一種軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標構建方法?

吳青龍 陳小衛 李鳴宇

（航天工程大學 北京 102206）

1 引言

長期以來，工程建設普遍存在“三超”現象，在前期決策階段進行準確、合理的成本估算成為投資控制的關鍵因素［1］。軍隊油庫擴容改造涉及存儲、裝卸、輔助設施、辦公生活、消防、給排水、自動化控制等全方位工程改造，專業性強、綜合性高，建設工期長，投資金額大，很有必要在前期決策階段做好成本估算以加強成本管理的事前控制［2］。研究表明，基于人工智能等建模估算方法具有較好的估算性能［3～4］，而構建科學合理的估算指標體系是建模估算的重要基礎。構建的估算指標體系過于細致全面，不僅由于在前期決策階段由于設計深度不足而無法獲取指標數據，還會造成指標過多而增加前期數據獲取成本，影響成本估算效率。

由波蘭學者Z.Pawlak 于1982 年提出的粗糙集理論能夠有效處理各種不精確、不一致、不完備數據信息［5］，為進行指標屬性約簡提供了思路。屬性約簡已被證明是一個NP 完全問題［6］，遺傳算法通過模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程實現全局優化目標［7］，可以對NP 問題進行尋優。因此，本文將粗糙集理論和遺傳算法結合，構建科學合理的軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標體系。

2 軍隊油庫擴容改造工程成本估算因素分析與指標初選

2.1 軍隊油庫擴容改造工程成本管理的特點

軍隊油庫建設工程通常分為新建工程、改擴建工程、技改工程三種類型，改擴建工程也稱為擴容改造工程。隨著成品油料需求的增加和先進技術的發展，擴容改造工程成為當前軍隊油庫建設中常見類型。軍隊油庫擴容改造工程主要是進行油品儲存容量擴充和設備設施的改造升級，與新建工程大有相似之處，但又略有差別。在管理方式上，擴容改造工程與新建工程在管理方法、審批程序上均按照一般工程建設的程序開展相關管理工作，沒有明顯的差異。軍隊油庫擴容改造工程的特點主要有：

1）擴容改造工程是基于現有基礎實施進行部分改造和擴充，工程實施保障條件較為完善，為改擴建工程提供一定的便利條件，但也由于現有工程設計不足，對改擴建工程實施可能帶來一些不利影響；

2）軍隊油庫建設工程與普通建筑既有共性，也有特性，前者涉及面廣、專業性強，輔助設施工程項目較多且綜合性強［8］；

3）擴容改造工程對舊設備的利舊程度在工程前期難以準確評估，使成本估算變得較為復雜；

4）在相同庫容下，由于擴容改造工程的利舊，以及建設內容和建設范圍相對新建工程少了很多，擴容改造工程要比新建工程的單方造價相對較低，建設效益較為明顯［1］；

5）擴容改造工程建設范圍具有較大不確定性，目前沒有相對統一的建設范圍，在項目開展前期，難以用固定的模式進行成本估算。

綜上，軍隊油庫擴容改造工程相比新建工程具有較大不確定性，在項目開展前期進行成本估算將面臨諸多挑戰。

2.2 軍隊油庫擴容改造工程成本影響因素分析

軍隊油庫擴容改造工程建設成本主要體現為項目投資總額，同時也是項目建設的總成本。其建設成本不僅受到工程特征、規模等來源于工程自身的影響，還會受到外部條件的影響。

從工程自身特征來看，軍隊油庫擴容改造工程主要受到建設規模、內容、工期、施工量等因素的影響，規模大小、內容多少、工期長短和施工數量等直接形成了建設項目費用的主要來源。從工程特征出發，將軍隊油庫擴容改造工程進行充分描述，可以有效分析成本與影響工程建設成本各因素之間的關系。軍隊油庫擴容改造工程通常除了需要對原有基礎設施進行改造和拆除以外，還將對軍隊油庫油品儲存容量進行擴大，建設規模通常以軍隊油庫建成后等級、新增儲存容量等進行描述。從已完工程歷史資料中可以看到，油罐工程、土石方工程成本占比較大，是形成軍隊油庫建設的重要基礎。基于分部分項工程劃分和功能區域劃分相結合的思路，以便于計量和充分描述為原則，可以將反映影響軍隊油庫擴容改造工程成本的工程特征因素歸納為建成后等級、油品進出庫類型、新建油罐容量、新建油罐數、新建單罐最大容量、改造油罐容量、拆除油罐容量、新建構筑物面積、改造構筑物面積、拆除構筑物面積、新建消防水罐容量、改造后鐵路裝卸鶴位、改造后公路發油鶴位、綠化面積、建成后軍隊油庫總面積、土石方的挖、填方量等17 個因素。上述因素既包含定性因素，又包含定量因素，可以較為全面的描述軍隊油庫擴容改造工程的工程特征，同時還充分體現與新建工程不同的特點。

除了工程自身，其受到外部條件的影響主要有項目管理水平、建設位置、地理環境、市場環境等因素的影響。為了研究的便利性，假設所有工程項目的管理水平均為在同一水平下進行，因此去掉項目管理水平因素。由于軍隊油庫建設設計大量的專業設備，因此建設位置對材料、設備的運輸成本具有較強的正相關關系，建設位置偏遠，意味著設備運輸成本增加；地貌、地質環境的差異直接影響著施工的便利性和土石方的挖填量，從已完工程來看，由于軍隊油庫對建設場地的要求較為特殊，土石方的挖填是軍隊油庫建設工程中重要組成部分，因此地貌、地質環境條件成為影響成本的重要因素；市場環境條件主要表現為材料、設備價格的波動。因此，經上述分析，外部條件的因素可以歸納為項目所在地、地貌、地質、市場環境等。

2.3 軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標初步選取

目前，在工程成本估算指標的選取上，沒有形成一套固定的選取方法。在估算指標的選取上，主要是根據工程特點，運用文獻統計法、財務數據資料分析法、專家咨詢法等進行分析并直接給出估算指標，爾后進行篩選。構建軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標體系，不僅應該能夠充分反應工程特征與成本之間的關系，還要能夠在既有資料中便于獲取指標數據。即在構建成本估算指標體系時要遵循全面性、代表性、可測性、可操作性的原則。本文基于上述分析和專家咨詢，初步選取成本估算指標。其中，市場環境內在規律極為復雜，且受到時間序列因素的影響。為使工程成本具有更好的可比性，本文使用CPI 指數將建設總成本調整至研究基年，同時去掉市場環境因素。綜上，初步選取軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標，如表1所示。

表1 軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標體系

3 基于RS 和GA 的軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標優化

3.1 基本思想

將遺粗糙集理論與遺傳算法結合運用進行指標約簡優化，其基本思想為：首先，根據初步選取指標構建決策信息系統；其次運用二進制字符串對條件屬性（即估算指標集）進行編碼，將估算指標集轉換為可以計算的結構數據；而后根據約簡問題設計尋優評價的適應值函數，利用遺傳算法進行求解；最后，將最優解進行解碼得出對應的條件屬性，即可得到約簡優化的成本估算指標。基本思想邏輯如圖1所示。

圖1 基于RS-GA成本估算指標約簡優化邏輯圖

3.2 粗糙集理論基本概念

定義1：設四元組S=(U,A,V,f)信息系統，其中：U為論域；A為屬性集，A=C∪D，C∩D=?，C為條件屬性，D為決策屬性集；為屬性的值域；f:U×C→V是一個信息函數，表示為每個對象的每個屬性賦予一個信息值，即c?C,x?U,f(x,c)?Vc。

定義2：設屬性集P，對象X、Y?U，對于每個a?P，當且僅當f(X,a)=f(Y,a)時，X和Y被稱為不可分辨關系，記為ind(P)={(X,Y)?U，a?P，f(X,a)=f(Y,a)} 。為了簡潔表示，將U/ind(p)簡記為UR。

定義3：設U 為對象集，R 為U 上的等價關系。對于任一子集X?U，有

定義4：設U為論域，P和Q為定義在U上的兩個等價關系簇，Q的P正域記POSP(Q) ，定義為

定義5：決策屬性D 對條件屬性C 的依賴度定義為，即在條件屬性集下能夠進行準確分類U/D 的對象與論域對象總數的比率，表示決策屬性對條件屬性的依賴程度［9］。

3.3 遺傳算法

遺傳算法是由美國教授J.H.Holland 提出的自適應隨機優化搜索算法，來源于“優勝劣汰，適者生存”的生物進化原理［10］。基于粗糙集和遺傳算法的過程如下：

1）進行染色體編碼

對于條件屬性集C=｛c1，c2，…，cl｝，采用長度為l二進制字符串｛0，1｝進行編碼，其中l為條件屬性的個數，1 表示含有該屬性，0 則不包含，每一個二進制字符串作為遺傳算法中的一個染色體。

2）設計適應度函數

在遺傳算法的搜索過程中，需要用適應值函數來對染色體個體的優劣進行評價，即個體適應值越大，被選擇進化遺傳的概率越大。為使決策信息系統達到屬性相對約簡，需要實現兩個目標：一、約簡后的條件屬性要能夠保持其屬性依賴度不變；二、對條件屬性進行充分約簡。

為實現上述目標，文獻［11］結合罰函數的思想構造了具有指數變換特性的適應度函數，將多目標轉換為求解單目標優化問題。為使多目標遺傳算法具有更好的分散性［12］，本文在文獻［11］的基礎上加入權重調節因子。由于本文基于Matlab 遺傳算法工具箱計算，其默認為計算函數最小值，因此給適應值函數加上負號，將適應度函數轉化為求解最小化。因此，構造適應值函數如下：

其中，w1，w2為權重調節因子，w1+w2=1，在權重調節上，通過比例不同實現適應值在不同目標之間實現權重分配使約簡問題更為合理。即在本問題中，被選個體首先滿足依賴度的定義，而后盡可能的約簡。通過“試湊法”發現，取w1=5/13，w2=8/13 時效果較好；l表示條件屬性集的長度，lr表示染色體r中取值為1 的個數；β為懲罰因子，取β=2；α為指數函數的控制參數，本文取α=15；γc(D)表示決策屬性D 對染色體r 對應的的條件屬性子集的依賴度，γ(X)為個體X 所含條件屬性對決策屬性的依賴度。

3）設計遺傳算子

采用輪盤賭策略進行選擇操作。計算種群每個個體被選中的概率為

其中Fi表示個體的適度值，l 表示種群規模。隨機產生的l個（0，1）的隨機數，以此確定每個個體被選中的概率。并采取最優保留策略，具有最佳適應值的個體不進行交叉、變異操作，直接復制到下一代中［13］。

4）交叉算子

采用單點交叉算子操作方法。以交叉概率Pc在兩個個體基因串的交叉點后進行整體互換，從而得到兩個新個體。Pc越大，表示父代染色體結構交換的比例越大，當前染色體的結構遺傳到下一代的比例越小。

5）變異算子

采用均勻變異算子。即以變異概率Pm隨機反轉某位等位基因的二進制字符值［14］。Pm越大，表示父代染色體結構在下一次迭代優化時突變的概率越大。

6）停止條件

當迭代次數達到設置最大代數或者約簡屬性集依賴度等于核屬性依賴度時停止運算。

3.4 指標約簡與優化

通過數據收集與整理，可構建軍隊油庫擴容改造成本估算決策信息表。該決策信息表中，軍隊油庫擴容改造成本估算指標集為條件屬性，建設單方成本為決策屬性。而后基于遺傳算法，求取決策信息表的屬性約簡集，即可得到優化的指標集。

基于粗糙集和遺傳算法構建成本估算指標優化流程，如圖2所示。

圖2 基于RS-GA的成本估算指標構建流程圖

4 算例分析

4.1 數據收集與整理

由于軍隊油庫屬于重要軍事戰略保障力量，保密要求高，無法獲取真實建設工程數據。本文利用近10 年以來常見規模的油庫擴容改造工程案實例數據替代分析，通過豆丁建筑網搜集到11 個油庫擴容改造工程的真實已完工程案例數據。

為進一步使軍隊油庫單方造價具有可比性，將工程總造價按照國家統計局公布的CPI 指數將價格調整至研究基年。同時使大量的連續型數據進行等級量化以滿足粗糙集屬性約簡理論的應用。在費用類型的數據中，定性指標按照相應性質類別進行量化，連續型數據按階段層次劃分進行量化的方法更符合量價正相關的客觀規律。在連續型數據分階段層次劃分中，以適當細分且涵蓋所有區間為原則。區間間隔s計算方式如下：

其中X 為所有樣本的連續型數據，n 為分類等級。按照上述劃分原則，本文取n=6。詳細等級量化規則如表2所示。

表2 信息決策表

按照上述等級量化方式，以每項工程為對象，估算指標為條件屬性，建設單方成本為決策屬性，由11個已完工程實例建立決策信息表如表3所示。

表3 指標等級量化規則

4.2 計算分析與指標確定

本文基于Matlab2013a軟件自帶遺傳算法工具箱計算，算法參數為工具箱默認參數，設置最大迭代次數為150，其余參數設置為構建適應度函數中的參數。程序運行5次得到結果如表4所示。

表4 運行結果

從上述結果看出，經過約簡優化后得到的成本估算指標相比初步選取結果得到了很大約簡，實現了約簡優化的目標。其中，從結果4 中可以看到，每一個成本估算指標出現頻次相對較多，因此選取結果4 作為約簡優化后的估算指標集。但從范圍上看，缺少占據較大成本比重的新建構筑物內容，應增加新建構筑物面積屬性作為成本估算指標。在得出的約簡結果中所保留的c3、c4、c5即新建油罐容量、新建油罐數、新建單罐最大容量三個指標不僅是工程中常見的工程參數，也與文獻［1］研究結果較為相近，約簡效果呈現較為良好。

綜上分析，最終可以將軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標確定為新建油罐容量、新建油罐數、新建單罐最大容量、拆除油罐容量、新建構筑物面積、新建消防水罐容量、改造后公路發油鶴位、挖方、項目位置等9 個指標。可以看出，構建的成本估算指標體系可以充分表征軍隊油庫擴容改造工程建設的內容、規模等，指標數量得到了約簡的同時易于獲取和計量，可以作為軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標。

5 結語

進行軍隊油庫擴容改造工程建設可以滿足改造升級需求，節約建設成本，提升建設效益。成本估算可以大大降低后期項目建設成本超支風險，保證項目建設圓滿完成。

本文基于粗糙集和遺傳算法構建的軍隊油庫擴容改造工程成本估算指標體系，可以很好地表征軍隊油庫擴容改造工程特征，反映成本與工程特征之間的關系；同時避免了指標冗余，可以有效提升估算效率。雖然運用基于粗糙集理論和遺傳算法可以實現屬性指標降維優化，但遺傳算法中的參數如何設置更為合理還有待進一步的研究。由于目前已完軍隊油庫擴容改造工程較少，可利用工程成本數據量不足，使數據分析不可避免還存在一定的誤差。