大数据技术下重大工程组织系统集成模式

施骞，黄遥，陈进道，丁雪

（同济大学 经济与管理学院，上海 200092）

重大工程面临建设规模巨大、工程结构复杂以及参与主体众多的复杂管理情境，这也导致了其组织的复杂性[1-2]。重大工程组织作为一种复杂系统，具有系统内部结构复杂和系统外部联系广泛的特点。传统项目的组织模式已经很难满足重大工程建设中面临的大规模、开放性、多元化以及新技术运用带来的复杂需求。Flyvbjerg[3]进一步指出，传统的项目管理理论已经不太适用于重大工程中。国内外主要利用组织、管理、技术和经济等4种手段来保证项目成功，其中组织手段又是工程项目顺利实施的重要基础，著名的管理学家西蒙曾说过一种合理有效的组织结构是社会资源被有效开发利用的必要条件[4]。也即说明工程建设中出现管理混乱、目标缺失等问题的根源是项目的组织设计缺乏系统性，所以，项目管理绩效提升的一个重要途径是组织模式创新。特别是管理技术的变革将引发工程项目业务流程的重组并直接影响组织运行的绩效，但目前在进行有关重大工程项目管理的研究时经常会忽略现代技术条件下的组织问题。

随着互联网、物联网、云计算等一系列新技术的兴起，基于信息和网络的生产模式开始出现，紧接着大数据技术也将再次引发一场颠覆性的技术变革[5-6]。大数据技术正在重新定义企业管理和组织决策的过程和方式[7]。麦肯锡认为，“大数据”是指无法在限定时间内使用传统数据库或软件对其内容进行有效获取、管理和处理的数据集合，大数据具有规模性、多样性、高速性及价值性等特征[8-10]。基于大数据的管理决策研究有助于梳理因数据高速增长而引起的复杂性，把握因数据缺失或冗余造成的不确定性，驾驭因数据交叉互连产生的涌现性。进而，通过数据挖掘从中获取信息、知识和智慧以满足实际需求，实现大数据价值的充分利用[7]。目前，大数据技术在金融、商业和医疗等领域的研究已经取得了一定的进展。一些学者也开始应用大数据技术在建设工程领域处理多源异构的数据资源[11-12]。但是有关依靠大数据技术引发的技术变革来推动工程项目管理理论创新的研究还相对较少。重大工程本身蕴藏着规模巨大、分布广泛、动态演变、模态多样和关联复杂的数据资源，如何将表征重大工程技术、组织、资源和环境等异质要素的数据进行有效集成并加以利用，为重大工程项目管理决策提供有效支持，是项目管理领域所面临的一项重要课题[13]。

因此，本文通过系统的观点，针对大数据技术下重大工程组织复杂性的适应问题进行研究，探讨提高重大工程组织管理绩效的新方法，并构建大数据技术下的重大工程组织系统集成模式，以期推动大数据时代项目管理理论创新。

1 文献综述

1.1 大数据技术的发展及应用趋势

大数据技术可以分解为4个连续的阶段，包括数据生成、数据获取、数据储存和数据分析[14]。大数据的发展一直是伴随着诸多技术共同进行的，大数据技术地图展示了不同阶段的开源或专有技术相互融合促进了大数据的发展，如图1所示[15]。在数据生成阶段，多样的数据源产生了大量复杂的数据；在数据获取阶段，专用的数据采集技术被用于采集不同数据源产生的原始数据，并进行数据清洗和降噪；在数据储存阶段，由硬件基础设施和数据管理软件构建的大型数据仓库被用于大数据的储存；在数据统计的基础上经过不断发展与创新逐渐形成以数据挖掘技术为代表的大数据分析方法。

图1 大数据技术地图

大数据技术早已在制造业、商业、金融及医疗健康等行业展现出了巨大的潜力[16-19]。经过不断地发展，大数据技术也越来越受到管理界的关注[20-21]。学者们从不同领域对大数据技术的应用进行了研究，如表1所示。由表1可以看出，已有的研究主要集中在供应链管理、风险管理、运营管理和管理决策等方面，这些研究也为大数据技术在工程项目管理中的应用研究提供了参考。

1.2 大数据相关技术在工程项目管理中的应用

数字技术的应用能够提升数据处理效率和信息交互水平。如通过信息与通信技术（ICT）、移动互联网（Mobile-internet）、物联网（IoTs）及云计算技术提高复杂工程数据采集、传输效率并促进项目参与方之间信息交流和实时共享[33]；通过可视化技术提高人机交互能力并实现工程物理世界与虚拟场景的即时互动[34]；通过建筑信息模型（BIM）中信息的全方位和全过程的交互优化设计和建筑性能[35]。Shi等[33]提出可结合互联网和云计算制定合理的招投标或采购策略。Lu等[36]指出，可通过基于无线传感网络（WSN）和射频识别（RFID）技术的物料跟踪系统优化建筑材料的需求和库存计划，并以此来提升建设工程精益建造水平。虚拟现实（VR）技术能使人在虚拟场景中获得类似于现实世界的真实体验，Lipman[37]在手持终端（PDA）上结合VR建模语言构建三维模型，实现了建筑结构在移动中端的三维可视化。增强现实（AR）技术能够使虚拟的数字信息与现实事物深度的结合，Wang等[38]通过AR与BIM 的集成来挖掘建设现场事物背后的相关信息，进行管理目标分析和管理绩效评价。Han等[39]借助无人机（UAV）航拍这种大范围、高频率的图像数据采集手段来获取大量建筑结构、场景或设施的三维点云数据集，并结合BIM 实现结构、场景或设施的三维可视化，以此进行建设绩效分析与评价，如项目质量、进度分析和安全评价。此外，针对运营阶段，有学者提出了结合BIM 与地理信息系统（GIS）数据的建筑灾情响应办法，以及基于全球定位系统（GPS）与情境识别技术的应急救援措施[33，40]。由此可见，多种数字技术与BIM 的有效结合可以实现不同的项目管理目标。

表1 大数据技术在管理领域的相关研究

同时，大数据相关技术也提升了工程组织间的互操作性水平。针对由建筑业碎片化和动态化特性引起的不同组织之间数据融合及群体决策的障碍，Jiao等[41]提出了云计算的解决方案来实现项目生命周期管理中数据的统一问题，从而促进个人、团队和组织三位一体的全过程数据共享。Ren等[42]指出，基于代理的方法能够支持群体决策活动，多代理建模也在工程项目管理的组织协调中扮演着重要角色。同时，相关研究显示，针对工程项目管理涉及地域分布广泛的不同专业团队和诸多异构的管理信息系统，建立集成数字化协作平台对提升组织间互操作性水平也具有重要作用[43-44]。

以数据挖掘为代表的大数据分析技术可以从多源异构数据集中获取有价值的信息，以此帮助人们更好地了解研究对象，发现、洞察其内在规律[45-46]。一些学者应用数据挖掘技术对工程项目目标管理进行了研究。在职业健康和安全领域，Cheng等[47]依据分类和回归树的数据挖掘方法分析和预测了导致职业伤害发生的关键因素。在成本和进度管理中，Son等[48]通过收集53 个绿色建筑认证项目的数据，结合数据挖掘技术开发和构建出针对前期规划阶段的绿色建筑成本和进度绩效的预测模型。在质量管理方面，Cheng 等[49]基于遗传算法-多层关联规则挖掘方法进行了建筑业缺陷分析，发现以关联规则形式表示的信息能通过缺陷预测和因果分析来提高项目的质量管理水平。

随着建设工程逐渐进入大数据时代，资产信息也变得可以被交付。Morris[50]曾指出数字技术将彻底改变项目的交付模式。Whyte等[1]提出通过基于大数据分析的配置管理能够实现资产信息的跨组织交付，这些资产信息包括设计原理、组成来源和维护计划等。实际上，英国已经出台了针对政府投资的基础设施资产信息必须通过BIM 平台进行交付的规定。另一方面，无所不在的数字化传感正在重塑项目管理方式。众包是一种基于现场视频流集合众人智慧，并对建设环境、建设行为和活动进行监控的一种新型工程项目管理模式[51-52]。Kaijian等[52]首先依靠计算机视觉算法来识别工人和设备的活动，再以众包形式完成对工作面的评价。众包项目管理模式允许专业管理人员将有限的精力集中于项目的关键节点或管理的薄弱环节，同时结合众人经验与智慧最大限度地提高管理绩效。

综上所述，相关研究在一定程度上促进了工程项目管理方式的变化与发展，但是面对日益复杂的建设工程项目，尤其是针对具有开放、复杂和社会性的重大工程，还需加强利用大数据技术在有助于信息融合、知识提取和组织协同管理方面的优势，来促进复杂组织系统的综合智能涌现，最终得以大力提高组织的项目管理水平[43，53]。

1.3 重大工程项目管理复杂性相关研究

重大工程项目管理复杂性可从管理对象的复杂性和管理系统本身的复杂性两方面进行探讨。重大工程项目管理系统复杂性主要来源于它的组织复杂性[54]。由阿什比定律（Ashby）可知，复杂系统需要具备一个能够驾驭其复杂性的管理系统，重大工程同样需要一种与其相互适应的复杂管理系统——重大工程组织适应性系统，以此实现组织中多元能力的涌现[55]。Robertson等[56-57]根据复杂适应性理论把组织视为一种复杂适应系统（CAS），指出系统的适应性行为同时包含了组织行为和自组织行为两方面，并通过复杂适应系统理论探讨组织秩序中的“涌现”现象。一些学者在组织认知复杂性、结构复杂性和行为复杂性研究的基础上提出了组织适应问题的研究，吕鸿江等[58]研究得出，组织战略选择和组织演化受到组织相关主体的认知能力及组织适应性行为的重要影响。所以，要提高重大工程组织系统的适应性，组织必然要通过调整自身结构来应对内部和外部的复杂性问题。同时，人们也逐渐关注到在加入技术手段作为组织要素后对组织进行再设计的重要价值，如借助信息交流和通信技术，可以极大地提高被视为认知主体的组织的认知能力。因此，基于信息和网络技术发展而来的大数据技术也将为组织认知、结构与行为的复杂适应性问题的研究提供新途径[59]。

2 大数据技术下的重大工程组织系统集成

工程项目管理的发展一直紧密伴随着系统工程、现代管理理论和计算机技术的发展，而当今数字技术的发展促进了数字化信息在组织间的相互作用，有助于更加敏捷型组织的构建[60-61]以及组织系统的协同管理和综合集成，进而提升项目的交付质量。重大工程组织系统内外部的不确定性和条件的实时变化是实现其综合集成面临的主要挑战之一，而“大数据”既作为一门新技术，也作为一种全新的思维方式能为复杂工程实现组织系统集成提供一种新的研究范式[54]。大数据时代企业组织形式、产品制造流程以及同客户和供应商的交付方式均产生了很大变化，竞争也从企业间转向供应链，大数据环境也将促进企业间流程共享，即业务流程跨越了组织边界。所以，本研究借鉴跨组织流程的虚拟组织协同管理理念并结合集成项目交付组织结构形式，来实现大数据技术条件下的重大工程组织系统集成。

2.1 协同虚拟组织模式

重大工程的建设周期长、涉及的信息量大且参与者众多[53]。众多参与者往往将自身利益凌驾于工程整体利益之上，致使重大工程组织相比普通规模工程组织稳定性要差。然而，重大工程有着更加复杂的工程任务和紧张的工期，必然要求具备更为高效的组织系统。因此，重大工程组织所面临的重要挑战之一是如何集成众多参与者，形成跨越组织流程的松耦合战略联盟，协同一致并表现出更强的涌现性[55]。

跨组织流程是指企业之间形成松耦合、自组织网络，并向市场提供产品和服务的过程[62]。虚拟组织（VirtualOrganization，VO）是一种以信息技术为支撑的人、机一体化组织，它使分散的供应商、合作伙伴和团队不论何时何地都能通过启动共享软件从中央数据库获得需要的信息，并且相互之间可以进行产品分享和电子通信[43]。制造业中包含产品制造生命周期数据和产品制造标准的集成数据库系统是虚拟组织的核心。在制造业之后，虚拟组织的概念也被引入到建设行业中，形成虚拟建设模式[43]，并结合现代化的信息、通信、互联网等先进技术共同推进了组织结构的扁平化、管理方法的集成化以及管理手段的信息化和网络化[63]。虚拟组织的核心是学习型组织，这种战略联盟的组织形式促进了工程项目管理的发展。也即通过组织系统要素和子系统之间相互作用和相互协调实现组织模式创新，使组织系统涌现出整体大于部分之和的系统功能。该功能强调通过松散和柔性的组织结构对相应资源、技术、信息和知识进行有机结合，从而能够跨组织、开放式地处理系统的复杂问题[59]。虚拟组织相对于传统层级管理模式，在组织结构或制度规范方面更加灵活，在信息和资源共享方面也更加充分，从而具备了更强的组织适应性。大数据技术将使虚拟组织优势得到更大的体现：①跨地区、甚至跨国界的地理分布；②核心竞争力和资源优势互补；③实时信息通讯和知识共享；④扁平化组织模式及动态化战略联盟。

2.2 工程项目集成交付

除了系统内部结构的复杂性外，重大工程项目管理还受到如政策变化、需求差异和生态破坏等外部不确定性带来的广泛影响[64]。随着现代化管理步伐的加快，提出了一种更加灵活、快速地响应客户需求和项目目标的管理新方法，即敏捷项目管理[65]。敏捷项目管理强调组织、流程与技术的有机结合及综合集成，从而发挥出项目最佳的整体效益。盛昭瀚[66]提出，通过组织建设构建复杂工程综合集成管理模式以应付重大工程中日益复杂的管理问题。Levitt[65]指出，传统的项目管理模式不再适应当前建设行业技术变革和市场需求，尤其是针对如重大工程中更加复杂、动态的管理情境，需要更为敏捷性的项目管理过程，并由此提出了精益建造工程项目管理——集成项目交付。

集成项目交付（IntegratedProjectDelivery，IPD）伴随精益建造和集成制造理念发展而来，随之被引入到建设领域中并形成一种新的工程项目交付模式。美国建筑师协会（AIA）发布的IPD《集成项目交付指南》[67]对IPD进行了定义：将人力、体系、企业结构和实践经验整合为一个统一的过程，最大限度开发出参与者的才能和对事物的洞察力，在实现工程项目效益最大化及为业主增值的同时减少浪费。管理模式的不同也决定了契约结构的不同，而不同的合同关系也将形成与之相适应的组织模式。过渡的IPD 合同是咨询、设计和承包三方均单独与业主签订合同，咨询、设计和承包方彼此之间不存在合同关系；而IPD多方协议指工程参与方以多方协议的方式形成的一种契约结构，该模式下团队间合作等级有了进一步提高；革命式IPD 合同中存在一个各参与方基于SPE（Single Purpose Entity）形成的利益和风险共同体，将促进各参与方提前介入和密切配合[68-69]。

2.3 重大工程大数据代理服务组织模式

一直以来，IPD 主要依靠BIM 技术作为多主体协同管理的技术支持，力求通过BIM 达到跨组织边界的工程信息共享，这在一定程度上推动了项目管理模式的创新[69]。但BIM 主要呈现与设计建造、施工过程及建筑性能等相关的工程内部数据，而重大工程中蕴藏着体量巨大、分布广泛、动态演变、模态多样和关联复杂的数据资源，既涉及与规划、设计、合同、采购及施工等相关的内部数据，也涉及与环境保护、经济发展、移民搬迁等相关的外部数据；既包括用信息传感技术采集的工程物理数据，又包括基于网络的市场需求、民意诉求和舆论导向等虚拟社区数据。只有综合运用各种大数据相关技术才能充分挖掘出这些多源异构数据对重大工程的潜在影响，才能将表征重大工程技术、组织、资源和环境等异质要素进行有效集成并加以利用。

借助先进的数字信息技术，不同组织（企业）间可实现基于虚拟组织协同管理理念的技术共享、信息互通、风险共担和优势互补，可有效消除IPD 模式推广中技术单一、缺乏信任、责任不明、风险和收益分配不均等障碍因素，从而实现从规划、实施到使用阶段的重大工程全寿命周期组织系统集成。本文以不同合作等级的IPD合同形式为例，通过设置第三方代理运营大数据服务系统，形成一种基于大数据代理服务的重大工程组织系统集成模式。大数据代理服务可由政府指定，也可由工程参与方共同认定，变革式IPD合同形式中可由工程各参与方组建的利益风险共同体（SPE）来执行该角色。表2所示为3种合同形式下基于大数据代理服务的重大工程组织模式。

表2 重大工程大数据代理服务组织模式演化

在重大工程大数据代理服务组织模式下定义了组织进入的权限验证接口，基于合作关系的各方信息交流和分享权限以及组织结构中角色交互规范。图中实箭线表示信息的交流和传输路径和方向，连接各参与方与大数据代理；虚箭线表示参与方之间的原合同关系。不同参与方可以通过大数据服务系统中包含的如BIM、GIS、互联网、云计算、数据挖掘等数字化集成技术，进行基于合作关系的资源、技术、信息及知识的整合，实现组织协同管理。重大工程大数据服务系统由4个子系统构成，如图2所示，分别为各项目管理工作提供配套服务：①大数据分析系统；②集成式云数据库系统；③安全认证系统；④电子公文处理和信息交流系统。

大数据代理服务组织模式实现了不同组织间信息交流与知识共享，有助于消除“信息孤岛”，通过持续的数据收集、集成与挖掘获取更多有价值的信息及知识经验，它也被视为一种云资源，帮助数据实时分析和决策制定、合规性检查、资源计划调整、风险预测等，并最终形成重大工程项目管理知识联盟，为新的工程实践提供参照。

图2 重大工程大数据服务系统架构

在工程项目进行的不同阶段，一些参与方之间并没有建立契约结构的责、权、利关系，但因不同参与方提前介入项目管理流程，结合虚拟组织协同管理理念其关系可被视为一种业务关系，并依托大数据技术便能够形成一种松耦合、自适应组织系统，实现全寿命周期的供应链组织系统集成，以满足重大工程全寿命周期的决策管理与目标控制。大数据技术下重大工程组织系统集成管理服务流程架构如图3所示。

3 案例分析

上海中心大厦坐落于上海陆家嘴CBD 核心区域，占地面积约3万m2，总建筑面积达57.5万m2，主楼结构高度580 m，建筑高度632 m，由地上121层及地下5 层构成，总投资约人民币148 亿元，于2008年11 月29 日 开 工 至2014 年12 月31 日 竣工[70]。上海中心大厦作为一种超高层大型复杂项目，除了规模大、施工工艺复杂外，还具有参与主体多、统筹协调难度高、海量信息流通不畅等特点。如9大功能分区、7大结构体系，30多个机电及智能化子系统，聘请了30多家建筑结构、幕墙、机电和消防专业的顾问公司，同时还包括10余家基础和机械方面的专业分包队伍[71-72]。不同领域的专家和多类型的工种迫使项目管理中必须找到一种有效的协同机制。为此，上海中心大厦引入了以BIM 为基础多种数字技术结合的全过程管理。该项目的组织架构如图4所示。

为解决传统项目管理模式下由于信息不对称引起的“信息孤岛”现象，上海中心大厦建设项目建立了以BIM 等数字技术为基础的项目协同管理平台，形成了以建设单位为主导、参建单位协同参与的精益建造管理模式，如图5所示[70]。各参与方通过该管理平台形成了协同工作的环形架构，以保证组织间信息的实时交流及无缝管理，从而实现了项目信息在计划、实施、运营等项目全寿命周期中的无损传递和充分共享。

图3 大数据技术下重大工程组织系统集成管理服务流程架构

图4 上海中心大厦BIM 项目组织架构示意图

图5 基于BIM 等数字技术的精益建造管理模式

上海中心大厦建设项目基于BIM 等数字技术的精益建造管理流程架构如图6所示。首先，集成各种应用软件和数字信息技术以满足各阶段的不同需求，如通过协同设计和可视化设计来深化设计效果、提高设计效率；通过管线综合、现场实时监控、三维施工协调及四维施工模拟来实现对施工进度、质量和安全等目标的有效控制；通过资产管理和灾害应急响应等提升运营和维护水平。再次，基于专业的协同管理平台针对项目整体实施过程进行协调管理，提高了商务合约管理的可靠性，技术资料、实施方案的科学和合理性，以及各专业的信息沟通效率和协调管理能力。总之，该项目很好地实现了组织间的分工与合作，且展现了以BIM 及数字技术为基础的无边界虚拟组织发挥出的无缝对接协同管理的巨大优势。

图6 基于BIM 等数字技术的精益建造管理流程架构

4 结语

大数据技术正在重新定义业务流程、组织决策和企业管理的过程和方式，因为它开创了一个全新的管理范式来应对当前和未来的科学和技术挑战，所以大数据技术与思维方式也将推动传统的项目管理方式的变革。这种变化针对具有开放性、复杂性和社会性的重大工程尤为关键，例如，通过大数据技术可以实现复杂组织系统的智能涌现。

重大工程的管理复杂性主要来源于它的组织复杂性，而技术变革驱动下的组织系统复杂适应性研究有助于解决重大工程组织模式设计、组织绩效提升等方面的难题。本文在大数据时代背景下，通过系统的观点对重大工程组织系统内部的结构复杂性和系统外部的联系广泛性进行了分析，借鉴跨组织流程的虚拟组织协同管理理念，并以集成项目交付合同形式为例，提出了一种基于大数据代理服务的重大工程组织系统集成模式，试图实现组织系统的协同管理及技术、信息、组织和资源的综合集成，最终提高重大工程项目的交付水平。

国内一些比较先进的工程项目（如上海中心大厦）虽然并非采用集成项目交付的合同形式，但已逐渐开始引入集成交付理念和管理方法，即在项目公司成立之初就邀请各主要参与方提前介入到设计或施工方案的讨论之中。大数据技术目前在建筑业领域的应用还不太成熟，但基于大数据环境下的工程项目管理过程俨然已经发生，如上海中心大厦建设项目基于BIM 等数字技术的精益建造管理模式。所以，针对基于大数据的重大工程组织系统集成研究有助于项目管理精益化水平的有效提升。