基于故障樹技術(shù)的工程風(fēng)險識別研究

基于故障樹技術(shù)的工程風(fēng)險識別研究

建設(shè)用地風(fēng)險是指在施工期內(nèi)，由于自然和事故，造成的災(zāi)害、事故或危險，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。工程項目實施階段風(fēng)險管理的目的,是通過對工程項目風(fēng)險的識別、度量、評價和決策,選擇風(fēng)險管理技術(shù)并實施,避免風(fēng)險事故發(fā)生,或在風(fēng)險事故發(fā)生后,將損失降到最小,從而實現(xiàn)工程項目的總體目標。由此可見,風(fēng)險識別是工程項目整個風(fēng)險管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。很多風(fēng)險或隱藏在工程項目實施的各個環(huán)節(jié),或被假象所掩蓋。目前業(yè)主、承包商或者保險公司對工程項目中所面臨風(fēng)險的認知程度和評估能力較為薄弱,且缺乏行之有效的工具。充分利用經(jīng)驗、教訓(xùn),將與風(fēng)險相關(guān)的各類信息知識化、系統(tǒng)化,作為一種知識資源使之社會共享是提高風(fēng)險識別效率的趨勢。故障樹分析技術(shù)可以作為風(fēng)險知識共享化的載體,它是一門將邏輯代數(shù)、圖論、概率論、隨機過程、數(shù)理統(tǒng)計、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。故障樹分析法能夠識別系統(tǒng)中的風(fēng)險因素,求出事故的發(fā)生概率,并能提供控制風(fēng)險的方案。它有固定的分析流程,可以用計算機來輔助建模和分析,大大提高風(fēng)險識別和管理的效率。利用信息技術(shù)存儲、查詢、添加、修改故障樹,利用專業(yè)軟件輔助建立模型和分析,是故障樹技術(shù)應(yīng)用于工程風(fēng)險管理實踐的關(guān)鍵,同時也是實現(xiàn)風(fēng)險識別和度量知識的共享、提高風(fēng)險評價水平的前提。本文初步建立基于故障樹技術(shù)的建設(shè)工程風(fēng)險識別系統(tǒng)模型,基于該模型可以實現(xiàn)全面深刻高效的建設(shè)工程風(fēng)險識別和分析,并重點分析風(fēng)險識別知識共享的方法、途徑和技術(shù)。1風(fēng)險識別知識共享的可能性1.1分部分項工程由于建設(shè)時間、建設(shè)地點、地質(zhì)條件、氣候條件和參與單位等的不同,即使同一類工程項目所面臨的風(fēng)險也不完全一致,因此每一項工程的風(fēng)險識別都是一個重新開始的過程。但這并不意味一個工程風(fēng)險識別的經(jīng)驗、方法都不能為另一個工程所利用。任何一個建筑工程都由一系列分部分項工程構(gòu)成,每一個分部分項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)計內(nèi)容、施工工藝、人員素質(zhì)、機械設(shè)備、場地和環(huán)境要求、質(zhì)量檢驗標準,所以應(yīng)該以分部分項工程,甚至是某個具體的工序作為風(fēng)險識別的單位。并將其風(fēng)險識別的成果標準化、系統(tǒng)化,有助于類似工程的風(fēng)險識別。1.2工程建設(shè)風(fēng)險工程建設(shè)風(fēng)險的種類可分為建設(shè)風(fēng)險、市場風(fēng)險、信用風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、政治風(fēng)險和法律風(fēng)險等。建設(shè)風(fēng)險是由于設(shè)計錯誤、材料缺陷、施工人員傷亡、第三者財產(chǎn)損毀或人身傷亡、意外事故以及其他人為或自然的原因,對工程成本、工期、質(zhì)量等造成損失或不利影響的風(fēng)險?？尚行匝芯繒r間或經(jīng)費不足,地質(zhì)勘測不足,工程邊設(shè)計邊施工等,都可導(dǎo)致建設(shè)風(fēng)險的增加。與其他幾種風(fēng)險相比較,在同類工程中建設(shè)風(fēng)險存在著類似的風(fēng)險源、形成路徑和風(fēng)險,發(fā)生的頻率較高。有必要將此類風(fēng)險以工序為單位進行識別,使彼此相關(guān)的信息知識化、共享化。1.3種方法對于工程風(fēng)險的識別效率低目前風(fēng)險識別的主要方法有檢查表法、頭腦風(fēng)暴法、德爾菲法、情景分析法和故障樹法等。檢查表法只能揭示出潛在的風(fēng)險因素,難以確定實際風(fēng)險事故的起因及影響范圍。頭腦風(fēng)暴法、德爾菲法和情景分析法都是通過獲取專家的知識和經(jīng)驗對在常規(guī)的風(fēng)險識別方法不能奏效時對工程風(fēng)險進行識別。這三種方法對識別一般工序中的風(fēng)險因素顯然成本較高,未充分發(fā)揮其效能。故障樹法不僅可對工程項目中的風(fēng)險進行識別,還能進行風(fēng)險的度量。同一風(fēng)險(事故)的故障樹經(jīng)適當修改后可應(yīng)用于其他類似工程,它可以作為風(fēng)險知識共享的載體。2軍民作戰(zhàn)發(fā)射控制系統(tǒng)安全性的預(yù)測故障樹分析技術(shù)(faulttreeanalysis,FTA)是綜合識別和度量風(fēng)險的有力工具,由美國貝爾電話實驗室的Watson和Mearns等人,于1961-1962年期間在分析和預(yù)測民兵導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)安全性時,首先提出并采用的分析方法。FTA是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖,它用規(guī)定的事件、邏輯門和其他符號描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。圖1是一個關(guān)于基坑涌水、涌砂破壞的故障樹示例。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)開始,運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)),當該子集所含的底事件全部發(fā)生時,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即不成為割集,這樣的割集就是一個最小割集。最小割集一般運用布爾運算求出,用以表示系統(tǒng)的危險性,管理者從中可以掌握事故發(fā)生的各種可能。故障樹所包含的最小割集越多,系統(tǒng)就越危險。最小割集可以直觀地告訴人們事故發(fā)生的嚴重程度,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頂人主動過程模型中頂事件的概率故障樹定量分析主要是計算頂事件概率。但由于故障樹一般很復(fù)雜,所包含的基本事件很多,使得通過布爾運算求出的最小割集相互關(guān)系復(fù)雜,如相互不獨立、彼此相容。人工計算頂上事件的概率一般采用下列近似計算方法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個時間發(fā)生的概率;Xi∈Kj為第i個基本事件屬于第j個最小割集。2.3基本事件概率的確定該技術(shù)的優(yōu)點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,還可進行最小徑集和3個重要度(結(jié)構(gòu)、概率、臨界)的計算。對不熟悉系統(tǒng)設(shè)計和運行而從事系統(tǒng)管理的人員提供圖示幫助;運用FTA技術(shù)進行系統(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程中的技術(shù)故障,也能對工期和成本的風(fēng)險進行分析。故障樹技術(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),建立基于故障樹模型庫的風(fēng)險識別系統(tǒng)是克服故障樹缺陷、推廣該技術(shù)的有效途徑。3故障樹分析的設(shè)計建設(shè)工程風(fēng)險識別系統(tǒng)由故障樹生成模塊、分析計算模塊、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)建的故障樹為一個樹圖文件,可進行儲存、編輯、打印等。故障樹的自動分析包括自動計算最小割集、最小徑集、頂上事件發(fā)生概率、基本事件重要度等。計算結(jié)果形成報告文件,可存儲或打印。輔助模塊包括為建樹與分析提供數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫、樹圖文件和報告文件操作系統(tǒng)、幫助系統(tǒng)和界面管理等。本系統(tǒng)集分析計算、圖形繪制與數(shù)據(jù)庫技術(shù)為一體,是多文檔分析系統(tǒng),可同時打開或建立的文件數(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基于故障樹的建模技術(shù)建樹是故障樹分析的關(guān)鍵,定性與定量分析及系統(tǒng)防范措施的制定,均以所建的故障樹為依據(jù)?，F(xiàn)有的計算機輔助建樹法主要依賴于人工,費工費時,建樹過程自動化可視化程度不高。本著方便快捷、直觀形象、自動化、多樣性原則,本系統(tǒng)設(shè)計了繪圖生成、模板生成和導(dǎo)向生成三種自動建樹模式,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。故障樹的繪制自上而下進行,根據(jù)需要可任意對某個門族添加新元素,系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)故障樹的布局,能自動識別門與事件之間的關(guān)系。當所有門族和成員繪制完成,即完成整個故障樹的繪制。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,只需要輸入相應(yīng)的元素和門的類別即可進行計算分析。所在門族輸入完后,返回系統(tǒng)分析主界面,會自動生成所輸入的故障樹。在主界面上,可按繪圖生成模式進行故障樹的編輯修改?；趯?dǎo)向生成模式利用模型庫技術(shù)對工程風(fēng)險建立故障樹。系統(tǒng)中的模型庫分為系統(tǒng)庫和用戶庫。系統(tǒng)庫中按照分部分項工程進行分類,例如在基坑圍護工程中可以存放排樁、地下連續(xù)墻、土釘墻等故障樹分析模型。系統(tǒng)模型庫由專業(yè)人員事前建立,里面存放的標準故障樹模型體現(xiàn)了目前建設(shè)工程中風(fēng)險路徑的共性,所以可先針對住宅、地鐵站點等共性較多的工程來編制模型庫。系統(tǒng)模型庫中所有的模型都能修改以適應(yīng)不同工程的需要。用戶庫用來保存在使用過程中形成的故障樹模型,以便模型庫得到不斷更新和充實。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題相似的故障樹,并在系統(tǒng)主界面上對故障樹調(diào)整修改,直至滿足要求。3.2簡化的簡化計算法該模塊實現(xiàn)故障樹的定性與定量分析。在分析前,首先判斷故障樹的完整性,若不完整,系統(tǒng)將要求修改。故障樹的分析內(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分析計算的核心。本系統(tǒng)采用動態(tài)數(shù)組技術(shù)求解最小割(徑)集。其解算過程包括兩部分:一是求出故障樹的所有割集,自動搜索并作替換運算,直至所有割(徑)集全部找出;二是應(yīng)用“自動衰減”化簡法從所得出的割(徑)集中求出最小割(徑)集,即集矩陣的化簡運算。對頂事件的發(fā)生概率提供兩種計算方式,即精確計算和近似計算。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,自動判斷采用割集計算法還是徑集計算法,以減少計算量。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)雜故障樹頂事件發(fā)生概率的精確計算需要花費大量時間,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,在開始計算之前需先輸入允許的相對誤差百分比,否則系統(tǒng)按內(nèi)設(shè)誤差值計算近似解。結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和臨界重要度的分析。從選項面板上選擇所要分析的項目,系統(tǒng)即自動進行計算。依據(jù)計算結(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安排防范計劃和措施。基本事件概率是故障樹定量分析所需要的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)概率數(shù)據(jù)庫分為系統(tǒng)庫和用戶庫。系統(tǒng)概率數(shù)據(jù)庫存放標準故障樹中基本事件的概率。這類概率數(shù)據(jù)一般有統(tǒng)一的標準和規(guī)范,比如混凝土澆注中的機械故障概率。用戶數(shù)據(jù)庫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)庫中的數(shù)據(jù)也同模型庫一樣根據(jù)分部分項工程和不同的施工工序進行分類。由于施工風(fēng)險故障樹中的基本事件紛繁復(fù)雜,基本事件的概率確定是故障樹技術(shù)定量分析的難點,所以數(shù)據(jù)庫的建立是一個持續(xù)過程。3.3樹圖的編碼和標注根據(jù)用戶要求輸出故障樹及分析結(jié)果。樹圖和分析結(jié)果可單獨或整體輸出。故障樹的顯示有標準圖式和內(nèi)容文字圖式,標準圖式的樹圖上只標出門族成員的變量名稱,而內(nèi)容文字圖式則標出名稱內(nèi)容文字,系統(tǒng)能根據(jù)內(nèi)容文字的長短自動判斷采用單行或多行標出。故障樹的打印輸出分為單頁和多頁兩種方式,前者用于小圖幅,后者用于需要大圖幅輸出的樹圖。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、故障樹模型庫和基本概率數(shù)據(jù)庫的管理。變量管理子模塊能實現(xiàn)變量的全自動化操作,包括門、事件變量名稱的設(shè)置,門族成員位置的排序等。文件的管理包括文件的編