水利水电工程项目风险分析方法研究

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河　北　工　程　技　术　高　等　专　科　学　校　学　报 　　 2004 年 9 月　　　　　　　 　　　　　　　　Sep. 2004 　　 第3期 JOU RNAL O F H EBE I EN G I N EER I N G AND T ECHN ICAL COLL EGE N o. 3

文章编号: 1008- 3782 ( 2004) 03- 0001-

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水利水电工程项目风险分析方法研究
王仁超1 , 黄永春1 , 徐兴中2
(11 天津大学建筑工程学院, 天津　300072; 21 水利部河北水利水电勘测设计研究院, 天津　300250)

摘要: 介绍了水利水电工程项目中一些常用的风险分析方法, 分析了各种方法的优缺点, 同时结合水利水电工程的特点, 提出了一种将风险影响图和蒙特卡罗模拟相结合的动态风险分析方法, 并通过实例论证了该方法的有效性。最后指出了在水 利水电工程项目建设中, 风险分析研究的方向。 关键词: 风险分析; 风险影响图; 蒙特卡罗模拟 中图分类号: N 9451　　　文献标识码: A

水利水电工程项目的建设与开发是一个复杂的、 充满不确定性的过程。 一般说来, 它具有规模庞大、 资源 投入数量大、 建设周期长、 自然条件和技术条件复杂、 涉及因素众多等特点, 是一个复杂的系统。 由于在建设 过程中, 系统的不确定性因素众多, 影响关系错综复杂, 而且各因素引起的后果的严重程度可能完全不同, 因 此项目能否达到预期的效果具有很大的不确定性。 为此, 对水利水电工程项目进行风险分析研究具有积极的 意义。 目前, 项目风险管理中争论的焦点在于风险分析评价方法的选用。 为此, 文中对水利水电工程项目中的 一些主要风险分析方法进行了对比研究, 分析了各种方法的利弊及其适用条件。 在此基础上, 针对水利水电 工程项目的特点和以往风险分析方法的不足, 提出了一种将风险影响图分析与蒙特卡罗模拟计算相结合的 动态风险分析方法, 最后指出了风险分析在未来的研究方向。

1　项目风险分析方法
111　风险分析的基本方法

项目风险分析是指应用各种风险分析技术, 用定性、 定量或两者相结合的方式处理工程项目中不确定因 素的过程, 其目的是评价在项目的建设中可能存在的风险, 为决策者进行决策提供依据。 目前在水利水电工程项目中常用的风险分析评价方法有专家调查打分法、 敏感性分析法、 层次分析法、 风险影响图法、 蒙特卡罗模拟法等。 11111　专家调查打分法 这是一种最常用、 最简单的分析方法。 首先, 辨识出某一特定工程项目可能遇到的所有风险, 列出风险清 单; 其次, 利用专家的知识和实践经验, 对所有可能的风险因素的重要性进行评价, 综合成整个工程项目的风 险。 项目最后的风险度值为每位专家评定的风险度乘以各自的权重值, 所得积的总和再除以专家权重值之 和。 该风险度值越高, 则风险越大。 11112　敏感性分析法 敏感性分析法用于项目风险分析时, 只考虑影响工程项目目标成本的几个主要因素 ( 如利率、 投资额、 运 行成本、 回收效益等) 的变化。 首先假设各种不确定性因素 ( 利率、 投资额、 运行成本、 回收效益) 都分别为某一 确定值, 计算出该项目的投资净收益 (N PV ) , 然后分别考虑其中某一个不确定性因素发生一定变化 ( 对同一 个因素, 该变化率取同一值) 对该项目的影响, 即投资净现值的变化。 根据各因素对工程项目影响的大小,
收稿日期: 2004204227 作者简介: 王仁超 ( 19642) , 男, 天津大学建筑工程学院教授, 主要从事系统工程与工程管理的研究。

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可以确定工程目标成本对哪一个因素的变化最敏感, 哪个最不敏感, 相应得出敏感性顺序, 对敏感性较大的 因素要加以重视。 11113　层次分析法 (A H P ) 层次分析法是一种比较灵活且易于理解的分析方法。 首先进行风险辨识分类, 采用专家法或德尔菲法构 造出工作包的风险框架图 ( 图 1) ; 然后构造判断矩阵, 即由专家按一定的规则对因素层和子因素层间各元素 的相对重要性给出评判, 求出各元素的权重值, 并对专家的评价进行一致性检验, 最后根据工作包风险处于 高、 中、 低各级的概率, 判断出其风险度, 再综合全部工作包风险度得出项目总风险度, 提交决策者进行决策。

图 1　A H P 分析框架图

11114　风险影响图

风险影响图是表示项目风险作用关系、 组合关系的有向图, 由风险节点和风险作用关系弧 ( 箭头) 组成, 每一个风险节点对应项目中的一个风险变量。 它用直观紧凑的图形表示出问题中主要变量间的相互关系, 并
[1] 可以清楚地揭示出变量间存在的相互独立性及进行决策所需的信息流。 如图 2 和图 3 所示。

图 2　项目风险影响图　　　　　　　　　图 3　基本影响图

如图 2 为风险组合 C = 6 k j x i 影响图, 其中 “×” 表示该节点为积节点,“+ ” 表示该节点为和节点, 风险 风 C 受 z 1 , z 2 , …, z n 等因素的影响; 图 3 为基本影响图, 图中风险 L 直接受 w , m 的影响, 间接受 w , t 的影响。 险影响图既可以作为一般直观的定性分析工具, 又可以作为由计算机实现的正规数量化分析的手段。 11115　蒙特卡罗模拟法 蒙特卡罗模拟法又称统计试验法, 是估计经济风险和工程项目风险的一种常用的方法。 它以概率模型为 基础, 对含有随机性质的问题能够作出全面的模拟, 可以对若干参量的变化同时作出模拟分析, 使在复杂情 况下的决策更加合理准确。 该方法的前提与基础是风险因素及其相关性的辨识, 一般按图 4 所示程序进
[2] 行。

112　风险分析方法的比较

分析以上风险评价方法, 可以得出下面的认识。

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　　专家调查打分法简单、 明了, 且需要的费用比较 少, 在多数中小型项目中仍然广泛采用。 在分析时该 法主要是依据专家的经验和决策者的意向, 对工程 项目中可能遇到的风险作出定性判断, 得出的结论 是定性的, 主观性比较大。 对于大型复杂项目只能作 为进一步风险分析的基础。 一般在决策前期缺乏项 目的具体数据资料的情况下采用专家调查打分法。 层次分析法 (A H P ) 也是充分利用人的经验和 判断, 采取相对标度形式, 能够统一对有形与无形、 定量与不可定量的因素进行测度。 同时采用主观判 断与客观分析相结合的方法, 可以对项目中潜在风 险因素或子因素的评价用数字进行定量描述, 并构 造出风险因素的递阶层次结构, 使之与决策者的思 维过程相一致; 在分析过程中采用专家评判, 并用一 致性准则来检验评判的准确性。 整个过程中既有定 性分析, 又有定量结果, 为决策者提供了一个全面了 解项目风险情况的机会, 使其做出的决策更科学。 A H P 法广泛应用于工程投标阶段, 但是由于受计算 准则和一致性检验标准的限制, 难以在复杂的工程 项目中应用。

图 4　蒙特卡罗模拟法流程图

敏感性分析法研究影响工程目标成本的几个主要因素的变化对目标成本的影响, 并得出定量结果。 在项 目管理中, 敏感性分析方法一般用于可行性研究中分析工程风险。 通过敏感性分析, 可以向决策者提供可能 影响项目成本变化的因素及其影响的重要程度, 使决策者在做决策时考虑这些因素, 并优先考虑敏感性最大 的因素对工程成本的影响。 但是, 它是在假定其他参数不变的情况下分析单个参数变化对工程总成本的影 响, 因此, 应用时具有一定的局限性, 对于复杂工程项目, 难以做出准确的分析评价。 影响图法通过节点和箭头, 用直观紧凑的图形表示出项目中各风险因素间的联系与相互作用, 比较符合 工程实际, 弥补了以往分析方法中, 分析风险因素对项目的影响时, 每个风险因素都是相互独立的这一缺陷。 但是目前关于风险影响图的应用实例还不太多。 蒙特卡罗模拟法则采用定性分析与定量计算相结合的技术进行风险分析研究, 它是对未来实际可能发 生情况的一种模拟。 应用蒙特卡罗模拟技术可以直接处理每一个风险因素的不确定性, 并把这种不确定性在 成本方面的影响以概率分布的形式表示出来。 它是一种多元素变化方法, 在该方法中所有元素都受风险不确 定性的影响, 从而克服了敏感性分析方法受一维元素变化的局限性。 该方法既有对项目结构的定性分析, 又 有对风险因素的定量评价, 克服了专家法受主观因素影响的制约, 比较适合在大中型项目中应用, 并且便于 计算机操作, 可以适时地对数据进行更新。 但是, 其精确度和有效性取决于仿真计算模型的精确度和各输入 量概率分布估计的准确度, 因此建立的模型应该正确、 可靠、 适应性强、 容易控制和使用方便。 目前该技术的 难点在于对风险因素及其相关性的辨识。

2　风险影响图2蒙特卡罗模拟分析方法
实际上大量影响水利水电工程项目的随机因素并没有明确地包含在数学模型中, 只是被含糊地包含在 风险估计中, 在以往的风险分析中都没有充分地考虑这一点, 而且对于各风险因素间的相互作用与联系在大 多数情况下也都被隐藏在专家评价过程中而被近似地处理了, 根本得不到确切的表示。 而风险影响图表征了 项目风险的影响关系和组合关系, 是建立风险评价数学模型, 进行风险分析的有力工具。 因此, 以风险影响图 为工具, 建立风险分析模型, 对项目风险因素及其相关性进行辨识, 然后运用蒙特卡罗模拟对项目风险进行 定量分析计算, 可以使两种方法互相补充, 从而对项目风险做出准确的评价。

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211　风险因素辩识模型 ( 影响图) 构造

风险因素及其相关性的辩识是风险分析的关键, 为了不遗漏任何一个风险因素, 采用以下步骤构造风险 [1] 因素辩识模型。 1) 活动辩识。 将工程项目分解为基本组成单位——活动, 并弄清每一个活动的内容及其相关活动, 绘制 项目施工计划网络图以表示各个活动之间的关系。 2 ) 风险因素及其影响辩识。 对每一个影响目标实现的活动, 通过分析, 辩识出其对最终研究对象 ( 如费 用、 工期等) 的影响。 为此, 要对每个活动的主要单元逐一加以考虑, 弄清楚影响的时间关系与逻辑关系, 对一 些比较重要的影响因素, 要进行进一步的分析研究。 3) 风险因素相关性分析。 辩识出项目的主要风险影响因素后, 再根据研究目的, 按照活动的时间顺序和 逻辑关系, 采用影响图结构表示各风险因素间的本质联系。
212　蒙特卡罗模拟计算分析

蒙特卡罗方法是一种计算机模拟方法, 它的基本思想是构造各随机变量的概率模型, 然后对概率模型进 行抽样试验, 并用试验结果作为问题的解。 用蒙特卡罗方法计算工程项目风险的步骤如下: a. 确定模拟计算次数 N ; b. 根据研究对象和目的, 确定每一项活动的持续时间或施工费用; c. 确定每一 个风险变量的分布特征, 计算分布函数的参数; d. 根据工作间逻辑关系, 绘制网络图; e. 产生随机数, 计算各 活动的随机历时或费用, 并计算完工日期或工程费用; f. 统计完工日期 ( 费用) 大于计划完工日期 ( 费用) 的次 数, 并记为 M ; g. 计算工程项目的风险度 P r , P r = M N 。 用蒙特卡罗方法计算施工进度风险时, 其计算精度与模拟次数 N 有关。 其计算误差为 Ε = X ΑΡ N , 其中 是置信度系数 , 是标准差。 XΑ Ρ

3　工程实例
以某水电站土石坝枢纽工程为例[ 3 ] , 说明风险影响图2蒙特卡罗模拟分析方法在施工进度风险分析中的 应用。

图 5　某水电工程施工进度局部网络图

311　工程概况和计算条件

本工程的截流到拦洪阶段性施工进度网络计划如图 5 所示 ( 虚线表示虚项目) , 计划 11 月 1 日截流, 次 年 5 月 30 日拦洪。 根据初步分析, 截流、 闭气、 排水、 基坑开挖和大坝填筑施工在关键路线上, 其估算施工历 时 m 及估计区间 (a , b) , 数据见表 1。

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表 1　大坝填筑估算历时 m 和估计区间 (a , b)
活动 截流 闭气 基坑排水 基坑开挖 大坝填筑 估算历时
m d a = 0. 95m

区间 1
b= 1. 05m a = 0. 90m

区间 2
b= 1. 10m a = 0. 85m

区间 3
b= 1. 15m

2 8 5 20 125

1190 7160 4175 19100 118 175

2110 8140 5125 21100 131125

1180 7120 4150 18100 112150

2. 20 8180 5150 22100 137150

1. 70 6180 4125 17100 106125

2. 30 9120 5175 23100 143175

312　分析与计算 31211　风险因素及相关性辨识与分析

土石坝枢纽工程截流是一个复杂的项目, 影响其施工进度的不确定性因素, 风险影响图如图 6。

图 6　施工进度风险影响图

对土石坝截流工程, 施工进度的不确定性因素有如下几方面。 1 ) 水文、 气象因素的影响。水文因素主要对截流和拦洪日期有影响。截流拟在 11 月 1 日进行, 不确定变 化范围估计为前后 10 d; 设计拦洪日期是截流后次年的 5 月 30 日, 估计可能拖延 15 d; 气象因素主要对大 坝填筑施工有影响, 在截流到拦洪这段时间内大坝需停止施工的天数见表 2。大坝填筑期逐月停工天数估计 区间为估算停工天数的 019 倍到 1110 倍。 关键线路上其它施工内容基本不受气象因素的影响。
表 2　大坝填筑期可能停工的估算天数
月份 估算停工天数 d
11 7 12 8 1 14 2 16 3 20 4 12 5 14

　　2) 工作历时估计的不确定性的影响。 在水利水电工程施工中, 完成某一分部分项工程 ( 或工序) 的历时, 常根据该工作的工程量、 合理的资源供应计划和工程定额进行估算, 或直接根据有关指标和经验进行估计。 这种估算或估计均不同程度地存在不确定性, 而且不同的施工内容, 这种不确定性的程度也不同。 但在一般 情况下, 其概率密度应具有以下两个特点: a ) 有一个分布区间 ( a , b) , 在此区间上的概率密度始终取有限正 值; b ) 在区间 ( a , b) 内, 概率密度曲线呈单峰形状。 对一般施工内容, Β 分布比较符合工作历时的实际分布。
3) 每月有效施工天数的不确定性。 一般而言, 水利水电工程施工采用轮休, 可不考虑法定假日的停工, 但

应考虑水文和气象的影响而引起的停工。 例如, 土石坝的填筑施工, 特别是粘土防渗体的施工中, 降雨对其影 响很大, 即每月一定标准日的多少, 直接影响到有效施工天数。 每月有效施工天数可用下式计算: 月有效施工天数 = 月日历天数 - 因水文气象影响的停工天数 每月因水文气象影响而停工的天数具有不确定性, 这种不确定性的分布可借助于对历年逐月的大量历史资 料的分析计算得到。 在缺乏历史资料的情况下, 可假定每月因水文气象影响而停工的天数服从某一分布 ( 如 三角形分布) 。

6 31212　蒙特卡罗模拟计算

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蒙特卡罗模拟计算的步骤如下: 1) 确定仿真模拟次数 N = 50 000 次; 2) 根据工程量、 合理的资源供应计划和工程定额等资料, 估算每项工作的持续时间; 3) 确定施工内容工作历时的分布特征, 计算分布函数的参数;
4) 根据气象资料和具体施工内容, 估算因气象原因停工的天数和分布区间; 5) 计算每项工作施工的起始日期和经历的日历天数; 6) 根据各项工作之间的逻辑关系, 绘制网络图; 7) 若规定 ( 或计划) 完工日期具有不确定性, 则估计其最可能时间和估计区间; 8) 产生随机数, 计算随机工作历时、 随机有效施工时间和各工作随机日历天数; 9) 根据网络图确定计算完工日期 T c; 10) 统计计算完工日期大于计划完工日期 ( T c > T p ) 的次数, 并记为 M ; 11) 计算施工进度风险 P r , P r = M n。

对不同的大坝填筑历时估计区间, 其施工进度计划风险计算结果见表 3。
313　计算结果分析

由表 3 可见, 当大坝填筑施工历时估计区间变大时, 施工进度计划风险上升, 而且增加幅度比较大。
表 3　不同大坝填筑历时估计区间施工进度风险计算结果
估计区间方案 风险 ( P r )
(0195m , 1. 05m ) 010196 (0190m , 1. 10m ) 010506 (0185m , 1. 15m ) 011211

4　结束语
文中通过研究以往的项目风险分析与决策方法, 结合水利水电工程的特点, 提出了以风险影响图为工 具, 建立风险因素及其相关性辩识模型, 然后采用蒙特卡罗方法进行定量模拟计算的风险分析方法, 克服了 以往的风险分析中不考虑风险因素之间的联系与相互作用的不足, 既有定性分析, 又有定量计算结果, 为决 策者作出科学的决策提供了良好的依据。
参　考　文　献
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　第 3 期　　　　　　　　　　　　　　　　　卢彭真等: 无损检测技术在道桥中的应用

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A pp lica t ion of N on 2de st ruct ive Eva lua t ion T echno logy in H igh 2 w ay s and B ridge s
1 2 3 4 LU P eng 2zhen , QU L u 2 w en , CH EN Zh i2 w e i , ZH EN G D an 2yan (1. Guangzhou U n iversity, Guangzhou 510405, Ch ina; 2. Hong tu T raffic Eng ineering Com p any, H angzhou 311112, Ch ina; 3. Shaox ing T raffic Con struction Con tro l and M anagem en t L i m ited Com p any, Shaox ing 312000, Ch ina; 4. Zhejiang V ocational Co llege of T raffic, H angzhou 311112, Ch ina )

Abstract: T he p ap er in t roduces the app lica t ion of the non 2dest ruct ive eva lua t ion techno logy in the h igh 2 w ay s and b ridges, ana lyzes the d ifficu lt ies and p rob lem s, p u t s fo rw a rd som e so lu t ion s to the p rob lem s and fo reca st s the developm en t of non 2dest ruct ive eva lua t ion techno logy in the h igh- w ay s and b ridges. Key words: non 2dest ruct ive eva lua t ion; h igh 2 w ay s and b ridges; app lica t ion and developm en t ( 责任编辑: 翟国静) ( 上接第 6 页)

S tudy of R isk A na ly sis M e thod fo r W a te r R e sou rce P ro ject
1 1 2 W AN G R en 2chao , HU AN G Yong 2chun , XU X ing 2zhong (11Co llege of C ivil Eng ineering, T ian jin U n iversity, T ian jin 300072, Ch ina; 21H ebei Investigation, D esign and R esearch In stitu te of W ater R esou rces, T ian 2jin 300250, Ch ina )

Abstract: T h is p ap er in t roduced som e risk ana ly sis m ethod s in w a ter resou rce p ro ject and ana lyzed the . Com b in ing w ith the un ique fea tu re of w a ter resou rce p ro 2 advan tages and d isadvan tages of these m ethod s ject, a dynam ic risk ana ly sis m ethod ba sed on risk influence d iag ram and M on te Ca rlo si m u la t ion w a s p re2 sen ted. A nd the va lid ity of th is m ethod w a s dem on st ra ted th rough an exam p le. A t the end of the p ap er, the resea rch d irect ion of risk ana ly sis m ethod in w a ter resou rce p ro ject con st ruct ion w a s po in ted ou t. Key words: risk ana ly sis; risk influence d iag ram ; M on te Ca rlo si m u la t ion ( 责任编辑: 翟国静)



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