機(jī)械設(shè)備的全生命周期費(fèi)用分析估算方法

劉　俊　沈　炎

[摘要]機(jī)械設(shè)備的全生命周期設(shè)計(jì)是多學(xué)科融合的綜合科學(xué)，涉及許多新興學(xué)科和現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)。探討機(jī)械設(shè)備全生命周期設(shè)計(jì)概念和思想、主要研究?jī)?nèi)容和涉及的學(xué)科前沿課題。機(jī)械設(shè)備全生命周期費(fèi)用分析估算是一個(gè)復(fù)雜的過程，它是機(jī)械設(shè)備全生命周期設(shè)計(jì)的重要前提和保證。識(shí)別與分類、數(shù)據(jù)收集和費(fèi)用的結(jié)構(gòu)分解、分析和建模以及報(bào)告和決策是全生命周期費(fèi)用的四個(gè)分析過程，而這四個(gè)過程是一個(gè)循環(huán)迭代的過程。模型準(zhǔn)備、模型假設(shè)、模型的建立、模型求解、模型的分析、驗(yàn)證、模型的修改是建立模型的一般程序。在不同的發(fā)展階段給出了費(fèi)用分析估算應(yīng)采取的方法：參數(shù)費(fèi)用方法、工程費(fèi)用方法、類比費(fèi)用方法、外推費(fèi)用方法、仿真模型方法及綜合分析估算法。

[關(guān)鍵詞]全生命周期機(jī)械設(shè)計(jì)費(fèi)用分析估算方法

中圖分類號(hào)：TH－9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597(2009)0210105－02

一、機(jī)械設(shè)備生命周期設(shè)計(jì)

生命周期設(shè)計(jì)(Life Cycle Design，LCD)，通常也稱綠色設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、生態(tài)設(shè)計(jì)或環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)備生命周期設(shè)計(jì)是在設(shè)備整個(gè)生命周期內(nèi)，著重考慮設(shè)備環(huán)境屬性(可拆卸性、可回收性、可維護(hù)性、可重復(fù)利用性等)，并將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在滿足環(huán)境目標(biāo)要求的同時(shí)，保證設(shè)備應(yīng)有的功能、使用壽命、質(zhì)量等。

對(duì)于機(jī)械設(shè)備的生命周期設(shè)計(jì)來說，設(shè)備生命周期一般包括以下幾個(gè)階段：(1)原材料獲取階段；(2)設(shè)備的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造階段；(3)設(shè)備的分配和使用階段；(4)設(shè)備維護(hù)和服務(wù)階段；(5)報(bào)廢淘汰設(shè)備的回收、重用及處理處置階段。

機(jī)械設(shè)備的生命周期設(shè)計(jì)是在其整個(gè)生命周期內(nèi)，在不同層次上進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的一個(gè)過程，而掌握環(huán)保知識(shí)的設(shè)計(jì)人員是整個(gè)生命周期設(shè)計(jì)的主體，機(jī)械設(shè)備生命周期設(shè)計(jì)的過程是：需求分析提出設(shè)計(jì)要求概念設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)施。而生命周期設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的對(duì)比如表1所示。

二、機(jī)械設(shè)備全生命周期費(fèi)用分析過程

機(jī)械設(shè)備的全生命周期費(fèi)用分析過程是實(shí)施全生命周期費(fèi)用分析的基本程序，它主要包括4個(gè)方面：識(shí)別與分類、數(shù)據(jù)收集和費(fèi)用的結(jié)構(gòu)分解、分析和建模以及報(bào)告和決策。而每個(gè)方面包括多個(gè)步驟，這些步驟包含了若干個(gè)任務(wù)。整個(gè)過程反復(fù)循環(huán)，任何項(xiàng)目都可能需要重復(fù)多次。

三、機(jī)械設(shè)備費(fèi)用估算模型建立的一般程序

要進(jìn)行機(jī)械設(shè)備壽命周期費(fèi)用分析，必須建立其全生命周期費(fèi)用模型。通常，建模遵循以下步驟：

1．模型準(zhǔn)備。在建模前應(yīng)對(duì)實(shí)際問題的背景有深刻的了解，進(jìn)行全面細(xì)致的觀察、調(diào)查、研究，明確建模的目的，掌握對(duì)象的各種信息，弄清實(shí)際對(duì)象的特征，并且收集必要的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)要符合所要求的精度。

2．模型假設(shè)。根據(jù)實(shí)際對(duì)象的特征和建模的目的，對(duì)問題進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，首先抓住主要因素，暫不考慮次要因素，將問題理想化、簡(jiǎn)單化。理清變量之間的關(guān)系，并用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行必要的假設(shè)，但要注意的是：不同的假設(shè)會(huì)得到不同的模型，這一步是建模的關(guān)鍵。如果假設(shè)合理，則模型與實(shí)際問題較吻合，如果假設(shè)不合理或過于簡(jiǎn)單(即過多地忽略了一些因素)，則模型與實(shí)際問題不吻合或者部分吻合，就要修改假設(shè)，修改模型。

3．模型的建立。根據(jù)所做的假設(shè)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，建立各個(gè)量之間的數(shù)量關(guān)系，列出表格，畫出圖形，確定數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。

4．模型求解。利用已知的數(shù)學(xué)方法來求解模型。在模型求解前后，應(yīng)該反復(fù)檢查各種運(yùn)算式和數(shù)據(jù)輸入點(diǎn)，要確保運(yùn)算式和數(shù)據(jù)輸入的準(zhǔn)確性，并且要把輸入的數(shù)據(jù)和運(yùn)算式都記錄下來，寫成文檔。

5．模型的分析、驗(yàn)證。一個(gè)模型是否反映了客觀實(shí)際，可用已有的數(shù)據(jù)去驗(yàn)證，如果由模型計(jì)算出來的理論數(shù)值與實(shí)際數(shù)值比較吻合，則模型是成功的；如果理論數(shù)值與實(shí)際數(shù)值差別太大，則模型是失敗的；如果理論數(shù)值與實(shí)際數(shù)值部分吻合，則可找原因，發(fā)現(xiàn)問題，修改模型、但實(shí)際上也并非所有的模型都必須驗(yàn)證，這一點(diǎn)也是值得注意的。

6．模型的修改。因?yàn)閿?shù)學(xué)問題往往比較復(fù)雜，且由于理想化拋棄了一些次要因素，因此模型與實(shí)際問題就不完全吻合。此時(shí)。要分析假設(shè)的合理性，將合理的部分保留，不合理的部分修改，對(duì)實(shí)際問題中次要因素再次分析，如果某一因素被忽略而使前面的模型失敗或部分失敗，則再建立模型時(shí)把它考慮進(jìn)去。有時(shí)可能要去掉一些變量，改變一些變量的性質(zhì)，如把變量看成常量，連續(xù)變量看成離散變量，離散變量看成連續(xù)變量；或者改變變量之間的函數(shù)關(guān)系，如線性改為非線性。

四、機(jī)械設(shè)備的全生命周期費(fèi)用分析估算方法

機(jī)械設(shè)備全生命周期費(fèi)用分析估算方法是尋求分析預(yù)估完成機(jī)械設(shè)備項(xiàng)目所需資源(人、材料、設(shè)備等)費(fèi)用近似值的手段和技術(shù)。它體現(xiàn)了過去經(jīng)驗(yàn)與未來應(yīng)用之間的關(guān)系。費(fèi)用分析估算方法分為兩類：一般分析估算法和綜合分析估算法。一般分析估算法有參數(shù)費(fèi)用法、工程費(fèi)用法、類比費(fèi)用法、外推費(fèi)用法、仿真模型法等；綜合分析估算法是根據(jù)項(xiàng)目費(fèi)用發(fā)生的規(guī)律，結(jié)合一般分析估算法的特點(diǎn)而形成的方法。

(一)參數(shù)費(fèi)用法

參數(shù)費(fèi)用法(Parametric Cost Estimating)是在建立費(fèi)用模型時(shí)最為廣泛采用的方法。它運(yùn)用過去的資料制定物理的、性能的、費(fèi)用的適當(dāng)參數(shù)和各個(gè)子系統(tǒng)費(fèi)用之間的關(guān)系式。運(yùn)用這種關(guān)系式求出新的子系統(tǒng)費(fèi)用，然后綜合起來估算全系統(tǒng)的費(fèi)用。用到的參數(shù)有時(shí)間、重量、性能、費(fèi)用等。

但是，參數(shù)費(fèi)用法建立的費(fèi)用模型反映過去費(fèi)用發(fā)生的規(guī)律，如果時(shí)間跨度過大或推廣到不同的部門，由于文化差異、時(shí)間差異等可能導(dǎo)致誤差較大。一般在應(yīng)用一個(gè)模型之前，應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，使其能夠模擬本公司型號(hào)設(shè)備費(fèi)用的發(fā)生情況，適應(yīng)預(yù)測(cè)的要求。

制約我們采用參數(shù)法進(jìn)行估算的一個(gè)主要因素是需要足夠的歷史數(shù)據(jù)，特別是能代表具體設(shè)備產(chǎn)品技術(shù)及研制生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)據(jù)，這是一個(gè)較難解決的問題。一般認(rèn)為參數(shù)費(fèi)用法適用于方案論證階段或系統(tǒng)早期的概念性研究階段，用以系統(tǒng)多方案的經(jīng)濟(jì)比較分析和快速報(bào)價(jià)。

(二)工程費(fèi)用法

工程費(fèi)用法又稱工業(yè)工程法(Industrial Engineering Cost Method)。它將整個(gè)系統(tǒng)分解為各個(gè)子系統(tǒng)和組成部分，按性能等參數(shù)逐個(gè)分別進(jìn)行費(fèi)用分析估算，然后將結(jié)果累計(jì)起來，便可求出總費(fèi)用估算值。

這種方法要求被估算的方案和各分系統(tǒng)的技術(shù)方案已經(jīng)細(xì)化，即比較具體，分系統(tǒng)分解的越細(xì)，則估算費(fèi)用的數(shù)量越大，工作量也越大，估算的費(fèi)用也越精確。

工程費(fèi)用法的特點(diǎn)是“自下而上”地估算費(fèi)用。該法從檢查和確定系統(tǒng)最底層的工作單元開始，利用工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)自下而上的逐項(xiàng)計(jì)算費(fèi)用。所謂的工作分解結(jié)構(gòu)，是一個(gè)以系統(tǒng)為中心的層次體系，由硬件、軟件、服務(wù)和資料組成。通過WBS，可以基本上確定研制一種設(shè)備型號(hào)的各個(gè)

具體項(xiàng)目。將WBS中每個(gè)工作單元的費(fèi)用累加起來，便得到該型號(hào)設(shè)備的總費(fèi)用。

(三)類比費(fèi)用法

類比費(fèi)用法(Analogy Cost Method)是參照過去已有的相似系統(tǒng)或相似系統(tǒng)的某些“部分”，作類比后得出的估計(jì)值。它往往應(yīng)用在新的系統(tǒng)開發(fā)研究的初期階段，且往往是參數(shù)費(fèi)用法和工程費(fèi)用法不能采用時(shí)才用此法。通過此法得出的費(fèi)用，是建立在與過去類似的系統(tǒng)研制項(xiàng)目規(guī)模和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比的基礎(chǔ)之上的。類比的方法有兩種，一種是將正在研制的設(shè)備直接與具有同樣特征的類似設(shè)備進(jìn)行比較，并分析估算其費(fèi)用；另一種是將正在研制的設(shè)備與具有相同費(fèi)用特征的不同設(shè)備進(jìn)行比較，并分析估算其費(fèi)用。類比費(fèi)用法要求分析估算人員具備相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)和專門的知識(shí)。由于時(shí)間存在過去和將來差別，還必須考慮通貨膨脹的影響，以及現(xiàn)實(shí)的具體情況。

(四)外推費(fèi)用法

外推費(fèi)用法(Extrapolation Cost Method)是從類比費(fèi)用法發(fā)展而來的。與類比費(fèi)用法相似，外推法的不確定性取決于在研制新設(shè)備和它的原設(shè)備之間不同技術(shù)特性的估計(jì)，以及這些技術(shù)差異導(dǎo)致的費(fèi)用之間的差別。在絕大多數(shù)情況下，只要存在某些可靠的費(fèi)用數(shù)據(jù)，外推法將比其它估算方法可能得到更好的費(fèi)用估算結(jié)果。這是由于原準(zhǔn)同類設(shè)備總是比歷史上的任何其它類似設(shè)備更接近于在研的型號(hào)設(shè)備。在研型號(hào)設(shè)備和原準(zhǔn)設(shè)備的特性越接近，費(fèi)用估算的不確定性范圍也就越小，由此得出的費(fèi)用估算精確度也就越高。

(五)仿真模型法

仿真模型法主要有RADSIM模型。該模型被稱為研究和發(fā)展的仿真模型。它使用蒙特卡洛技術(shù)來模擬一項(xiàng)研究與發(fā)展(R＆D)計(jì)劃。每項(xiàng)R＆D活動(dòng)和每次決策都由模型進(jìn)行。從現(xiàn)在向前一段時(shí)間仿真，或者通過任務(wù)成功而使計(jì)劃完成，或者因技術(shù)失敗(或受時(shí)間和預(yù)算的限制)而使計(jì)劃終止。計(jì)劃的每次仿真代表R＆D計(jì)劃的一種可能結(jié)果。在進(jìn)行了若干次這樣的仿真之后，可以得到結(jié)果的統(tǒng)計(jì)樣品，包括成功的概率和計(jì)劃成本。在RADSIM方法中，采用把整個(gè)計(jì)劃分解成許多研究子工程，再由各專業(yè)各領(lǐng)域的專家來評(píng)價(jià)子工程的方法，來解決全面的評(píng)價(jià)和成本估算問題。

(六)綜合分析估算法

機(jī)械設(shè)備研制的費(fèi)用分析估算是一項(xiàng)持續(xù)性的工作，貫穿于設(shè)備研制的全過程，隨著設(shè)備研制工作的進(jìn)展，采用的分析估算方法應(yīng)越來越詳細(xì)、精確。如果只籠統(tǒng)的研究全生命費(fèi)用分析估算模型和方法，而不考慮機(jī)械設(shè)備研制階段的劃分和每一階段工作的內(nèi)容與特點(diǎn)或者在其研制的不同階段上，僅僅使用同一種分析估算方法得到的結(jié)果都是不能令人滿意的。因此在不同的費(fèi)用分析估算階段應(yīng)使用與其階段相適應(yīng)的分析估算方法，如表2所示。在整個(gè)壽命周期建立唯一的費(fèi)用分析估算關(guān)系式是困難的，可以采用一種綜合以上幾種分析估算方法的方式即綜合分析估算法，來建立費(fèi)用模型。綜合分析估算法的主要思想是根據(jù)壽命周期的不同時(shí)間段，各分系統(tǒng)技術(shù)方案的相對(duì)成熟度，分別選用參數(shù)費(fèi)用法、工程費(fèi)用法、類比費(fèi)用法等對(duì)壽命期內(nèi)的每個(gè)費(fèi)用單元建立費(fèi)用分析估算關(guān)系式，而后把求得結(jié)果進(jìn)行累加，從而得到總的費(fèi)用。

五、結(jié)論

機(jī)械設(shè)備的全生命周期費(fèi)用分析估算是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，工業(yè)界中的一些公司采用了壽命周期費(fèi)用分析技術(shù)，但是，這些技術(shù)的發(fā)展一直都是獨(dú)立的，其應(yīng)用也是無規(guī)則的，承包商和銷售商幾乎根本不參與，簽訂設(shè)備供應(yīng)合同主要還是以最少資本投資為根據(jù)。在機(jī)械設(shè)備壽命周期費(fèi)用分析估算過程中，所有參與者、作業(yè)者、承包商和銷售商可能對(duì)業(yè)主權(quán)益的壽命周期費(fèi)用會(huì)有很重大的影響。而且，只有他們都參與這一過程，采用費(fèi)用分析估算得到的效益才能成為現(xiàn)實(shí)。要想取得這一點(diǎn)，就需要有一個(gè)共同的、統(tǒng)一的、在全工業(yè)范圍內(nèi)使用的方法。

作者簡(jiǎn)介：

劉俊，女，重慶人，學(xué)士，工程師，畢業(yè)于重慶渝州大學(xué)，主要從事機(jī)械設(shè)備及技術(shù)管理工作。