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python实现蒙特卡洛模拟的方法

什么是蒙特卡洛模拟蒙特卡洛模拟是一种基于概率统计的方法,通过随机模拟来计算出某个事件发生的概率。在项目管理中,蒙特卡洛模拟主要用于计算项目工期、成本等关键指标的概率分布,帮助项目经理更好地进行风险管理和决策。让我们来看上面这张图,这张图是针对三个项目活动:活动1、活动2、活动3进行的蒙特卡洛模拟。模拟的依据是这三个活动的三点估算结果。然后让计算机进行了1,000,000次随机预算,得出的上面这张图。我们拿上边这张图的蓝色虚线的交叉举例,这个点指的是什么呢?我们看Y轴,这里的90%指的是完工概率90%。这个

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    python实现蒙特卡洛模拟的方法

    什么是蒙特卡洛模拟

    蒙特卡洛模拟是一种基于概率统计的方法,通过随机模拟来计算出某个事件发生的概率。在项目管理中,蒙特卡洛模拟主要用于计算项目工期、成本等关键指标的概率分布,帮助项目经理更好地进行风险管理和决策。

    让我们来看上面这张图, 这张图是针对三个项目活动:活动1、活动2、活动3进行的蒙特卡洛模拟。 模拟的依据是这三个活动的三点估算结果。 然后让计算机进行了1,000,000次随机预算, 得出的上面这张图。

    我们拿上边这张图的蓝色虚线的交叉举例,这个点指的是什么呢? 我们看Y轴,这里的90%指的是完工概率90%。 这个点对应的横轴将近19天的样子。也就是说,通过计算机100万次的模拟。在19天以下完成项目的概率是90%。

    做过项目的同学都知道, 客户或者领导总是希望我们快些快些再快些。 领导说,19天没有,只有16天。 这时候,作为项目经理通过上面的图,发现,X轴16天对应Y轴的值大概在30%左右。 你就问领导:成功率只有30%哟, 你赌还是不赌~

    这不失为一种不错的“科学算命”的方式。 关键是简单,还有概率论给你撑腰。

    Python实现

    在Python中如何计算项目管理的蒙特卡洛模拟呢?其实很简单,我们可以使用Python中的numpy和matplotlib库来进行计算和绘图。下面田老师给出完整的代码:

    #!/usr/bin/env python
    # -*- coding:utf-8 -*-
    """
    #-----------------------------------------------------------------------------
    #                     --- TDOUYA STUDIOS ---
    #-----------------------------------------------------------------------------
    #
    # @Project : di08-tdd-cdg-python-learning
    # @File    : monte_carlo.py
    # @Author  : tianxin.xp@gmail.com
    # @Date    : 2023/3/12 18:22
    #
    # 用Python实现蒙特卡洛模拟
    #
    #--------------------------------------------------------------------------"""
    from datetime import datetime
    
    import matplotlib.pyplot as plt
    import numpy as np
    from matplotlib.ticker import FuncFormatter, MultipleLocator
    from scipy.stats import norm
    
    plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
    plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
    
    
    def to_percent(y, position):
        # 将纵轴用百分数表示
        return '{:.0f}%'.format(100 * y)
    
    
    class Activity:
        """ 活动类,用于表示一个项目中的活动
    
       Attributes:
           name (str): 活动名称
           optimistic (float): 乐观时间
           pessimistic (float): 悲观时间
           most_likely (float): 最可能时间
       """
    
        def __init__(self, name, optimistic, pessimistic, most_likely):
            """
                初始化活动类
    
                Args:
                    name (str): 活动名称
                    optimistic (float): 乐观时间
                    pessimistic (float): 悲观时间
                    most_likely (float): 最可能时间
            """
            self.name = name
            self.optimistic = optimistic
            self.pessimistic = pessimistic
            self.most_likely = most_likely
    
    
    class PMP:
        """
        PMP类用于进行项目管理中的相关计算:
        方法:
        monte_carlo_simulation : 蒙特卡洛模拟试算,包括计算项目工期、平均值、标准差、绘制积累图和概率密度曲线等功能。
        """
    
        def __init__(self, activities):
            """
            初始化PMP类,传入活动列表。
            :param activities: 活动列表,包括活动名称、乐观值、最可能值和悲观值。
            """
            self.activities = activities
    
        def monte_carlo_simulation(self, n):
            """
            进行蒙特卡洛模拟试算,计算项目工期、平均值、标准差、绘制积累图和概率密度曲线等。
            :param n: 模拟次数。
            """
            # 模拟参数和变量
            t = []
            for activity in self.activities:
                t.append(np.random.triangular(activity.optimistic, activity.most_likely, activity.pessimistic, n))
    
            # 计算项目工期
            project_duration = sum(t)
    
            # 计算平均值和标准差
            mean_duration = np.mean(project_duration)
            std_duration = np.std(project_duration)
    
            # 绘制积累图
            fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(2, 1, figsize=(8, 10), gridspec_kw={'height_ratios': [3, 1]})
    
            ax1.hist(project_duration, bins=50, density=True, alpha=0.7, color='blue', cumulative=True)
            ax1.yaxis.set_major_locator(MultipleLocator(0.1))
            ax1.yaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(to_percent))
            ax1.set_ylabel('完成概率')
            ax1.set_title('PMP蒙特卡洛模拟试算', fontsize=20)
    
            # 绘制概率密度曲线
            xmin, xmax = ax1.get_xlim()
            x = np.linspace(xmin, xmax, 100)
            p = norm.cdf(x, mean_duration, std_duration)
            ax1.plot(x, p, 'k', linewidth=2, drawstyle='steps-post')
    
            # 找到完成概率90%的点
            x_90 = norm.ppf(0.9, mean_duration, std_duration)
    
            # 绘制垂线
            ax1.axvline(x_90, linestyle='--', color='blue')
            ax1.axhline(0.9, linestyle='--', color='blue')
    
            # 隐藏右边和上方的坐标轴线
            ax1.spines['right'].set_visible(False)
            ax1.spines['top'].set_visible(False)
    
            # 添加表格
            col_labels = ['活动名称', '乐观值', '最可能值', '悲观值']
    
            cell_text = [[activity.name, activity.optimistic, activity.most_likely, activity.pessimistic] for activity in
                         self.activities]
            table = ax2.table(cellText=cell_text, colLabels=col_labels, loc='center')
    
            # 设置表格的字体大小和行高
            table.auto_set_font_size(False)
            table.set_fontsize(14)
    
            # # 设置表格的行高为1.5倍原来的高度
            for i in range(len(self.activities) + 1):
                table._cells[(i, 0)].set_height(0.2)
                table._cells[(i, 1)].set_height(0.2)
                table._cells[(i, 2)].set_height(0.2)
                table._cells[(i, 3)].set_height(0.2)
    
            ax2.axis('off')
    
            # 调整子图之间的间距和边距
            plt.subplots_adjust(hspace=0.3, bottom=0.05)
    
            # 保存图表
            now = datetime.now().strftime('%Y%m%d%H%M%S')
            plt.savefig('monte_carlo_simulation_{}.png'.format(now))
    
            # 显示图形
            plt.show()
    
    
    if __name__ == '__main__':
        # 模拟参数和变量
        n = 1000000  # 模拟次数
    
        # 活动的工期分布
        activities = [
            Activity('活动1', 5, 10, 7),
            Activity('活动2', 3, 8, 5),
            Activity('活动3', 2, 6, 4)
        ]
    
        # 进行蒙特卡洛模拟
        pmp = PMP(activities)
        pmp.monte_carlo_simulation(n)
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