機械設備的全生命周期費用分析估算方法

劉　俊　沈　炎

[摘要]機械設備的全生命周期設計是多學科融合的綜合科學，涉及許多新興學科和現(xiàn)代先進技術。探討機械設備全生命周期設計概念和思想、主要研究內容和涉及的學科前沿課題。機械設備全生命周期費用分析估算是一個復雜的過程，它是機械設備全生命周期設計的重要前提和保證。識別與分類、數據收集和費用的結構分解、分析和建模以及報告和決策是全生命周期費用的四個分析過程，而這四個過程是一個循環(huán)迭代的過程。模型準備、模型假設、模型的建立、模型求解、模型的分析、驗證、模型的修改是建立模型的一般程序。在不同的發(fā)展階段給出了費用分析估算應采取的方法：參數費用方法、工程費用方法、類比費用方法、外推費用方法、仿真模型方法及綜合分析估算法。

[關鍵詞]全生命周期機械設計費用分析估算方法

中圖分類號：TH－9文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210105－02

一、機械設備生命周期設計

生命周期設計(Life Cycle Design，LCD)，通常也稱綠色設計、環(huán)境設計、生態(tài)設計或環(huán)境意識設計。機械設備生命周期設計是在設備整個生命周期內，著重考慮設備環(huán)境屬性(可拆卸性、可回收性、可維護性、可重復利用性等)，并將其作為設計目標，在滿足環(huán)境目標要求的同時，保證設備應有的功能、使用壽命、質量等。

對于機械設備的生命周期設計來說，設備生命周期一般包括以下幾個階段：(1)原材料獲取階段；(2)設備的規(guī)劃、設計與生產制造階段；(3)設備的分配和使用階段；(4)設備維護和服務階段；(5)報廢淘汰設備的回收、重用及處理處置階段。

機械設備的生命周期設計是在其整個生命周期內，在不同層次上進行動態(tài)設計的一個過程，而掌握環(huán)保知識的設計人員是整個生命周期設計的主體，機械設備生命周期設計的過程是：需求分析提出設計要求概念設計初步設計詳細設計設計實施。而生命周期設計與傳統(tǒng)設計的對比如表1所示。

二、機械設備全生命周期費用分析過程

機械設備的全生命周期費用分析過程是實施全生命周期費用分析的基本程序，它主要包括4個方面：識別與分類、數據收集和費用的結構分解、分析和建模以及報告和決策。而每個方面包括多個步驟，這些步驟包含了若干個任務。整個過程反復循環(huán)，任何項目都可能需要重復多次。

三、機械設備費用估算模型建立的一般程序

要進行機械設備壽命周期費用分析，必須建立其全生命周期費用模型。通常，建模遵循以下步驟：

1．模型準備。在建模前應對實際問題的背景有深刻的了解，進行全面細致的觀察、調查、研究，明確建模的目的，掌握對象的各種信息，弄清實際對象的特征，并且收集必要的數據，數據要符合所要求的精度。

2．模型假設。根據實際對象的特征和建模的目的，對問題進行必要的簡化，首先抓住主要因素，暫不考慮次要因素，將問題理想化、簡單化。理清變量之間的關系，并用數學語言進行必要的假設，但要注意的是：不同的假設會得到不同的模型，這一步是建模的關鍵。如果假設合理，則模型與實際問題較吻合，如果假設不合理或過于簡單(即過多地忽略了一些因素)，則模型與實際問題不吻合或者部分吻合，就要修改假設，修改模型。

3．模型的建立。根據所做的假設，運用適當的數學工具，建立各個量之間的數量關系，列出表格，畫出圖形，確定數學結構。

4．模型求解。利用已知的數學方法來求解模型。在模型求解前后，應該反復檢查各種運算式和數據輸入點，要確保運算式和數據輸入的準確性，并且要把輸入的數據和運算式都記錄下來，寫成文檔。

5．模型的分析、驗證。一個模型是否反映了客觀實際，可用已有的數據去驗證，如果由模型計算出來的理論數值與實際數值比較吻合，則模型是成功的；如果理論數值與實際數值差別太大，則模型是失敗的；如果理論數值與實際數值部分吻合，則可找原因，發(fā)現(xiàn)問題，修改模型、但實際上也并非所有的模型都必須驗證，這一點也是值得注意的。

6．模型的修改。因為數學問題往往比較復雜，且由于理想化拋棄了一些次要因素，因此模型與實際問題就不完全吻合。此時。要分析假設的合理性，將合理的部分保留，不合理的部分修改，對實際問題中次要因素再次分析，如果某一因素被忽略而使前面的模型失敗或部分失敗，則再建立模型時把它考慮進去。有時可能要去掉一些變量，改變一些變量的性質，如把變量看成常量，連續(xù)變量看成離散變量，離散變量看成連續(xù)變量；或者改變變量之間的函數關系，如線性改為非線性。

四、機械設備的全生命周期費用分析估算方法

機械設備全生命周期費用分析估算方法是尋求分析預估完成機械設備項目所需資源(人、材料、設備等)費用近似值的手段和技術。它體現(xiàn)了過去經驗與未來應用之間的關系。費用分析估算方法分為兩類：一般分析估算法和綜合分析估算法。一般分析估算法有參數費用法、工程費用法、類比費用法、外推費用法、仿真模型法等；綜合分析估算法是根據項目費用發(fā)生的規(guī)律，結合一般分析估算法的特點而形成的方法。

(一)參數費用法

參數費用法(Parametric Cost Estimating)是在建立費用模型時最為廣泛采用的方法。它運用過去的資料制定物理的、性能的、費用的適當參數和各個子系統(tǒng)費用之間的關系式。運用這種關系式求出新的子系統(tǒng)費用，然后綜合起來估算全系統(tǒng)的費用。用到的參數有時間、重量、性能、費用等。

但是，參數費用法建立的費用模型反映過去費用發(fā)生的規(guī)律，如果時間跨度過大或推廣到不同的部門，由于文化差異、時間差異等可能導致誤差較大。一般在應用一個模型之前，應對模型進行校準，使其能夠模擬本公司型號設備費用的發(fā)生情況，適應預測的要求。

制約我們采用參數法進行估算的一個主要因素是需要足夠的歷史數據，特別是能代表具體設備產品技術及研制生產環(huán)境的數據，這是一個較難解決的問題。一般認為參數費用法適用于方案論證階段或系統(tǒng)早期的概念性研究階段，用以系統(tǒng)多方案的經濟比較分析和快速報價。

(二)工程費用法

工程費用法又稱工業(yè)工程法(Industrial Engineering Cost Method)。它將整個系統(tǒng)分解為各個子系統(tǒng)和組成部分，按性能等參數逐個分別進行費用分析估算，然后將結果累計起來，便可求出總費用估算值。

這種方法要求被估算的方案和各分系統(tǒng)的技術方案已經細化，即比較具體，分系統(tǒng)分解的越細，則估算費用的數量越大，工作量也越大，估算的費用也越精確。

工程費用法的特點是“自下而上”地估算費用。該法從檢查和確定系統(tǒng)最底層的工作單元開始，利用工作分解結構(WBS)自下而上的逐項計算費用。所謂的工作分解結構，是一個以系統(tǒng)為中心的層次體系，由硬件、軟件、服務和資料組成。通過WBS，可以基本上確定研制一種設備型號的各個

具體項目。將WBS中每個工作單元的費用累加起來，便得到該型號設備的總費用。

(三)類比費用法

類比費用法(Analogy Cost Method)是參照過去已有的相似系統(tǒng)或相似系統(tǒng)的某些“部分”，作類比后得出的估計值。它往往應用在新的系統(tǒng)開發(fā)研究的初期階段，且往往是參數費用法和工程費用法不能采用時才用此法。通過此法得出的費用，是建立在與過去類似的系統(tǒng)研制項目規(guī)模和技術經驗進行類比的基礎之上的。類比的方法有兩種，一種是將正在研制的設備直接與具有同樣特征的類似設備進行比較，并分析估算其費用；另一種是將正在研制的設備與具有相同費用特征的不同設備進行比較，并分析估算其費用。類比費用法要求分析估算人員具備相當的經驗和專門的知識。由于時間存在過去和將來差別，還必須考慮通貨膨脹的影響，以及現(xiàn)實的具體情況。

(四)外推費用法

外推費用法(Extrapolation Cost Method)是從類比費用法發(fā)展而來的。與類比費用法相似，外推法的不確定性取決于在研制新設備和它的原設備之間不同技術特性的估計，以及這些技術差異導致的費用之間的差別。在絕大多數情況下，只要存在某些可靠的費用數據，外推法將比其它估算方法可能得到更好的費用估算結果。這是由于原準同類設備總是比歷史上的任何其它類似設備更接近于在研的型號設備。在研型號設備和原準設備的特性越接近，費用估算的不確定性范圍也就越小，由此得出的費用估算精確度也就越高。

(五)仿真模型法

仿真模型法主要有RADSIM模型。該模型被稱為研究和發(fā)展的仿真模型。它使用蒙特卡洛技術來模擬一項研究與發(fā)展(R＆D)計劃。每項R＆D活動和每次決策都由模型進行。從現(xiàn)在向前一段時間仿真，或者通過任務成功而使計劃完成，或者因技術失敗(或受時間和預算的限制)而使計劃終止。計劃的每次仿真代表R＆D計劃的一種可能結果。在進行了若干次這樣的仿真之后，可以得到結果的統(tǒng)計樣品，包括成功的概率和計劃成本。在RADSIM方法中，采用把整個計劃分解成許多研究子工程，再由各專業(yè)各領域的專家來評價子工程的方法，來解決全面的評價和成本估算問題。

(六)綜合分析估算法

機械設備研制的費用分析估算是一項持續(xù)性的工作，貫穿于設備研制的全過程，隨著設備研制工作的進展，采用的分析估算方法應越來越詳細、精確。如果只籠統(tǒng)的研究全生命費用分析估算模型和方法，而不考慮機械設備研制階段的劃分和每一階段工作的內容與特點或者在其研制的不同階段上，僅僅使用同一種分析估算方法得到的結果都是不能令人滿意的。因此在不同的費用分析估算階段應使用與其階段相適應的分析估算方法，如表2所示。在整個壽命周期建立唯一的費用分析估算關系式是困難的，可以采用一種綜合以上幾種分析估算方法的方式即綜合分析估算法，來建立費用模型。綜合分析估算法的主要思想是根據壽命周期的不同時間段，各分系統(tǒng)技術方案的相對成熟度，分別選用參數費用法、工程費用法、類比費用法等對壽命期內的每個費用單元建立費用分析估算關系式，而后把求得結果進行累加，從而得到總的費用。

五、結論

機械設備的全生命周期費用分析估算是一項復雜的工程，工業(yè)界中的一些公司采用了壽命周期費用分析技術，但是，這些技術的發(fā)展一直都是獨立的，其應用也是無規(guī)則的，承包商和銷售商幾乎根本不參與，簽訂設備供應合同主要還是以最少資本投資為根據。在機械設備壽命周期費用分析估算過程中，所有參與者、作業(yè)者、承包商和銷售商可能對業(yè)主權益的壽命周期費用會有很重大的影響。而且，只有他們都參與這一過程，采用費用分析估算得到的效益才能成為現(xiàn)實。要想取得這一點，就需要有一個共同的、統(tǒng)一的、在全工業(yè)范圍內使用的方法。

作者簡介：

劉俊，女，重慶人，學士，工程師，畢業(yè)于重慶渝州大學，主要從事機械設備及技術管理工作。