A Review of Resource Allocation Optimization Research for Project Group Considering Multi-Objective Constrains
Resource allocation, as one of the key means of project management, can effectively optimize problems such as frequent resource competition and poor achievement of overall goals in project group management. A review of research on resource allocation optimization for program considering multi-objective constraints is carried out. The article first reviews the connotation, objectives, and resource allocation methods of project group management, analyzes the types of project group resources and the particularity of human resources, and then focuses on the multi-objective scheduling problem of resource constrained multi projects. It sorts out different objective functions and solving algorithms, especially the application of metaheuristic algorithms. Finally, the importance of considering uncertainty and human resource dynamics in project execution was summarized, and the future needs to further explore resource allocation strategies under uncertainty conditions, as well as the impact of generic research and development on resource optimization, in order to achieve more effective resource utilization and project goals.
Project Group Management
为适应全球政治、经济形势以及社会需求的快速变化,也为企业今后可持续发展奠定坚实的基础,企业需由单项目管理向项目群管理的转型。研究表明,超过80%的企业采用多项目环境来执行工作,并在不同项目间共享资源
项目群管理发展可以追溯到20世纪80年代,由PMI成员提出,项目群管理强调的是项目的关联性和协作性,需要协调不同项目之间的关系,将多个项目及其要素有机集成并系统化,确保整个组织的战略目标得到实现
常见的与项目群管理含义相近的概念还有多项目管理与项目组合管理,它们在内涵与理论层次有异同,同时也相互关联
工程项目群的目标包括:满足多个项目的共同资源约束、实现多个项目的共同目标战略和产出多个项目所具有的共同功能产品。对应于工程项目群的目标,工程项目群类型可以划分为面向战略型、面向资源约束型和面向产品型三种。本文研究的重点是面向资源约束型的项目群管理。
资源受限的项目调度问题,即RCPSP (Resource Constrained Project Scheduling Problem),作为一个典型的NP-Hard问题,始终项目管理执行层与运筹学研究领域关注的焦点。基于RCPSP的资源受限多项目调度问题RCMPSP (Resource Constrained Multi-Project Scheduling Problem)自20世纪70年代提出后,引起学术界与产业界的广泛关注
对于不同的项目,有的管理者更偏向于按时完工,有的更偏向于成本控制,也有管理者更偏向于其他目标。正因为管理者不同的目标追求,才会有多目标问题的出现,一般的文献是考虑双目标或三目标。刘万琳等学者,从承包商企业的整体收益最大化立场出发,假设可从外部获得共享资源,并以净现值(NPV)最大化为目标,构建了一个针对分散式多项目调度的整数规划模型,其中共享资源受到柔性约束;经过求解和实验验证,该模型的有效性得到充分证实
综合以上国内外文献情况,资源受限项目调度多目标问题研究主要考虑工期、成本、鲁棒性、工作均衡,员工技能增长率等目标函数,见
序号 |
目标 |
举例 |
1 |
工期 |
最短项目工期 最小项目拖期 |
2 |
成本 |
最小资源成本 最大项目净现值 最小延期惩罚成本 |
3 |
鲁棒性 |
最大项目计划鲁棒性 最小项目计划风险 最高交付质量 |
4 |
均衡度 |
最小员工工作量偏差 最佳项目间技能均衡 |
5 |
技能增长度 |
最大人力资源技能增量 最佳员工学习效果 |
项目群管理旨在最大程度地提高企业战略性整体利益,传统的项目管理仅针对单个项目,而项目经理仅负责其所在的项目,其视角被限制在了自己管理的项目中,每个项目都希望能获取尽可能多的资源来实现项目的成功,产生了资源的争夺,这样一来往往只能实现某个项目的利益最大化而不利于整体效益最大化,同时也会加剧不同项目或者不同部门间的冲突,最终导致资源不足和进度安排不合理。从项目群管理的视角出发,Suvi Elonen实施了调查,旨在评审当前企业在项目群管理中遇到的问题,并对影响因素按重要性排序。调查结果显示,“不合理的资源分配和资源短缺”问题以24%的比例位列第二重要因素。由此可见,梳理项目群资源类型、特点,并优化项目群资源调配的需要已迫在眉睫
RCMPSP的资源按照作用域分为本地资源与全局资源,又称私有资源与共享资源。私有资源为某个项目独享资源,在实际的项目群实践中,鉴于全局资源的可共享特征和有限的供应状况,各个子项目对这些资源的需求和争夺显得尤为激烈,这使得有限的全局资源成为约束各子项目达成业务目标的关键因素
在众多项目资源中,人力资源是相对特殊的柔性资源,因为人的技能可以是复合的(多技能工),能胜任不同工种与任务;也可以通过学习培训等渠道,完成技能掌握面的提升;同理,技能也会被员工遗忘,甚至员工也会调动或离职。
划分依据 |
类型 |
举例 |
作用域 |
私有资源 |
单项目独享的人、机、料、信息等资源 |
共享资源 |
项目群共享的人、机、料、信息等资源 |
|
能否更新 |
可更新资源 |
设备、人力、信息资源等 |
不可更新资源 |
资金、原材料等 |
|
复合度 |
柔性资源 |
能胜任不同技能、任务的设备、设施等,如多技能员工,综合加工车间 |
非柔性资源 |
只能完成单一任务的人力、设备、设施等 |
陆志强等在分析企业中人力资源技能短缺对项目进度和资源分配产生的影响时,提出了创新策略:通过柔性技能升阶的项目组合优化调度,实现了项目任务安排与人力资源培养的集成建模研究。该方法在满足生产需求同时,以更低的成本和更快的速度培养出符合要求的柔性人力资源
根据对文献的总结,目前RCMPSP的求解方法主要分为三种(见
序号 |
类型 |
举例 |
说明 |
1 |
精确算法 |
分支定界法、分解(列生成、行生成)、动态规划 |
不适用于大型项目 |
2 |
启发式算法 |
串行调度生成方案(SSGS)、并行调度生成方案(PSGS)、优先规则 |
算法逻辑直观,但求解效率较差 |
3 |
元启发式(智能)算法 |
遗传算法、粒子群算法、模拟退火、禁忌搜索、蚁群算法等 |
对项目调度求解效果较好,求解算法研究领域重点对象 |
类似于调度目标中,比单项目多了一个整体协同目标,基于优先级规则PR (Priority Rule)的RCMPSP的求解过程一般需要先基于战略层与策略层制定的优先级评价体系,确定多项目中各项目的优先级。然后使用基于优先级的启发式算法,如关键路径法CPM,关键链法CCM,还有智能优化算法(或者它们的变种及组合),与其他创新方法,对多项目计划进行调度寻优。Kanchan Rajwar
元启发的概念是通过模仿自然现象或生物行为来创建算法来解决优化问题
算法 |
参数 |
关键操作 |
应用领域 |
优缺点 |
PSO |
5 |
粒子位置和速度更新、个体极值和全局极值更新 |
神经网络训练、模式识别、工程优化问题 |
快速收敛,适合于连续空间的优化问题;平衡了全局和局部搜索;对于离散问题需要特殊处理 |
GA |
3 |
选择、交叉、变异、适应度计算、新一代种群生成 |
函数与组合优化、神经网络训练 |
较强全局搜索能力,适用于复杂和多峰问题,但容易陷入局部最优 |
ACO |
5 |
信息素的沉积与挥发、路径选择与更新 |
旅行商(TSP)、车辆路径(VRP)、物流调度等问题 |
信息素的正反馈机制利于找到全局最优解;收敛速度慢,大规模问题消耗资源多 |
SA |
2 |
解的生成、能量计算、接受准则 |
移动网络分配、柔性制造系统与路径规划等 |
控制温度参数平衡全局搜索和局部开发;收敛速度依赖于精心设计的冷却计划 |
针对项目群多目标调度,选择元启发式算法时,需要考虑问题的特性,包括规模、优化目标、解空间结构等。对于具有多个峰值的复杂优化问题,拥有较好的全局搜索能力的遗传算法和蚁群算法可能是较好的选择。而对于需要快速收敛和简单实现的问题,粒子群算法可能是一个有效的选择。
何华等在共享可更新与私有不可更新双重资源约束下,以净现值(NPV)最大化为调度目标,通过构建其优化模型并设计三层嵌套的禁忌搜索启发式算法进行求解,实证了其相对原生禁忌搜索算法的先进性
1) 更为贴合项目运作实践
项目群调配决策变量的不确定性的考量,项目计划的鲁棒性的优化,柔性人力资源技能对生产过程与结果的重要度,以及不同工序多种可能执行模式对调配结果的影响等,正在被越来越多的研究者关注
2) 更为符合社会发展需要
传统的工程项目优化问题多为单目标优化问题,由于现代项目的复杂性和不确定性,要实现项目群管理的改进,必须同时考虑多个不同的因素与目标,而它们之间甚至存在彼此冲突的关系。越来越多的研究者开始从同时优化期望的多目标的角度来尝试多项目改进,即多目标优化。但以往使用最多的是那些与经济方面或项目完成时间相一致的目标,而不强调产生对自然友好的生产过程资源使用
综合项目群内涵、管理与调度目标、资源类型与人力资源调配、多目标调配与求解方法等四方面系统梳理国内外研究成果,做出如下评述:
1) 目前国内外关于项目群资源调度优化的研究已经取得了一定的成果,关于柔性人力资源的调配优化亦愈发受到重视,但当前大部分的研究都是假定项目中每项任务的持续时间是确定值的前提下构建模型并求解的。以软件项目群为例,软件作为一种高度定制化的知识型产品,与普通的工业产品依靠机械的重复工作不同,其研发主要依赖于软件工程师的脑力劳动。而软件工程师作为一种具有动态性和不确定性的非物质资源,很难将其视为传统调度问题中的机械资源进行调度分配
2) 现有的项目群人力资源调配研究中,都约定了同一时段内员工只能使用某种技能,参与某一个任务,虽允许人力资源在不同工序、不同子项目间调配,但基本不考虑人力资源在技能、工序、项目间切换,转移时的成本
3) 现有的项目群资源调配文献中,部分学者已经着手研究通过搭建基础方案与产品平台,实现共性化研发与技术复用,辅助项目群的资源调配优化