基于CBR-DEA的裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目投資決策

陳 偉， 鄧詩穎， 王偉超

(1. 武漢理工大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430070；2. 中建科技武漢有限公司， 湖北 武漢 430415)

隨著國家相關(guān)政策的不斷推進，裝配式建筑部件市場呈現(xiàn)廣闊的發(fā)展空間。2016年9月，國務院辦公廳發(fā)布《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》，提出力爭用10年左右時間，使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%等工作目標。隨后，各省市也相繼頒布政策支持和推動裝配式建筑發(fā)展。在巨大的市場需求和政策紅利的驅(qū)使下，裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目的投資呈現(xiàn)加速態(tài)勢，部分地區(qū)已出現(xiàn)競爭加劇、運營經(jīng)濟效益不佳甚至與預期嚴重不符的局面[1]。如何對裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目進行合理的投資決策，使企業(yè)既能實現(xiàn)有效把握市場機遇，又能避免決策失誤，成為業(yè)界當前亟待解決的問題。

已有研究成果多通過計算和比較項目的凈現(xiàn)值[2,3]和內(nèi)部收益率[4]等經(jīng)濟性指標來進行項目的投資決策，但由于我國裝配式建筑部件市場處于發(fā)展初期，項目所處環(huán)境不斷變化，項目的折現(xiàn)率和未來的現(xiàn)金流難以確定；此外凈現(xiàn)值等經(jīng)濟性指標只能對項目未來的經(jīng)濟效益是否能達到投資者的預期做出評判，對于效益不佳的項目，無法分析具體致因。目前我國已有一批大型裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目建成投產(chǎn)，這些項目在實施過程中已積累了許多經(jīng)驗和數(shù)據(jù)?？紤]到案例推理技術(shù)(Case-Based Reasoning，CBR)是一種直接利用歷史案例對新問題進行求解的推理技術(shù)，它通過篩選相似案例進行更精準的定量分析，能有效避免復雜問題預測中的不確定性[5～8]，可以采用該方法對項目的相關(guān)經(jīng)濟參數(shù)進行估算，但該方法無法直接對項目的投資效益做出評價。考慮到數(shù)據(jù)包絡分析方法(Data Envelopment Analysis，DEA)可針對多個被評價單元的投入和產(chǎn)出進行相對有效性評價，識別無效決策單元，并通過無效決策單元和有效決策單元的比較，給出無效率決策單元的具體改進方向[9～11]。若能聯(lián)合運用這兩種方法，估算裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目經(jīng)濟參數(shù)，評價項目的經(jīng)濟效益，則有望提升企業(yè)的投資決策質(zhì)量。

鑒于此，本文擬運用CBR技術(shù)結(jié)合歷史項目案例的數(shù)據(jù)信息對備選投資項目的相關(guān)經(jīng)濟參數(shù)進行估算，在此基礎上，采用DEA方法對備選項目的經(jīng)濟效益進行定量評價，同時以評價結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合歷史案例的投資效果，為備選項目的投資決策提出意見和建議，輔助提升企業(yè)科學決策水平。

1 裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目投資決策模型構(gòu)建

參考CBR技術(shù)“4R”循環(huán)流程(檢索(Retrieve)，重用(Reuse)，修正(Revise)，保存(Retain))，結(jié)合DEA方法，提出了一個用于裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目投資決策的組合模型，模型框架如圖1所示。模型主要包括四個部分：案例表示、案例檢索、案例重用與修正、經(jīng)濟效益評價。

圖1 基于CBR-DEA的裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目投資決策模型框架

1.1 案例表示

裝配式部件生產(chǎn)基地項目投資決策模型基于歷史案例信息進行推理，因此需要以一種合理的形式對歷史案例和備選項目中包含的信息進行表示，并建立案例庫存儲這些信息。根據(jù)CBR技術(shù)的基本原理，結(jié)合本文所構(gòu)建的模型框架，用于進行裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目案例表示的信息包括兩部分：項目的特征屬性信息A和項目的經(jīng)濟參數(shù)信息B。

1.1.1 項目特征屬性指標選取

本文從裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目的特點以及項目投資決策的需求出發(fā)，對裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目特征屬性指標進行選取。在中國知網(wǎng)中以“裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目”“預制構(gòu)件生產(chǎn)基地項目”“構(gòu)件廠”等關(guān)鍵詞進行文獻檢索，從所得到的文獻中分析和選取相關(guān)指標；在此基礎上展開企業(yè)和項目層面實地調(diào)研，綜合專家的意見和建議，最終選取了裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目特征屬性指標，如表1所示。

表1 裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目特征屬性指標

1.1.2 項目經(jīng)濟參數(shù)確定

項目的經(jīng)濟效益反映了項目在資金、勞動力以及原材料等方面的投入情況和效益的產(chǎn)出情況。預制構(gòu)件的管理費、人工費、材料費和固定資產(chǎn)攤銷費4項費用是影響預制構(gòu)件生產(chǎn)成本的主要因素[18]，材料費反映了原材料的投入情況、人工費反映了生產(chǎn)人員的投入情況，管理費反映了項目的管理水平，折舊和攤銷則受到項目總投資和實際產(chǎn)能的影響。借鑒已有研究成果，結(jié)合指標的可量化和可測性以及數(shù)據(jù)可獲取性和可操作性原則，選取構(gòu)件生產(chǎn)的年管理費B1、年人工費B2、年材料費B3、年折舊和攤銷費B4來反映項目的資源投入情況[10,19]；選取年利潤B5和年銷售收入B6來反映項目的產(chǎn)出情況[19～22]。

綜上所述，一個裝配式部件生產(chǎn)基地項目案例表示框架如圖2所示。設P={P1,P2,…,Pm}為裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目歷史案例庫，P1,P2,…,Pm為m個歷史項目，每一個項目均可表示為Pi={Ai,Bi}，Ai={Ai1,Ai2,…,Ain}為項目i的特征屬性信息集合，n為項目特征屬性指標總數(shù)；Bi={Bi1,Bi2,…,Bis}為項目i的經(jīng)濟參數(shù)信息集合，s為項目經(jīng)濟參數(shù)總數(shù)。

圖2 裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目案例表示

1.2 案例檢索

案例檢索即通過案例的相關(guān)特征屬性從案例庫中檢索到與備選項目接近的歷史項目。本文采用相似度來度量備選項目與歷史案例的接近程度，進而實現(xiàn)裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目的案例檢索。案例檢索步驟如下：

1.2.1 特征屬性相似度計算

由表1可知，裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目的特征屬性包括數(shù)字型和字符型兩類，對于不同類型的特征屬性，需定義不同的相似度計算方法。

(1)數(shù)字型

包括項目總投資額、項目距市中心的路程、設計產(chǎn)能，則備選項目p0與案例庫中項目pi的第j個特征屬性的相似度計算方法如式(1)所示。

(1)

(2)文本型

包括企業(yè)類型、項目所在區(qū)域、生產(chǎn)線類別與數(shù)量、產(chǎn)品類別。

對于投資公司類別和項目所在區(qū)域這兩個指標，當屬性特征相同時，相似度為1，不相同時相似度為0，如式(2)所示。

(2)

對于生產(chǎn)線類別與數(shù)量和產(chǎn)品類別這兩個指標，備選項目p0與案例庫中項目pi相似度計算方法如式(3)所示。

sim(A0j,Aij)=

(3)

式中：common(A0j,Aij)為兩個項目中相同的生產(chǎn)線數(shù)量或相同的產(chǎn)品類別數(shù)；different(A0j,Aij)為兩個項目中不同的生產(chǎn)線數(shù)量或不同產(chǎn)品類別數(shù)。

1.2.2 特征屬性權(quán)重確定

各特征屬性在相似度計算中的影響程度不同，因此需要對各特征屬性進行賦權(quán)。本文采用熵權(quán)法進行權(quán)重計算，得到特征屬性指標的權(quán)重集合：W={w1,w2,…,wn}。

1.2.3 案例總體相似度計算

裝配式建筑部件生產(chǎn)基地備選項目與歷史案例的總體相似度通過備選項目與歷史項目的特征屬性相似度加權(quán)求和得到。因此備選項目p0與案例庫中項目pi的全局相似度sim(p0,pi)計算公式如式(4)所示。

(4)

1.2.4 確定相似案例

根據(jù)相似度計算結(jié)果，結(jié)合專家意見，設定案例總體相似度閾值η。當歷史案例與備選項目相似度大于η時，該歷史案例為備選項目的相似案例，將該歷史案例存入相似案例集合Psim，以用于備選項目的經(jīng)濟參數(shù)估算。

1.3 案例重用與修正

一般情況下，很少出現(xiàn)歷史案例與備選項目完全匹配的情況，因此模型以存入相似案例集合的歷史案例經(jīng)濟參數(shù)值為基礎，對這些信息進行修正，從而估算出備選項目的經(jīng)濟參數(shù)。項目經(jīng)濟參數(shù)信息修正步驟如下：

1.3.1 權(quán)重計算

由前文可以得到備選項目的相似案例集合Psim={P1,P2,…,Pl}(Psim∈P)，l為符合條件的案例總數(shù)，備選項目與符合條件的案例相似度集合為：s={sP1,sP2,…,sPl}。對相似度進行歸一化處理，計算方式如式(5)所示。

(5)

得到各相似案例的權(quán)重集合S={SP1,SP2,…,SPl}。

1.3.2 備選項目經(jīng)濟參數(shù)估算

提取相似案例的經(jīng)濟參數(shù)值集合Bsim={BP1,BP2,…,BPl}。根據(jù)相似度權(quán)重和案例數(shù)據(jù)計算備選項目的經(jīng)濟參數(shù)，備選項目的第i個經(jīng)濟參數(shù)計算方式如式(6)所示。

(6)

由此可以計算出備選項目n個經(jīng)濟參數(shù)指標值B0={B01,B02,…,B0n}。

1.4 備選項目經(jīng)濟效益評價

采用數(shù)據(jù)包絡分析方法以備選項目和已建項目為決策單元(Decision Making Units，DMU)進行評價。

1.4.1 指標選取

由前文分析可得，與項目經(jīng)濟效益相關(guān)的主要參數(shù)有管理費、人工費、材料費、折舊和攤銷費、利潤和銷售收入。

根據(jù)DEA模型的特征要求，結(jié)合效率的投入產(chǎn)出比原則，對這6個指標進行分類，可以得到投入和產(chǎn)出指標，如表2所示。

表2 裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目經(jīng)濟參數(shù)

1.4.2 DEA模型建立

結(jié)合DEA方法的基本原理，本文建立的裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目經(jīng)濟效益評價模型如下：

(7)

式中：θk為決策單元k的投資效益評價結(jié)果；w為DMU數(shù)量；t為每個DMU投入?yún)?shù)數(shù)量；h為每個DMU產(chǎn)出參數(shù)的數(shù)量；s+,s-為松弛變量；xij為對第j個DMU投入的第i種資源的數(shù)量；yrj為對第j個DMU第r種產(chǎn)出效果的數(shù)量；xik為對決策單元k投入的第i種資源的數(shù)量；yrk為決策單元k第r種產(chǎn)出效果的數(shù)量。

1.4.3 結(jié)果分析

對于備選項目DMUj0的經(jīng)濟效益評價結(jié)果θj0可分為以下兩種情況：

(1)θj0=1，則備選項目為DEA有效，可以進行投資；

(2)θj0<1，則備選項目不是DEA有效，建議放棄投資。

(8)

為了更直觀地反映各指標的變化幅度，根據(jù)式(9)計算各投入和產(chǎn)出參數(shù)的改進百分比。改進的百分比值越大，表示該指標越有可能是造成DEA無效的主要因素，應對這個指標引起重視[23]。

(9)

2 實證分析

2.1 項目概況

某國企計劃在W市投資新建裝配式建筑部件生產(chǎn)基地，項目選址為W市X區(qū)，距市中心60 km，總投資3.5億元，設計產(chǎn)能10萬m3，配備2條國產(chǎn)自動化生產(chǎn)線和一條國產(chǎn)固定模臺生產(chǎn)線，擬生產(chǎn)實心剪力墻外墻板、實心剪力墻內(nèi)墻板、疊合板、預制樓梯、預制空調(diào)板、預制陽臺板、預制飄窗等七種預制部件。現(xiàn)以該項目為例，對是否投資該備選項目進行實證分析。

2.2 模型應用

2.2.1 案例表示

通過實地調(diào)研等形式對W市9家已建成投產(chǎn)的效益較好的裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了收集和整理。按照圖2中的案例表示框架提取數(shù)據(jù)和信息并存入案例庫中，以歷史案例項目A作為案例庫存儲格式示例，如表3所示。

表3 W市裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目A信息存儲示例

2.2.2 案例檢索

按式(1)～(4)計算備選項目與歷史項目的局部相似度和全局相似度，計算結(jié)果如表4所示。參考相關(guān)文獻，結(jié)合專家意見，設定相似度閾值為0.6，得到備選項目相似案例集合：Psim={A,C,F,G,I}。

表4 備選項目與歷史項目局部相似度與全局相似度計算結(jié)果

2.2.3 案例重用與修正

由式(5)可計算得到相似案例的權(quán)重集合S={0.227,0.190,0.176,0.207,0.200}。提取相似案例經(jīng)濟參數(shù)值，根據(jù)式(6)計算備選項目經(jīng)濟參數(shù)值，如表5所示。

表5 備選項目經(jīng)濟參數(shù)計算結(jié)果 百萬元/年

2.2.4 備選項目經(jīng)濟效益評價

將備選項目和9個歷史項目的數(shù)據(jù)輸入MATLAB 2018軟件進行編程計算，項目的相對經(jīng)濟效益計算結(jié)果如表6所示。

表6 相對經(jīng)濟效益計算結(jié)果 百萬元/年

備選項目相對經(jīng)濟效益評價結(jié)果為θj0=0.97<1，為非DEA有效。依據(jù)式(8)(9)對備選項目投入產(chǎn)出參數(shù)值進行改進，以此為依據(jù)進一步找出導致備選項目為非DEA有效的原因。備選項目投入產(chǎn)出參數(shù)修正結(jié)果如表7所示，備選項目的四項投入指標以及利潤均得到了調(diào)整，其中利潤產(chǎn)出調(diào)整幅度最大，為12.3%。由此可以得出，利潤產(chǎn)出不足是導致備選項目為非DEA有效的重要原因。

表7 備選項目投入產(chǎn)出修正結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

由上述計算結(jié)果可知，與W市現(xiàn)有的裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目相比，備選項目并不具備競爭優(yōu)勢，因此，投資者宜放棄投資該項目。在實地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，與備選項目相似度最高的項目A在運營過程中存在因運輸距離較長導致的運輸成本過高，利潤空間被壓縮的問題。而備選項目的特征屬性中與運輸距離相關(guān)的指標(項目所在區(qū)域和項目距市中心的路程)與項目A的相似度最高，這表明，運輸距離過長、運輸成本過高也是導致備選項目利潤產(chǎn)出不足、影響備選項目經(jīng)濟效益的重要因素，與當前行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀相符。

3 結(jié) 論

本文研究了提升裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目投資決策水平的新方法，主要結(jié)論如下：

(1)以歷史案例數(shù)據(jù)信息為基礎，結(jié)合CBR理論對裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目的經(jīng)濟參數(shù)進行估算。通過從案例庫中檢索相似案例集，可以在投資決策階段為項目經(jīng)濟參數(shù)估算提供可靠數(shù)據(jù)，提升估算的準確度。

(2)使用DEA方法建立了經(jīng)濟效益評價模型，在對項目經(jīng)濟參數(shù)估算的基礎上，對項目與其競爭者的經(jīng)濟效益進行對比分析，從而為裝配式部件生產(chǎn)基地項目的投資者提供科學合理的決策建議。

(3)以W市某項目為例進行了實證分析，驗證了模型的有效性，以期為企業(yè)進行裝配式建筑部件生產(chǎn)基地項目投資決策提供參考。