公私合营项目收益系统动力学分析——以天然气项目为例

孙春玲，任　菲，张梦晓

(天津理工大学管理学院，天津　300384)



公私合营项目收益系统动力学分析——以天然气项目为例

孙春玲，任菲，张梦晓

(天津理工大学管理学院，天津300384)

摘要：针对天然气项目成本与收入构成框架，基于项目收益影响因素因果关系分析，构建天然气PPP项目收益系统动力学模型，并运用Vensim PLE软件，结合已建成投入使用的西北加气站作为研究案例，进行模型有效性检验、仿真模拟与灵敏度分析。结果表明，特许期、特许价格、年加气量和私人部门期望收益率对项目收益产生综合相互作用的显著影响，从而提出有关特许经营协议定性与定量相结合的措施建议。

关键词：天然气；PPP；项目收益；系统动力学

1引言

中国天然气项目在《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》中作为绿色能源重要领域，无论在主观的环保需求还是在客观的技术条件上都有巨大的发展空间[1]。但是随着天然气供给能力与终端销售市场不断扩大的同时，单纯由中石油、中石化等国有公司担当天然气项目主要投资者和经营者已为政府造成了一定负担，普遍存在资金短缺、风险约束缺乏和管理机制效率低下等问题[2]。由此，2015年6月1日《基础设施和公用事业特许经营管理办法》颁布,试图利用PPP(Public Private Partnership)模式激发私人部门投资活力，通过政府和私人部门共同参与城市基础设施项目建设和运营，以特许经营协议为基础，建立长期互利的合作目标，实现有效公共服务供给[3]。

基于私人部门利益驱动和回收成本的需要，PPP项目收益研究作为政府和私人部门谈判基础，可进一步厘清政企边界，落实法律法规操作细则[4]。然而现有研究PPP模式文献多集中于高速公路、污水处理和垃圾焚烧等项目，较少针对天然气PPP项目技术要求高、前期投入大、回报周期长等特点，深入发掘天然气项目成本与收入特殊构成[5]。并且目前学者对于PPP项目收益研究主要从特许期、特许价格或客流量单一视角出发[6]，将客流量看作制定特许期或特许价格的调节变量，利用系统动力学分析考察不同因素相互作用对项目收益影响研究尚不多见[7]。由此，以PPP项目收益系统动力学(System Dynamics,SD)模型作为切入点，结合已建成投入使用的西北加气站作为研究案例，探讨项目收益变化情况对政府和私人部门决策影响，有助于公共服务产品供给与管理效率提高。

2PPP项目收益系统动力学理论基础

允许私人部门参与公共基础设施建设的思想促成了PPP模式的出现，而针对一些新兴绿色能源项目高风险的特点，政府都会实行某种程度的担保与调整机制来降低私人部门风险，或直接进行财政补贴来提高私人部门收益[8]，由此PPP项目收益影响因素主要有项目成本、特许期、特许价格、年加气量和政府补贴等[9]。项目成本直接关系到私人部门最终收益和公众支付意愿与能力，需要平衡二者之间关系以使项目成功运作[10]。特许期一方面不能过长，导致政府财政损失；另一方面不能过短，使私人部门投资意愿下降或迫使提高价格将负担转移给公众。特许价格中基准部分通常由项目成本起决定性作用，而调整部分往往取决于运营期客流量、同类竞争产品替代率和物价指数变化等不确定性状况，在保证私人部门收益的同时遏制暴利[11]，并减少政府和私人部门再谈判成本[12]。现有文献证明运营期客流量不确定性较大，研究重点在于政府担保、特许期和特许价格调整机制等风险分担方式[13]。天然气项目前期投资大、回收期长、技术高新，财务上难以达到收支平衡时政府可适当补贴或提供优惠政策来吸引私人部门，例如直接补贴、电费优惠和税收减免等方式[14]。

而系统动力学以定性和定量相结合的研究方法为基础，根据系统结构决定最终项目收益的原理[15]，首先定性地描绘项目收益各个影响因素之间的因果关系，然后利用反馈、调节和控制等系统行为设计反馈回路，最后运用计算机软件(Vensim PLE)仿真模拟，定量地考察高阶次、非线性和多重反馈的项目收益各个影响因素特性及其动态发展，实质上就是寻找项目系统结构优化，最终得到项目收益合理化[16]。PPP项目在保证公共服务供给的条件下，可以利用系统动力学模型来寻找特许期、特许价格和年加气量等影响因素之间系统结构合理化，以平衡政府和私人部门两者的期望收益。

综上所述，现有PPP项目收益研究较少考察特许期、特许价格和客流量三者综合相互作用，从而难以揭示不同类型项目投资成本与收入差异对项目收益起到的关键影响。因此，针对天然气项目成本与收入构成的综合系统框架，构建包含以上众多项目收益影响因素的系统动力学因果循环图与SD流图，通过模型有效性检验，对案例进行仿真模拟与灵敏度分析，提出有关特许经营协议定性与定量相结合的措施建议，同时具有理论和实践意义。

3PPP项目收益SD模型构建

3.1PPP项目收益系统动力学框架

PPP项目收益SD模型是由成本子系统、收入子系统和期望收益率结合而成的复杂开放系统，具有高阶次、非线性、多重反馈的特性。PPP项目收益系统动力学框架见图1，其中成本子系统主要包括建设成本和运营成本。建设成本包括自筹资金、贷款资金和贷款利息。运营成本主要包括原材料费、维修运行费、保险费和税费。收入子系统主要包括销售收入、政府补贴和额外收入，额外收入主要涉及广告、物业和绿化等收入。PPP项目两个子系统之间既相互独立，又相互联系，形成了多重因果反馈回路，共同作用于私人部门投资决策。

图1　PPP项目收益系统动力学框架

3.2PPP项目收益因果关系分析

梳理众多项目收益影响因素之间多重因果关系是构建SD模型的基础，根据PPP项目成本与收入构成特质的系统动力学框架，绘制PPP项目收益因果循环图(见图2)。其中“+”号箭头表示某变量的增加将引起另一变量的增加，“-”号箭头表示某变量的增加将引起另一变量的减少。

PPP项目收益SD模型由成本子系统和收入子系统所决定的最终收益净现值来反映，而净现值又受到期望收益率影响。成本子系统中，自筹资金的增加将引起贷款资金的减少，贷款利息也随之减少；建设成本的增加将引起项目规模的增大，进而运营成本和总成本也将增加。收入子系统中，年加气量的增加将引起特许期和特许价格的减少，特许期的减少又将会引起特许价格的增加，最终特许价格和年加气量的增加、政府补贴、额外收入将会共同引起总收入的增加。

图2　PPP项目收益因果循环图

3.3PPP项目收益SD流量与存量分析

基于因果关系定性梳理，分析项目收益影响因素中流量与存量的变化机制，构建PPP项目收益SD流图(见图3)，其中主要变量与关系式如下：

(1)状态变量。PPP项目收益SD模型中净现值为最终输出量，总成本与总收入为项目特许期内各个年份的累积量，利用系统动力学INTEG(a，b)函数计算，a为变化量、b为初始值。

(2)决策变量。由于天然气PPP项目收益中年加气量具有不确定性，因此政府通常在特许经营协议中与私人部门约定最低年加气量标准。如果某年天然气项目实际加气量低于最低年加气量标准，政府将给予私人部门补贴，否则无政府补贴。利用系统动力学IF THEN ELSE(c，d，e)计算政府补贴，c为条件、d为条件成立时的变量取值、e为条件不成立时的变量取值，年加气量为时间的动态表函数。

销售收入=特许价格×年加气量Time

政府补贴=IF THEN ELSE(年加气量Time<最低年加气量标准，政府补贴，0)

建设成本=自筹资金+贷款资金+贷款利息

运营成本=原材料费+维修保养运行费+固定资产折旧+保险费+税收

(3)辅助变量。PPP项目收益SD模型贷款资金中设备融资、地上建筑物融资和项目收益抵押融资特许期内各年贷款金额为时间的动态表函数，因而各年贷款利息也都不同。

贷款资金=设备融资Time+地上建筑物融资Time+项目收益抵押融资Time

贷款利息=贷款资金×利率Time

原材料费=原材料单价Time×年加气量Time

3.4SD模型有效性检验与仿真模拟

21世纪初，中国政府为了打造绿色生态城市,控制愈演愈烈的汽车尾气污染，引进“天然气燃料及配套加气站技术”来改变汽车燃料结构，使汽车尾气排放指标大幅度高于国家相关行业规范要求。但由于天然气加气站进口设备投资大，工艺流程要求苛刻，维护成本较高，各地项目建设初期普遍存在资金到位情况差的问题。西北某地方政府在与私人部门充分协商的基础上，利用国产高压压缩机和低温泵技术，采用PPP模式，成立项目公司负责加气站的融资、建设和运营，特许期满后加气站无偿移交当地政府。

图3　PPP项目模式SD流图

本项目总投资3000万元，其中项目公司自筹资金765万元；以项目收益为抵押向银行贷款935万元，一次性支付，回收期5年，年利率5.5%；天然气加气设备融资700万元，6年内等额支付，年利率7%；加气站地上建筑物融资600万元，6年内等额支付，年利率6%。运营期每年维修保养运行费177.4万元、保险费60万元、固定资产利用平均年限法(10年)每年计提折旧175.1万元和税率5.5%。天然气加气站当年设计施工，当年就投入运营，设计规模为24000m3/天，实际加气量为30000m3/天，比原设计提高了25%，零售价格随原材料价格每阶段略有浮动，折现率采用同期银行基准年利率，期望收益率参照行业平均收益率10%的标准，特许经营期为22年，运用Vensim PLE软件净现值仿真模拟结果见表1，SD模型中净现值随成本子系统和收入子系统变化趋势见图4。

表1　加气站净现值仿真模拟结果

图4　加气站净现值、总收入和总成本趋势图

现有资料列举了加气站特许期前9年净现值的真实记录，将仿真模拟结果与之作为比较，考察实际历史数据与模型仿真结果之间的拟合度，对此SD模型进行有效性检验，保证模型一定程度上的正确性和可靠性。相对误差分析见图5，横坐标表示特许期年数，纵坐标表示仿真值与真实净现值之间的相对误差率，气泡大小表示仿真值与真实值之间的欧式距离误差率。其中最大相对误差率为10.81%，最小相对误差率为0.50%，平均相对误差率为6.45%，均小于15%，可认为此SD模型基本符合有效性检验条件。

图5　SD模型相对误差分析图

3.5SD模型的灵敏度分析

灵敏度分析是考察参数变量或模型结构改变对输出结果的影响程度，通过循环调试寻找影响程度较大的参数变量，以此作为模型的杠杆作用点，为实际系统决策提供针对性建议。天然气PPP项目收益SD模型中，在可靠的法律效力下，特许期和特许定价是政府与私人部门博弈的重要对象，年加气量在整体系统中不确定性较大，并且不同私人部门对同一项目的期望收益率存在差异，因此对特许期、特许价格、年加气量和期望收益率这四类参数变量做灵敏度测试，进行实际系统的决策分析。

(1)特许期调整。如表1和图4所示，私人部门对天然气项目期望收益率为10%时，其余影响因素不变的情况下，第11年净现值为-208.66万元，第12年净现值即为36.54万元，动态投资回收期(即标准特许期)约为11.8年，实际特许期为22年，私人部门收益远超预期，分析主要原因有两方面：一是实际年加气量达到30000m3/天，比预期高出25%，致使收入大大增加，回收期缩短；二是期望收益率取10%为天然气项目行业平均收益率，私人部门对案例中加气站投资期望收益率一般高于行业平均收益率水平，实际此项目最终内部收益率达到38.22%。

(2)特许价格调整。如图6所示，Current曲线代表净现值初始水平，Run1曲线为特许价格下调10%时净现值水平，Run2曲线为特许价格上涨10%时净现值水平，净现值与特许价格同方向变化。由此可见其余影响因素都不变的情况下，特许价格下调10%时标准特许期约为15年，比初始标准特许期提高27.12%；特许价格上涨10%时标准特许期约为9.3年，比初始标准特许期降低21.19%：特许价格在当前水平，下调比上涨对标准特许期的影响大。根据初始标准特许期已经偏低的情况，特许价格继续上涨是不合理的，通过反复调试SD模型发现，Run3曲线中当特许价格下调约20%时标准特许期可达到实际特许期即22年。因此不考虑其余影响因素变动，政府对特许价格合理下调范围应为(0,20%)。

图6　特许价格调整的净现值趋势图

(3)年加气量调整。如图7所示，Current曲线代表净现值初始水平，Run4曲线为年加气量增加10%时净现值水平，Run5曲线为年加气量减少10%时净现值水平，净现值与年加气量同方向变化。由此可见其余影响因素都不变的情况下，年加气量增加10%时标准特许期约为9年，比初始标准特许期降低23.73%；年加气量减少10%时标准特许期约为14.8年，比初始标准特许期提高25.42%：年加气量在当前水平，减少比增加对标准特许期的影响略大。根据实际年加气量已经远超预期的情况，基于市场风险的考虑，通过阶段性持续减少年加气量发现，Run6曲线中年加气量减少20%时标准特许期约为18.6年，Run7曲线中年加气量减少25%时标准特许期达到实际特许期即22年。因此不考虑其余影响因素变动，私人部门对年加气量风险防范的减少范围为(0,25%)。

图7　年加气量调整的净现值趋势图

(4)期望收益率调整。如图8所示，Current曲线代表期望收益率为10%时净现值初始水平，Run8曲线代表期望收益率为5%时净现值水平，Run12曲线代表期望收益率为15%时净现值水平，净现值与期望收益率反方向变化。由此可见其余影响因素都不变的情况下，期望收益率为5%时标准特许期约为11年，比初始标准特许期降低6.78%；期望收益率为15%时标准特许期约为12.5年，比初始标准特许期提高5.93%：期望收益率变动程度小于标准特许期变动程度，大于净现值变动程度。根据私人部门期望收益率一般高于行业平均收益率水平的情况，通过阶段性持续提高期望收益率发现，Run9曲线中期望收益率为20%时标准特许期约为14年，Run10曲线中期望收益率为30%时标准特许期约为17.8年，Run11曲线中期望收益率为40%时标准特许期达到实际特许期即22年。因此不考虑其余影响因素变动，在实际特许期22年下，私人部门最大期望收益率约为40%。

图8　期望收益率调整的净现值趋势图

4结语

以项目收益为研究对象，通过针对天然气项目成本与收入构成因果关系分析，构建PPP项目收益变量间的系统动力学模型，运用Vensim PLE软件对案例进行仿真模拟与灵敏度分析，得出以下三方面结论：

(1)政府和私人部门考察项目时应着重对年加气量进行深入调查研究，制定实际年加气量在预期水平上的浮动率，当实际年加气量超过上限时，应有超额收益分享机制，防止私人部门暴利导致社会效益下降；当实际年加气量低于下限时，应有最低限收益政府担保，防止私人部门损失导致公共服务产品供给困难，类似此案例中下限不应超过25%。

(2)特许经营协议应明确特许价格调整机制，特别是当项目投资回收期远小于实际特许期时，特许价格可适当下调以便利公众，类似此案例中可下调范围不超过20%。

(3)制定特许期应关注特定私人部门的期望收益率，不同私人部门参与天然气PPP项目期望收益率存在差异，私人部门期望收益率较高则对特许期要求较长，反之亦然。一般私人部门期望收益率将高于行业平均收益率水平，类似此案例中私人部门期望收益率约为40%。

PPP项目收益系统动力学模型可适用于交通水利不同类型的PPP项目中，为政府推广PPP模式提供参考。后续研究可进一步探索年加气量预测以及政府监督管理、特许经营者法律责任等方面对项目收益的影响。

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(责任编辑沈蓉)

System Dynamic Analysis on Revenue for PPP Projects:A Case of Gas Projects

Sun Chunling，Ren Fei，Zhang Mengxiao

(School of Management，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Abstract：According to the cost and income structure of gas projects and the causality analysis of project revenue，system dynamic analysis on revenue for PPP gas projects uses the software of Vensim PLE for the model effectiveness test，to analogue simulation and sensitivity analysis with the combination of northwest stations case studies.Simulation results demonstrate that concession period,concession price,gas volume annually and expected yield of the private sector have a comprehensive effect on project revenue,and then it makes qualitative and quantitative suggestions of franchise agreement.

Key words:Gas projects；PPP；Project revenue；System dynamics

中图分类号:F223

文献标识码:A

作者简介：孙春玲(1975-)，女，天津人，硕士生导师，教授，博士；研究方向：工程管理。

收稿日期：2015-08-07

基金项目：国家自然科学基金面上项目“共同代理约束下工程项目经理授权赋能作用机理研究”(71371137)，国家自然科学基金青年项目“建设工程项目经理人力资本贡献价值计量体系研究”(71001078)。