Prooeedinj加of the 24伪Chinese Control CcnfferenceGus川杯how, P.R.ChlnaJuly 1冬1认2005动态均值一方差投资组合理论在油田勘探开发项目中的应用闰伟’,李树荣’,孙焕泉“ (1.石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东东营257061;2.中国石化胜利油田有限公司,山东东营2570 00)E- mail: yanwei-123456@yahoo.com.cn, lishuron@hdpu.edu.cn摘要:本文主要研究油田勘探开发项目的投资组合,并应用动态均值一方差理论,给出了项目投资的动态数学模型,该模型是控制带约束的随机线性二次型((LQ)控制问题。在讨论了该随机LQ控制问题的解后,给出了油田勘探开发项目的投资组合动态数学模型对应的随机的的Hamilton-Jacobi-Bellman(HJB)方程的解。最后,针对某个油田勘探开发项目的实际情况,应用上述结果,给出了实例的解,并得出了有效边界和最佳策略。关键词:现代投资组合理论,动态均值一方差投资组合,有效边界,随机LQ控制,随机HJB方程Application of Dynamic Mean-Variance Portfolio Selection Theoryin Oilfield Exploitation and Development(I-College了Information and Control Engineering,Universiyot f Petroleum, Dongying Shandong 257061, China;)(2.SINOPEC Shen沙Oilfield Co.,Ltd.,Dongving Shandong 257000, China)Abstract: This paper is concerned with portfolio of oilfield with dynamic mean-variance portfolio selection.Theproblem is formulated as a stochastic linear-quadratic(LQ) control problem. After solving the stochastic LQ controlproblem, the solution of the corresponding Hamilton-Jacobi-Bellman(HJB) equation of the problem is discussed.Finally, an example of the problem about portfolio of oilfield exploitation and development is presented, the efficientfrontier and optimal strategies of the mean-vairance problem are also given.Key words: modern portfolio, mean-variance portfolio selection, efficient frontier, stochastic LQ control, stochasticHJB equationYa n wei ',Li Shwrong',Sun Huanquan 21引言 在油田勘探开发项目中,确定项目投资分配的传统方法总是孤立地评价项目。项目必须经过某些经济测试,如果不能通过测试,则项目被淘汰。现代投资组合理论采取的是另一种方法,其最重要的理论基础是把重点放在多个项目之间的相互作用之上。运用投资组合理论的主要优点是在某个可接受的风险水平内增加投资组合的经济回报,另一个优点是分析过程本身对决策者的资产有更深入了解。现代投资组合理论和优化技术在油田勘探开发项目投资决策中起着越来越重要的作用。目前关于油田勘探开发项目投资优化组合的 研究多是单一时时段的,也就是以静态研究为主。研究多是针对静态的项目投资组合不同,这里所考察的是动态的投资变化,也就是连续时间的投资组合管理(动态均值一方差理论)应用于油田勘探开发项目的投资,并建立了一种油田勘探开发项目投资的动态数学模型,给出了算法并通过实例进行了应用研究。2油田勘探开发项目投资的动态数学模型假设某油田有n个勘探开发投资项目,每一个 项目的净现值(NPV)的过程为戈(t),它遵循的动态过程不再是单纯的微分过程,而是加入了随机的部分(维纳过程),进而满足如下随机微分方程:自Metron R.C[2,3]关于连续时间最优投资消费和投资策略发表以来,人们开始关注连续时间的投资。本文与以往的油田勘探开发项目的投资组合本1:作得到“973'’项目(2004CB318000)的资助。dS, (t)=S, (t) {bi (t)dt十艺6j (t)dW' (t)),(2.1)SAO)二Si>o.这里的b我们可以称之为升值率(与经济学相对应) rci1我们可以称之为波动率,而邢'(t)...牙"(t))‘是标准维纳过程。W(t)=(1689 我们再假设初始总净现值为xo,在时刻t(t E[0,T]),第i个项目上的净现值为况(t),则我们有3模型的求解 随机最优控制问题由于增加了随机部分,现如今常用的方法是随机极大值原理和动态规划的方法。x(t)一ES,(t)(2.2) 考虑到动态的变化过程我们可以写出如下随机微分方程:2.3)d)(t)一公(t)u, (t))dt+乙么(t)u, (t)dW (t)(月id 针对这个问题我们可以看出无论是目标函数还是约束,都只是二次型的形式,因此我们可以考虑应用随机LQ控制的理论来求解。下面我们来考虑如下问题: dc(t)=[A(t)x(t)+B(t)u(t)+f (t)]dt+在这里我们令u; (t)=S; (t),并且没有考虑其它的耗费。艺Dj (t)u(t)dW' (t),‘。[s, T]j=l 按照动态均值一方差投资理论( 详情可见【1]),我们要找寻这样的投资策略,它使得我们最终总净x(s)二yc-R现值的数学期望E[x(乃]=d的情况下,风险最小(它以最终总净现值的方差或标准差来度量,详情可见[4]),也就是:( 3.1)其中A(t), f (t) E R , B(t)' E尺(R”的非负子空间),DI (t)' E R" , u (t)' E R",我们的目标是找寻一个u(),使得二次(最终)值函数最小,即:J (s, y; u(.))=L[-:- x(1)‘]为如下:__1_、。_ 匕 Var[x(T)]=E{x(乃一E[x(T)扩=E[x(T)一司,最小。这个在投资学里称之为有效边界的求解,在有效边界上点对应的投资都是可以进行的,这样我们得到如下数学模型:(3.2)那么关于随机LQ问题((3.1)-(3.2)的值函数可定义Min Var[x(T)]=E[x(T)一d]zs.t. E[x(T)]二d,x(t), u; (t)满足(2.3), u; (t) _>0, i=I...n这里我们做如下说明:1 )在一般连续时间投资市场上,我们通常假设还存在一种无风险的资产,但这里的油田勘探开发项目投资只涉及风险投资,故不存在无风险的资产;2)在一般连续时间投资市V( s,.v)=Sup J(s, y;u(.)) (3.3)我们来研究关于系统( (3.1)-(3.3)的随机HJB方u( 今EU[s,T ]( 2.4)程V (t, x) +辘(Vx(t, x)[A(t)x(t)+B(t)u(t)+,J }t)}+ ^ vxx(t,x}(t)'试t)'试t)u(t) }L 二01,,,、,、,_,、,_、 场上,当投资份额出现负值时(u; (t) < 0 ),我们把它当作是投资者的卖空(详情可见[5])的表现,这在一些比较发达的投资市场是允许的,但由于它的存在会使市场的混乱加剧,故很多投资市场是不允许的,这里这种比较具体的勘探开发项目的投资就是(3.4)V(T, x)一喜x(1')22 其中D(t)'=(几(t) ...风(t)),。令或t)是如下最优化问题的解不允许的,因此它始终要求u; (t) >_0;3) 这里我们一般假设d>_xo。考察问题((2.4)可以转化为如下(对每给定一个尸)_ Min_士}}(D(t)')一,Z(t)+(v(t)')一,B(t)‘日2(3.5)" -+,o¥)r(z2”、1二_, 、,、_、,,_,二。Min E{[x(T)一刃+2p(Ex(T)l一d1}s.t. x(t), u; (t)满足(2.3), u; (t) ? 0, i=1二n(2.5)其4 II M II司艺可,M = (ml)是一向量或矩阵,并令}( r)==(D(t)')一,z(t)+(D(t)')一‘B(t)u (3.6)我们可以得出如下结论(详细证明过程可参阅文献[1][81):而且它可以转化为如下问题:Min粤E[x(T)一(d一Ml 2乙 s.t. x(t), u; (t)满足(2.3), u; (t) ? 0, i=1二n (2.6)1690x+士PR OX,+g (t)x十C, (t)I}乙V (t, x)=f f (z)e fA(s)sdd(z) !}0, +g2(t)x+C2(t) &'x+4油田勘探开发规划项目投资组合的有效边界和最佳策略 某油田勘探开发规划的探区共有5个勘探项目,它们分别是:圈闭TO1,圈闭T02、圈闭T03,ff(Z户)sdd(Z)・。(37、,,圈闭T04、圈闭T05,它们的升值率和波动率分别如下所示:一lwe..ee0.032r工!!月!0.028其中月(t)、gi (t)、C, (t)和P2 (t)、g2(t)、分别满足如下方程:欢(;)=[-2A(t)+ II看 (t) IIZIP(t)P, (T)=1君(t)>0gi (t)=[-A(t)+ II }(t) 11 Z lgI (t)一J(t)P, (t)g, (T)=0g, (t)>061 (t)一厂(‘)9,(;)十喜I艺 I言(,)112只(;)一,9,(t) 2C, (T)二0Cl (t)>0只(t)==-2A(t)P2 (t)P2(T)=1几(1)>0111k2 (1)=-A(t)92 (t)一f(t)P2 (t)1,192(T)=092 (t)>0了苦1|e2 (t)=-f(t)92(t)ee叹|sec2(T)=0、LC2 (t)>0而且可以得到最优的u` (t, x)At)一,}(t)(x+}A}S}}d(z))u`(t,x)二春+e:!}0, (春+e一P(S)`sff(z )ef4S)d(z)>00、Iwe尸产t.‘es0.045les.,I0.051..lesesesL0.067esJa3 0.工、)0o.4 00.630.50.20140001.7初始总净现值xo为16(t)一日-.’96x 一108,而我们考察220个月即令T--2200针对这个实际的例子,我们要应用上一节的结果还 需要做一些转化。我们令X (t)==x(t)一(d -,u),那么问题((2.6)可再一次转化以下:Min工E[2 X(T)12fldY(t) = [A(t)X(t)+ B(t)u(t)+十 S t十f(t)ldt+艺几( ,!j=1 t)u(t)dW' (t)(4.1) u; (t) >_0, i二1...n 1 X(0) = xo一((d一P) 其中A( t)=0,f (t)=0,B(t)=(八( t ),乓(t),瓦(t),瓦(t),瓦(t))Djt )=(a,i (t), a, (t), a3 j (t), aaj (t), aSi (t))令Y(t)是如下最优化问题的解、rclMixo,n}j告。}(、‘)‘)一:(‘)+(、‘)/)・,)/12。・,)i (t)=(6(t)')一‘y(t)+(6(t)`)一’B(t)' (4.3)这样我们可以得出最佳策略如下: 护lles一(c(t)6(t)')一,[Y (t)+B(r)' )es* U 了. 子 Z 、 乙.、 (x一(d一P)l 、 今 X 少 -- 、l 3.8) l l若x一( (d一B)‘0, L0若x一(d一川>0(4.4) B'[(d一p)一x] 若x一( (d一P)‘0,0若x一((d一,U)>01691几其中:闭项目不见的投资就要特别大,比如圈闭T04和圈B*=(0.0067,0.0021,0.009,0.0204,0.0214)'闭T05,虽然圈闭T05的升值率比圈闭T04的大的进而我们要求出投资的有效边界,我们可以很容易多,但由于它的波动也很大,也就是NPV不稳定,得出如下的结论:那么尽量多的投资在它身上,虽然收益会增加,但人右n 风险也同样会增大,所以最终结果是圈闭T04和圈u(.)dl(O,T ]E{ [x(7)一好+ 2,u{Ex(7)]一d}}闭T05的投资份额差不多。犷 -.冲 ̄ Z ‘ 孟J }引 上 } 2SdLx0一((d一lu)f一p25结论 rxo一((d一川‘0,(4.5) 本文主要研究了油田勘探开发项目的投资组Ix,一((d一P)f一lug合,并应用动态均值一方差理论,给出了项目投资三奇〕一((d一,u)>0的动态数学模型。然后给出了油田勘探开发项目这里仍然依赖p那么我们可得当的投资组合动态数学模型对应的随机HJB方程的解。最后,针对某个油田勘探开发项目的实际产=d一x0一 ril}(t)IZds _1一。d一x0,13.10-'T时(这里用到情况,应用上述结果得出了这个的实例的解,给且一e ̄出了有效边界和最佳策略。d _ xo的假设),(4.5)会取得最大值,我们的问题参考文献(2.3)的有效边界为:[1] Xun Li, Xun Yu Zhou and Andrew E.B.Lim. Dynamicvar[x(T)]二{E[x(T)]一x0 }2e 313.10-3T一1(4.6)Mean- Variance Portfolio Selection With No-ShortingCons traints,SIAM J. Control Optim., 2002,40(5):1540-1555 将刀’=d一xo[2] Merton,R.C. Lifetime portfolio selection under1一e 3.13x10-3 T代入((4.5)式则可以得到最佳uncer tainty:the continuous-time case, The Review ofEconomi cs and Statistics LI, 1969:247-257侧略如下:[3] Merton, R.C. Optimal consumption and portfolio rules in尹十}亡 . a continuous-time model, Journal of Economic Theory 3,|[(d一fu)一x]1971: 373-413[4] Haryr M. Markowitz. Portfolio Selection: Efifcientu*(t, x) 干若x一((d一矿)‘0,Di versification of Investment. New York :Basil --0(4.7)Bl ackwell, 1991 | | t若x一((d一声)>0[5]孔爱国.现代投资论.上海:上海人民大学出版社, 2003有效边界如下图所示(图中的纵坐标就是 [6]雍炯敏,刘道百.数学金融学上海:上海人民大学出E[x(T)],而风险我们以方差T 版社,2003 sar[x(T)』表示):[7] Andrew E.B.Lim and Xun Yu Zhou. Mean-Variance”月,o'一____Port folio Selection With Random Parameters in aCompl ete Market, Mathematics of Operations Research,2.8200227(1) :101-120[8] G.L.XU. and S.E.SHREVE. A duality method for optimal加cons umption and investment under short-selling最终总NPV加pr ohibition. 11.Constant Market Coefifcients,2’Ann. Appl.Probab.,1992,2(2):314-328s3-/ 22’.;*,96 -1下一一玄-城阶 4一一百一一宇.万.一-8x1夕,从上面的结果我们可以看出来,升值率大的圈1692