何棟良，姜東民，2*，張 哲，趙英楠

(1.青島理工大學 管理工程學院，山東 青島 266000；2.智慧城市建設管理研究中心，山東 青島 266000)

基礎設施是承載社會生產(chǎn)與居民生活的實際載體，而工程建設是實現(xiàn)基礎設施物質化的具體手段?；A設施建設涉及多個參與主體，基于不同利益訴求各參與方總是追求本方利益最大化，使設施效益發(fā)揮受限；且工程的特性決定了基礎設施從立項到報廢，其質量、成本、效益是動態(tài)發(fā)展的過程，各方追求的局部利益和基礎設施服務于人類社會的全局利益產(chǎn)生沖突。研究從基礎設施建設出發(fā)，結合動態(tài)規(guī)劃原理與價值工程，探討提高基礎設施價值的方式。

1 基礎設施的成本與功能

1.1 基礎設施全壽命周期成本的形成

許多研究對全壽命周期費用成本有較詳細的分析[1-3]，提出各種控制理論與方案[4-6]，但缺乏基于各階段動態(tài)聯(lián)系的研究，低估了運營維護期在全周期成本控制中的重要性，對失敗基礎設施造成的社會成本問題不夠重視。

良好的資源投入策略將充分發(fā)揮基礎設施作用，促進社會發(fā)展產(chǎn)生社會效益，而不良管控將給社會帶來負擔，這種負擔就是社會使用成本。社會使用成本一方面是由建設資金的沉沒成本與機會成本帶來的，另一方面則是設施未能預期發(fā)揮作用而對發(fā)展產(chǎn)生的阻礙，其承擔者為當?shù)厣鐣w成員，影響所輻射社會的生產(chǎn)活動。而運營成本主要受項目功能規(guī)模影響，承擔者是項目建設主體，影響著項目收支與運營情況。因此基礎設施全壽命周期成本應包含工程費用與社會使用成本兩大部分，通過總結文獻[7-10]，將工程費用又分為規(guī)劃、建造、運營和報廢處置四階段成本，基礎設施全壽命周期成本劃分如圖1所示。

交通運輸部收費公路統(tǒng)計年報顯示[11]，2016、2017、2018年全國高速公路的運營維護費用分別為1 292.8、1 345.2、1 487.9 億元；美國VA機構對其負責的2 000棟建筑運營養(yǎng)護費用調查顯示，運營養(yǎng)護費用是建造成本的7.7倍[12]。運營維護期成本在全周期成本中占很大部分。

1.2 基礎設施功能分析

基礎設施功能性體現(xiàn)在其以多大程度滿足所輻射地區(qū)人群的現(xiàn)實需求上，“以多大程度滿足需求”即有選擇的滿足某些需求與有限度的提供滿足；“輻射多大范圍的地區(qū)人群”即判斷工程規(guī)模以實現(xiàn)功能的承載與發(fā)揮?？梢姀墓δ苓m用的角度與時間維度分析，功能是動態(tài)的。

功能定義與建設成本、使用成本的關系如圖2所示。由圖2可知，功能需求差異對項目成本影響巨大，復雜的功能需求導致建設與運營維護成本上升；功能需求一定時，若投入更多資源在建設中進行精細施工，提高工程耐用性和可維護性，將降低維護運營成本。對基礎設施來說，錯誤的功能分析造成的功能過溢或不足，反而將增加全周期成本。

圖2 功能定義與建設成本、使用成本關系圖

單一的建造期資源投入管控已經(jīng)不足，運用動態(tài)規(guī)劃原理，將相應的價值理論和資源投入策略與基礎設施項目全壽命周期各階段聯(lián)系，從功能分析出發(fā)，可得出最佳的資源投入策略。

2 動態(tài)規(guī)劃與價值工程下全壽命周期成本控制的聯(lián)系

2.1 動態(tài)規(guī)劃理論

動態(tài)規(guī)劃理論是研究多階段問題的方法[13]，其把多階段轉化為一系列單階段問題，利用各階段間關系逐個求解得出全局條件下的最優(yōu)解。而工程建設的后效性體現(xiàn)在運營期，前階段具備狀態(tài)變量無后效性要求。

2.2 動態(tài)規(guī)劃下的價值工程

價值工程是協(xié)調功能與成本的過程，基礎設施中功能指導成本，功能分析在規(guī)劃期就須完成，成本控制則貫穿項目全周期。根據(jù)動態(tài)規(guī)劃思路，將費用控制的4個階段置于一個動態(tài)體系中，追求全周期下成本最低，動態(tài)規(guī)劃視角下對資源投入策略的優(yōu)化也實現(xiàn)了對功能與成本的優(yōu)化，因其就是基礎設施建設的價值工程過程。

2.3 動態(tài)規(guī)劃下的全壽命周期成本控制模型

設K代表工程全壽命周期的4個階段。其中，K=1為報廢處置期，K=2為運營維護期，K=3為建造期，K=4為規(guī)劃期。

設XK為第K個階段投入的資源，函數(shù)F(XK)為第K階段成本，F(xiàn)(XK)為XK的函數(shù)，且其必單調遞增。設RC為總預算限額，記RCi(i=1,2,…,K+1)表示在第i階段內可供承受的預算限額，即除固定成本支出外可用余額。

此動態(tài)規(guī)劃問題的狀態(tài)轉移方程為：

RCK=RCk+1-F(XK)。

采用逆向迭代法，RC4表示起始狀態(tài)-規(guī)劃期可承受的預算限額，易知RC=RC5；RC1為終末狀態(tài)，表示其余各期結束后預算限額的余量。DK(RCK)表示在RCK下資源投入決策的結果，設fK(RCK)為目標值函數(shù)，表示工程總成本。則有動態(tài)規(guī)劃基本方程為：

fK(RCK)=min(fK+1(RCK+1)+DK(RCK)),K=1,2,…,n。

該式的建立基于動態(tài)規(guī)劃的兩個基本理論：

(1)動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)性定理：含有n個階段的多階段決策問題，階段k=1，2,…，n，目標函數(shù)為最優(yōu)的充分必要條件是對任意k(1

fK(RCK)=min{min[fK+1(RCK+1)]+DK(RCK)}。

(2)動態(tài)規(guī)劃的最優(yōu)性原理：若存在最優(yōu)策略，那么它的后部子策略總是最優(yōu)的。

2.4 工程建設中動態(tài)規(guī)劃模型的應用

由動態(tài)規(guī)劃基本方程和狀態(tài)轉移方程有如下推導：

得f4(RC4)=min(RC-RC4)

同上過程有如下推導：

RC3=RC4-F(X3)=RC-F(X4)-F(X3)

可知：

(3)運營維護期。運營期成本受規(guī)劃期與建造期資源投入策略影響。功能要求不變時，規(guī)劃期與建設期投入資源越多，運營期所需資源投入越少。設有如下資源投入策略：

綜上所述，在我國的實際工程施工中旋風分離器的應用范圍是很廣泛，但是由于經(jīng)濟的發(fā)展形勢和外界環(huán)境以及生產(chǎn)規(guī)模等原因，導致了對旋風分離器性能的要求逐漸增高。為了保證75t/hCFB爐的整體運行效率，除了提高旋風分離效率，還需要調整燃料的粒徑，使得爐內溫度能保持的恰到好處，還應保持料層厚度和過量空氣系數(shù)的標準，加強鍋爐運行人員專業(yè)技能培訓，同時基于合理的設備改造，縮小中心筒插入深度、入口段截面形狀改造，方可有效全面提升75t/hCFB爐的整體運行效率。

有如下推導：

RC2=RC3-F(X2)=RC-F(X4)-F(X3)-F(X2)

可知：

此時：

3 規(guī)劃期較高資源投入提升設施價值證明

3.1 理論計算過程

F1(X)=F(X43)+F(X32)+F(X21)+F(X11),

資源投入量高↑低X?4=X43X?4=X42X?4=X41X?3=X32X?3=X31X?2=X25=(X41,X31)X?2=X24=(X42,X31)X?2=X23=(X43,X31)或(X41,X32)X?2=X22=(X42,X31)X?2=X21=(X43,X32)X?1=X11規(guī)劃期施工期 運營維護期報廢處置期圖3 全壽命周期各階段資源投入圖

F2(X)=F(X41)+F(X31)+F(X25)+F(X11),

如上文分析，運營期費用占總費用大部分，即X2?X3>(X4+X1)。

全壽命周期各階段資源投入圖如圖3所示。比較兩種資源投入策略的成本，盡管X43>X41,X32>X31，但X21?X25，則F2(X)>F1(X)，即C2>C1。證明在規(guī)劃期和施工期投入更多資源將降低工程費用。

3.2 動態(tài)規(guī)劃控制相比傳統(tǒng)控制的價值優(yōu)勢

傳統(tǒng)控制與動態(tài)規(guī)劃的價值工程控制區(qū)別如表1所示。相比傳統(tǒng)控制過程，動態(tài)規(guī)劃的價值工程控制促成投入更多資源在規(guī)劃期進行功能分析，降低控制難度，實現(xiàn)功能優(yōu)化，有效降低社會使用成本且降低工程費用，最終提高工程價值。

表1 傳統(tǒng)控制與動態(tài)規(guī)劃的價值工程控制區(qū)別

4 動態(tài)規(guī)劃下價值工程提高基礎設施價值的作用分析

4.1 實現(xiàn)功能優(yōu)化

人口、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使基礎設施建設更加復雜，若功能分析規(guī)劃過于超前，脫離實際需求，運營中使用不足且功能承載力過剩，造成浪費；分析規(guī)劃若過于保守，功能承載力不足，很快就面臨淘汰。在此思路下，對功能的認識拓寬到基礎設施所服務的社會領域，功能的適用也放眼長久發(fā)展，這種對功能的動態(tài)認識有利于優(yōu)化功能。

4.2 有效控制成本

控制效果、控制成本量與控制阻力是成本控制應用的三個后效，在全周期成本控制語境下，三者在各階段展現(xiàn)不同的變化趨勢，這也是應用動態(tài)規(guī)劃原理的基礎。各階段效果、成本與阻力變化如圖4所示。控制的效果即成本控制的成效性?；A設施功能指導成本，因此在規(guī)劃期進行成本控制成效最佳，隨工程的推進效果變低?？刂频某杀玖考闯杀究刂扑绊懙木唧w數(shù)量?；A設施項目中運營期成本最高，建造期、規(guī)劃期、報廢處置期成本依次降低?？刂频淖枇纯刂七^程承受的各方阻力。規(guī)劃期參與方最少，無前效影響；建造期多個參與方，統(tǒng)籌難度大且受規(guī)劃本身限制；運營維護期受前效影響最大，且前階段結束后功能規(guī)劃和施工結果已經(jīng)固定，可控空間大大減少，因此各階段控制阻力依次上升。

圖4 各階段效果、成本與阻力變化

動態(tài)規(guī)劃下價值工程提供了有效的資源投入策略，實現(xiàn)社會使用成本與工程費用的綜合最低，且此方法的控制過程即加強規(guī)劃期與建造期控制，契合基礎設施成本控制規(guī)律，在控制的效果、成本與阻力上取得最優(yōu)解。

4.3 優(yōu)化管理控制過程

基于價值工程的管理與傳統(tǒng)管理控制的區(qū)別如表2所示。傳統(tǒng)的管理思路中參與方以成本為導向，雖有成本預估但顆粒度不足，資金審計側重于事后決算[14]，工程活動也傾向于過程控制和事后控制。基于動態(tài)規(guī)劃下價值工程管理，強化決策方領導地位，注重事前控制的功能分析上，進行全壽命周期成本控制，在良好的資源投入策略下引導參與方建設工程。

表2 基于價值工程的管理與傳統(tǒng)管理控制的區(qū)別

5 結語

研究使用動態(tài)規(guī)劃原理切入價值工程過程，厘清基礎設施功能、成本的內涵與關系，對資源投入策略進行研究，有如下結論：基礎設施全壽命周期成本包含社會使用成本與工程費用，動態(tài)規(guī)劃下價值工程的資源投入策略加大規(guī)劃期與建造期資源投入，促成準確功能規(guī)劃，降低社會使用成本；功能指導成本，功能的優(yōu)化與精細建造降低了工程費用。因此動態(tài)規(guī)劃下價值工程的資源投入策略實現(xiàn)功能優(yōu)化的同時，降低工程全周期成本，提升基礎設施價值。動態(tài)規(guī)劃下的價值工程思路動態(tài)的認識功能與成本，對基礎設施等參與主體多、所涉階段多的目標，有效直指目標功能，統(tǒng)籌協(xié)調多階段，降低了此類問題的處理難度。此過程也給經(jīng)典的價值工程方法探索出一條新的方向，即動態(tài)的認識功能成本提高目標價值。