岩土工程风险评估与管理概述

岩土工程风险评估与管理概述岩土工程风险评估与管理概述 1 绪论 本文已经准备作为于 2012 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 高水压或弱岩条件下大型地下工程 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 nze iso 31000 2009 的定义 值得注意的是 这些定义或多或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 iso 31000 2009 相媲美的具体的风险 管理标准 按照他们的观点来看它将被假定适用于 iso 标准的 一般原则 即 iso 31000 2009 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 iso 31000 2009 是没有定义的 岩土工程的大应力 岩溶 高水 压或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 存在很多差异 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 它有助于解释清楚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 或半定量或定量的 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 这种开发出 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出 现决定 然后用于分析或保证评估结果的一种结构化格式 很 多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 风险或危险因素 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比排 名 然后得到最佳方案 这种方法在中国建筑业应用的相对广 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 6 节中详细讨论 此外 贝叶斯网络 模糊逻辑和其他已经应用于岩土工程 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 造成的风险已经在很多文献中讨论过 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 尤其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一般方法中 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 r s pr r s 0 pr g x 0 1 其中 r 是电阻或容量 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 因此 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 me fos 2 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 fr x fs x dx 3 其中 fr x 是阻力的累计分布函数 fs x 是荷载的概率分布 函数 故障出现的可能性与如图 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 其中 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 我们通常假定这些模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 不是一个合理的假设 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经常使用的 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 关系并不是独一无二的 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析 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 b 4 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 p e c 5 在这里我们可以更新我们的信念 假设 h 给予额外的证据 e 和背景背景或过去的经验 c 左边项 p h e c 被称为后 验概率 p h c 被称为先验概率 p e 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 线路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 贝叶斯网络是特别有用的 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很多 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 一般为概率表 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 到 b1 和 b2 表示 c 能直接影响 b1 和 b2 为了获得结果或答案 推理是用于计算到网络的问题的答案 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 这类 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意见是通过 p a e 7 其中 e 是指所有证据的一个向量 这类查询被用来更新变 量 尤其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筑物 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 建筑业 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能得到 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 曾说 为 什么我们没有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 一般来说 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 很多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适用 如果不普遍 也是在很 多领域 包括地下岩土工程和建筑工程 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 为了更好的适用于岩土工程 einstein 建立的旨在解决自 然地质威胁的方法值得结合应