基于大數(shù)據(jù)分析長(zhǎng)輸管道地面工程造價(jià)管理的關(guān)鍵因素

馮兵，杜曉春，鄭國雄，蔣佳，唐剛

(中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處，四川 成都 610213)

0 引言

我國已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國。管道，特別是長(zhǎng)輸管道，是能源運(yùn)輸最主要、最經(jīng)濟(jì)安全的方式。截至2020年底，我國油氣長(zhǎng)輸管線總里程達(dá)到16.5萬千米，已實(shí)現(xiàn)西氣東輸、川氣出川、北氣南下。隨著能源生產(chǎn)與儲(chǔ)運(yùn)量的增加，預(yù)計(jì)到2025年我國長(zhǎng)輸管道總里程將超24萬千米。長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目線路呈現(xiàn)工期長(zhǎng)、工程內(nèi)容復(fù)雜、變化大等特點(diǎn)，這給項(xiàng)目造價(jià)管理造成極大不確定性[1]。造價(jià)管理決定長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目總體成本，對(duì)促進(jìn)石油與天然氣行業(yè)的發(fā)展、提升社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益有直接影響。在油氣行業(yè)造價(jià)管理過程中，預(yù)算、概算與結(jié)算“三超”現(xiàn)象普遍存在[2]。長(zhǎng)輸管道附屬的地面工程項(xiàng)目是項(xiàng)目總體造價(jià)構(gòu)成的主要部分之一，其造價(jià)管理直接影響項(xiàng)目總體成本控制。目前，長(zhǎng)輸管道造價(jià)管理模式總體相對(duì)落后[3]，內(nèi)外部影響工程造價(jià)管理的因素繁雜，缺乏建設(shè)單位、咨詢單位及施工單位三方協(xié)同的造價(jià)管理整體控制[4]，致使工程造價(jià)得不到有效控制，結(jié)算金額超合同簽訂價(jià)格現(xiàn)象普遍存在[5]。長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目管理輕視成本控制、項(xiàng)目范圍定義不清晰、合同條款歧義、工程主體間協(xié)作問題等均易造成施工成本無法控制現(xiàn)象頻發(fā)[6]。針對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目造價(jià)的復(fù)雜性，有學(xué)者提出對(duì)工程的造價(jià)從投資決策階段到竣工結(jié)算階段進(jìn)行全過程的管理[7]。然而，長(zhǎng)輸管道地面工程建設(shè)項(xiàng)目的造價(jià)管理在項(xiàng)目全生命周期管理過程中受各因素影響，如成本管理認(rèn)識(shí)不足、項(xiàng)目頻繁產(chǎn)生變更、材料價(jià)格失調(diào)、施工方法不當(dāng)、合同管理失敗、外部環(huán)境變化等[8]。大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)被逐步運(yùn)用于工程項(xiàng)目管理，如自然語言處理(natural language processing)方法被用于提取合同條件中的合同風(fēng)險(xiǎn)條款[9]，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(人工智能方法之一)被用于預(yù)測(cè)施工變形[10],BIM (building information modeling)技術(shù)被用于開發(fā)協(xié)作系統(tǒng)可視化平臺(tái)[11]等。大數(shù)據(jù)背景下，高新技術(shù)也被逐步運(yùn)用于油氣行業(yè)，如GIS運(yùn)用于管道路徑選擇有效降低15%～30%的項(xiàng)目成本[12-13]，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等運(yùn)用于物聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)輸管道構(gòu)架、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理模式優(yōu)化等，降低維護(hù)運(yùn)營成本及工程造價(jià)[14]等?；诖髷?shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法可運(yùn)用于處理大量數(shù)據(jù)、識(shí)別工程造價(jià)管理中的關(guān)鍵影響因素。為了有效提高長(zhǎng)輸管道地面工程項(xiàng)目造價(jià)管理實(shí)踐，本文在扎實(shí)的理論分析研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析方法構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)決策樹模型，識(shí)別影響長(zhǎng)輸管道地面工程建設(shè)項(xiàng)目造價(jià)管理的關(guān)鍵因素，填補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域研究空白，為長(zhǎng)輸管道地面建設(shè)工程項(xiàng)目的造價(jià)管理提供政策建議與決策參考。

1 方法

1.1 理論分析

圍繞長(zhǎng)輸管道地面工程建設(shè)項(xiàng)目造價(jià)管理失敗、造價(jià)超支等問題，本研究開展了大量的文獻(xiàn)研究。通過關(guān)鍵詞在知網(wǎng)(中文)、web of science(英文)搜索相關(guān)文獻(xiàn)、進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析，初步提取影響長(zhǎng)輸管道地面建設(shè)工程項(xiàng)目造價(jià)管理的關(guān)鍵因素，包括范圍界定、頻繁變更、材料管理、施工方法、合同條款、合同執(zhí)行、變更管理、政策法規(guī)、市場(chǎng)變化、自然條件等，以構(gòu)建長(zhǎng)影響輸管道地面工程項(xiàng)目造價(jià)管理因素的概念模型。

1.2 數(shù)據(jù)收集

為了實(shí)證研究識(shí)別在設(shè)計(jì)決策階段、施工階段影響長(zhǎng)輸管道地面建設(shè)工程造價(jià)管理的關(guān)鍵因素，本研究開展了問卷調(diào)查研究。本研究采用經(jīng)驗(yàn)證的成熟量表設(shè)計(jì)調(diào)查問卷，向長(zhǎng)輸管道地面工程項(xiàng)目造價(jià)管理相關(guān)人員收集定量分析數(shù)據(jù)。問卷調(diào)研法是工程項(xiàng)目造價(jià)管理常用數(shù)據(jù)收集方法之一[15]。調(diào)查問卷主要包含兩部分問題：(1)答題者個(gè)人信息相關(guān)問題；(2)影響長(zhǎng)輸管道地面建設(shè)工程造價(jià)管理的關(guān)鍵因素，包括主體相關(guān)因素、施工環(huán)境的變化、合同管理、材料管理、市場(chǎng)因素、自然環(huán)境因素等因素。問卷使用五分級(jí)Likert量表，答題者以1分(非常不重要)到5分(非常重要)的任意分值表明其對(duì)長(zhǎng)輸管道地面建設(shè)工程造價(jià)管理的關(guān)鍵影響因素重要程度的評(píng)判。本次問卷的受訪者均滿足三點(diǎn)要求：(1)從事長(zhǎng)輸管道地面工程相關(guān)工作，取得專業(yè)資格；(2)具有至少半年的長(zhǎng)輸管道相關(guān)行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)；(3)就職于長(zhǎng)輸管道行業(yè)相關(guān)的主要組織機(jī)構(gòu)，包括建設(shè)單位、咨詢單位、施工單位等。依托中國石油西南油氣田公司長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目，本次問卷調(diào)研共收回有效問卷100余份，其中男性答題者占比近八成；答題者年齡大多集中于30～39歲(近60%)，教育程度多為本科(近75%)，符合我國長(zhǎng)輸管道行業(yè)的實(shí)際情況；答題者工作年限普遍較長(zhǎng)(6～15年工作經(jīng)驗(yàn)的占比近65%)，對(duì)長(zhǎng)輸管道地面工程造價(jià)管理等相關(guān)工作較熟悉，觀點(diǎn)能反映工程實(shí)際?？傮w上，問卷樣本滿足抽樣調(diào)查的要求，具有普遍現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)決策樹分析

機(jī)器學(xué)習(xí)是常見的大數(shù)據(jù)處理方法，被廣泛運(yùn)用于語音識(shí)別、光學(xué)文字識(shí)別、手寫識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺、醫(yī)學(xué)圖像分析、文件分類、生物特征識(shí)別、自然語言處理、搜索引擎等。機(jī)器學(xué)習(xí)方法也被應(yīng)用于工程項(xiàng)目的造價(jià)管理，包括構(gòu)建工程造價(jià)預(yù)測(cè)的模型[16]和造價(jià)控制[17]。決策樹是一種常用于大數(shù)據(jù)處理的機(jī)器學(xué)習(xí)方法[18]。通過從一系列有特征和標(biāo)簽的數(shù)據(jù)中總結(jié)決策規(guī)律、用樹狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)規(guī)律解決問題。該方法包含訓(xùn)練集和測(cè)試集，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類及回歸分析，已被證明是一項(xiàng)可靠的大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法。本文運(yùn)用scikit-learn對(duì)問卷收集的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行決策樹分析，開發(fā)環(huán)境是Jupyter lab，庫包括Numpy、Pandas、Matplotlib等，最終運(yùn)用可視化工具Graphviz制作結(jié)果決策樹模型。

決策樹方法需將每個(gè)輸出數(shù)據(jù)標(biāo)記類別。本文問卷采用李克特5級(jí)量表，選項(xiàng)從5到1分別表示“非常同意”、“非常不同意”等五種回答。在建立決策樹模型時(shí)，以造價(jià)管理的平均值作為分界點(diǎn)，大于平均值標(biāo)記為“1”類，表示造價(jià)管理成功；其他為“0”類，表示造價(jià)管理失敗。 “不純度”是衡量決策樹擬合度的指標(biāo)，可通過其確定決策樹的最佳節(jié)點(diǎn)和最佳的分枝方法。不純度越低，擬合度越好?；嵯禂?shù)(Gini)和信息熵(Entropy)常用來表示不純度，其計(jì)算公式如下:

2 結(jié)果

為了識(shí)別長(zhǎng)輸管道地面工程項(xiàng)目造價(jià)管理的關(guān)鍵影響因素，本文根據(jù)研究假說建立了“影響因素–造價(jià)管理”的決策樹模型。在決策樹模型中，以“范圍界定、頻繁變更、材料管理、施工方法、合同條款、合同執(zhí)行、變更管理、政策法規(guī)、市場(chǎng)變化、自然條件”為輸入量，以“造價(jià)管理”為輸出量。決策樹模型結(jié)果顯示，材料管理是對(duì)長(zhǎng)輸管道地面工程項(xiàng)目造價(jià)管理的預(yù)測(cè)能力最高的因素，其他預(yù)測(cè)因素依次為自然條件、頻繁變更、范圍界定等。在決策樹模型中，每個(gè)數(shù)據(jù)按照因素特征值自上而下判斷決策樹結(jié)構(gòu)分枝。首先，在決策樹最高層級(jí)按材料管理特征值進(jìn)行判斷，當(dāng)滿足特征值≤3.5時(shí)，進(jìn)入左邊的非葉結(jié)點(diǎn)，再根據(jù)頻繁變更的特征值，當(dāng)≤4.5時(shí)，進(jìn)入左邊葉節(jié)點(diǎn)，得到結(jié)果“0”，即“造價(jià)管理成功”，結(jié)束判斷。節(jié)點(diǎn)中的samples屬性顯示應(yīng)用于該節(jié)點(diǎn)的訓(xùn)練樣本數(shù)量，value屬性表明此節(jié)點(diǎn)“0”“1”樣本數(shù)量(例如，根結(jié)點(diǎn)材料管理中，samples為74個(gè)，其中23個(gè)屬于0類(class 0)，51個(gè)屬于1類(class 1)。entropy值表示節(jié)點(diǎn)的不純度，entropy值越高該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不確定性越高，entropy=0時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)所有訓(xùn)練樣本均為同一類別。

3 結(jié)論與建議

工程造價(jià)管理是長(zhǎng)輸管道地面工程管理的重要工作。圍繞工程造價(jià)超支現(xiàn)象頻發(fā)，本課題旨在運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析方法識(shí)別影響該類項(xiàng)目工程造價(jià)管理的關(guān)鍵因素。在大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，本文提出了影響長(zhǎng)輸管道地面工程造價(jià)管理的關(guān)鍵因素及研究假說，通過問卷調(diào)研法采集了超過一百個(gè)實(shí)證數(shù)據(jù)、運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)決策樹方法構(gòu)建決策樹模型。研究發(fā)現(xiàn)，材料管理是影響長(zhǎng)輸管道地面工程造價(jià)管理的最主要因素，其他重要因素還包括自然條件、頻繁變更、范圍界定等。材料費(fèi)用占工程項(xiàng)目直接費(fèi)的較大比例，而材料供應(yīng)、材料價(jià)格容易受到市場(chǎng)波動(dòng)影響。材料的現(xiàn)場(chǎng)管理保證材料的質(zhì)量及使用量，不當(dāng)?shù)牟牧线M(jìn)場(chǎng)檢查、施工浪費(fèi)等造成材料消耗量增加，最終造成長(zhǎng)輸管道地面工程項(xiàng)目成本超支。項(xiàng)目范圍的界定不清晰被發(fā)現(xiàn)是影響長(zhǎng)輸管道地面工程造價(jià)管理的主要因素之一。作為長(zhǎng)輸管道的重要附屬工程，地面建設(shè)工程的范圍受到管道主體工程的影響，導(dǎo)致原定的造價(jià)管理失效。此外，在工程實(shí)際中，由于業(yè)主原因、設(shè)計(jì)原因、地質(zhì)條件不符等引起的設(shè)計(jì)變更，惡劣氣候現(xiàn)象等自然原因?qū)е碌耐９?、產(chǎn)生的窩工費(fèi)用及財(cái)產(chǎn)損失等，亦是影響長(zhǎng)輸管道地面工程建設(shè)項(xiàng)目造價(jià)管理的主要原因。為了更好地管理長(zhǎng)輸管道地面工程項(xiàng)目、有效實(shí)施造價(jià)管理，建議與材料供應(yīng)商建立長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作關(guān)系，以保障材料供應(yīng)充足以及減少價(jià)格波動(dòng)；建議建立良好的材料進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收、現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備、領(lǐng)取使用制度。為避免不必要的變更，項(xiàng)目建設(shè)方應(yīng)在前期階段開展充分的調(diào)研、做足可行性研究，避免由于地質(zhì)勘探原因、決策失誤等被迫發(fā)起變更，致使項(xiàng)目成本超支、造價(jià)管理失效。同時(shí)，建議建設(shè)方采用EPC、設(shè)計(jì)施工等新型承發(fā)包模式，充分發(fā)揮施工方在設(shè)計(jì)階段的作用，避免由于設(shè)計(jì)原因等造成的項(xiàng)目變更。最后，項(xiàng)目建設(shè)方、施工方應(yīng)在制定項(xiàng)目預(yù)算時(shí)預(yù)留風(fēng)險(xiǎn)保證金，就可能發(fā)生的惡劣天氣條件做好預(yù)防措施。通過購買保險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移等方式有效規(guī)避自然條件相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)、降低其造成的損失。本文的研究發(fā)現(xiàn)將為科學(xué)開展長(zhǎng)輸管道地面工程造價(jià)管理提供理論支持，對(duì)提升造價(jià)管理實(shí)踐產(chǎn)生積極作用。