基于云模型的油庫建設項目工程造價控制研究

范 影，石鋌燚，尹 涵，焦 巖，吳玉國

（1.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順113001；2.中國石油撫順石化分公司，遼寧撫順113008）

從廣義上看，工程造價是指建設某一項工程從立項決策到竣工交付所使用的總投資費用；從狹義上看，工程造價是指工程價格，即為建成某一項工程預計或?qū)嶋H在土地市場、設備市場、技術勞務市場等交易活動中所形成的建筑安裝工程的價格和建設工程總價格。工程造價控制則是指在項目完成并在批準的項目成本限制內(nèi)交付之前，確定、控制、監(jiān)督和管理該項目的可行性研究、投資決策、設計和施工以及所需的所有建設成本，以便隨時糾正偏差，確保項目投資的實現(xiàn)。為了獲得更好的投資回報，物質(zhì)和財政資源最終將在核定預算估計數(shù)內(nèi)實現(xiàn)最終賬戶。根據(jù)調(diào)查，項目決策和設計階段影響建設項目成本的可能性為75%，實施階段影響建設項目成本的可能性為20%[1]。因此，項目完成投資決策后控制成本的關鍵是設計階段。設計質(zhì)量以及功能是否符合要求直接影響建設項目的一次性投資。

在建筑工程中，工程造價控制理論得到了廣泛應用。在應用過程中，應重點關注4 個階段的控制，即項目階段、設計階段、招標階段和施工階段。與此同時，參考同一類型項目或類似項目的設計可以幫助正確判斷項目成本，避免主觀性對成本預測的不利影響[2]。近年來，研究人員圍繞不同類型油庫及加油站工程造價控制進行了研究和論述。何捷[3]就我國加油（氣）站及油庫工程造價的全過程管控背景進行了分析，針對決策、設計、發(fā)承包、施工、驗收等5 個不同階段提出了針對性建議。盧志宇[4]以油庫工程項目建設的各個階段以及各因素為基礎，從油庫工程項目建設的造價以及安全兩個方面進行了分析，使地面油田工程的質(zhì)量管理水平得到了大幅度的提升。馬文忠[5]通過方案對比方法，構建輸氣管道優(yōu)化設計模型，對輸氣管道設計的造價優(yōu)化方案進行了對比研究，選出了最佳方案。趙明[6]綜合分析了加油站工程建設投資的目的和必要性，提出了全面控制加油站施工過程中的投資和建設成本，是加油站施工過程的主要控制階段。項楠等[7]以GIS（地理信息系統(tǒng)）為空間數(shù)據(jù)的管理平臺，以三維GIS 相關技術及理論為基礎，并以Arccatalog 為空間數(shù)據(jù)的管理平臺，以Arcmap 為二維油庫的制作平臺，以Arcscene 作為三維油庫制作及展示平臺，構建了基于ArcGIS 的數(shù)字化油庫信息管理系統(tǒng)，為提升油庫管理水平提供了技術支撐。趙傳奇等[8]將綜合評價法引入F&EI?HAZOP和HAZOP?FTA 模型中，并利用三角模糊數(shù)方法，建立了“道化學火災爆炸指數(shù)評價法（DOW）—工藝危險性影響因素—偏差—保護層失效概率—DOW 實際評價”閉環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸與共享通道，對油庫儲罐區(qū)進行了更加全面的安全評價。曹康等[9]采用熵權法確定因素權重，運用模糊綜合評價法對油氣長輸管道風險進行了評估，確定了風險等級。王衛(wèi)強等[10]基于W.K.Muhlbauer 提出的修正的風險評分法，結合層次分析法，量化管道潛在風險，設定管道風險等級，構建了基于Web GIS 的長距離輸油管道信息管理系統(tǒng)，提升了輸油管道安全管理水平。

綜上可知，工程成本控制是整個過程的動態(tài)控制過程，目前多為綜合技術指標和經(jīng)濟指標的全方面評價體系?；诖?，本文單從經(jīng)濟指標角度，以經(jīng)濟效益最大化為目標，建立了區(qū)別于其他類型的油庫建設項目工程造價評價體系。鑒于每個評價指標對項目成本評價體系的重要性不同，在建立評價指標體系后，有必要確定評價指標的相對重要性，即評價指標權重，評價指標的權重直接影響評價結果的可信度。在此基礎上，為了確保評估結果更加科學合理，將熵權法和云模型結合評價過程，建立熵權?云模型評價模型，便于發(fā)揮其各自的優(yōu)點，解決評價中不可避免的不確定性，客觀準確地確定指標的權重，避免受其他主觀權重方法的主觀因素的影響，不僅為更好地提升建設行業(yè)效益、促進行業(yè)持續(xù)發(fā)展提供了有利的理論指導，也為其他類型油庫建設的造價評估研究提供了一種新的方法。

1 研究方法

1.1 評價指標體系的建立

篩選合理、有效的評價指標體系，是進行綜合評價分析的重要前提。若要得到科學實用的計算結果，則需要保證初選的各項指標盡可能多方面覆蓋標準化施工管理的各個環(huán)節(jié)[11?13]。

（1）形成標準化決策矩陣。設某油庫標準化施工方案有m種，則施工方案的集為M=(M1,M2,…,Mm)；設影響施工方案的因素的指標有n種，則指標的集為D=(D1,D2,…,Dn)；油庫標準化施工方案Mi對施工影響因素的評估值記為xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，則針對m種標準化施工方案對n個影響因素進行評估得到的決策矩陣為[14?15]：

為了消除指標間的不同量綱對油庫標準化施工方案的最終選擇結果帶來的影響，需要對決策矩陣中的數(shù)據(jù)進行標準化處理，使其形成標準化矩陣，標準化矩陣記為V=(vij)mn。各指標的性質(zhì)不同，因此將其分為兩類，即正向指標和負向指標[16]。標準化處理方法就是根據(jù)指標的性質(zhì)，按照指定公式，對指標的數(shù)據(jù)采用相應的標準化形式[17]。

正向指標（越大越優(yōu)型指標）處理公式：

負向指標（越小越優(yōu)型指標）處理公式：

式中，vij為xij的歸一化數(shù)值；max(xj)、min(xj)分別為第j個指標的最大值和最小值。

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過標準化處理后，應該滿足0≤vij≤1。

（2）評價方案的特征比重（pij）。對于某種標準化施工方案評價指標j，vij值之間的差異性越大，該指標對標準化施工方案的最終選取結果的作用就越大，即該項指標能夠提供給標準化施工方案選取的有用信息量越多。根據(jù)熵的概念可知，信息的增大意味著熵的減少，表明熵可以用來度量某種信息的大小[18]。

記第j項評價指標下第i個標準化施工方案的特征比重為pij，pij可表示為：

（3）評價指標的熵值（ej）。由特征比重計算第j項評價指標的熵值：

當pij=0或pij=1 時，pijln(pij)=0。

（4）評價指標的差異性系數(shù)（dj）。在上一步熵值計算基礎上，繼續(xù)求差異性系數(shù)：

差異性系數(shù)dj越大，表明該評價指標能夠提供給標準化施工方案分析比較的信息量也越大，在比較過程中越應該注重這項評價指標，并給該項評價指標更大的指標權重。

（5）評價指標的熵權（ωj）。根據(jù)求得的差異性系數(shù)，確定各評價指標j的熵權：

熵權ωj越大，該項評價指標j的評價能力越大，對結果的影響越深；該項數(shù)值的數(shù)值越小，該項指標的評價能力越小，對最終結果的影響程度越淺。

1.2 基于云模型的評價體系的構建

1.2.1 云理論基本原理 設X是一個精確數(shù)值量的集合X={x}，被稱為論域。關于論域X上對應的定性概念，是指對于任意數(shù)值都存在一個有穩(wěn)定傾向的隨機數(shù)即隸屬度。隸屬度在論域上的分布稱為隸屬云，云的厚度和離散程度等整體形狀反映定性概念的特性。

縱觀學者們多年的研究成果，基于云理論的評價方法已經(jīng)應用到不同的領域中，如智能模擬、決策評估、礦山安全分析和交通運輸?shù)阮I域，但尚未發(fā)現(xiàn)將云評價法與油庫類型的建筑工程造價體系結合的成果。

1.2.2 云的數(shù)字特征 云的數(shù)字特征可以用來反映不確定性概念的整體特性，這是定性概念的整體定量特性，對理解定性概念的內(nèi)涵和外延有重要意義。

①云的期望（Ex）。云滴在論域空間的分布期望，就是最能代表定性概念的點，也是這個概念量化的最典型樣本。

②熵（En）。熵是熱力學的基本概念，表征自然界中各系統(tǒng)物質(zhì)的無序性，熵隨系統(tǒng)無序性的增大而增大。而在云模型所屬信息論中，它的值由概念的隨機性和模糊性共同決定，類似地，它可度量某一概念的不確定性。一方面En可以度量定性概念隨機性，反映能夠代表某一定性概念云滴的分散程度，另一方面又可以度量概念模糊程度，反映論域空間中可被概念接受的云滴的取值范圍。

③超熵（He）。超熵即熵的熵，是熵不確定性的度量，由熵的偶然性和模糊性決定，反映每個數(shù)值代表這個語言值確定性的凝聚性和云滴的匯聚程度。云參數(shù)計算公式見式（8）—（10）。

1.2.3 云模型描述 云模型發(fā)生器是基于中心極限定理的云模型生成算法。云發(fā)生器可建立起定性和定量之間的相互聯(lián)系、一對多的映射關系，常用軟件或固定模式化實現(xiàn)。云發(fā)生器主要包括正向云發(fā)生器（表示由定性概念到定量表示的過程）、逆向云發(fā)生器（表示由定量到定性概念的過程）。云發(fā)生器是構造不確定性推理的基礎，云模型不確定性推理器由多個按照一定規(guī)則聚合的云發(fā)生器構成。

1.2.4 云發(fā)生器 正向云發(fā)生器可以實現(xiàn)從語言值表達的定性信息中獲得定量數(shù)據(jù)的范圍和分布規(guī)律，是一個直接的過程。將云的3 個數(shù)字特征（Ex、En、He）和想要生產(chǎn)的云滴個數(shù)n輸入云發(fā)生器，則可以輸出n個云滴及其構成的云圖。正向云發(fā)生器示意圖如圖1 所示。

圖1 正向云發(fā)生器示意圖

具體算法是指在已知云模型的參數(shù)（Ex、En、He）時，生成所需的云滴個數(shù)n和隸屬度u。根據(jù)獲取的云特征值，借助隸屬度函數(shù)，將對象的指標轉(zhuǎn)換成云模型中的有效參數(shù)，然后利用云發(fā)生器計算各個指標對應等級的隸屬度。具體運算步驟如下：

（1）生成以En為期望值、He為方差的正態(tài)隨機數(shù)En′：

（2）以Ex為期望值、En′為方差的一個正態(tài)隨機數(shù)x：

（3）計算該云滴的隸屬度u：

（4）生成的（x，u）即為論域中的一個云滴；

（5）重復步驟（1）—（4），直到產(chǎn)生n個云滴即停止。

根據(jù)上述步驟可生成云模型，通過Matlab 編程生成正態(tài)云模型的隸屬度函數(shù)，將指標實測值代入隸屬度函數(shù)中，得到各個等級的隸屬度dij（dij為第i個指標在相應的j等級的隸屬度）。

逆向云發(fā)生器是從定量到定性的映射，輸入一定量的數(shù)值（云滴）輸出代表定性概念的云的數(shù)字特征。逆向云發(fā)生器的精確度與云滴的數(shù)量n有關，n越大，精確度越高，相應地求出的數(shù)字特征誤差越小。逆向云發(fā)生器示意圖如圖2 所示。

圖2 逆向云發(fā)生器示意圖

1.2.5 正態(tài)云的3En規(guī)則 在正態(tài)云模型中，某一個云滴對云圖的影響可以忽略不計，但一定數(shù)量的云滴對整體的概念影響很大，并決定云圖的厚度和離散程度。 分析大量云圖可知，在[Ex-3En,Ex+3En]區(qū)間上是定性概念做出貢獻的定量數(shù)值的主要范圍，云滴在其他區(qū)間的隸屬度幾乎為零，以上規(guī)則稱為正態(tài)云的3En規(guī)則。正態(tài)云的3En規(guī) 則 如 圖 3 所 示 。

圖3 正態(tài)云的3En 規(guī)則

2 實例分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

以某油庫建設工程為依托，選取4 種符合甲方要求的建設方案進行影響指標評價，并將每種建設方案標記為M=(M1，M2，M3，M4)。分析給定的建設方案工程造價控制因素，具體分析了各方案的安裝工程、建筑工程、裝飾工程及其他費用等。

考慮到熵權計算的復雜程度，為簡便計算，對所收集的指標進行標記，對應關系見表1。

表1 評價指標體系標記對應關系

在4 種施工方案的對比過程中，將所采集的實例數(shù)據(jù)歸總到一起，每一項指標的實測值即單位面積造價列于表2。

表2 實例的二級指標數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)標準化

評價體系中的21 個重要指標的量綱是完全不同的，為了消除不同量綱對結果的科學性和準確性帶來的影響，需要根據(jù)熵權法中數(shù)據(jù)標準化處理的計算公式，對決策矩陣中的不同量綱的各指標的具體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進行標準化處理，結果見表3。分別計算21 個二級指標的熵值、差異性系數(shù)以及每一項指標的熵權，計算結果匯總于表4。

表3 標準化處理結果

表4 各指標的熵值、差異性系數(shù)、熵權的計算結果

由表 4 可知，D21指標熵權最大，為 0.09，D20指標熵權為0.08，說明所有項目涉及的措施費占比超過總工程造價的1/10，應當給予最大的控制力度；在其他指標中，消防工程、地基工程、隔熱工程以及稅金的熵權都等于0.06，即在21 個二級工程造價評價中具有較大的作用，對工程總造價貢獻較大；剩余指標的熵權較小，所具有的區(qū)分能力也較小，且差異性系數(shù)相差不大，對工程總造價貢獻較小。

2.3 熵權?云模型的構建

為了將云評價法應用到油庫建設工程，從實測數(shù)據(jù)分布中提出等級概念，對各工程造價方案進行評價。將所有指標劃分為4 個等級，依次為Ⅰ級（優(yōu)選）、Ⅱ級（次優(yōu)）、Ⅲ級（好）、Ⅳ級（良），以實現(xiàn)不同層次上的綜合分析。油庫建設工程造價指標數(shù)值區(qū)間對應的評價等級見表5。

表5 油庫建設工程造價指標數(shù)值區(qū)間對應的評價等級

為使評價結果更加直觀，使用正向云發(fā)生器隨機成生成2 000 個云滴，并應用Python 軟件繪制21個二級指標的等級云圖。安裝工程中影響最大的指標消防工程的等級云圖如圖4 所示。圖4 中，紅色代表方案M1，黑色代表方案M2，藍色代表方案M3，綠色代表方案M4。

由圖4 可知，消防工程的實測指標最大臨界值為45，最小臨界值為20，將該上下臨界值作為雙邊約束，近似定義了此評價指標。紅色部分云滴大量聚集在中值27 處，它代表最優(yōu)云的平均量值約為2，也最能代表最優(yōu)云的性質(zhì)。采用該算法共運算了2 000 次，每次生成一個云滴，云滴對應的橫坐標為評價指標，縱坐標即為隸屬度。云圖中，兩側(cè)最分散，而頂部匯聚性最好。云的兩側(cè)云滴對應的隸屬度不確定性最小，而其他位置隸屬度隨機性較大，由此發(fā)現(xiàn)這一性質(zhì)與得出的超熵一一對應。縱向比較4 朵云，云滴落在最優(yōu)云的可能性最大。

圖4 消防工程等級云圖

基于熵權法基本原理和公式，求出油庫建設項目工程評價指標權重向量；利用云模型的特征參數(shù)和隸屬度函數(shù)計算公式，可計算表2 中各指標的實測數(shù)據(jù)xi隸屬于某分級云的隸屬度u。云模型給出的隸屬度矩陣是隨機的，為了提高結果的可靠性，基于Matlab2018b 軟件重復運行2 000 次正向云模型得到隸屬度矩陣，結果見表6—9。

表6 M1數(shù)據(jù)隸屬度矩陣計算結果

表7 M2數(shù)據(jù)隸屬度矩陣計算結果

表8 M3數(shù)據(jù)隸屬度矩陣計算結果

表9 M4數(shù)據(jù)隸屬度矩陣計算結果

基于已獲得的各評價指標權重W和各方案對應的隸屬度矩陣U，代入公式Y=W·U可進行模糊轉(zhuǎn)換。其中，Y為模糊轉(zhuǎn)換后得到的新矩陣。結合最大隸屬度原則，可獲得各方案工程造價評價評定等級，結果見表10，各方案的云模型如圖5所示。

表10 各方案的評定等級

圖5 各方案的云模型

2.4 評價結果

由表10 可知，M1的最大值為0.481 9，根據(jù)隸屬度最大原則，M1處于Ⅲ級（好）；M2、M3和M4屬于Ⅳ級（良）。由圖5 可以看出，M1的峰值出現(xiàn)最早，位于 2.0～2.5，M4的峰值出現(xiàn)最晚，因此M1為 4 個方案中最優(yōu)方案；M2和M3的峰值出現(xiàn)時間相近，因而M3和M4同屬于Ⅳ級（良）。但是，由表 10 可知，M2在Ⅱ級（次優(yōu)）的隸屬度為0.407 5，而M3在Ⅲ級（好）的隸屬度為0.418 3，且兩個方案在其他兩個等級的隸屬度相近而數(shù)值較小。分析結果可見，M2更接近于Ⅲ級（好），M3更加接近于Ⅱ級（次優(yōu)），評價結果的最終排名為M1＞M3＞M2≈M4。

3 結 論

（1）現(xiàn)有主流評價體系主要集中在AHP 層次分析法、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡法、熵權法、模糊綜合評價法、文案對比法等，評價中存在不可避免的不確定性。本文利用熵權法實現(xiàn)各指標的客觀賦權，結合云理論，基于正向云模型和Python 計算并繪制了各項評價指標等級云和綜合云。通過云的數(shù)字特征和云圖的比較，更直觀、快速地展現(xiàn)了評價結果。以某油庫工程造價實測數(shù)據(jù)為研究樣本，驗證了所建評價體系的有效性和合理性，同時為其他類型油庫建設的造價評估研究提供了參考。

（2）熵權計算結果表明，選取一級指標中權重最大的二級指標排序為：項目措施費＞消防工程＝地基工程＝隔熱工程＝稅金。其中，項目措施費權重占比最大，約為0.09，消防工程、地基工程、隔熱工程以及稅金比重相同，為0.06。

（3）對各方案進行了云評價。結果表明，4 種建設項目方案隸屬度排序為M1＞M3＞M2≈M4，由此可得M1為該油庫建設項目工程造價控制的最優(yōu)方案。