基于PBS的自动化集成设计项目WBS技术研究

朱　琦

（上海交通大学，上海200240）

基于PBS的自动化集成设计项目WBS技术研究

朱琦

（上海交通大学，上海200240）

自动化集成项目的工作分解准确和及时性是此类项目管理的基础和关键。通过分析研究自动化产品设计阶段的业务流程，在该领域使用基于PBS产品分解结构的工作分解技术，集合自动化集成产品设计阶段的特点，提出PBS模型，WBS模块和WBS模型，通过对PBS-WBS映射模型的分析，映射矩阵和映射方法的建立。从而实现快速、精确的WBS转换方法，并在某复杂曲轴自动化集成单元的设计项目工作中进行应用，并得到验证。

自动化集成项目项目管理PBS产品分解WBS工作分解

1　引言

自动化集成设备产品具有复杂成品的特征，其产品成本高、规模大、生命周期长、研制周期长，同时又是先进技术和知识的集中体现产品。对于此类产品设计项目，需要严密和合理的设计计划才能保证其顺利实施［1］。由于自动化集成设备产业在国内起步较晚，现使用的项目范围管理方法，对项目交付物聚焦不足，对业务流程特点的结合较少。目前还存在着项目实际工作范围与预期差异较大，项目管理工作效率较低，成功项目无法借鉴的问题。由于市场发展，此类项目需求越来越多，对于项目管理要求也越来越高。有必要以项目交付物为核心结合项目特点重新进行项目的工作分解。同时，工作分解结构表作为项目计划管理的核心，也是进度计划、资源需求等项目管理工作的重要基础。优化的工作分解能够帮助项目团队减少项目中的工作范围和进度计划的管理问题［2］。

自动化集成项目作为一个大型的复杂产品项目，其产品结构、设计流程、项目管理等具有一定的复杂性。同时作为协作设计项目，其设计阶段涉及的资源及组织多，单家企业无力承担所有工作，需要多家（5家以上）进行跨企业的协作设计。然而在项目的不同阶段，项目交付物不同，项目组织中的合作企业不同，需要伴随项目的进展根据项目的交付物调整项目的工作内容。要做好自动化集成项目的工作分解，就要认真地了解项目交付物及项目业务的流程特点［3］。

刘彦龙［4］等提出了协作制造的项目特点，并提出了协作制造任务的分解原则。晋国富［5］等阐明了软件产品的协同设计过程中的任务分解和耦合以及任务分配的机制。张磊［6］等针对复杂产品项目，提出了一种基于本体的构建负责产品WBS（Work Breakdown Structure，工作分解结构）的防范。王星汉［7］等在航空领域，对复杂产品开发过程中，多级供应商的协同项目管理进行了研究。何苗［8］等在航空领域，研究讨论了基于产品分解结构的复杂产品的工作分解。这些研究在大型复杂产品协同制造的WBS分解的基本要求、编制原则、实现手段等方面都有了有益的探索。但是主要集中在各自的领域，针对航空航天和软件信息管理领域的特点进行的研究。同时没有对由于项目协同方面等因素造成的WBS分层分阶段工作划分进行深入的探索。

本文在借鉴国内外协同制造工作中任务分解应用经验的基础上，基于PBS（Product Breakdown Structure，产品分解结构）原则，针对自动化集成装备设计项目的特点。结合项目业务流程，提出一种针对自动化集成设备协同设计项目的WBS分解方法，以项目交付物为核心对整个项目进行分阶段、分层的工作任务分解，以利于项目组织的运作，以及后续的项目计划编制和资源管理。

2　自动化集成设计项目的工作分解特点

使用WBS方法对项目进行分解的方式一般可以划分为两种［9］。第一种是基于项目交付物，即以交付物为划分的依据，上层分解以交付物的组成划分，然后下层划分至部件。第二种是基于项目的工作流程，即以业务的具体历程为划分的依据，上层分解以业务流程的内容划分，然后下层划分至具体的活动内容。对于自动化集成项目，其项目本身具有复杂性、阶段性、参与干系人多的特点。如果只使用一种方式，则无法很好地对项目进行清晰的、内容完整的分解，必须将两种方法混合匹配使用，但同时也要保证两种表格之间互相对应可靠。其分解思路为，以交付物为主要导向，结合业务工作流程，通过交付物和活动的相关映射关系推导活动的具体内容，并编制WBS表［10］。

同时，自动化集成类项目是跨企业项目，一般需要多家企业共同参与，协同工作，组成一个项目工作组。由一个项目所有人管理项目，并根据参与的各家组织的特点和能力分配相关的任务［11］。因此项目交付物的PBS分解仅需要分解到子任务一层，即项目工作组层面。由各个子任务负责实施的组织，自行将子任务逐步分解为最小的活动。

本文基于显示案例，对自动化集成项目的具体分解过程如下：通过总结公司的业务流程，了解项目交付物的产品特点，找到项目交付物的共同点，随后对每一个阶段的项目交付物进行分解，分解至其构成的子任务推导WBS表。

3　项目模型

3.1自动化集成设计项目PBS模型

自动化集成设计项目的产品是集成设备的方案，其产品并不是实体设备，而是由一个多种文件组成的、以解决客户生产问题为目的的综合性解决方案。解决方案由多种知识文件构成，如加工设备设计图纸、工艺流程、夹具设计图纸、刀具加工参数等组成的文件包。总结项目的业务流程和产品分解特点，可以发现项目交付物有以下几个特点。

（1）项目交付物为设计方案而非实体产品：项目最终的交付物为自动化集成设备的设计方案，而并非自动化集成设备。

（2）分层次结构，上下关联紧密：项目整体方案需要由多种设计子方案组成，所有独立的文件和方案整体具有不可分割的连接性，每一个独立的方案都对项目整体方案有很大的影响。即项目交付物需要多个子任务的支持，同时子任务对项目交付物有很大的影响。

（3）多个项目交付物：在项目第一阶段时，客户需求的是投标的整体方案可行性，可以看作设计方案的粗略版本。在项目第二阶段时，客户需求的是细化的整体方案，可以看作设计方案的精确版本。第一个项目交付物是第二个项目交付物的基础。即项目交付物超过1个，同时多个项目交付物之间存在关联，但同一阶段中只能存在一个项目交付物。

（4）项目交付物递进性：在项目的第一阶段，客户对于整体方案的要求较低，因此对于组成方案的设计子方案要求也较低。但在第二阶段，需要将整体方案细化，要求提供细化而完整的项目整体方案。可以发现项目交付物存在逐渐细化和完整的需求，即项目交付物有递进型，因此项目的子任务也存在多次工作、细化工作的情况。

（5）项目交付物属于跨企业产品：项目整体方案需要由多个供应商提供的设计子方案组成。即项目交付物需要多个子任务的支持，这些子任务必须由多个协作组织完成。

对于复杂产品而言，PBS表格往往包含了其产品所有具有功能的硬件和软件部分。然而对于本项目而言，属于复杂产品的设计项目，其项目交付物限定为产品设计方案。因此仅对PBS中富含的信息做有选择的利用，自动化集成类项目设计阶段的PBS模型的定义如下

其中，P是产品分解后每一个节点的集合，为了表示节点的位置，假设在PBS结构树从上到下分解过程中，i作为节点在PBS中的层次，从上往下计算即从1到n，j作为节点在PBS中第i层所在的位置，从左往右计算1到n。可以推得任意PBS中的节点可以通过｛aij|i，j=1，2，…，n｝来表示，P为aij的集合。C为PBS中上下层节点间关系的集合即aij与（i、j、k都属于自然数）的关系，k表示a（i+1）k在i+1层的位置。D为PBS中节点所对应的产品属性和关联文档的集合｛dij_t|i，j，t=1，2，…，n｝，即aij所需要包含的文档和属性的集合，t代表第t个关联文件或信息。如果aij在PBS中不是最细产品分解内容，则dij同时包含aij所有子任务的关联文件和信息。PID代表的是PBS中唯一标定的相关设计产品部件的编号集合，用pidij代表节点aij所表示部件的唯一编号。PD是PBS中多个项目交付物的集合，pdij表示aij所属于的项目交付物，若a（i+1）k为aij子任务则pdij= pd（i+1）k，子任务的项目交付物与所属上层任务交付物相同，直到i=1，PBS产品分解最顶层为止。CP是PBS中所有合作组织的集合，cpij表示aij所负责的合作组织。根据以上的定义，PBS中任意的一点pbsa（i，k）都可以表示为

3.2自动化集成设计项目WBS模型

WBS的编制需要将项目自上而下地进行工作内容分解，形成合理的结构树。从大型复杂集成项目的工作内容分解特点来看，其工作分解是以项目交付物为核心，针对业务流程的顺序编写相应的结构树。同时由于设计工作使用多个组织共同参与完成，因此结构树中工作内容属于哪个组织必须在WBS中得到充分的体现。可以推断WBS模型需要具备以下要点：

（1）分层次结构：对于自动化集成项目而言，其工作活动应该是按照整体方案设计过程的顺序编写的。项目整体设计方案是由多个子方案构成的，其工作活动也是由多个子方案的设计工作活动组成，即工作内容的分解有很明显的层次性，同时还分阶段。

（2）编码：编码是工作分解的重要内容，同时也是后续项目计划、查找、变更等一系列项目工作的重要依据。本项目的工作活动不具备重复性，因此对于每一个工作内容，都应该赋予独一无二的编码。合理有序的编码，可以方便项目管理人员快速地辨识相关工作分解的内容，并提高项目管理工作的效率。

（3）交付物：本项目中，由于项目存在多个交付物，同时交付物之间也有一定的联系。因此对于业务流程中的工作活动，必须要明确地标示其所针对的交付物。避免针对同一工作内容针对多个项目交付物。

（4）协同设计：由于本项目中的工作活动中的大部分需要供应商的支持来进行，由供应商负责完成相应的子任务，项目团队只需要将业务流程划分至子任务阶段，然后由项目团队成员自行将子任务根据自身情况划分成为合适的工作活动。

在跨企业协同制造类项目中，WBS工作内容分解的一个较大的难点就是在WBS分解过程中保持工作内容的独立性，减少分配给不同供应商任务之间的内部联系。由于自动化集成设计项目，大部分的设计工作都是分割开的，由各个供应商独立完成。小部分的设计工作，需要项目所有人提供支持配合供应商完成。因此不会遇到此类问题。

基于以上的自动化集成设计项目的重要特点，本文给出了WBS工作内容分解模型的相关定义。

其中，T为WBS单元中，所有工作单元的集合，为了表示工作单元在WBS中的位置，我们假设在WBS的分解过程中，i作为工作单元所在的层级，j作为工作单元在第i层所在的位置，即T集合为｛bij|i，j=1，2，…，n｝。C'为WBS的工作单元之间的关系的集合；WID是工作单元在WBS中唯一的编码；PD为工作单元对应的交付物的集合，PDij'表示工作单元对应的项目交付物，同时子工作单元所对应的交付物始终和上一级工作单元对应的交付物相同。CP'是WBS中所有项目组织的集合。根据以上定义可知，WBS中任一个工作单元可以表示成为

3.3自动化集成设计项目WBS模板

WBS模板是PBS转化为WBS的关键因素，是对转换方式的描述。需要根据业务的流程和项目特点定义，通过WBS模板描述项目的通用工作活动和步骤。WBS通用模板是对项目普遍情况下的工作活动的描述，即特定项目的WBS所有工作内容应该都包含在WBS模板内，有鉴于自动化集成设计项目普遍工作内容变化较小。

上式中的字母代表的数学意义与WBS模型相似。

3.4PBS-WBS映射矩阵

（1）分阶段映射：自动化集成设计项目中由于交付物的不同，会产生若干个与交付物关联的重要的项目节点。这些项目节点作为重要的里程碑将整体项目合理地划分成为若干个阶段。针对每个阶段需要开展的工作活动以及具体的工作内容有相似性，但是也有不同点。有相似性指的是PBS中某种产品的设计或研发工作，不同点在于设计或研发工作的工作深度差异较大。举例而言，在项目初期阶段针对PBS中的自动化卡爪的方案设计工作，主要为可行性分析、所需数量的估算等；在项目末期阶段同样对于自动化卡爪的方案设计工作，则变更为尺寸设计、工艺受力分析等。可以发现在项目不同的阶段中其业务流程不同，因此对于PBS在不同的阶段中，应该使用不同的WBS模型，分阶段进行映射工作。

（2）分层次映射：自动化集成设计项目是一个跨企业的合作任务。PBS将整个项目设计方案根据实体产品情况和功能划分成为一个个存在着一定关联的模块，同时模块也被划分成为相应的子系统，然后子系统继续划分至合适的部件。然而模块的相关工作，并不是完全由同一家公司完成。一个子系统需要至少一家企业，普遍由两家企业协同完成其中不同部件的设计工作。举例而言，子系统加工设备的夹具设计方案，需要设备制造商和夹具制造商共同参与完成任务，夹具设计方案这个子系统向下分解为设备夹具链接端口设计和夹具工件夹持部分设计，这2个部件划分清晰，分别属于设备制造商和夹具制造商。因此在映射过程中，必须分层次映射针对不同的模块情况，分层次分块地将正确的PBS子系统部件映射至相关供应商的WBS工作任务中。

（3）映射矩阵：将PBS中所有的节点选择合适的通用WBS模块中的工作单元运算所获得的笛卡尔乘积可以认为是WBS工作单元的定义域。由于WBS模块中的工作单元具有通用性，最终的WBS工作活动不可能完全覆盖所述的笛卡尔乘积定义域，映射的WBS工作单元必然有部分是隐形而不必要的。因此需要通过PBS-WBS映射矩阵来确定实际情况下的WBS工作单元。通过项目主管和相关节点的负责单位组成的小组对适用于其节点的WBS模块进行判断，确定最终映射的WBS工作单元的必要性。

3.5PBS-WBS映射方法

当映射矩阵中的矩阵不为零矩阵时，WBS工作单元的属性和附属信息，通过PBS以及相关的WBS模板的笛卡尔乘积得到，其映射方法主要可以概括为下列2种。

（1）遗传映射：WBS工作单元直接从PBS单元或WBS模块中获得对应的信息。例如PBS中的pd（所属交付物）和cp（所属组织）都可以直接遗传给WBS中的pd'和cp'，可以记做

（2）聚合映射：WBS工作单元的信息从PBS单元和WBS模块中共同获取。例如WBS中的WID编码，是PBS中的pid（产品编码）和WBS模块中的widm的信息的组合，可以记做

例如自动化硬件中外围钣金产品编号为AA，对应的WBS模块中的技术可行性分析元的编号为BB，那么WBS工作单元中外围钣金的技术可行性分析就可以记为AABB。

4　系统应用案例

在某发动机曲轴自动化加工线设计项目中，对于某一阶段的工作使用了该方法。PBS分解部分如图1和表1所示。

在复杂产品的协同设计项目中，运用本文的方法，项目小组可快速而精确地得到合理的WBS工作分解表格，并且在项目的实际操作过程中确保了以下几个方面：（1）工作内容不会被遗忘；（2）工作单元隶属的项目交付物清晰明了；（3）工作单元负责的工作组织清晰明了；（4）为网络图的编制提供了合理的依据。顺利地完成了该阶段的项目工作。

5　结论

对于自动化集成设计项目而言，其设计的产品构成复杂，设计工作需要多个组织参加。保证工作分解的全面彻底，工作分配合理精确对项目的成功有着至关重要的作用。本文针对此类项目的特点，使用PBS-WBS映射的方式，使WBS编制快速准确。所提及的方法在实际项目中得到了应用验证。

图1　曲轴自动化加工线某阶段工作PBS分解

表1　WBS矩阵

［1］Hansen K，Rush H.Hotspots in Complex Product Systems:Emerging Issues in Innovation Management［J］.Technovation，1988，18（8/9）.

［2］何恒，邓家褆.支持复杂产品研发的WBS［J］.航空制造技术，2009（12）.

［3］Shridhar J M，S Ravi.Virtual Manufacturing:An Important Aspect of Collaborative Product Commerce［J］.Journal of Advanced Manufacturing Systems，2002，1（1）.

［4］刘彦龙.协作制造项目任务分解与关键链进度计划方法研究［D］.河北工业大学，2007.

［5］晋国福.产品协同设计的任务分解_分配与管理研究［D］.太原科技大学，2009.

［6］张磊.基于本体的复杂产品项目WBS研究［D］.江苏科技大学，2013.

［7］王星汉.面向复杂产品开发的多级供应商协同项目管理研究［D］.上海交通大学，2010.

［8］何苗，杨海成，敬石开.基于产品分解结构的复杂产品工作分解技术研究［J］.中国机械工程，2010，22（16）.

［9］魏志强，王先逵，吴丹等.基于单一数据源的产品BOM多视图映射技术［J］.清华大学学报，2002， 42（6）.

［10］张宏国，徐晓飞，战德臣.基于工作分解结构的跨企业项目多级网络计划［J］.计算机集成制造系统，2007（3）.

［11］张康之，李圣鑫.历史转型条件下的任务型组织［J］.中国行政管理，2006（11）.

Decomposition Method of WBS Based on PBS for Automation Integration Project's Design Phase

Zhu Qi
（Shanghai Jiao Tong University.Shanghai 200240，China）

Automation integration project's WBS accuracy and timeliness is these projects management's base and key..By analysis of the automation product design phase's business process，With WBS based of PBS method in this field，Put forward PBS model；WBS template and WBS model based on automation integration projects'features.By the analysis of mapping type，definition of mapping model，establishment of mapping rules，the information transform from PBS to WBS was quickly and accurate.An application example of gear shafts automatic product unit'design war provided to verify the method.

automation integration project；project management；PBS，WBS

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.012

来稿日期：2016-06-27

朱琦（1988-），男，在读工程硕士，主要研究方向为项目质量管理。