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应用蒙特卡罗方法改进项目成本风险分析

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天津大学学报第35卷第2期2002年3月 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY Vo1.35 No.2 Mar. 2002 应用蒙特卡罗方法改进项目成本风险分析 郭 宇,刘尔烈 (天津大学管理学院,天津300072) 摘要:对以往用于项目成本风险分析的蒙特卡罗方法提出两点改进.通常在计算,噩马总成 本厦标准差时以成本分解蛄构为基础井采用模拟技末,谊文蹦以工作分解结构为基础进行,噩 马成本分析4取往蒙特卡罗法应用时未能适当考虑或未能高垃计算各成本要素的相互依赣关 系.谊文剐采用共同风险因素衡量吝成皋要素之间的相互依赖程度.从而提供一种进行,噩马 成本风险分析的直接且有垃的方法. 关建词:成本风险}风险分析{蒙特卡罗方法;相互依赖关系 中暖分类号:F407 9 文献标识码:A 文章编号:0493—2137(2002)02—0199—04 项目成本风险是在给定项目条件下,项目实施期 使一个简单的工程项目也拥有100多个成本要紊.通 内可能产生的成本变动.英国雷汀大学建筑管理工程 过逐项调查确定二要紊之问的依赖程度就会变成一项 系教授Steve J Simister在1992年进行的一项风险分 令人望而生畏的工作. 。 析模型技术应用方面的调查表明,蒙特卡罗方法是应 为了解决上述两个问题,在本文中,以工作分解 用最为广泛的风险分析方法之一 lj. 结构为基础进行项目成本分析,并通过各成本要紊之 通常在应用蒙特卡罗方法进行项目成本风险分 问的共同风险因紊反映它们内部的相互依赖关系. 析时,会以成本分解结构(Cost Breakdown Struclure) 为基础,即项目的总成本被直接表示为各个不同的成 1 项目成本 本要紊之和.实际上,项目的进度是以每项工作的完 成来推动的,即项目的实施是建立在工作分解结构 为便于项目实施,需要将一个项目分解为若干个 (Work Breakdown Structure)之上的,因而,以成本分 工作,本文用工作包模型计算项目成本 .该模型首先 解结构为基础的项目成本管理方式在项目实施过程 确定工作分解结构下各工作对应的成本项及各成本项 中,不能直接对项目的各项工作成本进行有效控制. 对应的成本要紊,然后计算出每个工作的成本,最后得 另一方面.在早期的项目成本风险分析研究中各 到整个项目的成本,用公式表示为 成本要紊之间的依赖关系被忽略.越来越多的人逐渐 认识到,忽略各成本要紊之间的依赖关系将导致对风 C.=∑(x X2 +X X +X X ) (1) 险程度的低估[2].Touran认为,项目成本由相互 C (2) 的成本要紊与相互依赖的成本要紊组成,并假定相互 依赖的成本要紊服从联合对数正态分布 ,从而降低 式中:e为工作i的成本;m,为工作 对应的成本项数{ 了由忽略各成本要紊之间的依赖关系引起的偏差.但 n为项目的工作数;x., 为工作 中第户项成本项对应 实际操作中不难发现,在缺乏历史资料的情况下,即便 的工程量{x , 为人工单价即员工完成每工程量的价 是对蒙特卡罗方法有深刻了解的工程师也很难直接用 格{x 为机械单价即机械完成每工程量的价格}x 一个具体的数字来评价某二要紊之问的依赖程度.从 为材料单价. 另一个角度考虑,对一个拥有一百个成本要紊的项目 项目的实际工程量通常与概预算工程量有明显 进行分析时将会形成一个100×100的依赖关系矩 差别,特别是一些大型或复杂项目,人工单价、机械单 阵,这样才能确定各要紊之间的依赖程度一实际上,即 价和材料单价受市场因紊影响很大,因此工程量、人工 收稿日期;2001—09—14. 怍奢1l介t韩宇(107B一 ),女,硬士 维普资讯 http://www.cqvip.com

・200・ 天津大学学报 2002年 第35卷 第2期 单价、机械单价和材料单价这4组成本要素被认为是 及该共同风险因素的分布. 随机变量.由此各工作对应的成本亦为随机变量,因其 在各变量的边缘分布均已知的情况下,可以采用 为以上4组随机变量的函数. Copulan 确定x 、xz x31p,X 与其相应共同风险 因素的二维联合分布.Copula是边缘分布为[0,1]上 2 项目成本要素的相互依赖关系 均匀分布的二维联合分布.以x 与其共同风险因素 x 为例利用Copula抽样.首先通过Copula抽取一个 实际中陶为工程量、人工单价、机械单价和材料 二维随机样本,然后通过适当的转换将该样本变为已 单价这4组成本要素之间不存在相互影响,所以它们 知其边缘分布的x...和x..因为根据方程(1)和(2) 之间相互.下面分析每组成本要素内部的关系. 进行项目成本风险分析时,不需要x 的值,所以利用 工程昔这组成本要素内部存在相互依赖关系,例如.混 Copula进行分析的一个好处就是不需要知道共同风 凝:t工程与楱板工程的工程量存在蔽赖关系,需要浇 险因素的边缘分布.也就是说,在抽取一个二维随机 往的混凝土越多,则需要使用的模板也越多.同样,人 样本后只需将与x...对应的分量做适当的转换即可. 工单价、机械单价和材料单价各组成本要素内部都存 可以用来确定x 与x.联合分布的单参数 在类似的相互依赖关系. Copula包括一族分布函数.当参数确定之后,就需要 2 1 共同风险因素 从这族函数中确定一个.推荐使用由Cooke和Waij提 共同风险因素指一组成本要素共同拥有的影响 出的对角带分布(diagonal band distribution) .使用 因素.在工程量这组成本要素中,共同风险因素就是 该分布的优点是;1)通过该分布可实现高效抽样;2) 总工程量x .具体地说就是工程本身规模的大小.当 该分布参数易于理解且易于获得.图2描述了由变量 工程规模较大时,工作中各成本项对应的工程量必定 D(“, )形成的二维对角带分布.其中“、 为[o+1]上 较大,同时工作中各成本项对应的工程量与总工程量 均匀分布的随机变量.用u标记x.的边缘分布函数, 『F相关.同样地,社会平均人工单价x 为人工单价的 标记x 的边缘分布函数.显然U(X.)和V(x…) 共 风险因素;社会平均机械单价x 为机械单价的共 是[0,1]上的函数.用州幂记对角带分布的参数.分布 同风险因素;社会物价指数x 为材料单价的共同风险 函数的密度函数如下所示: 因素.共同风险因素x 与其相应成本要素的关系如图 l所示. :』l ’ l  一), 3IX 由图2可知,0=0说明“和 相互;0一l说 雷1 共同风险因素与其相应成本要素的相互美系 Fig.】 Correlations b“ween common risk factors and their corresponding cost ingredients ●..1 _I 2区 2.2 共同风硷因素与相应成本要素联合分布 , 3区 首先,工程量、人工单价、机械单价和材料单价之 4IX — 5区 间相互,则它们分别对应的各共同风险因素也相 互;其次,当采用共同风险因素这一概念后,工程 量等4组成本要素内部的相互依赖关系表现为各成本 圈2对角带分布示意 - 要素与其相应共同风险因素的相互依赖关系,同时各 Fig.2 Biv ̄triate diagonal band distribut[on 组成本要素之间保持相互.也就是说,下一步需 要确定各成本要素与相应共同风险因素的依赖关系以 明 和 相同 0< <1说明 和 相互依赖.利用对 维普资讯 http://www.cqvip.com

天津大学学报 郭 宇等:应用蒙特卡罗方法改进项目成本风险分析 ・201・ 角带分布进行抽样很容易实现,抽样过程如下: x 对其在一定程度上起决定作用,这与0<0<1吻 第一步,在[O,1]均匀分布上抽取样本 合. 第二步,在[o,1]均匀分布上抽取样本 ; 由以上的分析,可以得出本文方法的实际操作步 第三步.d一“一1+0.6一“+1—0; 骤如下: 第四步.口=(6一 )×口 . 第一步,得出建立在工作分解结构基础上的成本 接着讨论如何确定参数0.由前面的分析可知x 项; 第二步,在[O,1]均匀分布上抽取“和 的样本 与x 成正比.同时,x...在 X"中所占的比例越 一i 值,然后利用式(3)和式(4)算得 的样本值; 大,由其引起总成本的不确定程度也越大.因此.与 第三步,将 转换为已知边缘分布的x …x X 、X . X 对应的参数0可由其在∑X 中的比例决 … 第四步,利用式(1)和式(2)算得项目总成本. _ 定.X ..为0时,它不引起∑X 的变化,此时』Y...对 第五步,利用蒙特卡罗方法算得项目总成本的标 —i 准差. 其没有影响作用・这与 =。相吻合;x¨- x 3 案例分析 时,它的变化完全决定苫x 的变化,此时 一对其起 用一个建筑工程寨例说明如何用本文的方法进 完全决定作用,这与 =・吻合;。<x...<奎x p=/霉 赀 篙专凳 时.它的变化在一定程度上引起壹x, 的变化.此时 该工程的网络计划・表 给出了该工程的有关数据・ 一层 基础 层模板 一层钢筋 一层模板混凝土浇注一层砖培一层地而一层抹恢 屋而 (a {c.)(b0 {c:) {d ) (e ) IC) ) {h) o .H()-__I(卜+o— =)_—..(二)_+o— o—’o—+◇——C卜— 混 注L—()_ — 一层砖培 一层地而 一层抹垭 (e.) 【 ) -) 圉3 案例工程的网络计划 Fig.3 Project network of the example building 裹1 案例工程的有美数据 Tab.1 Related information for the example project 项目 工 程 量 人 工 单 价 机 械 单 价 材 科 单 价 H/¥ H/¥ H/¥ H,¥ 】0 a 11 O 0 07 o.028 0 0 O2O l3.0 0.06 0.037 94.0 0.06 1 0 0】8 bl 1_4 0 10 o.004 0.053 1.0 D_05 0.Ol2 583.0 5.0 o.06 0.0l3 0.295 29.0 0.13 D_360 162O.0 0.1l }0 312 dl 34.O 0.05 0.087 0]97 2.9 0.12 0.036 l60.0 e 13 O O 06 0.033 O O24 3.6 0 06 0.044 】】0.0  l47 o o 07 0 l2l 0 O0S 0.7 n.03 0.009 20.0 g1 24.0 0.07 0.062 0.Oll 1.5 0 n} 0 0l9 4 b. 1 0.1l 0.O09 b2 】4 O 1 0 0 004 0 O5 3 1.0 n 2 0 0l2 5SS.0 0.14 0.113 c j O 0 05 .01 3 0 29i 29 0 0 OS 0 360 1 620.0 0.1l 0.3l3 d 34 0 O.07 0 087 n O0 2 9 0 09 0 03S l60.0 C: 13 0 0 04 .033 3 023 3 6 0 08 0 045 l】0 0 0.08 0.021 f2 47 0 0 09 0.12l n O0 B 0 7 0 ll L’00q 20 0 g! Z4 0 0 07 0 061 ・0il .5 0 n9 0 Oi9 6 0 h 】3O 0 0 04 0 33 0 O0l 0 l5 0 05 0 O0 2 4 6 0 13 l 0 001 维普资讯 http://www.cqvip.com

・202・ 天津大学学报 2002年 第35卷 第2期 该案例以工作分解结构为基础进行项目成本风 险分析.所有的工作包括l4项:基础、一层钢筋、一层 模板、一层混凝土浇注、一层砖墙、一层地面、一层抹 结果为依据,对每项工作进行成本控制;另一方面适当 地考虑了成本要素的依赖关系,并提供了一种在考虑 成本要素依赖关系下计算成本风险的新途径. 参考文献: [1]干九如.投资项日风险分析[M].北京:机械工业出版 社、1999. 灰、二层钢筋、二层模板、二层混凝土浇注、二层砖墙、 二层地面、二层抹藏、屋面.在该案侧中每种工作对应 的成本项数为l,即P—1. 表1中工程量、人工单价、机械单价和材料单价被 [2] Vose D.Quantitative Risk Analysis-A Guide to Monte 认为是服从正态分布的随机变量,其期望值Ⅳ及标准 差系数K由对同类工程的统计得出,如表1所示.同时 Carlo Simulation Modeling[M].New York Wiley- 列出了0值. 1 996. [33 Wouran A.Probabilistics cost estimating with subjective 根据巳知各项参数用蒙特卡罗方法进行抽样.经 correlations EJ:.Journal of Construction Engineering and 计算得到项目总成本标准差为人民币161 632元,标 Management,1993,119(1) 58—71- 准差系数为3.63%;而不考虑各要素之间的相互依赖 [42 Rasdorf W J.Abudayeh 0 Y.Cost and schedule control 所得项目总成本标准差为人民币1 50 379元,标准差 integration:issues and needs[J]-Journal of Construction 系数则为3.3O .对比之下,第二种算法显然降低了 Engineering and Management-1 991-l1 7(3) 486— 项目成本的风险程度. 501. 5]Genest C.Mackay J.The joy of Copulas,hivariate dislri— 结 语 butions with uniform marginals[J].The American Statis— tician,I 986、40(4)z 280 283 以工作分解结构为基础采用共同风险因素概念 [61 Cooke R M.Wai J R.Monte Carlo Sampling for g6neria— lized knowledge dependence・with application to human 的分析方法是进行项目成本风险分析的有效方法.使 reliability[J].Risk Analysis,1986,6(3):335—343. 用这种方法.一方面可以直接以项目成本风险分析的 Two Improvements in Risk Analysis for Project Cost Using Monte Carlo Methods GUo Yu,I IU E卜Ii0 (School of Management,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Ahstract:Two improvements in risk analysis for project cost using Monte Carlo methods are presented in this pa_ per The computation of project cost usually begins with the COst breakdown structure and uses the simulation meth0d t0 estimate the variance 0f the project cost.However,the execution of a project is based on the work breakdown struclure.n0t 0n the cost brealdown structure.2"0 overcome the limitation,this paper calculates the project cost and its vat,lace on the base of work breakdown structure.On the other hand,one serious methodologi— cal flaw 0f most Monte Carlo methods is the assumption of statistical independence of cost ingredients or calculat・ ing the correlations inefficiently.To win through this problem—common risk factors are used in this paper to evalu— ate the correlations of the cost ingredients. keywords:COSt riskl risk analysis;Monte Carlo methods;correlation 

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