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基于概率風(fēng)險評估的艦船裝備研制風(fēng)險分析與決策
【關(guān)鍵詞】艦船研制;基于風(fēng)險的決策支持;PRA(概率風(fēng)險評估);PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)
【摘要】隨著數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展，在艦船裝備研制過程中，對定量風(fēng)險分析的需求越來越強烈。針對我國艦船裝備系統(tǒng)復(fù)雜、研制周期長的特點，本文提出了一種基于全壽命周期數(shù)據(jù)管理(PLM/PDM)系統(tǒng)的風(fēng)險管理和決策支持系統(tǒng)。并結(jié)合概率風(fēng)險分析方法與定性風(fēng)險分析方法在船舶系統(tǒng)應(yīng)用的特點，在風(fēng)險數(shù)據(jù)收集、風(fēng)險模型和風(fēng)險知識庫建立及完善等幾個方面進行了深入分析。
0、引 言
風(fēng)險分析方法分為定性分析和定量分析兩大類。定性分析包括矩陣分析法、危害性分析(HAZOP)、故障模式和影響分析(FMEA/FMECA)等，定量分析包括故障樹分析(FTA)、事件鏈分析(ESD)、馬爾可夫分析(Markov)、動態(tài)事件邏輯分析(DELA)等。通過定性分析方法，可以將系統(tǒng)的所有風(fēng)險事件按照風(fēng)險等級進行排序，從而決定哪些風(fēng)險事件需要高度關(guān)注，并通過分析對比風(fēng)險處理措施對降低風(fēng)險等級的作用，來選取最佳處理方案。定性風(fēng)險分析方法由于程序簡單、可操作性好，因而應(yīng)用較為廣泛。但是定性分析方法受風(fēng)險分析參與者知識和經(jīng)驗的限制，得到的結(jié)果往往具有一定的主觀性、片面性。同時，由于缺乏嚴密的邏輯，難以形成易于繼承重用的固化的知識。
美國宇航局(NASA)早在1967年即利用系統(tǒng)化的風(fēng)險評價方法，對航天器的安全性進行定量研究，并制定了一整套“建議性準則”。但由于種種原因，這套準則并未得到NASA自身的認同和采納，以致于在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，NASA都采用故障模式和影響分析(FMEA)等定性風(fēng)險分析方法。直到1986年，“挑戰(zhàn)者”號失事，NASA開始重新進行定量風(fēng)險分析方法研究，并發(fā)明了概率風(fēng)險分析工具QRAS，用于航天器的設(shè)計與運行風(fēng)險分析 J。美國原子能委員會(USNRC)1975年10月組織研究小組，針對核電廠安全開展定量研究，發(fā)表了著名的RSS報告 ，標志著概率風(fēng)險評估(PRA)的正式誕生。經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)研究，USNRC在核事故的關(guān)鍵性誘因與后果分析方面積累了豐富的經(jīng)驗，形成了一整套相對完整的流程和方法，并建立了風(fēng)險數(shù)據(jù)庫 。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，定量風(fēng)險分析方法逐漸為人們所接受和采納，在航空航天、船舶_4]、電子通訊、國防軍工、機械制造等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。目前，以風(fēng)險分析為基礎(chǔ)，進行風(fēng)險決策的工作模式(risk.based decision making)逐漸成為研究熱點。
1、大型復(fù)雜船舶系統(tǒng)風(fēng)險分析的困難采用概率風(fēng)險分析方法進行風(fēng)險分析時，首先是按照功能模塊劃分，將系統(tǒng)進行分解，逐級查找初始事件(即風(fēng)險誘因);然后通過場景分析，建立從初始事件到事故后果的事件鏈，形成完整的事故場景;最后經(jīng)過故障樹分析，量化中間環(huán)節(jié)計算出風(fēng)險事件的概率。
為了建立完整的風(fēng)險模型，首先必須進行大量的數(shù)據(jù)準備，收集從設(shè)計、制造到測試、維護各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，建立設(shè)備及元器件可靠性數(shù)據(jù)庫，完成各級系統(tǒng)與設(shè)備的故障與失效模式分析和測試，再加上各種設(shè)備的原理說明、功能流程框圖、技術(shù)性能指標等特性信息。對于具有上百個子系統(tǒng)、上萬臺套設(shè)備、上百萬功能模塊的大型船舶系統(tǒng)，將如此大量的跨產(chǎn)品全壽命周期的各類數(shù)據(jù)進行有效的組織管理，迄今仍是非常困難的事情。
然后是建立風(fēng)險模型和進行故障樹分析。在這個環(huán)節(jié)，各類工程技術(shù)人員、管理人員以及甲方的參與和密切配合是成功的關(guān)鍵。由于涉及跨部門、跨行業(yè)的各個層次人員的參與，如何有效組織協(xié)調(diào)各方積極參與建模工作，同樣是非常具有挑戰(zhàn)性的工作。
從我國裝備研制體系和艦船生產(chǎn)建造經(jīng)驗來看，艦船研制具有三大特點：一是從立項到交付，生產(chǎn)建造周期長;二是部門與行業(yè)涉及面廣，協(xié)同工作量大;三是子系統(tǒng)和設(shè)備多，系統(tǒng)復(fù)雜。因而，收集完整的船舶系統(tǒng)風(fēng)險數(shù)據(jù)并建立風(fēng)險模型和風(fēng)險知識庫的工作量和難度，將不亞于船舶建造本身。同時，還必須考慮組織管理等人為因素的風(fēng)險管理工作的影響。
2、解決途徑
2.1 收集風(fēng)險數(shù)據(jù)風(fēng)險數(shù)據(jù)的收集是進行風(fēng)險分析的基礎(chǔ)。一方面必須建立收集企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)的渠道，另一方面必須將來自不同部門不同階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息進行關(guān)聯(lián)，形成高效的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。這對于傳統(tǒng)企業(yè)運行模式來說，幾乎是不可能實現(xiàn)的。只有建立企業(yè)產(chǎn)品全壽命周期管理(PLM/PDM)系統(tǒng)，才能從根本上解決數(shù)據(jù)收集的難題。
PLM/PDM系統(tǒng)在為風(fēng)險管理軟件和風(fēng)險分析工具提供必要的數(shù)據(jù)支撐的同時，還幫助風(fēng)險管理人員之間建立起高效的協(xié)同工作模式，對企業(yè)的管理和信息化水平具有極大的提升作用。
2.2 建立風(fēng)險模型
2.2.1 建模過程主邏輯圖(MLD)是進行風(fēng)險識別的重要工具。
MLD利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(PBS)或工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)，自上而下逐級查找，系統(tǒng)全面地辨識出所有的潛在風(fēng)險誘因。頭腦風(fēng)暴法是查找初始事件的常用方法，參與者包括來自不同領(lǐng)域的專家、工程技術(shù)人員、用戶以及經(jīng)驗豐富的工程師、工藝員和操作員等一線人員。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是重要的工具，可以為專家提供快速檢索功能，方便其查看設(shè)備原理、可靠性資料、相似系統(tǒng)數(shù)據(jù)等各類參考資料。風(fēng)險模型的復(fù)雜度和風(fēng)險誘因的數(shù)量級是逐級上升的，所以一般只查找到設(shè)備一級。
事件鏈建立在充分的事故場景分析基礎(chǔ)上。事件鏈反映了初始事件經(jīng)歷中間事件發(fā)展成為最終后果的物理邏輯。事件鏈不僅可以表達設(shè)備狀態(tài)變化和設(shè)備間的相互作用，還可以充分表達系統(tǒng)與人之間的交互。利用事件鏈的這個特點，可以分析出包括人為干預(yù)在內(nèi)的各種風(fēng)險處理措施對風(fēng)險事件的作用，從而控制風(fēng)險的發(fā)生發(fā)展過程。從另一個角度來看，事件鏈可以幫助設(shè)計人員改進系統(tǒng)設(shè)計、完善人員戰(zhàn)位設(shè)計。
在故障樹分析環(huán)節(jié)中，困難之處在于如何將不同部門不同設(shè)備的分析結(jié)果進行集成。
2.2.2 不確定性問題風(fēng)險發(fā)生概率的估計值與真實值之間總是存在一定的偏差，用點估計表示風(fēng)險的發(fā)生概率雖然容易被人們接受，但是客觀上并不準確，因此常用點估計加置信度的概率統(tǒng)計學(xué)方法進行表示。也有專家認為，可以把不確定性本身看作是不希望有的一種風(fēng)險，并把它折算成風(fēng)險當(dāng)量，合并到分析結(jié)果中去。這樣的結(jié)果容易被大眾接受，并且易于比較，但缺點是把原來已獲得的不確定性信息重新掩蓋掉，而以不可恢復(fù)的形式表達在最終結(jié)果中。
由于不確定性問題的復(fù)雜，必須通過大量的實驗數(shù)據(jù)才能得到比較客觀的數(shù)據(jù)。因此，在數(shù)據(jù)較少的階段，利用專家良好的分析判斷力，給出一個概率的點估計值，不失為一種可行的辦法。在數(shù)據(jù)和經(jīng)驗積累的過程中，不斷修正這個結(jié)果。
在某些情況下，如果沒有現(xiàn)成的風(fēng)險模型可用，可以利用相似性原理，選擇相同原理的設(shè)備的模型為參考，建立可更新的模型。一旦收集到更多的數(shù)據(jù)，再更新模型。
與核電裝置、航天飛行器等領(lǐng)域不同，船舶系統(tǒng)是一個包含大量人員操作的人機工程，從船舶的運行、戰(zhàn)斗到檢測、維護都是由人來進行決策，并由人來執(zhí)行，其自動化程度相對較低，但是復(fù)雜度要遠遠高于前兩者。人在決策和操作過程中存在大量的失誤和更正，哪些失誤會帶來嚴重后果，哪些失誤會被儀器自動更正，往往需要綜合船舶設(shè)計、人員戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)位設(shè)計等多種因素。由于人在行動時可有很多種選擇，執(zhí)行時受到體力、精神、環(huán)境等多種因素的影響，也因人而異。實踐表明，人為失誤的不確定性，同時人為失誤對風(fēng)險具有重大的影響。對于人員失誤的建模研究，還沒有成熟的方法，目前僅停留在關(guān)鍵區(qū)域關(guān)鍵步驟的敏感性分析。相關(guān)問題還有待進一步深入研究。
2.3 實施重點監(jiān)控風(fēng)險發(fā)生的概率往往隨新情況的發(fā)生產(chǎn)生重大變化。例如全球金融危機的出現(xiàn)，使不少中小企業(yè)資金鏈緊張甚至斷裂，生產(chǎn)出現(xiàn)停頓甚至破產(chǎn)。船舶領(lǐng)域同樣是受金融危機沖擊較大的行業(yè)。因此，加強風(fēng)險監(jiān)控非常必要。風(fēng)險監(jiān)控一方面是監(jiān)控風(fēng)險處理措施的實施效果，另一方面是要及時評估各種突發(fā)事件對于風(fēng)險的影響。
風(fēng)險監(jiān)控的重點應(yīng)該是高風(fēng)險事件和高危害事件。實踐表明，對于小概率高危害事件的忽視，是導(dǎo)致風(fēng)險發(fā)生的主要原因。因此，既要采取一定的預(yù)防措施，降低風(fēng)險和危害度，又要實施重點監(jiān)控，防止某些風(fēng)險的發(fā)生概率升高，造成風(fēng)險上升。
2.4 建立并完善知識庫對于船舶系統(tǒng)來說，建立大型船舶的風(fēng)險模型是一項長期工程。因此，首先要在初始階段進行良好的規(guī)劃，建立一套完善的機制，循序漸進，不斷積累知識。例如對于風(fēng)險分析，可以采用定性與定量結(jié)合的方法，逐步完善模型，通過項目積累形成知識庫。風(fēng)險模型和風(fēng)險數(shù)據(jù)顯然是知識庫的重要內(nèi)容，在建模過程中工程人員良好的判斷同樣應(yīng)該是知識庫的重要內(nèi)容。在知識庫的基礎(chǔ)上，建立優(yōu)秀的風(fēng)險管理專家系統(tǒng)是風(fēng)險管理的最終目的。
3、結(jié) 語
為了實現(xiàn)有效的風(fēng)險管理，必須堅持以下原則：一是要加強數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)從設(shè)計到風(fēng)險分析的全壽命周期數(shù)據(jù)共享;二是堅持全員參與，及早識別風(fēng)險;三是循序漸進，積累風(fēng)險數(shù)據(jù)。通過持續(xù)開展風(fēng)險管理，最終實現(xiàn)基于風(fēng)險分析的科學(xué)決策。
【基于概率風(fēng)險評估的艦船裝備研制風(fēng)險分析與決策】相關(guān)文章：
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