计算软件和系统的投资回报

“投资回报”(Return of Investment,ROI)这个词常常用于描述从软件和系统或其他业务的投资中所获得的收益。要更好地调整软件和系统的投资,不同的业务问题有不同的 ROI 答案:我们目前的投资是否获得了良好的回报?我们是否应继续向该项目投资?软件或系统生命周期的总 ROI 是什么?本文将提供不同的 ROI 计算方法来回答这些问题。

Murray Cantor, 杰出工程师, IBM

作为 IBM Rational 现场服务小组的领导,Murray Cantor 促进并扩展了 Rational 最佳实践,并且在革新方法方面与客户紧密协作,以构建和交付更高效的系统。目前,他领导了为转变软件开发组织的新服务模型的演进,也包括 Rational Unified Process for Systems Engineering®(RUP-SE®)。后者的方法对于领导大范围的硬件和软件系统开发的组织来说是十分重要的。他也关注如何将 IBM Rational 的能力与 IBM 的其他品牌产品的能力集成到一起。

由于对 RUP-SE 的贡献和成功地实现了客户企业转型,他赢得了杰出工程师的称号。作为一个非常著名的思想领导者,他是一位在行业活动中广受欢迎的演讲者,他撰写了两本书和大量的论文,并且在 UML 和 RUP 相关的标准委员会中担当重要的角色。

Murray Cantor 于 1973 年获得加利福尼亚大学伯克利分校的数学专业哲学博士学位。



2012 年 9 月 03 日

简介

我们常常将软件、系统或 IT 项目的投资回报(Return of Investment,ROI)视为决定继续发展的主要理由。这个词的采用有时只是抽象的,我们可以说某些软件的 ROI 将是更高的效率,而没有计算效率的度量结果。这要求准确的 ROI 定义。事实证明 ROI 定义不只一个,我们可以将每个定义用于不同类型的决策。本文将介绍计算背后的理念。详细的公式可在 附录 3 中找到。


计算未来

有人曾经说过,“预测未来是不可能的,但这是我们的职责”。负责推断未来投资的价值的人需要使用不完整的信息。例如,不可能准确了解一个新产品的未来收入是多少。但是,您需要该收入才能计算将该产品投入市场的预期 ROI。幸运的是,有一条前进的道路。

以下各节将给出一些 ROI 类型和关联的计算结果。当使用下面的各种等式时,您可以使用随机变量(参见附录 1 和 2)代替固定值。现代业务分析中常常使用具有三角分布的随机变量,如 附录 1 中所示。

备注:

  • 如果已熟悉随机变量的概念,请继续阅读。如果不熟悉,您将发现先阅读附录会很有帮助。
  • 您可能还会发现,阅读简介对了解我的上一篇文章“计算和改进软件和系统程序的投资回报”(Calculating and Improving ROI in Software and System ProgramsCommunications of the Association for Computing Machinery,数字版,2011 年 9 月)中提供的持续开发工作的价值很有用。本文提供了针对该文章中想法的明确公式。

To-dateROI 和 To-goROI

首先,所有类型的 ROI 都基于同一个核心概念:一般而言,投资回报是价值的变化与投资成本的比率。在下面的公式中,V0 是某种初始价值,V1 是以后某个日期的价值,而 I 是在此期间花费的资金:

数学等式

资产种类不同,此等式的应用也不同。

ROI 的最简单示例是推断某笔资本资产,比如您以一个价格购买并以另一个价格出售的一份股份。计算中使用了两种易于理解的价值:购买价格(pp)和销售价格(sp),二者都是由市场决定的价值。在本例中,ROI 是价格的变化与购买股票的成本之间的比率。在本例中:

数学等式

甚至在此情况下,也可能存在变形。我们假设一位投资者(假设是一位教授)有两个关键问题:

To-date
我是否进行了正确的投资(如果我今天售出,ROI 将是多少?)
 
To-go
我是否应该对该资产投资?(如果我今天购买部分资产,ROI 将是多少?)
 

第一个问题是追溯性的,因为它解决了投资者做出的决策正确与否的问题。答案可能导致投资战略更改。第二个问题是实施投资战略的过程的一部分。当然,回答这两个问题需要不同的 ROI 计算:

To-date
这里,V1 是目前的价值(以当前价格销售持有的所有股份将获得的收益),加上投资者目前获得的收益(比如红利),V0 I 是对该资产的所有投资的成本总和。
 
To-go
在这里,V1 是在未来某个日期销售该资产的估算收益,Vo 是初始资产成本,而 I 是您预计的投资开支、初始成本与未来支付的总和。
 

重要事项:
这些情况几乎是完全独立的。以前用于 to-date 情况的成本(已花费)与 to-go 情况毫无关联。

回到第一个等式,在投资分析(Investment Analysis,IA)中,To-date ROI 是使用该等式的随机变量,其中

  • V1 = NPV目前 + 目前为止的实际收益总和
  • V0 = NPVprogram_onset
  • I = 目前为止的成本总和

请注意,I 是基于实际开支。在大部分情况下,将 NPVprogram_onset 设置为 0 是合理的。

对于 IA 程序,当所有成本和收益结束时,程序就“寿终正寝”了。在这时,价值为 0。更一般来讲,IA 投资会在交付后贬值。

在 To-go ROI 中,所有过去的成本和收益都会被忽略。重要的只是贴现的未来成本和收益。我们可以应用基础等式来得到此公式:

数学等式

NPV 和未来成本计算涉及在 IA 中以随机变量形式采集未来价值,所以此公式使用 IA Monte Carlo 引擎(参见附录 2)。


总 ROI

考虑到 IA 同时包含实际和预测的成本和收益,也可以执行其他有用的 ROI 计算。例如,如果在投资的总生命周期中有足够的预期回报,您可能决定投资一个程序。在此情况下,您将计算程序终止时的预测 To-date ROI。因为它在程序终止时没有价值,通过将 NPVprogram_onset 设置为 0 ,我们发现:

数学等式

在程序真正终止时,这些词都是实际的值。在这之前,您可能希望预测总体 ROI,其中的词汇是贴现后的未来价值和实际收益的组合。在此情况下,总体 ROI 是一个随机变量,可使用 IA 中的蒙特卡洛引擎(Monte Carlo engine)找到。


参考日期

ROI 预测一般从今天开始计算。但是,因为 IA 包含投资成本与收益的完整生命周期(过去的价值是实际值,未来的价值是随机变量),为计算设置任何参考日期是可能实现的。也就是说,您可以预测 NPV 的分布,以及未来任何日期的 To-go ROI 和 To-date ROI。交付日期就是一个例子。您将预测开始产生产品收益时的价值。这可能是对比具有不同交付日期的两笔投资的一种不错的计算方式。

备注:
总体 ROI 是预测的以交付日期为程序终止日期的 To-date ROI


结束语

附录 2 中的蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟是在 IBM® Rational® Focal Point V6.5.1 中计算得出的。

显然,投资回报(ROI)在理论上是收益与开支的比率。任何资金有限的人都希望使用这些资金来最大化这一比率。甚至对于简单的投资,也有多种 ROI,每种 ROI 用于回答一个不同的问题。本文介绍了最有用的 3 个 ROI:

  • To-date:我已从所做的投资中获得了多少回报?
  • To-go:我预计可从未来的投资获得多少回报?
  • Total:在程序终止时,我预计可从所有投资获得多少 ROI?

详细公式可在 附录 3 中找到。


致谢

本文花费了大量准备工作。衷心感谢来自 IBM 的 Jim Densmore 的编辑、建议和质询。没有他的帮助,本文不会顺利完成。


附录 1. 随机变量

假设您不确定要使用的值。例如,一个未交付的产品在未来一段时间的销售量可能很重要,但没有人可确定实际值。在现代业务分析中,常见的做法是将这样的不确定量指定为随机变量。接下来是对它们的用途的简短解释。Douglas Hubbard 的书 How to Measure Anything: Finding the Value of Intangibles in Business(第二版)(Wiley,2010 年)提供了一种更复杂的处理方法。由于我们不是 100% 确定一个未来的值,所以接下来最好指定 v 值可以是一个范围内的任何值。例如:

a ≤ v ≤ b

这样,我们即表明 v 小于 a 或大于 b(在某些情况下,我们可以让 a 等于 -∞ 或 b 等于 ∞)的概率为 0。我们还表明 v 介于 ab 之间的概率为 0。我们可更进一步,假设 v 为一些值的可能性比其他值更大。在该情况下,我们可以指定 v 的每个可能值的概率。因此,我们将有一条曲线,对于 v 的每个可能值,该曲线提供了 v 采用该值的概率。因此,随机变量 是由一条曲线描述的一个量,对于一个范围内的每个值,该曲线提供了采用该值的概率。该曲线称为随机变量的概率分布

这些分布的一个重要属性是,因为一个随机变量必须采用某个值,所以这些值的概率总和必须等于 1。

例如,当我们以数学方式采集未来的销售量的最佳情形(H)、最糟情形(L)或最可能的值(E)时,我们可通过一个类似图 1 的分布来指定它的随机变量。

图 1. 一个随机变量的三角分布
左侧为 L、峰值为 E、右侧为 H 的三角形

曲线在刻度任何一点的高度表示随机变量采用该值的概率。因此,我们已选择了这样一种分布,其中的值出现在 L 以下或 H 以上的概率为 0,峰值在 E 处。选择高度,使三角形的面积(所有概率的总和)为 1。在此情况下,v 采用接近 L 或 H 值的概率较小,采用接近 E 值的概率相对较高。

当然,分布的形状可能是任何曲线,只要该曲线下的面积为 1。

总结而言,随机变量是一个可采用任何值的量。但是,一些值比其他值更可能出现。所以,随机变量由为每个值分配概率的函数指定。这个函数称为随机变量的概率分布。


附录 2. 使用随机变量进行计算:蒙特卡罗模拟

假设您希望添加两个随机变量 v1v2。您将如何进行?首先请注意,总和将是另一个随机变量。因此,您所需的是总和的概率分布。该分布没有公式,但有一种有效且常用的数值方法,称为 蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation)。

Monte Carlo 模拟背后的理念是使用一个随机数生成器来获取 v1v2的抽样值,然后添加它们。这些值依据每个变量的概率分布而选择。概率越大,值会更频繁地被采用。现在保存该总和,并多次执行相同操作(假设为 100,000 次),存储每个总和。可计算每个总和的概率,其方法可通过可查看所保存的总和在集合中的频率(一些总和比其他总和更频繁),并将之除以抽样次数(在实际中,您必须对总和四舍五入来得到计数)。您得到的是总和分布的近似值。

让我们看看一个示例,v1 有一个三角分布,其中 L = 3、E = 4 以及 H = 7,如图 2 所示,而 v2 的三角分布中 L = 1、E = 6 以及 H = 7,如图 3 所示。

图 2. 三角分布图
L = 3、E = 4、H = 7
图 3. 三角分布图
L = 1、E = 6、H = 7

图 4 给出了图 2 和 3 中所示的两个随机变量的总和的分布,您可使用 Monte Carlo 模拟器发现该分布。这是使用 100,000 个抽样发现并在 IBM Rational Focal Point 中计算得到的。

图 4.(100,000 个抽样的)总和的模拟分布
分布曲线,其中峰值在 9.80 处

首先,请注意,该总和不是另一个三角分布,而更类似于正态分布(贝尔曲线)。该分布的峰值(众数)为 9.80。这可以从概率数学(具体来讲,中央极限定理)中得出。总和的分布很有用。例如,我们可以预测总和最可能的值为 10(两个最可能的值的总和),但模拟发现为 9.8。这一差异是偶然性的,将随着抽样的增多而逐渐减少。另外请注意,低于 4(低端的总和)时,概率将接近 0(图 4 中未明确给出,但很明显),高于 14(高端的总和)时,也接近 0。

最后,固定与随机变量可轻松组合在一起。可以将固定变量视为这样一种随机变量,其中的一个值的概率为 1,所有其他值的概率为 0。


附录 3. ROI 公式

假设在我们的程序中,有 T 个时间间隔、NB 个已识别的收益和 NC 个已识别的成本。请注意每个成本和收益都是一个时间序列。那么:

  • 对于 0 ≤ t ≤ T1 ≤ n ≤ NB,假设 数学等式 = 第 n 个收益在间隔 t 处的值。
  • 对于 0 ≤ t ≤ T1 ≤ m ≤ Nc,假设 数学等式 = 第 m 个成本在间隔 t 处的值。

继续之前,有一个重要的地方需要注意:所有时间序列都在整个生命周期中经过了修订,所以它们依赖于时间。每个时间序列都采集作为一个快照序列。因此,随着更多信息传入,随机变量应该在整个生命周期中更新。当时间过去后,估算值会转换为实际值,未来的值会被更新。实际上,每个成本和收益时间序列的期限也依赖于时间。这已在针对公式的 To-date 和 To-go ROI总体 ROI 小节中更详细地介绍。

Bk(s)Cl(s) 是收益和成本流的快照。为了避免混乱,除非有必要,我们将丢弃快照变量。我们需要更多符号:

  • 假设 r = 计算的参考周期、当前时间段或某个指定的未来的时间段
  • 对于 1 ≤ n ≤ NB,假设 rbn = 收益 Bn 的贴现率
  • 对于 1 ≤ m ≤ NB,假设 rcm = 成本 Cm 的贴现率
  • 对于一个给定的时间段 t 和参考时间段 r,假设在 t 处与 r 相关的所有贴现收益的总和为:

数学等式

  • 类似地,对于给定的时间段 t 和参考时间段 r,假设 t 处与 r 相关的所有贴现收益的总和为:

数学等式

请注意,时间序列的期限可能是随机变量、固定变量或同时为二者。无论如何,只要需要,它们都可使用蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟来求和。

在此概念中,我们可将时间段 r 中的净现值 NPV 定义为:

数学等式

然后:

数学等式

请注意,对于任何两个时间段 s t

数学等式

在此计算中,TodateROIs 是特殊情形 ROIs,0。在此情形中,Bj,sCj,s 一般而言是实际的值。

最后,TodateROI ROIT,0

根据程序终止的定义,NPVT = 0,因为没有剩下任何成本或收益。此外,在大部分情形中,NPV0 接近 0,因为所有成本都发生在未来。因此,通过将 NPV0 设置为 0,我们会得到:

数学等式

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