蒙特卡罗法在高压加热器制造工期上的风险分析应用

牛 立

(上海电气电站设备有限公司上海电站辅机厂，上海 200090)

1 概 述

1.1 问题的提出

高压加热器(以下简称高加)是发电厂里的一种重要辅机设备,其工作原理是利用来自汽轮机的抽汽来加热锅炉给水,使给水达到所要求的温度,从而提高电厂的热效率和保证机组出力。

作为全国最大的制造电站辅机的专业企业,上海电站辅机厂的高加产量在2007～2009年的3年时间里连续增长,2009年的产量达到了138.9GW。在这产量高速增长的3年里,一个问题突出地显现在厂家的面前:设备制造的实际进度通常与计划的安排有较大偏差,使得设备的交货期不能满足电厂的建设进度。

怎样在编制高加生产制造计划时就有所侧重地予以关注偏差问题,进而针对有可能出现偏差的制造环节给予人力、物力等各类资源的适度投入?该问题实际上是一个风险分析问题。

1.2 有关风险的定义

1901年,美国学者威雷特最早给出风险的概念,认为风险是关于不愿发生的事件发生的不确定的客观体现。后来,另一位美国学者奈特把风险与不确定性作了明确的区分,指出风险是可测定的不确定性。1982年,日本学者武井勋在吸收前人研究成果的基础上对风险概念做了新的描述,认为风险是在特定环境中和特定期间内自然存在的导致经济损失的变化[1]。目前,美国项目管理协会(Project Management Institute,PMI)则认为风险是一种不确定事件或状况,一旦发生会对至少一个项目目标产生积极或消极的影响。风险的起因可能是一种或多种,一旦发生,会产生一项或多项影响[2]。而我国学者王长峰博士则认为风险是在以特定利益为目标的行动过程中,存在与初衷利益相悖的潜在损失,并由此导致对行动主体造成危害的事态[3]。本文针对高加制造的具体情况,作者将风险定义为在高加设备的制造过程中,由于各种因素可能引起的各制造环节延迟而导致出产期与计划时间的偏差。

风险的存在威胁着设备交货的准时性,也潜在影响着电厂的建设进度。为此必须加强对风险的管理,而风险管理的基础工作之一就是风险分析。

1.3 风险分析的方法

风险分析的方法可分为定性和定量2大类。定性的方法主要有安全检查表法、危害性预先分析、原因—结果分析、对应子项目分析模型、“严重—可能性”矩阵划分等级法、顶事件调研表法、工作分析结构—过程风险分析结构矩阵结构、工程周期—过程风险分析结构矩阵结构等。定量的方法主要有模拟法、决策树法、层次分析(The Analytic Hierarchy Process)法、作业条件危险性评价法分析等。如果项目执行过程中各风险因素是相互影响的,那么可以考虑使用期望值的概念。

1.4 高加制造进度风险分析方法的选择

定量分析方法的优点是可以测定一个风险可能的所有变量的值,以及测定每个变量相关的可能性。具体对本文所定义的风险而言,它可以测定制造环节中每个分解到的步骤发生相关变化的可能性大小,为风险管理提供坚实的数据基础。

2 风险定量分析的工具介绍

2.1 蒙特卡罗法介绍

蒙特卡罗(Monto-Carlo)法又称统计试验法或随机模拟法。该法是一种通过对随机变量的统计试验,随机模拟,求解数学、物理、工程技术问题近似解的数学方法。其特点是采用数学方法在计算机上模拟实际概率过程,然后加以统计处理。此法最初由数学家冯◦诺伊曼和乌拉姆用来模拟核反应堆中子的行为活动而首创的。

通常作分析时人们最关心的问题是系统的动态性。但目前各种定量计算所运用的数学模型很少能反映随时间变化的复杂过程,尤其当变量本身牵涉到不确定性的问题时,所考虑的问题更复杂,构造数学模型也更困难。蒙特卡罗法可以随机模拟各种变量间的动态关系,解决某些具有不确定性的复杂问题,被公认为是一种经济而有效的方法。

蒙特卡罗法的模拟步骤如下:①确定输入变量及其概率分布,对于未来事件,通常采用主观概率估计;②通过模拟试验,独立地随机抽取各输入变量的值,并使所抽取的随机数值符合既定的概率分布;③建立数学模型,按照研究目的编制程序,计算各输出变量;④确定试验(模拟)次数以满足预定的精度要求,以逐渐积累的较大样本来模拟输出的概率分布。

通过上述计算过程,虽然产生的是数值样本,却可以与其他统计样本一样,进行统计处理。因此,蒙特卡罗法借助人对未来事件的主观概率估计及计算机随机模拟,能解决难以用数学分析方法求解的动态系统复杂问题,具有极大的优越性,已成为当今风险分析的主要工具之一。

2.2 Matlab软件介绍

Matlab软件是美国New Mexico大学的Cleve Moler博士首创的,并随着Windows环境的发展而迅速发展起来。它具有多种功能强大的专用工具箱,如有限元分析、控制系统、系统辨识、信号处理、仿真、神经网络等。这些工具箱使得Matlab深入到工业生产和科学研究等多方面领域,成为众多新项目开发和产品研制的首选软件环境。

3 蒙特卡罗法在陈家港2×600MW机组高加项目上的应用

3.1 项目情况简介

2008年1月,上海电站辅机厂与陈家港电厂签定了供货合同。合同规定,上海电站辅机厂为陈家港电厂提供2套超临界的600MW高加,交货期为2008年11月。合同金额总计3300万元。

3.2 制造工期风险定量分析的具体步骤

首先,作者运用Project 2003软件,做出了高加制造工序的甘特图,具体见图1～图3。

图1 加热器进度甘特图1

图2 加热器进度甘特图2

图3 加热器进度甘特图3

由图1～图3可见,设备关键路线是“投料—管束制造—总装”和“投料—短接制造—总装”这2条。设备制造总工期是59 d。接着使用Matlab 2007软件,运用蒙特卡罗法对工期进行风险分析。

(1)确定活动的工期及相应概率。活动的概率是根据作者长期的工作经验而取的值。具体数据如表1所示。

表1 活动的工期及相应概率表

(2)根据概率分布情况对可能的随机数编号。作者根据长期的工作实践定概率分布类型为均匀分布。

(3)随机抽取20组样本数据。

(4)确定关键路线和总工期。

(5)根据抽取的若干组数据进行各工序概率计算。

根据表1利用计算机随机生成10000组样本数据,从中随机抽取20组样本。样本数据见表2。

关键路线见表2中带下划线的数字。然后根据关键路线统计总工期并计算概率,其结果见表3。

整个计算机仿真结果与部分程序如图4所示。

从表3中可以看出,高加在60 d(在保证质量的前提下,基于本企业的工装设备以及技术水平所能达到的最短工期为60 d),完成的概率是0.65(=0.05+0.10+0.15+0.35),准时完工的工期风险较小。而计算机仿真的结果也较符合以往多时项目的实际情况,因此采取常规的管理措施即可。

表2 样本数据

表3 总工期及概率

最终,该项目设备按照合同所规定的交货期准时发运现场,确保了工程的建设进度。

4 结 语

图4 仿真结果与部分程序

蒙特卡罗法用于高加制造进度的定量分析是一个新的尝试,其益处在于能对潜在风险事件建立一系列概率分布,对这些分布进行随机抽样,再将这些数据转换成能反映实际生产进度中潜在风险量化的有用信息。作者下一步的工作重点就是在工作实践中对此不断完善,并在适当的条件下推广到1GW机组的高压加热器的制造进度风险定量分析上去,为项目风险管理的下一步工作打下扎实基础。

[1]Kerzner H.项目管理[M].杨爱华,译.北京:机械工业出版社,2007:3.

[2](美)项目管理协会.项目管理知识体系指南[M].卢有杰,译.北京:电子工业出版社,2007:198.

[3]王长峰.现代项目风险管理[M].北京:机械工业出版社,2008:10-11.