土木工程设施的风险评估:综述和讨

【摘 要】本文可以被视为有关风险分析和风险评估方面讨论的重要基础,并尝试按照目前的技术状态来描述风险评估.因此,本文中的风险评估是以综述的形式、从决策理论的正式框架下的观点来论述的.论文首先分析了风险评估的动机和理论基础及其实践方面,并对土木工程中的应用风险评估的实施方法和技术手段进行了解释和讨论.本文另外解决了与风险可接受准则、风险厌恶和人类生命价值等相关问题,并尝试为这些方面的合理处理提供建议.最后,本文还重点强调了包括继续教育、研究和传播力的需求等一系列问题.

【关 键 词】风险；风险分析；决策理论；不确定性；风险厌恶

一、引言

在过去的十年中,关于环境保护、福利和个人的安全,同时可利用自然和金融资源的优化配置等可持续发展问题受到越来越多的社会关注.因此,土木工程中的风险和可靠性分析方法,在过去的几十年里得到主要发展,并且作为土木工程应用中的一种决策支持工具其重要性也日益增加.尽管在一些专业领域,对风险管理,资产管理等行业的兴趣正迅速增加,然而,在土木工程领域,减少风险和风险缓解措施的相关计划并不被完全看好.风险和可靠性分析实际上是一个涉及多学科的工程领域,除了需要在一个或几个经典的土木工程学科有坚实的基础以外,还需要透彻的理解概率论、风险分析和决策分析.没有迹象表明,对风险评估的关注度将在未来减少.未来的发展和社会对基础设施的维护和保养将可能更多的需要加强对风险评估的关注.工程应用领域的风险决策分析的巨大需求和对各独立学科中的风险分析辨识的明显不足,其直接结果就是,经过多年发展风险分析的实践范围已扩大到相当广阔的范围.实践经验以及几个基准研究已经清楚地表明,根据各专业人士的执行情况和客户要求的不同,风险分析可能实际上代表不同的事情.这种情况并不令人十分满意的,风险工程专业应该努力定义风险分析,为风险分析确定一个最好的工程实践,并建立一个分类和风险分析的标准化框架.本文尝试提供一个关键的概述和关于风险分析的一般性讨论,目的在于解决土木工程设施所产生的一些特殊问题.本调为风险分析建立一个正式的基础的必要性,并考虑了决策理论的风险分析,讨论和分析了这个视角下的各种缺陷.

二、风险的定义

Risk是一个比较常用的概念,可以和Chance、Likelihood以及Probability这样的词互换使用,用来表明我们对某一讨论的事物的状态的不确定性.然而,既使我们可以从讨论的背景中理解不同的单词的具体含义,在工程决策中,我们依然有必要更加准确的认识风险一词.在后面我们将会看到,技术风险的典型定义是对一个特定的行为的预期后果.这种定义与保险业中关于风险,以及欧元、美元,人类的死亡人数,有毒物质的暴露极限等风险可能的解释是一致的.然而,尽管背后的理论和哲学的框架极其相似的,关于风险的定义、分析、处理和风险的监管要求,以及相关的术语,已经演变为不同的土木工程学科.

三、风险分析的具体实现

(一)概况

风险分析可以用一个通用的格式来表示,这在很大程度上与应用无关,风险分析是否执行与活动的风险是否可接受相关,或者是否为一个管理决策的基础怎么写作.一种基于澳大利亚/新西兰风险管理的代码流程显示出风险分析不是一蹴而就的过程,由于系统需求的变化,操作经验的增加,以及其它与系统性能相关的新信息,决定了风险分析是一个需要定期监测和审查的过程.

(二)危险识别

土木工程设施中的风险分析的一个任务便是找出潜在的风险,即风险的来源.这个过程在风险分析中起着关键的作用,因为只有主观或客观上确定了危险的存在,才可能考虑风险的评估.如果所有相关的危害都是不确定的,则风险分析将导致有偏见的决策,这将导致不必要的付出,并且最终可能导致不可接受的对人和环境的高风险.不同的危险识别技术已在各种工程应用领域,如化学、核能和航空中蓬勃发展.其中主要有：初始危害分析（PHA）；失效模式与影响分析（FMEA）；故障模式影响及危害性分析（FMECA）；危险与可操作性研究（HAZOP）；风险筛查（HAZIDSESSIONS）.土木工程设施中的风险很大一部分是由于人为失误造成的.然而,在设计、施工、使用和维护等方面,人为因素造成的危险很多时候都被忽略了.这就不能不引起了一些怀疑,风险分析是否是确保系统安全的唯一方法.

(三)逻辑树分析

如果已经确定了系统工程中风险的不同来源并且分析了风险的成因,那么逻辑树可以用于全局风险的进一步分析,并对各个组成部分的风险贡献做出评估.在后面将要描述到的风险分析的理论公式中,逻辑树分析为评估各分支概率决策树以及相应的后果提供了工具.在目前的风险分析中主要使用以下的逻辑树的类型：故障树、事件树、原因/结果图.由于故障树不能直接适用于依赖性基本事件,他们不是很适合于对所谓的普通失效事件概率做出评估.对于土木工程的应用,这种局限是很严重的,依赖性是一个普遍的特点,而不是风险事件中的例外.原则上,事件树可以处理这种依赖关系,这看起来似乎是一个很有前途的一般风险分析工具.

(四)不确定性建模

风险分析通常基于已有信息的基础上,而信息通常为不确定或不完全的.事实上,在影响决策和风险分析的变量可能会受到几个来源的不确定性影响,这些大致可归类为：（1）固有的或现象本身的自然变异性（偶然性或1型不确定性）.（2）模型的不确定性：（i）不确定性,是否所有影响模型的因素都包括在内；或（ii）不确定性,模型如何描述各因素之间的相互关系（认识论或2型不确定性）.（3）统计不确定性（认识论的或2型不确定性）.对变量的了解程度越多,建模和统计参数的不确定性就会减少,例如通过收集和分析额外的数据和开发改进的预测模型.然而,未来的事件并不总是同历史数据直接相关的,在试图对超出数据范围的事件进行预测的时候,可能遇到意想不到的困难.不确定性的来源,即使是相同的设备,也总是依赖于风险分析的目的.例如,为设计新的设施,其不确定性可能基于现有设施的历史数据的分析（即过去的经验）.然而,这些预测的不确定性可能无法捕捉到真实的这一新的建筑设施的不确定性（如混凝土质量或操作环境可能不同于预测）.因此,后验风险分析将会提供更为精确的结果.在对随机或非平稳过程建模时,风险决策分析中的参考期也是非常重要的.例如,一个事件往往建模为遍历性随机过程,然而,长时影响或其他影响（如厄尔尼诺现象）可能也是需要考虑的.进一步的,短期参考周期的不确定性似乎显得更为合理,但当预测模型外推为长参考周期时,不确定性就可以很容易地扩展并增加不切实际水平的可能性.这种情况是可能发生的,例如,关于退化过程随机建模的长期预测的准确性是有限度的.最后,在许多情况下,风险分析中不太可能包括所有用于风险分析的概率模型的不确定性源.系统研究小组的专家表示,对于所有的失败事件,包括人为的错误,无法预料的失效模式等等,这些不确定性的来源本质上是非定量的.尽管如此,“最佳实践”要求执行质量保证措施和进行同行评审,通过改善不确定源来增加可靠性和分析的精确度性.（五）风险评估

图1先验分析和后给决策分析中的决策树

风险分析最简单的形式是所谓的先验分析法.在先验分析中,任何决策和活动之前,都会在统计信息和概率模型的基础上进行风险评估.在实践中,这通常出现在设计新设施的过程中.图1利用一个简单的决策树说明了先验分析的原理.在先验分析中,每一个可能的活动或选项的风险（预期效用）可以用下面的公式进行评估：R等于E[U]等于PC,其中R是风险,U是事件,P是第i个分支概率,C是第i个分支事件的结果.

图2预后决策分析中的决策树

后验分析原则上是和先验分析具有相同的形式,然而,在分支概率和（或）决策树后果方面的变化反映了所考虑的问题已经转化为风险降低措施、风险缓解措施和额外信息收集的影响.后验分析可以用来评估活动的效用,这实际上已经由亚曼迪蒂斯完成了.例如,为了评估现有设施,设施的测试和检查将被寄希望于揭示更多设计、施工中的失误,从而获取更准确的可靠性分析.

预-后验分析可以用图2所示的决策树的说明.关于活动中使用的预-后验分析最优决策法可能在未来得到执行.预-后验分析一个重要的先决条件是需要对未来的行动制订一个明确的决策规则,并将在计划动作的结果基础上产生效力.预-后验分析形成了一个强有力的决策支撑工具,并被广泛应用于基于风险的检验计划之中.然而,到目前为止的预-后验决策分析在风险评估中已被严重忽视.

需要注意的是,先验或后验决策分析中不同事件的概率可由逻辑树分析、经典可靠性分析、结构可靠性分析和其它联合方法来评断.因此,风险分析除了为决策制订提供构架以外,还在系统的各个方面包括因素模型中发挥效用.下面部分将讨论的风险评估需要的两个组成部分：结果分析和概率分析.

1.结果分析.失败事件的后果通常是由直接影响人民和他们的环境,如生命伤害和经济损失来衡量.大多数竞争的后果是造成低概率高损失的灾难性后果.例如,据迈耶估计,核电站事故的后果是可能造成大约140亿美元的财产损失和30年的期间内（早期的和潜在的死亡）超过48000人的死亡.

估计后果的最主要困难是如何是比较直接经济损失（建筑物的损坏,生产损失）,间接损失（对经济增长的影响,失业率）和非货币损失,例如生命的损伤、对环境的破坏、社会分裂等.事实上,一些技术已经足够成熟,可以为不同活动造成的不同后果提供必要的比较手段.已经有各种尝试量化一个人的生命经济价值的方法出现,这些包括：（I）由于过早死亡而放弃的收入值为450000美元；（II）生命的统计价值相当于1600000美元至8500000美元；（III）政府补偿意外死亡金.然而,也许更有意义的计算方法是使用一个社会指标来反映个体对国民生产总值的贡献,人均预期寿命等时间.

考虑到基于政治愿望和环境保护相关的巨大的经济影响力,如海上石油生产设施的退役,清理被污染的地下水和太阳能的开发,构建一个与政治价值无关的环境质量保护一致性框架是非常重要的.最终,这与环境质量和人类的生活质量是息息相关的.

传统上,结果模型的分析一直是基于安全损失的基础上,即生命损失或损伤.然而,最近的工作已经开始注目于现有怎么写作设施,主要关注的是大检查,延长使用寿命,保持老化的设施运转的维修费用等.在这种情况下,由于用户的延迟或停机时间造成的间接成本是可观的；例如,成本数据的分析表明,用户延迟和额外的车辆运营成本,比如交通改道或者桥梁关闭大约为初始建设成本的25%.

2.概率分析.经典可靠性理论用于分析不同载荷条件下的相同类型的,满足统计独立的大量因素构成的系统.这个发现在航空、核能、化学、建筑和工业过程中得到广泛应用.可靠性分析的理论基础是概率论与数理统计等学科,以及运筹学,系统工程与质量控制.这些因素的失败概率可以通过从操作经验观察得来的相对失败频率来解释.（1）经典的可靠性分析.如前所述,经典可靠性分析主要用于估计那些能够预测在设计和操作系统中起重要作用的技术元件寿命的统计特性.这些特征包括预期的失败率,风险函数,预期寿命和平均失败间隔时间.模型所考虑的系统通过逻辑树,其各个因素由决策节点来代表,从而可以评估各种定量措施的效能,例如系统在指定周期内失败的概率,在系统中引入冗余的积极影响,检查和维修活动的成本等.大多数的技术系统的失败率形如浴盆曲线.对于许多技术组件而言浴盆曲线是很典型的,比如出生缺陷,生产失误率等.当部件存活了一定的时间,这意味着出生缺陷是不存在的,可靠性随之增加.此后一段时间随着年龄的老化稳态性能发生变化.具有恒定失效率的功能检查部件很少使用,然而,对于具有缓慢增加的失败率的功能性检查部件可能是有用的,可以计划使用只要这样的失败率不超过一定的临界水平.如果失败率函数在开始是准恒定,然后突然有一个急剧的下降也没有太大的用途.但是,在这种情况下,替换策略更为合适.各种组件类型的浴盆曲线的有效性已经受到了广泛的质疑,不可能被认为是一直有效的.显然,图3显示的失败率随着时间的变化不是恒定的.在这样的情况下,随时间变化的失败率被称为风险函数.这是一个条件失败率,定义为组件或者系统在时间t时刻的失败概率.

一个重要的问题是在观察的基础上对失败率的评价.正如前面所提到的,失败率数据可以从不同的应用领域的失败数据库中获取.当然在评估失败率的时候必须小心,如果组件在观察期的初期并不是新的,其失败率可能会超过估计（值）,如果观察到的时间间隔太短,可能观察不到失败的发生.对于这样的情况,各种文献提供了不同的方法来解决这个问题.另外,失败率也可能采用最大似然估计方法来处理,在这里选择的概率分布函数的参数可以在观察到的失败次数的基础上来估计.

图3失败率函数的浴盆曲线

（2）结构可靠性分析与需求能力可靠性分析.关于结构组件或其它需求能力系统,如水坝,管道,机械零部件等的可靠性与电气元件相比较是不同的；即,在大多数情况甚至个别组件失效的机理下,既使许多年的时间间隔其发生失败的情况亦是非常罕见的.结构组件失效主要是由于极端事件,如极端风、雪崩、大雪、地震,或联合作用,而不是由于老化或系统退化.然而,当前土木工程设施的老化或者退化等其他形式的“故障”已越来越多的成为问题的源头.对于可靠性分析,有必要建立基于参数的统计特性等可用信息的概率模型.这些信息可能包括有关年度极端风速资料,混凝土抗压强度等实验结果.事实上,荷载和抗压能力的概率模型的不确定性的一个主要原因是由于缺乏失败概率的相关知识,并且在此基础上进行评估必须对失败概率有充分的理解,即不再考虑结构的真实失败概率而考虑结构性能的不确定性.

对于一个结构组件,其不确定的抗力R和负荷S被建模为随机变量的概率密度函数fR（r）和fS（s）,失败概率可以定义为：

P等于P（R≤S）等于P（R-S≤0）等于F（x）f（x）dx

检测设负载S和抗力R在统计上是独立的.抗力R的累积分布函数也可以被称为一个脆弱性曲线.脆弱性曲线是不依赖于负荷建模的,并有助于分离和确定抗力和负荷的不确定性对结构可靠度计算的影响.该系统性能和具有高负载的不确定性和可变性密切相关,如地震、飓风、洪水等.

在一般情况下,抗力和负荷不能仅由两个随机变量来描述,而是通过随机变量的函数来描述.因此,失败概率的一般公式可以通过以下的n维积分来确定：

P等于f（x）dx

其中f（x）为基本随机变量向量的联合概率密度函数,积分范围为失败区域.除了非常特殊的情况下和大多数实际应用中的数值近似方法以外,要解决式中的积分问题是不容易的.结构可靠性理论的基本原理的描述也可在JCSS概率模型代码找到.

(六)最优性和风险接受准则

决策是一个复杂的过程,并且通常和政治关系交织在一起.一些风险评估问题试图解决包括：谁来承担什么样的风险水平?谁是风险承担的受益者和付出者?什么样的信息是“合理”的风险管理所必须的,以及应该怎样分析?什么样的行为有什么样不同风险的结果,谁来评估风险管理的成功或失败?谁来决定不同风险之间的平衡?

这些问题都不容易解决,不能脱离风险接受准则来单独解决风险评估问题,即,什么样的风险是可以接受的?风险接受准则的实施和发展涉及：第一,感知风险：确保系统风险水平是可以接受或允许的；第二,正式的决策分析：比较和平衡风险与收益的风险分析技术；第三,监管安全目标：发展和增强风险接受准则的立法和法律框架.

风险接受准则一般采用美国核管理委员会、英国健康与安全执行局和其他权威监管部门的规则,总体原则是：应尽可能合理压低（ALARP）或尽可能达到最低（ALARA）.例如定义为像“低”,“合理”,“可能”,“达到”等等,这样的术语是非常主观的,容易被以保守的方式解释.

1.个人和社会风险.这里有一个值得注意的问题,就是要重新认识到风险接受是一个与人类权利相关的、基本的、哲学问题.联合国人权事务高级专员撰文对人类权利做了专门的规范,这里给出相关以便参考：

（1）所有的人都是生来平等的,有尊严和权利的平等与自由.他们赋有理性和良心,彼此间应有兄弟般关系.

（2）每个人都有生存的权利,都是自由和安全的个体.

（3）法律面前人人平等,并有权不受任何歧视,受到法律的平等保护.

宣言强调要考虑所有的人是平等的,而且强调个人人身安全的权利,道德和法律上的义务.因此无论可接受风险的标准如何制定,我们应该永远记住,上述人权基本原则是不可违背的.

众所周知,安全是需要成本的,下面我们将做更多的讨论,因此社会个体成员的安全保证与社会所能承受的负担密切相关.然而,对于社会代表都应该有一个总体的道德义务去考虑投资与开销等“所有的资源能否很好的安排”,以尝试达到宣言中的目标.

当讨论“可接受的风险”问题时,有些人对于什么是“可接受的”可能跟社会观点相比有不同的看法.每个人都有他们自己的风险体验,或在决策方面有自己的偏好.土木工程或任何其他活动中的可接受准则主要受到来自社会个体成员的偏好的影响,而不是社会的偏好的影响,个人的偏好可能实际上同社会的偏好在总量上是矛盾,因此有必要从社会的角度来看可接受性,并同时确保个人的基本人权受到保障.

2.社会风险及风险规避.个人风险和社会风险之间是有区别的,个人风险主要表现为每年死亡数,或者死亡数等,而社会风险通常表示一个F–N曲线,是一个死亡数（N）的累积频率（F）.风险的表示方式可能影响对风险的认知,例如,在统计意义上,个人的死亡风险10-5与1000人被杀的社会风险10-8是等价的.然而,社会似乎更关心造成很多人伤害的惨重事件,而不是一系列较小的危害同样数量个体的系列事件.这种偏好表现为典型的F–N曲线,例如,图4表明一个人每年的死亡风险概率10-4和一个每年以10-6的概率造成10人相同结果的事件的偏好,这表明随着后果的增加,风险规避行为也在增加.然而,从纯理性的观点来看,这可以被看作是一个增加生命安全的合理途径.尽管使用F-N曲线作为风险分析有悠久的传统,但值得注意的是,F-N曲线并不能为比较不同活动之间的风险提供一致的方法.

图4荷兰社会风险的安全目标

3.多属性和多目标风险决策分析.决策往往会导致不同后果,需要同时考虑如成本,生命损失,社区干扰和环境损害等等因素.此外,不同的利益群体可能有不同的目标和偏好,从而影响不同属性的组合效应.这种情况有时被称为多属性、多目标决策或者代表风险分析中的一个复杂的问题.从理论和方法上讲,在多属性、多目标决策理论的框架下,这些问题可以很容易地处理.然而,必须非常清楚的认识到,这些技术本身不对如何给不同的属性和不同的目标加权提供任何答案.无论拥有一个合理的方法的机会大与否,这个问题必须得到解决.如果有关各方之间的偏好是不可调和的,那么在一个基本的必要的决策分析调试之前,决策者必须明确并对各方偏好进行评估.然而,最后的加权决策和建立一个普通的共识面临着已有的决策理论的挑战.最重要的是决策理论不仅仅是“一次性”的数值分析,而应该是一个动态的和透明的过程.4.其他的考虑.可以理解的是,本文的重点是对风险的定量分析和如何用此作为决策的工具.在定性的意义上,系统知识以及在风险分析过程中增加的性能也揭示了关于如何改进系统性能方面的新的见解.可能是因为风险分析一般包括系统建模中的逻辑性、系统性和严格的方法,从而导致必须在任何定量的结果之前对系统性能增加一些理解.只要风险分析的目的是了解系统的性能,而不是一个“数字游戏”,例如用于满足定量风险接受准则,那么风险分析就是一个对于提高系统的安全性和性能的非常有效的工具.

四、结论与讨论

风险分析是通用的,因而其基本准则和理念是相同的,例如发电厂设备的最优化设计问题同1000座桥梁拥有者的资产管理非常相似.本论对这些原则提供了一个简短的概述,并重点讨论了的现行做法的不确定性和局限性.

相信风险分析师都意识到了这些问题,这是值得安慰的.也许更重要的是,把这类信息传递给他们的客户—即最终的决策者.经验表明,并非总是这种情况.因此,从广义上讲,有必要增加对风险分析的理解,这种理解是专门针对以下的个人或团体的.第一,风险分析师：提供更好的具有一致性的方法、模型和数据,从而提高风险分析的可信度.第二,土木工程师：能够给风险分析师提供相关信息,对风险分析的结果进行严格审查.第三,决策者（业主,政府,社区）：被告知他们的决定和他们的利害关系的合理性.

以下结论与建议（在没有特定的顺序）是互补的,可能适用于一个或多个的个人或团体：

1.有相当比例的工程师对风险分析持怀疑态度.原因可能包括“太难”,“太数学”,“不能想象如此低的频率”,“有一点物理意义”等,这些评论只是孤陋寡闻,只可能暴露出他们在正式的工程教育中接触概率理论和风险分析的不足.传统上,工程课程重点强调统计理论（如混凝土质量,水文）并不太在意概率论,但后者在预测失败概率的时候是比较有用的.而更多的重点需要放在风险分析和评估,规范发展,代码开发和资产管理的关系等方面.

2.对标准化的风险分析技术和概率模型的需求是明显

的,通过这个可以降低不同分析师分析结果的差异.不同分析师的结果如果差异巨大,可能被决策者、工程师以及公众所察觉,从而显示出其不精确的和不成熟的“科学”性,不能够为公共风险提供准确的预测.

3.应该承认,风险分析中的信息都应该以同样的方式对待.

4.人为错误是一个重要的风险源.风险分析可以限制那些可以量化的人为错误,但它本质上很难把包括诊断错误、高层决策水平或机构管理方面的失误包含进去.遗漏的人为错误来源于风险分析的检测设、设计、建设和设施的运作.这些错误是否可以接受取决于如何使用风险评估结果.在某些情况下,如果风险分析师为土木工程设施建议的质量保证和质量控制在于考虑是否有助于提高人为错误的改善率,那么这是可以接受的.

5.对风险厌恶的处理很难达到一致性.如果F–N曲线,或其他不利的风险标准是风险评估的一个特征,那么在描述风险接受准则的时候这些特点应明确规定.这将导致一个更透明的决策过程.然而,更应该通过考虑结果模型去合理规避不良行为的风险.

6.现在有一个总的趋势,那就是有选择性的利用计算工具对风险的类型和用途进行管理,也就是说,在风险管理中标准化已经取代了传统工具.原则上,标准化并不是一件坏事,但是,我们应该把关注的重点放在工具的使用是否适当上.

7.在这些年来,社会的可用资源的很大一部分将继续或越来越多的花费在各种旨在维护环境效益的活动上.例如：过时的结构和设施的退役,减少二氧化碳排放量,无污染的能源和一些其他开发.这些大量的重要的问题,目前被一些相当武断的、激进的利益集团和政治家以任意的方式处理.这里有两个重要的方面应该被注意到,即该类问题的决策依据还不存在,因为我们提升环境质量方面还没有达成共识,其次,这种决策往往是在不知情的偏好的基础上进行.重要和更困难的工作仍然留待解决.

8.风险分析涉及的人员或公众安全或公共资源都应该受到强制性的质量保证和同行评议.质量保证程序可以专注于内部的程序和实践.同行评审应包括一个独立和严格的审查,由公认的专家进行风险分析和评估.