM卫星星载VHF系统设计，并对单机设计、软件设计和调制算法设计等进行了详细描述。管理层面，池宜兴等[16]运用采用改进层次分析法(AHP)-模糊综合评价法对空间科学卫星工程进行风险评估，探索了空间科学卫星的评估方法。
从上述分析可知，现有学者主要从科学发现角度，研究空间科学卫星，但是从管理学层面研究空间科学的较少，探索空间科学风险的较少，因此，本文从管理学视角出发，运用工程项目管理的思维逻辑研究空间科学卫星工程项目进度控制，并对项目进度进行仿真模拟。
2 工程项目进度活动工期估算和进度控制方法的比较与选择
2.1 工程项目进度活动工期估算和进度控制方法的比较
工程项目进度活动的工期估算和进度控制根据具体情况决定，一般有专家判断法、类比估算法、三点估算法、关键路径法，但是上述方法存在一定的优缺点。
(1)专家判断法。专家判断法是专家根据以往参加工程项目的经验估计的工期，其结果具有数理统计的功能，专家评估工期比较权威。但是，也存在如下缺点，一方面，由于专家经验不同，并且很对因素影响专家对历史经验的判断，如果专家不具备相应的经验，可能使估计的工期结果不可靠;另一方面，在专家的选择上，如何保证专家的权威性和专家小组组成的合理性也是实际工作中需要考虑的方面;另外，专家对项目工程活动工期的估算具有主观倾向性，缺乏客观数据支撑。
(2)类比估算法。类比估算法就是根据曾经类似的工程项目持续时间，估算将要开展的工程进度活动的工期时间。这种方法可以参考以往进行的相关活动，对以往空间科学卫星工程历时数据真实程度要求较高。该种方法的优点是花费成本较少，尤其是当一些工程项目资料难以获得时，此方法是用来估算工期的有效方法。但是仍然存在一些局限性，由于工程项目都是一次性的，实际中不可能同时存在两个完全相同的项目，因此估计的工期准确性较差。
(3)三点估算法。三点估算法是在点估计方法的基础上计算的，三点估计法就是把工程项目的完成时间进行划分，根据完成时间的长度不同，将完成时间划分成乐观时间、最可能时间、悲观时间。根据估算的这三类时间，用公式估算出空间科学卫星工程可能完成的时间，计算公式为：工期时间=(乐观时间+4×最可能时间+悲观时间)/6。该种时间估算方法计算比较简单，但是需要估算出三种方式的时间，增加估算工作量，而且不能处理网络图中的路径收敛问题。
(4)双代号时标网络法。双代号时标网络法是一种在建筑工程领域运用比较成熟的技术，双代号时标网络法是以箭线及其两端节点的编号表示工作情况的网络图，主要包括箭线、节点、线路和逻辑关系四方面内容[17]。该种方法能够清晰的标明工程的时间进程，使用起来比较方便，可以在图上直接显示工程的开始时间、结束时间、完成时间以及关键线路，但仍存在一定缺点，由于箭线受到时间坐标的控制，当项目工程时间发生变化时，往往需要调整网络图。该种方法适用于子工程项目较少、工艺流程简单的项目工程以及局部网络工程。
(5)蒙特卡洛模拟仿真分析法。蒙特卡洛模拟法是一种先进的模拟仿真技术，该方法是以概率论以及数理统计为指导，用来数值估计的方法。能够充分考虑一个工程项目在开展过程中涉及的持续时间、资源、人力、成本等不确定风险。使用最乐观、最可能、最悲观持续时间来估算活动的持续时间，能够基于估算结果进行抽样统计模拟，进而反映出较为全面的工期信息，可用于工程量大、涉及面广、技术复杂、不确定因素多的项目[18]。该方法的优点是预测结果可以给出预测值的区间范围和分布规律，能够科学、合理地解决难以用数学分析方法求解的具有多要素不确定性的复杂问题[19]。
2.2 空间科学卫星工程项目进度评估与控制的选择
制定工程的进度计划就是明确定义各个工程项目之间的逻辑关系及开始和结束日期，从而方便控制时间和节约时间。编制进度规划应该统筹考虑项目网络图、工期时间、人力物力财力等资源。由于空间科学卫星工程项目比较复杂，子项目繁多，创新性强，可以参考的历史数据较少，对于空间科学卫星工程进度管理显得尤为重要。本文主要解决空间科学卫星工程项目进度活动的工期估算和进度控制问题。通过进度工期的估算预测空间科学卫星工程项目的完成时间，通过识别风险主要位于的工序阶段，加强对空间科学卫星工程项目的进度控制管理。
上述工程项目进度控制方法在工程领域很常用，但结合空间卫星工程项目复杂性高、工程量大、不确定性因素高、花费成本高等特点，空间科学卫星工程项目的时间进度较难估计，运用专家判断法、类比估算法、三点估算法、双代号时标网络法难以精确估计空间科学卫星工程项目完成的时间。而蒙特卡洛仿真模拟方法能够结合上述不同方法的优点，得到不同概率下项目的总体完成时间，能够为空间科学卫星工程项目管理人员制定合理的进度管理计划提供一定的依据。同时，蒙特卡洛模拟仿真法中包含模拟计算、敏感性分析，能够识别出空间科学卫星工程项目执行过程中重点关注的项目工序，使得空间卫星工程项目可预测的风险达到最低。因此，本文借助蒙特卡洛模拟仿真方法，借助CrystalBall软件对某空间科学卫星工程项目的进度计划进行蒙特卡洛模拟仿真分析，将时间变量概率分布中随机抽取的数值作为输入值，通过CrystalBall软件模拟仿真N次，获得空间科学卫星工程项目的完成日期作为输出值，并获得项目完成日期的概率分布直方图、期望值、方差等特征数据。
本文应用蒙特卡洛模拟仿真方法分析空间科学卫星工程项目进度工期估算与进度控制的主要步骤为：首先，分析空间科学卫星工程项目的工作分解结构，了解空间科学卫星工程项目的不同工序;其次，运用专家判断法邀请中科院空间科学卫星相关专家对空间科学卫星工程项目各个阶段的进度时间进行估算，包括最乐观时间、最可能时间、最悲观时间，编制出含有持续时间三点估算的项目工作关系表，并绘制双代号时标网络计划图;再次，运用CrystalBall软件对空间科学卫星工程项目的完成时间进行仿真模拟;最后，对空间科学卫星工程项目进行敏感度分析，识别空间科学卫星工程项目风险的主要工序阶段。
3 空间科学卫星工程WBS与进度网络分析
空间科学卫星工程进度完成的快慢，关键是计划得当，计划是一切工作开展的前提，也是进行项目控制的前提。在空间科学卫星工程项目目标明确之后，要制定进度计划就必须对空间科学卫星工程进行相应的分解，明确空间科学卫星工程各个阶段的总任务以及各子任务。对空间科学卫星工程的工作结构进行分解，能够准确把握工程项目的进度信息，WBS提供了一个良好的平台，通过建立标准的WBS工作分解结构，统一对空间科学卫星工程进行定义，注明每个分工的范围和具体内容，方便空间科学卫星工程各个参与组织之间使用统一的“语言”进行交流，实现对整个空间科学卫星工程进度的高效管理。
3.1 工作分解结构定义以及构成要素
工作分解结构(WorkBreakdownStructure，WBS)就是将工程项目中的各项内容，按照一定的原则进行拆分，将复杂的内容分解成内容单一，便于管理的工作，形成一个个相互独立，但又相互联系的模块，并按照一定的层次进行排布，最后通过树状结构图或者缩进表格的形式呈现，形成一个直观的WBS结构图[20]。
相关期刊推荐：《科技管理研究》(半月刊)创刊于1981年，是由广东省科学学与科技管理研究会主办的学术刊物。设有：自主创新专论、科技发展与政策、科技指标与评价、区域科技进步、高校与研发机科技管理、产业科技管理、人力资源管理、知识与知识产权管理、产业集群与创新研究、信息化研究、科技项目管理、管理理论与方法、科学学研究等栏目。
目前WBS作为有效的管理和控制工程项目的工具，已经被广泛应用于各个企业，四要素包括：WBS元素、工作包、结构化编码、WBS字典[21]。这些构成要素使得工程项目在项目的初期就能明确整个工程项目的目标，从而形成比较完善的工程项目控制体系。在形成的工程项目体系基础上，将各个项目工程进行肢解，拆分成具体的工程项目，完成对项目工程的进度计划的控制管理。
(1)WBS元素。WBS元素是工程项目管理中的一个个“节点”，通俗的理解就是“组织机构图”上的一个“方框”，这些方框代表了独立的、具有隶属关系/汇总关系的“可交付成果”[22]。工作结构分解的关键是必须面向最终产品或可交付成果，因为项目工程各参与主体虽然文化、组织不同，但是要求最终完成的项目成果必须相同，只有识别最终的可交付成果，才能识别工程项目参与主体完成此项工作使用的方法、程序和资源[23]。
(2)工作包。工作包(Workpackage)是WBS最底层元素，一般的工作包是最小的“可交付成果”，这些可交付成果很容易识别出完成它的活动、成本和组织以及资源信息[24]。例如飞机研制项目中场地、舰船和车辆改造工作包可能含有飞机场地建设与维护、车辆改造、舰船改造等几项活动，包含场地维护、设施改造等成本，过程中产生的报告/检验结果等等文档，以及被分配的工班组责任包干信息等。
(3)结构化编码。结构化编码是构成WBS最直观的因子，通过给每个工程项目单元赋值实现，赋值可以是数字或者字母，从而使各个项目单元互相区分，有所不同，而且可以直观地辨别出各个项目单元的联系，包括WBS元素的层级关系、分组类别和特性[25]。
(4)WBS字典。WBS字典是使工程项目管理规范化和标准化的工具，用于描述和定义WBS元素中的工作的文档，详细描述工程项目必须完成的工作以及元素上下级的关系。通过WBS字典的详细描述，有利于工程项目外部的参与主体理解与接受。
3.2 空间科学卫星工程的WBS分析
具体到空间科学卫星工程领域，空间科学卫星工程研制项目WBS的定义可以细化为：对空间科学卫星工程研制项目从立案论证、初样阶段、正样阶段到使用阶段过程中应完成的所有工作自上而下逐级分解形成的一个层级体系，完全限定了空间科学卫星工程研制项目的工作，并表示出各子工程项目之间以及它们与交付物之间的关系。空间科学卫星工程项目WBS的编制工作是其工程项目管理的核心内容，为其资源配置、任务安排、风险评估、质量管理、成本控制等奠定了重要基础，并提供了各个项目工作的唯一联系。在空间科学卫星工程领域，按照不同的分解逻辑，遵循完整性、可控性、协调性等原则，可以将整个空间科学卫星工程研制项目划分成多个WBS单元，划分成3种WBS构建方式，具体包括：基于空间卫星产品构建的WBS、基于空间卫星研制过程构建的WBS、基于组织机构管理构建的WBS。这3种WBS划分方式具有不同的特点：
(1)基于空间卫星产品项目结构构建WBS。这种构建方式以要研制的空间科学卫星产品为中心，由空间科学卫星工程产品研制的其他相关工作(包括系统工程项目管理、系统实验评定、专用保障设备、资料、初始备件以及维修备件等)组成。这一WBS构建方式更加强调空间科学卫星工程的最终交付成果的实现，同时这种WBS构建方式需要确保明确的项目工程责任主体，有利于空间科学卫星工程实现资源优化配置。
(2)基于空间卫星研制过程构建的WBS。这种方式构建的WBS是以空间科学卫星项目研制过程的时间顺序为基本分解逻辑。按照这一方式构建的空间科学卫星工程项目工作分解结构一般由空间卫星工程开展过程经历的阶段组成，具体包括“立项论证”“方案制定”“初样设计”“正样研制”“使用验收”顶层单元。
(3)基于空间卫星业务分工构建的WBS。这种WBS方式构建的逻辑是以空间科学卫星工程项目的不同承担单位或者职能部门所独立完成的项目工作和可交付成果。这一方式构建的WBS通常会与项目职能部门或业务分工相连。采取这种方式构建的空间科学卫星工程WBS框架通常包括“工程规划论证中心”(立案)、“综合计划部”(规划)、“工程管理部”(管理)、“运行与成果管理部”(制造)等顶层WBS单元。
基于空间卫星产品项目结构构建的WBS更加强调项目最终交付成果的实现，着重呈现最终产品的层次结构，对空间卫星工程项目各个阶段的责任主体要求较高;基于空间卫星业务分工构建的WBS强调职能部门的功能，比较清晰的呈现各个研制阶段的责任主体;基于空间卫星研制过程构建的WBS，有助于空间卫星工程项目管理者对不同的研制阶段控制和把握，有效监督和管理空间卫星工程的进度和质量，由于我国空间科学卫星工程研制项目通常会按照项目研制阶段开展里程碑阶段控制，所以为契合这种管控方式的需要，本文采取这种基于空间卫星研制过程的WBS构建方式，从而实现对整个空间卫星工程项目各个阶段交付成果的有效监控。如图1为典型的基于空间卫星工程项目研制过程构建的WBS顶层框架示例。从图1可以看出，面向空间科学卫星工程研制过程构建的WBS包括“立项论证”“方案制定”“初样设计”“正样研制”“使用验收”5个顶层结构，每个WBS单元下又包括二级阶段，该方式囊括了空间科学卫星工程整个研制流程，清晰地界定了空间科学卫星工程研发项目的各个阶段，可以有效的监督每个环节，保证空间科学卫星工程完成的进度。
3.3 空间科学卫星工程的进度网络分析
以某空间科学卫星工程项目研制过程为例，一般来说，空间科学卫星工程项目包括“立项论证”“方案制定”“初样设计”“正样研制”“使用验收”5个顶层结构，根据空间科学卫星工程的项目实质研制过程、实施流程以及实际工作需要，确定了某科学卫星工程的工作分解结构，并邀请中国科学院国家空间科学中心的专家和设计研发部门对项目各个阶段的进程时间进行估算，包括最乐观时间、最可能时间、最悲观时间，编制出含有持续时间三点估算的项目工作关系表，如表1所示。——论文作者：刘兵1，池宜兴1，2，曾建丽3，张荣展1
