基于故障樹(shù)技術(shù)的工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別研究

基于故障樹(shù)技術(shù)的工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別研究

建設(shè)用地風(fēng)險(xiǎn)是指在施工期內(nèi)，由于自然和事故，造成的災(zāi)害、事故或危險(xiǎn)，造成資產(chǎn)流失、第三方所有權(quán)或第三方造成的損失的可能性。工程項(xiàng)目實(shí)施階段風(fēng)險(xiǎn)管理的目的,是通過(guò)對(duì)工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、度量、評(píng)價(jià)和決策,選擇風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)并實(shí)施,避免風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生,或在風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生后,將損失降到最小,從而實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的總體目標(biāo)。由此可見(jiàn),風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是工程項(xiàng)目整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。很多風(fēng)險(xiǎn)或隱藏在工程項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)環(huán)節(jié),或被假象所掩蓋。目前業(yè)主、承包商或者保險(xiǎn)公司對(duì)工程項(xiàng)目中所面臨風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知程度和評(píng)估能力較為薄弱,且缺乏行之有效的工具。充分利用經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn),將與風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的各類信息知識(shí)化、系統(tǒng)化,作為一種知識(shí)資源使之社會(huì)共享是提高風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別效率的趨勢(shì)。故障樹(shù)分析技術(shù)可以作為風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)共享化的載體,它是一門(mén)將邏輯代數(shù)、圖論、概率論、隨機(jī)過(guò)程、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、最優(yōu)化、算法復(fù)雜性等眾多數(shù)學(xué)分支應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的邊緣學(xué)科。故障樹(shù)分析法能夠識(shí)別系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)因素,求出事故的發(fā)生概率,并能提供控制風(fēng)險(xiǎn)的方案。它有固定的分析流程,可以用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助建模和分析,大大提高風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和管理的效率。利用信息技術(shù)存儲(chǔ)、查詢、添加、修改故障樹(shù),利用專業(yè)軟件輔助建立模型和分析,是故障樹(shù)技術(shù)應(yīng)用于工程風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)踐的關(guān)鍵,同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和度量知識(shí)的共享、提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)水平的前提。本文初步建立基于故障樹(shù)技術(shù)的建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別系統(tǒng)模型,基于該模型可以實(shí)現(xiàn)全面深刻高效的建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和分析,并重點(diǎn)分析風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別知識(shí)共享的方法、途徑和技術(shù)。1風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別知識(shí)共享的可能性1.1分部分項(xiàng)工程由于建設(shè)時(shí)間、建設(shè)地點(diǎn)、地質(zhì)條件、氣候條件和參與單位等的不同,即使同一類工程項(xiàng)目所面臨的風(fēng)險(xiǎn)也不完全一致,因此每一項(xiàng)工程的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別都是一個(gè)重新開(kāi)始的過(guò)程。但這并不意味一個(gè)工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的經(jīng)驗(yàn)、方法都不能為另一個(gè)工程所利用。任何一個(gè)建筑工程都由一系列分部分項(xiàng)工程構(gòu)成,每一個(gè)分部分項(xiàng)工程都由一系列工序所組成。在同一區(qū)域,相似的工程(如住宅工程),或相同的分部分項(xiàng)工程(如主體結(jié)構(gòu)中的混凝土工程),都存在著類似的工序(如混凝土澆搗)。類似的工序包含類似的設(shè)計(jì)內(nèi)容、施工工藝、人員素質(zhì)、機(jī)械設(shè)備、場(chǎng)地和環(huán)境要求、質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),所以應(yīng)該以分部分項(xiàng)工程,甚至是某個(gè)具體的工序作為風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的單位。并將其風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的成果標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化,有助于類似工程的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。1.2工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)的種類可分為建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)、信用風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、政治風(fēng)險(xiǎn)和法律風(fēng)險(xiǎn)等。建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、材料缺陷、施工人員傷亡、第三者財(cái)產(chǎn)損毀或人身傷亡、意外事故以及其他人為或自然的原因,對(duì)工程成本、工期、質(zhì)量等造成損失或不利影響的風(fēng)險(xiǎn)?？尚行匝芯繒r(shí)間或經(jīng)費(fèi)不足,地質(zhì)勘測(cè)不足,工程邊設(shè)計(jì)邊施工等,都可導(dǎo)致建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)的增加。與其他幾種風(fēng)險(xiǎn)相比較,在同類工程中建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)存在著類似的風(fēng)險(xiǎn)源、形成路徑和風(fēng)險(xiǎn),發(fā)生的頻率較高。有必要將此類風(fēng)險(xiǎn)以工序?yàn)閱挝贿M(jìn)行識(shí)別,使彼此相關(guān)的信息知識(shí)化、共享化。1.3種方法對(duì)于工程風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別效率低目前風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的主要方法有檢查表法、頭腦風(fēng)暴法、德?tīng)柗品?、情景分析法和故障?shù)法等。檢查表法只能揭示出潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素,難以確定實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)事故的起因及影響范圍。頭腦風(fēng)暴法、德?tīng)柗品ê颓榫胺治龇ǘ际峭ㄟ^(guò)獲取專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)在常規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法不能奏效時(shí)對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別。這三種方法對(duì)識(shí)別一般工序中的風(fēng)險(xiǎn)因素顯然成本較高,未充分發(fā)揮其效能。故障樹(shù)法不僅可對(duì)工程項(xiàng)目中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別,還能進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的度量。同一風(fēng)險(xiǎn)(事故)的故障樹(shù)經(jīng)適當(dāng)修改后可應(yīng)用于其他類似工程,它可以作為風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)共享的載體。2軍民作戰(zhàn)發(fā)射控制系統(tǒng)安全性的預(yù)測(cè)故障樹(shù)分析技術(shù)(faulttreeanalysis,FTA)是綜合識(shí)別和度量風(fēng)險(xiǎn)的有力工具,由美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的Watson和Mearns等人,于1961-1962年期間在分析和預(yù)測(cè)民兵導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)安全性時(shí),首先提出并采用的分析方法。FTA是一種特殊的倒立樹(shù)狀邏輯因果關(guān)系圖,它用規(guī)定的事件、邏輯門(mén)和其他符號(hào)描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。圖1是一個(gè)關(guān)于基坑涌水、涌砂破壞的故障樹(shù)示例。FTA的主要任務(wù)之一是尋找導(dǎo)致系統(tǒng)事故的全部事件,即從某一特定的事故(如基坑涌砂破壞)開(kāi)始,運(yùn)用邏輯推理的方法逐層分解,找出各種可能引起事故的原因,也就是識(shí)別出各種潛在的因素(如圖1中基本事件X1至X7),其中發(fā)生概率最大的基本事件就是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),對(duì)其采取有效措施,從而減小這種事故模式的發(fā)生概率以提高系統(tǒng)可靠性。2.1基于最小割集的故障判斷FTA的定性分析主要用于尋找事故原因或原因的組合。最小割集法在定性分析占有最重要的地位。所謂割集,是故障樹(shù)底事件集合中滿足下述條件的子集:設(shè)該子集為{Xi1,Xi2,…,XiL},I=1,2,…,K(K為割集數(shù)),當(dāng)該子集所含的底事件全部發(fā)生時(shí),頂事件T必然發(fā)生。若將該割集所含的底事件任意去掉一個(gè)即不成為割集,這樣的割集就是一個(gè)最小割集。最小割集一般運(yùn)用布爾運(yùn)算求出,用以表示系統(tǒng)的危險(xiǎn)性,管理者從中可以掌握事故發(fā)生的各種可能。故障樹(shù)所包含的最小割集越多,系統(tǒng)就越危險(xiǎn)。最小割集可以直觀地告訴人們事故發(fā)生的嚴(yán)重程度,如何采取措施控制事故發(fā)生,及優(yōu)選的事故控制方案。2.2頂人主動(dòng)過(guò)程模型中頂事件的概率故障樹(shù)定量分析主要是計(jì)算頂事件概率。但由于故障樹(shù)一般很復(fù)雜,所包含的基本事件很多,使得通過(guò)布爾運(yùn)算求出的最小割集相互關(guān)系復(fù)雜,如相互不獨(dú)立、彼此相容。人工計(jì)算頂上事件的概率一般采用下列近似計(jì)算方法g≈∑j=1K∏Xi∈Kjqig≈∑j=1Κ∏Xi∈Κjqi式中:g為頂上發(fā)生的概率;qi為第i個(gè)時(shí)間發(fā)生的概率;Xi∈Kj為第i個(gè)基本事件屬于第j個(gè)最小割集。2.3基本事件概率的確定該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于使工程人員能以演繹的方式直接探索出系統(tǒng)故障所在;能夠指出與人們感興趣的失效模式有重要關(guān)系的系統(tǒng)狀態(tài);能提供系統(tǒng)可靠性中定性和定量的分析;除了最小割集和頂事件的概率外,還可進(jìn)行最小徑集和3個(gè)重要度(結(jié)構(gòu)、概率、臨界)的計(jì)算。對(duì)不熟悉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行而從事系統(tǒng)管理的人員提供圖示幫助;運(yùn)用FTA技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,能考慮到硬件故障,以及環(huán)境條件、人為失誤和軟件因素的影響。因此它不僅能分析施工過(guò)程中的技術(shù)故障,也能對(duì)工期和成本的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。故障樹(shù)技術(shù)也存在缺陷,編制較為復(fù)雜,容易遺漏信息等,基本事件概率的確定方法還有待研究。利用信息技術(shù),建立基于故障樹(shù)模型庫(kù)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別系統(tǒng)是克服故障樹(shù)缺陷、推廣該技術(shù)的有效途徑。3故障樹(shù)分析的設(shè)計(jì)建設(shè)工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別系統(tǒng)由故障樹(shù)生成模塊、分析計(jì)算模塊、文件輸出模塊和系統(tǒng)管理模塊構(gòu)成,如圖2所示。故障樹(shù)的生成有3種模式,即繪圖生成、模板生成和導(dǎo)向生成,所構(gòu)建的故障樹(shù)為一個(gè)樹(shù)圖文件,可進(jìn)行儲(chǔ)存、編輯、打印等。故障樹(shù)的自動(dòng)分析包括自動(dòng)計(jì)算最小割集、最小徑集、頂上事件發(fā)生概率、基本事件重要度等。計(jì)算結(jié)果形成報(bào)告文件,可存儲(chǔ)或打印。輔助模塊包括為建樹(shù)與分析提供數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)、樹(shù)圖文件和報(bào)告文件操作系統(tǒng)、幫助系統(tǒng)和界面管理等。本系統(tǒng)集分析計(jì)算、圖形繪制與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為一體,是多文檔分析系統(tǒng),可同時(shí)打開(kāi)或建立的文件數(shù)量不受限制,可按寬幅掛圖方式、圖表方式輸出分析結(jié)果。3.1基于故障樹(shù)的建模技術(shù)建樹(shù)是故障樹(shù)分析的關(guān)鍵,定性與定量分析及系統(tǒng)防范措施的制定,均以所建的故障樹(shù)為依據(jù)?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助建樹(shù)法主要依賴于人工,費(fèi)工費(fèi)時(shí),建樹(shù)過(guò)程自動(dòng)化可視化程度不高。本著方便快捷、直觀形象、自動(dòng)化、多樣性原則,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了繪圖生成、模板生成和導(dǎo)向生成三種自動(dòng)建樹(shù)模式,如圖3所示?；诶L圖生成模式,在屏幕上可繪制相應(yīng)的元素圖形。故障樹(shù)的繪制自上而下進(jìn)行,根據(jù)需要可任意對(duì)某個(gè)門(mén)族添加新元素,系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)故障樹(shù)的布局,能自動(dòng)識(shí)別門(mén)與事件之間的關(guān)系。當(dāng)所有門(mén)族和成員繪制完成,即完成整個(gè)故障樹(shù)的繪制。模板生成模式提供一種形象的元素參數(shù)輸入界面。如果有繪制好的故障樹(shù),只需要輸入相應(yīng)的元素和門(mén)的類別即可進(jìn)行計(jì)算分析。所在門(mén)族輸入完后,返回系統(tǒng)分析主界面,會(huì)自動(dòng)生成所輸入的故障樹(shù)。在主界面上,可按繪圖生成模式進(jìn)行故障樹(shù)的編輯修改?；趯?dǎo)向生成模式利用模型庫(kù)技術(shù)對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)建立故障樹(shù)。系統(tǒng)中的模型庫(kù)分為系統(tǒng)庫(kù)和用戶庫(kù)。系統(tǒng)庫(kù)中按照分部分項(xiàng)工程進(jìn)行分類,例如在基坑圍護(hù)工程中可以存放排樁、地下連續(xù)墻、土釘墻等故障樹(shù)分析模型。系統(tǒng)模型庫(kù)由專業(yè)人員事前建立,里面存放的標(biāo)準(zhǔn)故障樹(shù)模型體現(xiàn)了目前建設(shè)工程中風(fēng)險(xiǎn)路徑的共性,所以可先針對(duì)住宅、地鐵站點(diǎn)等共性較多的工程來(lái)編制模型庫(kù)。系統(tǒng)模型庫(kù)中所有的模型都能修改以適應(yīng)不同工程的需要。用戶庫(kù)用來(lái)保存在使用過(guò)程中形成的故障樹(shù)模型,以便模型庫(kù)得到不斷更新和充實(shí)。使用者根據(jù)系統(tǒng)的導(dǎo)向界面提供的查尋功能,查找與所要分析的問(wèn)題相似的故障樹(shù),并在系統(tǒng)主界面上對(duì)故障樹(shù)調(diào)整修改,直至滿足要求。3.2簡(jiǎn)化的簡(jiǎn)化計(jì)算法該模塊實(shí)現(xiàn)故障樹(shù)的定性與定量分析。在分析前,首先判斷故障樹(shù)的完整性,若不完整,系統(tǒng)將要求修改。故障樹(shù)的分析內(nèi)容包括最小割集、最小徑集求解、頂上事故發(fā)生概率計(jì)算、事件重要度分析等。其中最小割集、最小徑集的求解是故障樹(shù)分析計(jì)算的核心。本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)數(shù)組技術(shù)求解最小割(徑)集。其解算過(guò)程包括兩部分:一是求出故障樹(shù)的所有割集,自動(dòng)搜索并作替換運(yùn)算,直至所有割(徑)集全部找出;二是應(yīng)用“自動(dòng)衰減”化簡(jiǎn)法從所得出的割(徑)集中求出最小割(徑)集,即集矩陣的化簡(jiǎn)運(yùn)算。對(duì)頂事件的發(fā)生概率提供兩種計(jì)算方式,即精確計(jì)算和近似計(jì)算。根據(jù)求出的最小割集或最小徑集,利用全概率公式求頂事件發(fā)生概率的精確解。系統(tǒng)能根據(jù)最小割集和最小徑集數(shù)目,自動(dòng)判斷采用割集計(jì)算法還是徑集計(jì)算法,以減少計(jì)算量。由于最小割集或最小徑集中的基本事件一般是相容的,而大型復(fù)雜故障樹(shù)頂事件發(fā)生概率的精確計(jì)算需要花費(fèi)大量時(shí)間,為此系統(tǒng)提供了近似算法。近似算法可根據(jù)精度要求快速求得近似解,在開(kāi)始計(jì)算之前需先輸入允許的相對(duì)誤差百分比,否則系統(tǒng)按內(nèi)設(shè)誤差值計(jì)算近似解。結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和臨界重要度的分析。從選項(xiàng)面板上選擇所要分析的項(xiàng)目,系統(tǒng)即自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)計(jì)算結(jié)果系統(tǒng)以列表的方式按重要度大小自上而下排列基本事件。用戶可根據(jù)基本事件的重要度排序來(lái)安排防范計(jì)劃和措施。基本事件概率是故障樹(shù)定量分析所需要的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)概率數(shù)據(jù)庫(kù)分為系統(tǒng)庫(kù)和用戶庫(kù)。系統(tǒng)概率數(shù)據(jù)庫(kù)存放標(biāo)準(zhǔn)故障樹(shù)中基本事件的概率。這類概率數(shù)據(jù)一般有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,比如混凝土澆注中的機(jī)械故障概率。用戶數(shù)據(jù)庫(kù)存放收集到的概率數(shù)據(jù),如由專家打分法確定缺乏歷史資料的概率數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)也同模型庫(kù)一樣根據(jù)分部分項(xiàng)工程和不同的施工工序進(jìn)行分類。由于施工風(fēng)險(xiǎn)故障樹(shù)中的基本事件紛繁復(fù)雜,基本事件的概率確定是故障樹(shù)技術(shù)定量分析的難點(diǎn),所以數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是一個(gè)持續(xù)過(guò)程。3.3樹(shù)圖的編碼和標(biāo)注根據(jù)用戶要求輸出故障樹(shù)及分析結(jié)果。樹(shù)圖和分析結(jié)果可單獨(dú)或整體輸出。故障樹(shù)的顯示有標(biāo)準(zhǔn)圖式和內(nèi)容文字圖式,標(biāo)準(zhǔn)圖式的樹(shù)圖上只標(biāo)出門(mén)族成員的變量名稱,而內(nèi)容文字圖式則標(biāo)出名稱內(nèi)容文字,系統(tǒng)能根據(jù)內(nèi)容文字的長(zhǎng)短自動(dòng)判斷采用單行或多行標(biāo)出。故障樹(shù)的打印輸出分為單頁(yè)和多頁(yè)兩種方式,前者用于小圖幅,后者用于需要大圖幅輸出的樹(shù)圖。3.4變量管理子模塊系統(tǒng)管理模塊主要完成系統(tǒng)的調(diào)度管理、變量的設(shè)置、賦值、排序、刪除、恢復(fù)等,以及文件、故障樹(shù)模型庫(kù)和基本概率數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。變量管理子模塊能實(shí)現(xiàn)變量的全自動(dòng)化操作,包括門(mén)、事件變量名稱的設(shè)置,門(mén)族成員位置的排序等。文件的管理包括文件的編