（机械电子工程专业论文）机电工程项目数量化风险分析方法初探.pdf

天津壤工夫擎赣十论文 蘩要 中嚣麓入w t o 戳纛，随着缀济貔弱菇发展，蓬字 先进技术蒜悲弓| 遽速凄豹鬻盏鸯蠡快， 当今项目的安全性和w 靠性测评受到了越来越多的关注，风险分析需求也在逐步增加。 箨为寝爝数学瑟鹣交叉学辩，嶷决策瑗论、不磺定分援理论、概率统计于一髂熬橇搴照 险分析。在国内无论怒在基础理论研究和应用研究方瑚均十分薄弱，缺乏风险分析方向 的专家期学术储备。从两很大程度上黢制了我国对风除控制、管理的能力与水平，目前 国内风险预测与控制仪仅停留在罗勋因素的滕面，对风险的数璧化虞麓与估计没有明确 的认识。本文通过学习、研究国际先进风险分析理论，吸收引进该理论，并深入研究了 概率飚险分轿中盼专家决策分耩模袭，基予j 2 e e 平螽翔醣软 牛实瑷，在基礁逢论研究 方面有着一定的意义。另外，本文还通过一个机械工程领域的实例加以举例说明。 零文熬主要骚究内容包揍： 1 、概率风险分析流程 深入分掇了国际上零用的概率风黢分折流程，并分别就风验分析模型中的三大模块 进行了详细介绍，并弓f 迸了一种经最新研究诞明的概率逆换辣法一p a r f u m 算法； 2 、专家决策分柝理论的弓l 进 系统研究了专家躐点的笈袋背景鞫发震过程， 妾及专家躐点在穰攀风陵分析中豹蓬 要作用，比较了众多方法的优缺点后，引进一种科学_ 陵用专家观点的专家决策分析方法 3 、专家浃策势橱系统夔软箨实瑰 蕊于j 2 e e ( j a v a2 n de n t e r p r i s ee d i t i o n ，j a v a2 企业版) 平台，采用标准的b s 架构，辩专家决策分撂系统熬以软件实现，交瑰专家远程登蒙进行决繁靛功髓； 4 、机械工程项目举例说明 濑过一个枫械工稳领域内的项目，对专家决策分橱系统进行实例说明。 熬键词；概率风险分析专家决策主观概率 晨津褒工大学碗士论宜 a b s t r a c t a f t e re n t e r i n gt h ew t o ，t h es t e po fc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n ta c c e l e r a t e sg r e a t l y , a tt h es a m et i m e ，t h ei n t r o d u c t i o no fa d v a n c e dt e c h n o l o g yf r o mf o r e i g nc o u n t r i e ss p e e d su p q u i c k l y n o w a d a y s ，t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r o j e c th a sr e c e i v e dm o r em a dm o r e a t t e n t i o n ，a n dt h en e e do fr i s ka n a l y s i si n c r e a s e sg r a d u a l l y a san e wc r o s s - s u b j e c to fa p p l i e d m a t h e m a t i c s , t h er e s e a r c ho nb o t hb a s i ct h e o r i e sa n dp r a c t i c a lb yu s i n go fp r o b a b i l i s t i cr i s k a n a l y s i sw h i c hc o n s i s t so fj u d g m e n tt h e o r y ，u n c e r t a i n t ya n a l y s i st h e o r ya n ds t a t i s t i c a l p r o b a b i l i t yi ss t i l law e a kp o i n ti nc h i n 趣l a c k i n go fe x p e r t sw h oa r ep r o f i c i e n ti n r i s ka n a l y s i s a n da c a d e m i cr e p e r t o r y u pt on o 讯t h ea b i l i t yt op r e d i c ta n dc o n t r o lr i s kr e m a i n so nt h el e v e l o fl i s t i n gs o m er i s kp a r a m e t e r si nc h i n a w es t i l ld o n th a v eas p e c i f i ck n o w l e d g ea b o u tt h e q u a n t i t a t i v en l e a s l l r ea n de s t i m a t eo fr i s k a f t e rag e n e r a ls t u d yo nt h ea d v a n c e dr i s ka n a l y s i s t h e o r i e s ，i nt h i st h e s i s ，m yw o r ki sf o c u s i n go nt h ee x p e r tj u d g m e n ta n a l y s i sm o d u l ei n p r o b a b i l i s t i cr i s ka n a l y s i sa n dg i v i n ga na p p l i c a t i o ne x a m p l ei nt h ef i e l do fm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n gb a s e do nt h ej 2 e ep l a t f o r m 。 m a i nr e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d e s ： 1 、t h e f l o w o f p r o b a b i l i s t i cr i s k a n a l y s i s t h i st h e s i sa n a l y z e st h eg e n e r a li n t e m a t i o n a if l o wo fp r o b a b i l i s t i cr i s k a n a l y s i s t h o r o u g h l ya n di n t r o d u c e si n d e t a i lt h et h r e em o d u l e si n p r o b a b i l i s t i cr i s ka n a l y s i s r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r , i ti n t r o d u c e st h el a t e s tp r o b a b i l i s t i ci n v e r s i o na l g o r i t h m - 一* p a r f u m a l g o r i t h m ； 2 、i n t r o d u c t i o no f t h ee x p e r tj u d g m e n ta n a l y s i st h e o r y t h i st h e s i ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n da n dh i s t o r yo fe x p e r t o p i n i o n a sw e l la si t si m p o r t a n c ei n p r o b a b i l i s t i cr i s ka n a l y s i s a f t e rc o m p a r i n gt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lm e t h o d s t h i st h e s i sp r e s e n t st h eo p t i m i z a t i o ne x p e r t j u d g m e n tm e t h o d , w h i c ha p p l i e st h ee x p e r t so p i n i o ns c i e n t i f i c a l l y 3 、r e a l i z a t i o no f t h ee x p e r t j u d g m e n ta n a l y s i ss y s t e m b a s e do nj 2 e eq a v a2 n de n t e r p r i s ee d i t i o n ) p l a t f o r m ，a d a p t e dt h es t a n d a r db s s t r u c t u r e ，t h i st h e s i sr e a l i z e st h ee x p e r tj u d g m e n ts y s t e mt h r o u i 萨s o f t w a r e ，a n dm a k e si t p o s s i b l ef o rt h ee x p e r tt e l n e tt om a k ej u d g m e n t + 4 、e x a m p l eo fam e c h a n i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c t f i n a l l y , am e c h a n i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c tv e r i f i e st h ee x p e r tj u d g m e n ta n a l y s i ss y s t e m 。 k e yw o r d s ：p r o b a b i h s f i e r i s ka n a l y s i s ；e x p e r tj u d g m e n t ；s u b j e c t i v ep r o b a b i l i t y l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和敬 褥麓研究成祭，除了文中特刘加以标注帮致谢之楚外，论文孛不愿含其德 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 叁盗塑苎盘鲎 或 其他教育视构的学位或证书雨使用过的搴手料。与我一间工作的同志对本磷 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 擎往论文作者签名：留羲炎 签字臻韵：切章蔗店舔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文 的瓶定。特授权太津理薯大泽可以将学使论文的全部藏部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供超阅和借阅。同意学校向圜家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 侉位论文作者签名：龆茛旋导师签名：谚f 墨良 签字母期：h 手f 月加遗签枣坷期：枷年月 第一章麟论 1 1 研究背景 第一章绪论 隧羞社会经济的不断发展，人们嫂避风险的意识不断增强，硬强风淦分攒的应用不 断扩大。尤其在大型工程项目中，预先进行风险预测和风险概率估价对保证项目的安全 成功实施起着十分重臻的作用。 如何对风险进行预测，并黻踪有可l 造成损失的攀件活动；如何有效评嵇一个安全 系统的承载能力；如何预测一个复杂系统突发性崩溃。以上种种问题郜迫切需要一种有 效豹数学工其来解决。 概率风险分析( p r o b a b i l i s t i cr i s ka n a l y s i s ，简写：p r a ) ，又称为数量化风险分析成 者概率安全分辑，臻为一秘重要豹数学工具，可以有效地解决上嚣这些阔题。p r a 方法 【l j 是定性与定麓相结合，以定缀为主的安全性分析方法，是对复杂系统进行定激风险评估 的一种重要工具。通过应用p r a 方法，可以使安全工程师对复杂系统的特性有全面深刻 的了解，有助予找出系统的薄弱环节，掇高系统的安全性；在概率的意义上区分各种不黼 因素对风险影响的重臻程度，为风险决策提供有价值的定量信息，从瓶在系统设计、研 裁、筏用稆缎护_ 蓬程中支持凌策部门采取有效虢菇除管理播藤，馥降低顼嚣实蕤中懿敲 险。 避年寒，i n t e r n e t 熬飞逮发震为照验努攒提供了广耀熬疲翔蓑景，对冤黢分拆研突 起了瞳大的推动作用。i n t e r n e t 的发展给社会和经济的各个方面都带来了巨大的影响， 使得人们比以往任何拜尊候都更加能够大范围的共享备糖信息髑资源。在i n t e r n e t 的基础 上，w 以将传统的基于专家会议进行专家判断的形式，经由传统封闭的、基于本遣的， 转向开放的、基于网络的体系结构。 本文静磷究结合天津市稀技攻关计麓重大辩技王疆顼鑫工稷砑l 强数懑往嚣【陵 分析平台( 编号：0 5 y f g z g x 2 3 7 0 0 ) ，将基于i n t e m e t 的专家决策分析技术威用到风险 分板平台戆开发实瑗巾。本文稳建懿专家判凝分撰系绫采爱j a v a 语誊，j a v a 语言豹霹 移植性、分布性、多线程及健壮性使之成为实现该系统的最德选择，j a v a 虚拟机( j v m ) 为j a v a 语言撼供了窝发开放的平台无关性。本平台的实现采期当前最耨技术，如j 2 e e 、 w e b s e r v i c e 等，使专家决策分析从专娩应用走向工程应用的前台，具脊重要的实际应糟 价值，这将促进数量化风险分析理论应用的发展。 1 2 研究现状 2 国争 磷突臻获 程美国国家航空航天局( n a s a ) 项目管理中，p r a 一直是最典型、应用最广的定艟 藏陵译秘方法。p r a 主要铮露复杂系统进行风险译徐，它孕期多建予核反痤壤数风殓管 理领域，此外它在核工业、化工、航天领域的安全饿工作中也有着夔要的地位。n a s a 密e s a ( 欧溯魑天局) 豹p r a 技术发骚较旱，技术也较成熟。 n a s a 于1 9 9 8 年开始引入持续风险管理的理论和方法( c o n t i n u o u sr i s km a n a g e m e n t 第一章绪论 c r m ) ；1 9 9 9 年n a s a 的管理专家在应用c r m 的基础上，又引入了概率风险评估理论 和方法( p r a ) ，并于2 0 0 2 年3 月发行了针对各项目经理的p r a 手册；自2 0 0 1 年起，n a s a 的研究人员又开始加强风险量化和评估研究，并倾向于采取一体化的定量化风险管理理 论( i n t e g r a t e d q u a n t i t a t i v e r i s k m a n a g e m e n t ) 评估项目研发过程中的风斟”。p r a 已经广泛 的应用于包括运输、建筑、能源、化工和航空等工程领域，在项目控制和金融管理方面 也起着重要的作用。在先进的欧美国家，概率风险分析方法与工具的使用已经成为了大 型： 程项目中必不可少的一环，是发展前途广阔的研究领域。 定性分析与定量分析相结合是当前国外项目风险管理的基本方法。在思想方法上， 现代项目风险管理注重对风险进行一体化的动态持续管理，分析风险、评估风险则着眼 于考察风险发生发展的整个生命周期。另外，风险分析在定性分析的基础上，更加注重 风险影响的量化分析，从概率、项目进度影响、项目费用影响等多个角度刻画项目风险 的特征。 现今概率风险分析作为一个重要的应用数学领域在国际上得到了广泛的重视，众多 的国际专业学术组织【3 l 、一年一度的国际风险分析年会【4 】以及每年在美国哈佛大学举办 的概率风险分析专家研讨班【5 】对其理论研究的发展和实际的应用起到了重大的推动作 用。 1 2 2 国内研究现状 相比国外，我国对项目风险管理问题的研究较晚，相关文献也较少。并且研究主要 集中在对我国项目风险管理模式、风险识别方法和风险量化手段等方面，而且项目风险 管理和风险量化的研究更着重于数学形式的完美和理论上的探讨，并不具体和实用。这 主要有三方面的原因引起，一是风险管理和风险量化所需的历史信息资料缺乏，无法进 行深入的分析以用于实践；二是实际项目管理人员的分析、计算和决策能力与项目风险 管理所要求的分析、计算和决策能力相差较远；三是缺乏相关的数学工具和软件来辅助 项目管理人员进行管理和风险量化。 目前，国内非常缺乏p r a 方向的学术储备。从国内仅有的一些资料可以看出，我 国对p r a 的研究，仅仅是局限于航空航天、核电站和液化石油气等领域，而在常见领 域，譬如机械、建筑、轻工业、化工等领域，并没有得到实际应用，这些领域应用的仍 然是传统的定性分析方法或者一些简单的定量手段。而且所采用的步骤大致如下：首先 是对分析系统进行分析，建立故障树模型，定性分析系统中的薄弱环节；然后根据实验 数据或专家经验，采集底事件数据；然后采用国外软件对故障树模型进行定量化评价； 最后应用m o n t ec a r l o 仿真方法进行不确定性分析。这种p r a 方法的优点是采用了合理 的建模方法，并应用m o n t ec a d o 仿真方法进行不确定性分析，缺点是过多偏重于定性 分析；并且在风险参数的量化过程中，只是主观地把实验数据或专家的主观判断作为一 种确定性数据进行处理；最后对获得的分析结果没有进一步验证。没有对数据并且只是 主观的直接采用专家观点，没有对其进行科学地评价。 综上所述，国内对概率风险分析的研究，无论是在基础理论研究或是应用研究方面， 均十分薄弱，缺乏风险分析方向的专家和学术储备，并且风险预测与控制仅仅停留在罗 列因素的层面，对风险的数量化度量和估计没有明确的认识。鉴于这种现状，本文通过 2 第章绪沧 c r m ) ；1 9 9 9 年n a s a 的管理专家在应用c r m 的基础上，又引入了概率风险评估理论 和方法( p r a ) ，并于2 0 0 2 年3 月发行了针对各项目经理的p r a 手册；自2 0 0 1 年起，n a s a 的研究人员又升始加强风险量化和评估研究，并倾向于采取一体化的定量化风险管理理 论( i n t e g r a t e d q u a n t i t a t i v e r i s k m a n a g e m e n t ) 评估项目研发过程中的风险【“。p r a 已经广泛 的应用于包括运输、建筑、能源、化工和航空等工程领域，在项目控制和令融管理方面 也起着重要的作用。在先进的欧美国家，概率风险分析方法与工具的使用已经成为了大 型工程项目中必不可少的一环，是发展前途广阔的研究领域。 定性分析与定量分析相结合是当前国外项目风险管理的基本方法。在思想方法上， 现代项目风险管理注重对风险进行一体化的动态持续管理，分析风险、评估风险则着眼 于考察风险发生发展的整个生命周期。另外，风险分析在定性分析的基础上，更加注重 风险影响的量化分析，从概率、项目进度影响、项目费用影响等多个角度刻画项目风险 的特征。 现今概率风险分析作为一个重要的应用数学领域在国际上得到了广泛的重视，众多 的国际专业学术组织【3 l 、一年一度的国际风险分析年会1 4 j 以及每年在美国哈佛大学举办 的概率风险分析专家研讨班口】对其理论研究的发展和实际的应用起到了重大的推动作 用。 12 2 国内研究现状 相比国外，我国对项目风险管理问题的研究较晚，相关文献也较少。并且研究主要 集中在对我国项目风险管理模式、风险识别方法和风险量化手段等方面，而且项目风险 管理和风险量化的研究更着重于数学形式的完美和理论上的探讨，并不具体和实用。这 主要有三方面的原因引起，一是风险管理和风险量化所需的历史信息资料缺乏，无法进 行深入的分析以用于实践；二是实际项目管理人员的分析、计算和决策能力与项目风险 管理所要求的分析、计算和决策能力相差较远；三是缺乏相关的数学工具和软什来辅助 项e t 管理人员进行管理和风险量化。 目前，国内非常缺乏p r a 方向的学术储备。从国内仅有的一些资料可以看出，我 国对p r a 的研究，仅仅是局限于航空航天、核电站和液化石油气等领域，而在常见领 域，譬如机械、建筑、轻工业、化工等领域，并没有得到实际应用，这些领域应用的仍 然是传统的定性分析方法或者一些简单的定量手段。而且所采用的步骤大致如下；首先 是对分析系统进行分析，建立故障树模型，定性分析系统中的薄弱环节；然后根据实验 数据或专家经验，采集底事件数据：然后采用国外软件对故障树模型进行定量化评价； 最后应用m o n t ec a r l o 仿真方法进行不确定性分析。这种p r a 方法的优点是采用了合理 的建模方法，并应用m o n t ec a d o 仿真方法进行不确定性分析，缺点是过多偏重于定性 分析；并且在风险参数的曩化过程中，只是主观地把实验数据或专家的主观判断作为一 种确定性数据进行处理；最后对获得的分析结果没有进一步验证。没有对数据并且只是 主观的直接采用专家观点，没有对其进行科学地评价。 综上所述，国内对概率风险分析的研究，无论足在基础理论研究或足应用研究方面， 均十分薄弱，缺乏风险分析方向的专家和学术储备，并且风险预测与控制仅仅停留在罗 列因素的层面，对风险的数量化度量和估计没有明确的认识。鉴于这种现状，本文通过 列因素的层面，对风险的数量化度量和估计没有明确的认识。鉴于这种现状，本文通过 第一章缭论 学习、谤究曩酝先进风险分棼芎理论，弥羚我晷对壤率风殓分攒镊域佟炎一重要弱蠹赐数 学分支研究的不足，不仅在基础理论研究方面有着一定的意义，而且通过在机械工程领 域的威用研究鞠实践，在实隧应用方髓也具裔定的实践意义。 1 3 论文内容概述 壤据蘸入瓣鼹蹬分糖酶磷究藏粟，并结合我藿戆磷突理状，本文兹疆究痰誊魏下： 鉴于概率风险分析在我国起步较晚，研究资料较少，人们对p r a 的了解不深， 本文瓣概率斑殓分掇中嚣一然基本壤念进行了分缨，舞弓| 进了国於先进静壤率 风险分析流程和方法，并对本文所依托的项强中每个模块所采用的方法予以介 绍： 着羲介绍了专家决策分析在概率风险分析中的发展历程，馥糟和意义，并详细 说明了本文研究的专家决策分析所采用的方法；并论述了基于j a v a 的专家判 甄系统豹较僚实现越程，雹话钵系絮椽、工终滚程、凄麓接涣等： 最后通过专踩决策系统在一个机械工程项目中的应用实例，来实例阐述专家决 策系统嚣应瑙方法移结果； 通过以上研究和专家决策分析系统在机械工程项目中的，藏用，期艇将概率风险分析 弓l 入我国常用工程领域，藕不仅仅是航空、援电菇等少数领域，并克服现在常用豹搬枣 风险方法仅停留在定髋分析阶段的缺点，达剃为决策者提供璺准确媲数量优依据的目 的。 1 4 论文组织结构 本文共分为七章。 第一章综述了概率风险分析的研究背景和意义，以及国内外研究现状，并概述了本 文的磷究内容鄹章节划分； 第二章详细论述了概率风险分析的研究鬻荣，和豳际上常麓的筒癸工作流程，以及 每个功能模块的常用方法； 篱三章详细论述了专家鼹点瓣怒涎、发袋掰程黻获在壤率菇陵分辑牵瓣疯蠲； 蒋四章主要介绍了专家主观概率分布的联合，以及联合的数学背景； 第五章摄述了本谖题嚣依援顼疆潮在硬联串夔重椠性，势详细套缨了基予j 2 e e 平 台实现专家决策分析系统，熟中包括系统整体架构，各模块黑体功能，以及数据库的设 计等： 第六章介绍了专家决策分析系统的一个成用实例专家决策分析系统在机械工 程项圈上的应用； 第七章对蓊蘧雏磷究工俘进行了篱单静穰括帮鏊结，绘爨了下一步工 乍斡些设想 和展塑。 3 第二章概率风险分析 第二章概率风险分析 在n a s a 顼锺警疆中，概率风陵分析( p r o b a b i l i s t i cr i s ka n a l y s i s ，p r a ) 赢 是最典型、应用最广瓣定量风险浮玲方法。p r a 主要铃对复杂系统遂孳亍j 蔑陵评价，它晕 翘多爆予核反疲堆熬风除管理鼷城，挝夕 它在棱工数、化工、蕊天镁域豹安全僚王彳乍中 也有着黧要的地位。n a s a 和e s a ( 欧洲航天局) 的p r a 技术发鼹较晕，技术也较成熟。 2 ，1 携变背景 氆纪5 0 年代辩，美营源予能委掇会( a 嚣c ，n r c 的前身) 专注予研究“w 信搴 蔽最大登”懿风险估计瀚蘧。因为可信事馥可致通过设计规鞠解决，丽其余的飙险只能 遇过研究“不可傣事故”赡假设络暴进行售诗。美国1 9 5 7 年发褒翡w a s h - - 7 4 0 f 6 j 裁是 这样黪一个磷究。宅簧纛予磷突一个霞予人妇孛心3 8 愚瑷掺熬2 0 0 露万瓦魄力核麓爨 工厂放射性物质泄漏的兰种情形。关于这神泄漏的檄率，研究表明“没露人知道这种低 橇率的嘏确数值”。 为了降低这种灾难性泄漏的概率，对设计规划进行了改进，但是对风险没有什么明 疆豁影桶。量纯髑评嵇遽些改进散粟的需要簸导致了概率风酸分析的g i 进。这登方法蓠 次全蘅磁甭，包括事放籍采的广泛分祈，是在美国予1 9 7 5 年发寝的核及应壤安全研究 w a s h - - 1 4 0 0 堆风除分援一浮然美灏惫臻核电涎事故娥险掇告【7 】串。这个礤究被诀 为是第一个瑰载p r a ，它善次采羯事髂樾一赦簿瓣静概率分耨方法，霜裙因攀 孛发生貘 率及估算得出的安全系统失效攀，导如融它引起的熔芯事故链概率，兹健算如放射性进 入环境髓危害公众的风除。 1 9 7 9 年，h a r o l dl e w i s 教授领导的讨论小组做了蒋名的l e w i s 报告【8 】。报告肯定了 p r a 的有效浚，瞧指出了处理械率的一整缺陷，并青定了主观概率的作埔。 不久以后，新一代的p r a 出现了，它涟免了梭反盘堆嶷全研究的一些理论缺陷。1 9 8 3 霉，荚鼙n r c 发表了p r a 步骤指南，支持势糠准讫了诲多蔑陵浮链方法。e s a 对予 p r a y 法鸯毙较重裰，滁了一些具体浆液蠲1 9 l 之辫，鬻蓠对p r a 方法西缀形成了专门静 标准 1 0 , 1 1 】。 2 0 0 2 年3 男3 1 爨，n a s a 总部帮属下的安垒与任务珂靠瞧磷究孛心联合发凑了 p r o b a b i l i s t i cr i s k a s s e s s m e n tp r o c e d u r e sg u i d ef o rn a s a m a n a g e r sa n dp r a c t i t i o n e r s ) ) ； 系统阐述了n a s a 采溺p r a 理论方法进行风险评估与管理的基本闫题。该指南分为十 五章，主鬃内容包括n a s a 风除管理概述、对p r a 应用的历史回顾、p r a 方法的基本装 豢缝戏、p r a 与不确定经秘可靠牲评绩、事粹壤率与放簿建搂及量纯、p r a 酌参数 鑫 葬、p r a 方法与人员褥嚣性努辑、软锋风筮译嵇等内容，试图爝定量纯韵方法和逻辑模 型揭示故障过程巾各类攀传之阅的联幼关系1 1 2 l 。 2 2p r a 王孛篝流程 4 第二带概率风险分析 由于每个工程项目中p r a 的分析过程都不同，因此就没有一个标准的步骤，分析 方法也是各式备样的。下面概述一下概率风险分析的工作流程。 图2 - 1p r a 的常用步骤 f i g 2 - tc o n v e n t i o n a la p p r o a c ht op r a 系统设计和识别危险事件是风险分析建立模型的过程，需要进一步分析并为项目数 学建模，殴瑟寒发现我囊关心戆主要溅陵霾素。概率风险分毒器中夔每一步邦要瘸到数学 知识。当我们建立数学模型对，大多数时候都慰倾听专家对数学模型参数的观点和建议。 嚣= 章穰率风险分析 接下来分辑酌过程主要怒不确定性分拆。分捱蕊除亲发瓒秘始攀锌，接叛初始枣 牛 的概率和估计所有危险事件的概率都是不确定性分析的内容。这些都是为风险评估作准 各。 概率风险评估是簸重要的步骤之，主簧蹩应用蒙特卡洛模拟技术。蒙特卡洛模锨 整合了各种假设，来提出风险的可能分布( 或范围) ，而不怒点估计。一个连续的概率 分布隧淤获概率密凄涵数静形式，或者稳瘟懿累积分布函数鹣形式，在鬻表巾清楚德表 示出来。 砖子瑟黧专家蠢法绘爨援率分毒豹参数，我稍将应髑概率逆换( p r o b a b i l i s t i c i n v e r s i o n ) 的方法，通过引导参数的逆换从丽得到目标参数的概率分布，这也是概率风 险模趔分扳巾最为核心的部分。 2 3p r a 功能模块 鲐鎏2 - 2 每掰示，穰率风险势辑过程主餮分为三大模块，帮确定壤嚣菇黢参数、蒙 特卡洛模拟和概率逆换。下面详细介绍一下每个模块的功能，及其常用的方法。 翔2 - 2 p r a 嚣要愁程 f i g 2 - 2s i m p l ep r a p r o c e s s 2 3 。1 风险参数确定模块 在概率风险分祈过程中，应用蒙特卡洛模叛法进行风险簸亿的第一步楚收集褶荧数 据，其重要蚀并不甄于模拟过程本身，因为所收集数据的完艇性及凇确性，将直接影响 蜀蒙特卡洛法模蓣缀栗酶质薰。 要收集的数据主要是风险模型中每个变量的变化范围及其概率分布曲线。工程实际 中，这些分鸯蓦线豹继诗逶鬻需要大量熬历史蜜粒以及长期积累熬缀验。嚣缓多王簇矮 目中经常出现历史资料缺乏，统计资料少的情况，从而有关数据的收集工1 乍非常困难。 尽管撤殓变蹩鲍摄攀分毒类凝是多孝申多样的，但可以归纳为四耪：( 1 ) 离散分布；( 2 ) 均匀分布；( 3 ) 正态分布；( 4 ) 偏态分布。 确定了风险变量的概率分布类型以后，还必须估计风险变量的檄率分布相应的参数 值，出于历史资籽秧乏，逶常采用专家主麓倍诗法泉确定稻应参数德。 第二章概率风险分析 专家主戏继诗法就是专家根据长耀积累豹各方嚣经验及当 l 重收集豹信息嚣对待德 变量谶行主观臆断的一种方法。这种方法由于带有专家的主观色彩，因此包含一定的偏 差。为了缩小这荸中偏差，人们提如了很多改进的方法，如头脑风黎法、n g t ( n o m i n a lg r o l l p t e c h n i q u e ) 法、穗尔菲法和m o n r o e 法等。其中，德尔菲法将在下一章中详细介绍，这艇 就不爵赘述。 2 3 1 1 头脑风器法 头脑风暴法简称b s 法。这是一神集体开发创造性艨维的方法。“头脑风暴”的概念 源于医学，骧指精神瘸患者头脑中短时间出现的愚维紊舌l 现象，病入会产生大藿的蕊氘 想法。创造学中借用这个概念朱比喻恩维高度活跃，打破常规的思维方式进i 耐产生大墩 翻造式设怒蕊狡援。 这方法的原理照通过强化信息刺激，促使思维者展开想象，引起思维扩散，在缀 翅内产生大量设想，势送一步诱发创造蛙设想。这秘方法，豢鬻要缀织装手久共嚣实戆。 而在举行头脑风暴会议的过程中，除了参加者本人尽力展开想象以外，每个人提出的设 想对别人都是燕要的镲息刺激。不仅可以起到集思广懿、取长 p 短的传用，丽凰会起列 思想共鸣，诱发出大蛩仓q 造性设想的作阚。 虽然头脑风暴法非常生动灵活，假是在项目风险分析过程中，由予项目组成员心理 耱互影滴，己形成瑟谣躬“群体葱维”，造藏趋囱于投藏或大多数久意觅酶籁淘，会潮 弱群体的批判精神和创造力，损害风险分析的质量。 2 3 ，1 2 提塞缀皴零n g t t ”1 n g t f n o m i n a lg r o u pt e c h n i q u e ) 类似于多数表决技术。挑选一些专家来组成一个小 缝，磷究选焉疆个方繁来解决个闻繇。逶雾狂下述傣滚下餐溺提名筑技拳：( 1 ) 讨论 的方案是有争议的；( 2 ) 专家难以对方策取得一致意见；( 3 ) 对不同方案进行了长时间的 讨论，要想求缮一致意见已没骞薅趣了( 这是糁涮重要熬) 。 之所以叫“n o m i n a l 组”，即“名义组”，是因为与其他方法比越来，专家间的交 流不充分( 由于对闽商限) 。这里译成“提名组”，怒因为它的作用怒提出最佳方案。 n g t 分为两大步骤： 第一步形式头脑风暴( f o r m a lb r a i n s t o r m i n g ) 1 n g t 的主持入定义要熬决静闻遂； 2 主持人明确说明小组成员讨论的目的殿n g t 的运作过程与运作规则； 3 小缀戏是每人独立提爨解凌趣爨瓣羞予方案，写在一张表上； 4 主持人把所有方案汇总在一起，现在时各种方案还不予讨论； 5 不同成昃的方寨可能蠢共性，躐此把纛共性的方案予以归并。归并的办法如下： ( 1 ) 主持人证专家a 提出一个方案，予l 奠阐明，进行提闻及答复，并询阍其他专家脊 没有类似的方案，把类似方案归弗在一张方案卡片上； ( 2 ) 专家矗菇提出稳的第二个方案，并进行类钕归并；壹到专家矗阐述完稳酌所春方 案后，由专家b 提出他的方案。咀此类推。最终把全部方案归并到几张方案卡片上。 一般揍援下，垒帮方寨数蓥与最终翔并戏豹方案卡片数大致意懿1 f 关系： 7 第= 章概率风险分析 全部左寨的数量归薤的直塞圭苴数 2 0 4 左右 2 0 一3 5 6 左右 3 二q 丝查 ( 3 ) 把每一个归并的方案卡片代表的方案予以编号：方案1 ，方案2 ，方案n 。 这一步骤没有通常头脑风暴法的深入讨论，所以叫“形式头脑风暴”。 第二步方案优选 1 给每个专家一张表，上面有归并方案的编号； 2 专家根据自己的认识，对方案进行排序。最佳方案为1 ，次佳方案为“2 ”， 以此类推。如果两个方案不分上下，则为同一个排序号。例如，方案2 与方案5 在排 序号2 以后不分上下，则为同一个排序号( 3 + 4 ) 2 = 3 5 。 3 将所有专家的排序号汇总在一起，成一排序表。 4 计算出每个方案的总排序分，称为“总分”，记在表上。总分最低的方案就是 建议优先采用的方案。如果成员同意这个推荐方案，则进一步讨论如何规划实现。 2 3 1 3m o n r o e 法 m o n r o e 法是由m o n r o e 于1 9 9 1 年，对某运载火箭在概念设计阶段进行风险分析而 提出的【1 4 l 。应用m o n r o e 法从专家处获取风险变量的概率分布参数值的具体步骤如下： 1 、确定待估的风险变量概率分布类型及风险变量概率分布参数； 2 、选择评估专家并确定相应权重； 3 、评估专家根据经验确定风险变量概率分布参数值，同时给出相应解释； 4 、项目风险管理人员收集专家评估结果，并燕理专家评估意见成文档； 5 、将该文档反馈给各评估专家，请专家考虑该文档再次给出他们的估计值； 6 、项目风险管理人员再次收集专家评估结果，并对专家二次评估结果进行整理； 运用这种方法从专家处收集信息，只需要两轮反馈，更为便捷，克服了德尔菲法需 要多轮反馈从而过于繁琐的缺点，同时它还避免了头脑风暴法和n g t 法中可能出现的 偏见效应和权威效应，而且由于其不需要召集专家进行会议讨论，因此代价也较为低廉 。 2 3 2 蒙特卡洛模拟 蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 方法，又称为随机模拟法或统计模拟法，属于计算数学的 一个分支，它是在第二次世界大战期间，为了适应当时原子能事业的需要而兴起和发展 起来的。 蒙特卡洛模拟应用已确定的用户定义的工程风险参数的概率分布作为随机变量模 型，即假定每个风险参数的分布都是唯一的，模拟步骤就是通过模拟或“执行”许多随 机实验来重复变量值x 。假设工程总费用被定义为各种随机变量的函数，0 ) 。每次x 的 集合都是模拟过程随机生成的，并计算总费用的值。模拟完成时，就得到了工程的总费 用的分布。模拟的精确度随模拟次数的增加而增加。蒙特卡洛技术能模拟实际发生的事 件，并为目标函数( 例如总费用或总进度) 产生期望值。 第= 章概率风险分析 这种方法和传统数学方法相比，具有思想新颖、直观性强、简便易用等优点，它能 处理一些其他方法不能处理的复杂问题，并且容易在计算机上实现。目前，蒙特卡洛方 法已经在应用物理、原子能、固体物理、化学、生物、生态学、社会学以及经济行为等 领域得到了广泛的应用1 1 “。 2 3 3 概率逆换 概率逆换问题出现在应用专家判断进行物理建模的不确定性量化中【”】。我们希望 通过专家判断可以量化某些模型中的参数x 的不确定性，但是有些参数没有明确的物理 意义，并且和专家熟悉的测量方法都无关。模型经常是在专家不认可的假设下得到的。 我们必须找出与专家可评估的x 有函数关系的可观测值y 。从专家指定的y 的不确定 性中得到x 的不确定性的问题，显然，这就是一个置换问题。 在实际应用中，随机向量y 是通过某些边缘分布y l x ，e ，e ，y 用i 的百分数或分 位数来描述的。这样，取一个随机变量x ，使得g 满足关于y 一瞰，e ，墨，匕j 的分 位数条件，也可能是其他的限制。当要求参数独立时，这些限制可能会影响数学意义。 物理因素也可能会在z 4 上强加限制。目前，只有少数运算法则可以解决这些问题。 以数学的形式解决概率转换的方式就是迭代算法。这里我们主要讨论两种算法，一 种是i p f 算法，另外一种就是本文的依托项目中应用到的p a r f u m 算法。 2 3 3 1i p f 算法 i p f 算法【1 8 】是由d e m m g 和s t e p h a n ( 1 9 4 0 ) 导出，后经b i s h o p ( 1 9 6 9 ) 、h a b e r m a n ( 1 9 7 4 ) 、 m e y e r ( 1 9 8 1 ) 等作过进一步改进拓广【1 9 】。在此以一个三维表的二阶模型为例，简述如何 通过i p f 算法迭代得出期望值。模型为： l n m 幛；九+ 蟹+ 砖七碡+ 礞七罐+ c 2 1 ) m 表示期望值，以“”表示合计。由上式可知，各总计i n “、m i k 和m i k 受约束等于相 应的观察边缘合计。迭代程序假定每个m 霎的初始值为1 ，然后按比例调整这些值，以 满足第一个边缘约束m 。= i , i ，计算公式为： 研婴：华 ( 2 2 ) ( 其中：硝= ) 再调整经修正的期望值，以满足另外两个边缘约束，即：m i k = n i 小m j k = n j k 计算公 式为： 肌霉一专m ( 1 ) x 尹m ) 磺- 警 ( 2 4 ) ( 其中：m 擘= n i pm 2 = n * ) 9 第二章概率风险分析 至此，第一轮循环结束，将以上各值代入( 2 ) 式，开始第二轮循环，直至第t 次循环 达到收敛标准。即：任一格的第t 和第t - 1 次循环的期望值之差小于某一常量e 。如： = m a x i m 搿一m ( t - 1 1b o 0 0 1 ，这时可终止迭代。 2 3 3 2p a r f u m 算法 p a r f u m 算法【2 0 】的表述如下： 令y = y 1 ，y 2 ，y m 为密度函数为 f ，f m 的随机向量，令g 。：r “一r 是 可测函数，其中m = l ，2 ，m 。p a r f u m 算法由以下五步来描述： 1 、取有限集z c r o ； 2 、定义y 。在g 。上关于z 的像点g 。b ) 的条件集合函数q 。为 蠊c 跏蠢，其e p x e x ； 泣 3 、在z 上定义最小广义分布，其关于g 。) 的前推分布口i p = 满足q 。，也就是说， 对x e x ，有 己阶硒茄 ( 2 e ) 这里# 代表点数。 4 、取关于x 的p 分布，其最小化相关量为m i ( p o i f ) ，这里 删p ) 嚏驰m ( 2 7 ) 令s 一 r e r i k 苫o ，k = q ，不难得出下面的命题m 1 ： 命题令p m s ，m = l ，m 。那么 恕薹- ( p mi p ) = 薹- ( p mi p ) ( 2 s ) 恕薹1 ( p m = 薹1 ( p m ) ( 2 - 8 当且仅当p 。= o m ) e 。m t p m ； 在一些完善模型中，通常采用口f 算法。但是，一些高维的不完善问题中，i p f 必须 为分解为许多点，并且结果分布可能会集中于非常少的样本，比例缺乏的分布非常不均 衡，甚至某些变量是错误的。什么时候算法中止和哪些分布可以作为结果都是不清楚的。 而在不完善模型中，p a r f u m 算法可以克服这些缺陷。因此，在本文所依托的项目中， 我们就是采用的p a r 兀j m 算法进行迭代。 1 0 第三章专家观点在风险分析中的应用 第三章专家观点在风险分析中的应用 上一章中，我们已经提到了在概率风险分析中应用的一些专家主观评估法。由于专 家观点是专家的主观臆断，具有很强的不确定性，那么如何表现和处理这种不确定性则 是本文的研究重点。 研究专家不确定性的目的是双重的。首先，人们尤其是决策者通常将重心放到专家 的不确定性观点上。如果是这样，那么是否有应用专家观点更好或者更差的方法呢? 其 次，专家观点是一种非常有用的数据源【捌。然而，合理的应用这种数据源需要一种新的 技术。专家观点不等同于专家知识，忽略了这种不同的后果是很严重的。 在研究新技术前，这一章我们首先来回顾一下2 0 世纪5 0 、6 0 年代的专家观点，以 及专家观点在一些领域内的应用。 3 1 背景 专家现象已经存在很长时间了，但是专家的沉思，头脑风暴，猜想以及推测是决策 过程的重要输入信息这一概念是非常新的。这种现象开始于二战后兰德公司的成立1 2 3 。 3 1 1 兰德公司 兰德公司来源于一个联合项目，即1 9 4 6 年美国空军和道格拉斯航天器的“兰德工 程”。建立