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文件编号TP-AR-L9013岩土工程风险评估与管理概述(正式版)In TermsOf OrganizationManagement,It IsNecessary ToForm ACertain GuidingAnd PlanningExecutable Plan,So AsTo HelpDecision-Makers ToCarry OutBetter ProductionAnd ManagementFrom MultiplePerspectives.(示范文本)编订审核单位可用于在这里讨论的岩土工程风险分析的通用蝶形图风险概率分析PRA,包括蒙特卡洛和其他类型的模型,也许就是岩土工程中定量的进行风险分析最广泛使用的方法这种方法将在下文第5节中详细讨论决策分析,包括决策树分析,是在可用信息的基础上做浮现决定,然后用于分析或者保证评估结果的一种结构化格式不少地下工程的决策存在重大的不确定性决策分析将会在下文第6节进一步讨论多风险分析是一种近似的计算方法,主要应用于多个独立风险或者危wei险因素,这些因素作为随机变量它提供了一个用于处理不确定性的方法它也可以用于隧道工程的成本估计,比如这个研究层次分析法AHP用于解决一些决策和风险管理中的问题这是一个多准则的数学方法它允许各个方案进行对照排名,然后得到最佳方案这种方法在中国建造业应用的相对广泛贝叶斯网络是基于图形和其他数学工具来表达出系统成员之间的因果关系它允许变量之间相互依赖,它还提供了不确定条件下推理的方法,并且允许概率表随着信息的更新而更新在实践中,他们还结合一些其他的决策分析方法地下工程中贝叶斯网络及其应用将在第节中详细讨论6贝叶斯网络、含糊逻辑和其他已经应用于岩止匕外,土工程的人工智能方法也可能用于风险分析和风险评估,并且有时还需结合其他的方法重要的是要注意这些从工程实践中总结出来的风险分析是定性的,顶多也只能算是半定量因此,本文的重点将放在定量分析的发展和应用上面
4、岩土工程的不确定性和失误要清晰的认识到在岩土工程,包括地下岩石工程中,许多风险源是来自岩土工程本身的不确定性和错误由于地质力学造成的风险已经在不少文献中讨论过,因此将不确定性的来源分为以下几种1固有的时空变异;2测量误差系统或者随机;3模型的不确定性;4负载的不确定性;5遗漏Baecher和Christian以及其他人已经在论文里描述过这些不确定性的来源即使系统是众所周知的,偶然因素也可能因为相关条件的时间和空间的不同而不同岩体的不规则形状和水力特征的不同就是这种偶然因素的好例子另一方面,主观的不确定性源自我们对某个问题方方面面的认识这有时候被称为概念的不确定性,这可能体现在使用不恰当的分析模型近日,Hadjigeorgiou和Harrison提供了一些岩石工程中有价值的错误源在地下挖掘工程的设计中使用岩体分类方法的讨论中,他们发现了两组失误第一组是选择分类方案的失误,包括遗漏和与没有选择一个适合地质力学的分类方法第二组失误与实施有关,包括实施条件、方法、忽略变化和偶然因素的失误
5、风险概率分析过去的三四十年里,风险概率分析(PRA)是应用最广泛的定量风险分析方法,特别是岩土工程中的风险分析它也被广泛应用于工程领域的进度控制、成本控制和项目管理如图4所示,在岩土工程风险分析的普通方法中,我们评估概率密度函数PDF荷载、应力、地下水压等设计参数如图4所示的需求土壤和岩石强度,通常是剪切强度如图4所示的容量此图说明了从初步设计到详细设计以及最终设计过程中,设计参数是如何提高的,如何得到进一步的结果以及为了减少失误的可能Stewart和O Rourke,给出了当荷载超过一定数值后破坏的概率为Pf=Pr RS=Pr R-S0=Pr[G X0]1其中R是电阻或者容量,S是荷载或者需求,G X是一种极限状态,例如G X=0就定义了安全和非安全的界限安全系数FOS的计算公式为FOS=R/S,其中,R和S是需求和容量的平均值或者者最有可能的值有些计算方法允许R和S存在偶然因素然而,他们通常不允许主观的不确定性因止匕这种情况下,应该允许模型建立的错误,ME,是关于R和S的估计G X=MEFOS2如果G=R-S,并且R和S是相互独立的,发生故障的概率为Pf=f FRx fsx dx3其中FRx是阻力的累计分布函数,fsx是荷载的概率分布函数故障浮现的可能性与如图4所示的需求和容量分布曲线在哪里重叠有关如果R和S遵循正态分布,则Pf=1—
①B,其中B是可靠性指数,并且是R和S的平均值和标准差的函数R和S概率分布函数的估计往往采用Monte Carlo、Latin Hypercube或者一些销售软件,比如RISK和Crystal Ball这些最简单的模式中,包括了R和S的大量重复计算,通常是用到一些涉及要输入参数的方程,比如用于稳定性计算的随机数的选取我们通常假定这些摹拟的概率分布函数是服从正态分布的但是在岩土工程用于成本预算的各个变量是变化的,这可能并非一个合理的假设假定的分布函数对分析结果会产生很大的影响在多数工程实例中,包括岩土工程,找到用于评估失败概率的时间框架也是很重要的对于一些重大基础建设的项目,以项目全过程中发生失误的可能性为依据而做的决定是过于保守的年均失败概率可能在某些情况下更现实失误概率可能与工程师门时常使用的FOS有关表1显示出了失误概率和Galvin等人编制的用于煤矿工程计算相关数据的FOS的关系必须记住的是,Pf-FOS关系并非独一无二的,因为它有时候是假设的,但是它也必须依赖于数据输入、极限条件和每种情况下R和S的分布性质因此,这种简单的概率方法不允许我们可以方便的进行空间变异分析、不确定性分析、事前和事后控制以及设计参数和变量之间存在关联有许多文献都在讨论以概率为基础的技术在岩土工程中的广泛应用,而这些方法通常是结合了数值、变形和水流量分析这里只介绍了最简单的情况,以此来说明概率风险分析的本质
6、贝叶斯网络和动态贝叶斯网络的定量风险分上面提到的许多复杂的情况都考虑使用了贝叶斯网络BN贝叶斯网络是基于贝叶斯定理或者贝叶斯法,而这些是由托马斯•贝叶斯发现的在其最简单的形式中,贝叶斯定理写为P A|B=[P B|A•P A]/P B4其中P A是指A的概率,P B是指B的概率,P A|B和P B|A是条件概率贝叶斯解释说,概率很重要,这样将这里称为贝叶斯网络,有时也被称为贝叶斯信念网络一个更复杂的方式表达贝叶斯定理包括一个假说,过去的经验,证据P H|E,c=P H|c•P E|H,c/PE|c5在这里我们可以更新我们的信念,假设H赋予额外的证据,E和背景背景或者过去的经验,Co左边项P编订人某某某审批人某某某岩土工程风险评估与管理概述正式版ZJI13MB M使用注意:[亥安全管理资料■可用在组织/机构拉理上成直指导性-划性的可执行计划,11I从而实现多角度地匡助决策人员进行更好的生产与管理材料内容可根据实际情I况作相应修改,请在使用时认真阅读
1、绪论本文已经准备作为于20xx年5月20日在中国武汉由中国工程院举行的关于大型地下工程的安全施工和风险管理的国际首脑会议的报告内容论坛上要审议的主题包括1机制、了解、预测理论以及岩爆、塌方、洪水的预警系统或者大型地下工程的大变形2大应力、岩溶、高水压或者弱岩条件下的大型地下工程优化设计方法3大应力、岩溶、高水压或者弱岩条件下大型H E,C被称为后验概率P HI c被称为先验概率P EI H,c是证据概率图5说明了一个简单的贝叶斯网络的组成,显而易见的是1由节点、路线和形成贝叶斯网络的概率表本身组成的因果模型;2专业知识的输入;3使用过程中推理的决策在岩土工程中,允许随时间更改决策、关系和概率的动态贝叶斯网络是特殊实用的在这种方法中,变量的概率表会随着越来越多的信息而被更新,并且在项目的整个寿命中使用定义和描述贝叶斯网络的方法有不少正式地说,贝叶斯网络可以被定义为某个域所代表的一组随机变量的联合概率的一个简要图形的表示形式总结来说,贝叶斯网络可以被概括为1是一个图形和数学工具或者显示因果关系的组件之间的一个系统;2在一个系统中为节点表示的变量及他们的之间的关系;3量化这些优势条件概率;4允许评估概率不确定性的主观因素;5允许概率模型普通为概率表随时更新;6结合与问题有关的知识;7使用不确定性推理理论;8可以替代故障树和事件树图6说明专家知识的统一概念和数学推理在给定问题领域的贝叶斯网络的应用图7举例说明了一个简单的贝叶斯网络该箭头从一个到另一个变量反映了所表示的变量之间的关系例如箭头从C至U B1和B2表示C能直接影响B1和B2为了获得结果或者答案,推理是用于计算到O网络的问题的答案最常见的两种查询类型是先验概率分布和后验概率分布先验概率分布的变量可以写为P A=6其中A是查询变量,X和X是网络里的尚存变数这种查询可用于地下开挖的设计阶段,评估某些设计失败的概率给出变量的后验分布证据或者意见是通过P A|e=7其中e是指所有证据的一个向量这种查询被用来更新变量,特别是当其他变量被观察的时候这种形式的查询可用于有关地质、水文或者岩土的新信息已经可用的情况下更新地下开挖的失败概率简单但是有效的执行方法是使用方程来计算每一个可能的组合变量的概率,并辨别那些需要取得的结果已经有好几个算法可以在贝叶斯网络中做近似的推理其中最常用的精确推理方法是变量消除算法在实践中,决策分析通常被用在整体的风险管理决策分析是一个已经在各种专业领域被定义的发展的很好的手段其他的则采用包括层次分析法在内的限制性定义结合贝叶斯网络的决策分析的详细实例已经被证实图8显示了索萨和爱因斯坦使用的战略决策模型中建造物的基本构造在这种情况下,决策模型是基于一个大大简化了的决策图,即贝叶斯网络(如图8中所示),并且扩展到不同的操作进行建模该模型显示了两个机会节点(地质条件和失效模式),一个决定节点,一个实用节点,这些代表了伴有不同建设策略和公用事业失败的成本总和该模型基于效用最大化和风险成本最小化来确定最佳产品目前,贝叶斯网络在包括中国在内的世界各地使用,得益于它风险评估和概率分析所涉及的广泛领域,医学、刑事取证、建造业、项目管理、金融及保险行业等等在岩土工程与地下工程中,贝叶斯网络已经在大坝、隧道、电力行业等的风险评估和项目管理中广泛应用在岩土工程中更为广泛,随着越来越多的数据在进一步调查或者在施工期间才干得到,贝叶斯网络也许是用来更新概率表、模型参数、分析和设计曲线最常用的方法我们要认识到贝叶斯网络强大的力量,对此,Christian和Baecher曾经说“为什么我们没实用它将观测方法带到21世纪?”
7、岩土工程的应用从笔者的经验来看,风险评估和风险管理技术在地下工程项目中定量分析应用的更为广泛普通来说,风险记录是不断变化的,它记录了与项目相关的一些潜在的风险因素、每一个风险发生所产生的后果、可能采取的有效措施(见图3)、措施采取后风险继续存在的可能性、以及风险因素之间的相互关系控制措施采取后风险情况的更新方法将在下面提到要指出的是与项目相关的风险,比如岩爆、大变形、坍塌、洪水和弱岩,将会被列在这个表格里风险发生后的结果是对项目产生经济的、非经济的影响,如图2所示可能性也是根据一段时期的数据假定分析出来的不少组织用这种方法来划分风险等级,而这些等级的划分是基于定量分析的风险等级可能随着整个项目的发展而更新典型的量化决策风险和有关的风险管理措施通过E、H、M和L如表2所示正如第5节所说,定量的风险概率分析已经在岩土工程中广泛使用正如第6节提到的,通过使用BNs和决策分析来量化可能性的方法选择已经在普遍合用如果不普遍,也是在不少领域,包括地下岩土工程和建造工程岩土工程的风险评估和风险管理中,这些方法将会有很大潜力继续被运用显然,他们也将用于岩土工程项目的投资控制、项目实施和设计、进度控制、成本控制以及整个项目全过程的管理为了更好的合用于岩土工程,Einstein建立的旨在解决自然地质威胁的方法值得结合应用这个方法运用不确定条件下做出的决定来将项目评估过程规范化在Einstein的理论里,结合潜在威胁与发生概率来表述危(wei)险的这反过来就是与结果相结合来表述风险R为R=P[T]u C8其中P[T]是指危wei险的发生概率,u C是指风险发生产生的影响事实上,结果都是不确定的,通常叫做漏洞,条件概率,P[C|T],因此风险也被表述为R=P[T]P[C|T]u C9假设控制行动和预防措施的结果放在之前讨论的的地方,P[T]变成为了P[T],消极对策使得漏洞P[CI T]简化到P[C|T],或者使得影响u C简化到uC,或者两者同时变化控制措施涉及到产生费用,因此简化的风险为R=P[T]P[C|T]u C+u CA10其中u CA是费用地下工程安全施工的风险管理方法和策略本文旨在通过提供主要依据国际文献的岩土工程风险评估和风险管理的实际应用实例来促进以上三个主题的审议显然,此次论坛的主题在中国和中国工程院乃至他们所在的世界其他地方都受到极大的关注然而,重要的是不能忽视中国近年来在岩土力学和岩土工程上取得的不朽成就
2、风险管理术语及定义国际文献关于风险分析、风险评估和风险管理包括了一系列的风险定义和相关条款这里,采用AS/NZEISO310002022的定义值得注意的是,这些定义或者多或者少的不同于一些早期出版刊物里的定义,包括Brown和Booth笔者了解到,中国没有一个可以与AS/NZE ISO310002022相媲美的具体的
8、结论本文旨在基于参考国际文献和结合一些个人经验的基础上提供一个岩土工程风险评估与管理实践的概述Einstein和Sousa以及他们的火伴们做出的贡献是特殊有信息价值的这些用于风险分析和评估研究的术语可能会因会因国家而异概率风险分析可能是岩土工程风险评估中最广泛使用的方法最后我们的出货的结论是,通过贝叶斯网络的使用和决策分析技术,增加现有的概率方法从而允许不确定性情况下的推理和提高概率、材料性能、和数据分析并在项目建设的全过程中得以使用作为更长远的数据,是存在着巨大的可能的在中国和其他地方,已经有了这些方法应用于地下挖掘工程的实例,并且他们进一步应用的机会也已经被确定像这些与工程相关联的岩爆、大变形、坍塌、洪水和弱岩的风险因素建议用这种方法来解决最后,将这些方法组合应用于Feng和Hudosn创立的岩土工程设计方法中的机会是大大存在的此处输入对应的公司或者组织名字Enter TheCorresponding CompanyOr OrganizationName Here风险管理标准按照他们的观点来看它将被假定合用于ISO标准的普通原则,即ISO310002022o澳大利亚标准定义“风险”为“不确定性对目标的影响”,风险源是指元素单独或者组合使用有可能产生的风险在一些更早的观点中,风险源似乎已经被称为危(wei)险,而在早期的澳大利亚标准则定义为“潜在伤害的来源”这个词在AS/NZE ISO310002022是没有定义的岩土工程的大应力、岩溶、高水压或者弱岩条件就是这种意义上的危害风险水平被定义为“以结果和可能性组合表达的风险大小或者风险组合”该定义允许量化风险的普遍做法作为事件发生可能性和结果的产物澳大利亚标准关于事件是“一组特定情况的发生与改变”的定义与这种用法是一样的事件结果是指一项目标造成的后果,可能性是指某些事发生的机会大小术语也存在不少差异,例如,事件发生的可能性有时被成为危风险图1说明了ISO和澳大利亚标准制定的整体风险管理的流程它有助于解释清晰在该领域用到的术语重要的是要认识到,在这种方法中,风险识别、风险分析和风险评估这三个步骤一起被称为风险评估,就是这篇文章题目用到的风险评估一词那些有时候只是细节差别的类似的方法,也被许多其他国家和国际权威机构使用风险分析和风险评估阶段的内容将会在图1中讲述
3、风险分析和风险评估风险分析就是了解每一个风险在如图1所示风险识别的发展过程它提供了是否风险需要处理的决定以及最适当的和最成本有效的风险处理策略它涉及到要考虑的风险源、风险后果以及后果发生的可能性风险分析和风险评估通常是要结合它们发生的可能性和发生后产生的结果的风险分析是定性的或者半定量或者定量的下文将提供一些广泛用于岩土和隧道工程,也可能使用于大型地下建设项目的风险分析和评估方法的简要概述故障树分析(FTA)是以图表的形式识别、量化和表示出可能导致重大危(wei)险源的故障和风险因素它可能量化也可能不量化事件发生的概率事件树分析(ETA)是提供有关于有可能导致重大事件的现实场景或者他们之间关系或者随时间推移风险扩大的可能性的系统映射它也提供了相关风险和风险扩大发生的可能性的数值估计因果分析是故障树分析和事件树分析的结合分析的结果是以原因和后果的关系图表示出来的这种方法被广泛应用于故障逻辑相对简单的情况,因为故障和事件树相结合的图表会变得相当复杂图2表示了一个通过使用故障树和事件树来分析井下采矿的风险评估过程左边一栏是失败的各种类型以及其决定因素中间一栏显示的就是给定的几个风险类型以及他们各自的影响后果来画出的事件树,风险后果比如经济损失、声誉损失和人工损失右边一栏显示的是风险的最终评估结果这种开辟出来主要用于的岩石边坡工程的做法很可能被用于地下土建的开挖工程,但是可能要修改一些图示中间栏的风险因素蝶形图反映了当风险一旦发生可以采取的消除或者者减少风险再次发生的可能性的控制措施虽然蝶形图最开始被创立是作为分析安全事故的技术,但是也可用于其他类型的复杂的风险分析图3表示了一个。