土木工程設施的風險評估：綜述和討論

【摘 要】本文可以被視為有關風險分析和風險評估方面討論的重要基礎，并嘗試按照目前的技術狀態來描述風險評估。因此，本文中的風險評估是以綜述的形式、從決策理論的正式框架下的觀點來論述的。論文首先分析了風險評估的動機和理論基礎及其實踐方面，并對土木工程中的應用風險評估的實施方法和技術手段進行了解釋和討論。本文另外解決了與風險可接受準則、風險厭惡和人類生命價值等相關問題，并嘗試為這些方面的合理處理提供建議。最后，本文還重點強調了包括繼續教育、研究和傳播力的需求等一系列問題。

【關鍵詞】風險；風險分析；決策理論；不確定性；風險厭惡

一、引言

在過去的十年中，關于環境保護、福利和個人的安全，同時可利用自然和金融資源的優化配置等可持續發展問題受到越來越多的社會關注。因此，土木工程中的風險和可靠性分析方法，在過去的幾十年里得到主要發展，并且作為土木工程應用中的一種決策支持工具其重要性也日益增加。盡管在一些專業領域，對風險管理，資產管理等行業的興趣正迅速增加，然而，在土木工程領域，減少風險和風險緩解措施的相關計劃并不被完全看好。風險和可靠性分析實際上是一個涉及多學科的工程領域，除了需要在一個或幾個經典的土木工程學科有堅實的基礎以外，還需要透徹的理解概率論、風險分析和決策分析。沒有跡象表明，對風險評估的關注度將在未來減少。未來的發展和社會對基礎設施的維護和保養將可能更多的需要加強對風險評估的關注。工程應用領域的風險決策分析的巨大需求和對各獨立學科中的風險分析辨識的明顯不足，其直接結果就是，經過多年發展風險分析的實踐范圍已擴大到相當廣闊的范圍。實踐經驗以及幾個基準研究已經清楚地表明，根據各專業人士的執行情況和客戶要求的不同，風險分析可能實際上代表不同的事情。這種情況并不令人十分滿意的，風險工程專業應該努力定義風險分析，為風險分析確定一個最好的工程實踐，并建立一個分類和風險分析的標準化框架。本文嘗試提供一個關鍵的概述和關于風險分析的一般性討論，目的在于解決土木工程設施所產生的一些特殊問題。本文強調為風險分析建立一個正式的基礎的必要性，并考慮了決策理論的風險分析，討論和分析了這個視角下的各種缺陷。

二、風險的定義

Risk是一個比較常用的概念，可以和Chance、Likelihood以及Probability這樣的詞互換使用，用來表明我們對某一討論的事物的狀態的不確定性。然而，既使我們可以從討論的背景中理解不同的單詞的具體含義，在工程決策中，我們依然有必要更加準確的認識風險一詞。在后面我們將會看到，技術風險的典型定義是對一個特定的行為的預期后果。這種定義與保險業中關于風險，以及歐元、美元，人類的死亡人數，有毒物質的暴露極限等風險可能的解釋是一致的。然而，盡管背后的理論和哲學的框架極其相似的，關于風險的定義、分析、處理和風險的監管要求，以及相關的術語，已經演變為不同的土木工程學科。

三、風險分析的具體實現

（一）概況

風險分析可以用一個通用的格式來表示，這在很大程度上與應用無關，風險分析是否執行與活動的風險是否可接受相關，或者是否為一個管理決策的基礎服務。一種基于澳大利亞/新西蘭風險管理的代碼流程顯示出風險分析不是一蹴而就的過程，由于系統需求的變化，操作經驗的增加，以及其它與系統性能相關的新信息，決定了風險分析是一個需要定期監測和審查的過程。

（二）危險識別

土木工程設施中的風險分析的一個任務便是找出潛在的風險，即風險的來源。這個過程在風險分析中起著關鍵的作用，因為只有主觀或客觀上確定了危險的存在，才可能考慮風險的評估。如果所有相關的危害都是不確定的，則風險分析將導致有偏見的決策，這將導致不必要的付出，并且最終可能導致不可接受的對人和環境的高風險。不同的危險識別技術已在各種工程應用領域，如化學、核能和航空中蓬勃發展。其中主要有：初始危害分析（PHA）；失效模式與影響分析（FMEA）；故障模式影響及危害性分析（FMECA）；危險與可操作性研究（HAZOP）；風險篩查（HAZID SESSIONS）。土木工程設施中的風險很大一部分是由于人為失誤造成的。然而，在設計、施工、使用和維護等方面，人為因素造成的危險很多時候都被忽略了。這就不能不引起了一些懷疑，風險分析是否是確保系統安全的唯一方法。

（三）邏輯樹分析

如果已經確定了系統工程中風險的不同來源并且分析了風險的成因，那么邏輯樹可以用于全局風險的進一步分析，并對各個組成部分的風險貢獻做出評估。在后面將要描述到的風險分析的理論公式中，邏輯樹分析為評估各分支概率決策樹以及相應的后果提供了工具。在目前的風險分析中主要使用以下的邏輯樹的類型：故障樹、事件樹、原因/結果圖。由于故障樹不能直接適用于依賴性基本事件，他們不是很適合于對所謂的普通失效事件概率做出評估。對于土木工程的應用，這種局限是很嚴重的，依賴性是一個普遍的特點，而不是風險事件中的例外。原則上，事件樹可以處理這種依賴關系，這看起來似乎是一個很有前途的一般風險分析工具。

（四）不確定性建模

風險分析通常基于已有信息的基礎上，而信息通常為不確定或不完全的。事實上，在影響決策和風險分析的變量可能會受到幾個來源的不確定性影響，這些大致可歸類為：（1）固有的或現象本身的自然變異性（偶然性或1型不確定性）。（2）模型的不確定性：（i）不確定性，是否所有影響模型的因素都包括在內；或（ii）不確定性，模型如何描述各因素之間的相互關系（認識論或2型不確定性）。（3）統計不確定性（認識論的或2型不確定性）。對變量的了解程度越多，建模和統計參數的不確定性就會減少，例如通過收集和分析額外的數據和開發改進的預測模型。然而，未來的事件并不總是同歷史數據直接相關的，在試圖對超出數據范圍的事件進行預測的時候，可能遇到意想不到的困難。不確定性的來源，即使是相同的設備，也總是依賴于風險分析的目的。例如，為設計新的設施，其不確定性可能基于現有設施的歷史數據的分析（即過去的經驗）。然而，這些預測的不確定性可能無法捕捉到真實的這一新的建筑設施的不確定性（如混凝土質量或操作環境可能不同于預測）。因此，后驗風險分析將會提供更為精確的結果。在對隨機或非平穩過程建模時，風險決策分析中的參考期也是非常重要的。例如，一個事件往往建模為遍歷性隨機過程，然而，長時影響或其他影響（如厄爾尼諾現象）可能也是需要考慮的。進一步的，短期參考周期的不確定性似乎顯得更為合理，但當預測模型外推為長參考周期時，不確定性就可以很容易地擴展并增加不切實際水平的可能性。這種情況是可能發生的，例如，關于退化過程隨機建模的長期預測的準確性是有限度的。最后，在許多情況下，風險分析中不太可能包括所有用于風險分析的概率模型的不確定性源。系統研究小組的專家表示，對于所有的失敗事件，包括人為的錯誤，無法預料的失效模式等等，這些不確定性的來源本質上是非定量的。盡管如此，“最佳實踐”要求執行質量保證措施和進行同行評審，通過改善不確定源來增加可靠性和分析的精確度性。

（五）風險評估

圖1 先驗分析和后給決策分析中的決策樹

風險分析最簡單的形式是所謂的先驗分析法。在先驗分析中，任何決策和活動之前，都會在統計信息和概率模型的基礎上進行風險評估。在實踐中，這通常出現在設計新設施的過程中。圖1利用一個簡單的決策樹說明了先驗分析的原理。在先驗分析中，每一個可能的活動或選項的風險（預期效用）可以用下面的公式進行評估：R=E[U]=■P■C■，其中R是風險，U是事件，P■是第i個分支概率，C■是第i個分支事件的結果。

圖2 預后決策分析中的決策樹

后驗分析原則上是和先驗分析具有相同的形式，然而，在分支概率和（或）決策樹后果方面的變化反映了所考慮的問題已經轉化為風險降低措施、風險緩解措施和額外信息收集的影響。后驗分析可以用來評估活動的效用，這實際上已經由亞曼迪蒂斯完成了。例如，為了評估現有設施，設施的測試和檢查將被寄希望于揭示更多設計、施工中的失誤，從而獲取更準確的可靠性分析。

預-后驗分析可以用圖2所示的決策樹的說明。關于活動中使用的預-后驗分析最優決策法可能在未來得到執行。預-后驗分析一個重要的先決條件是需要對未來的行動制訂一個明確的決策規則，并將在計劃動作的結果基礎上產生效力。預-后驗分析形成了一個強有力的決策支撐工具，并被廣泛應用于基于風險的檢驗計劃之中。然而，到目前為止的預-后驗決策分析在風險評估中已被嚴重忽視。

需要注意的是，先驗或后驗決策分析中不同事件的概率可由邏輯樹分析、經典可靠性分析、結構可靠性分析和其它聯合方法來評斷。因此，風險分析除了為決策制訂提供構架以外，還在系統的各個方面包括因素模型中發揮效用。下面部分將討論的風險評估需要的兩個組成部分：結果分析和概率分析。

1.結果分析。失敗事件的后果通常是由直接影響人民和他們的環境，如生命傷害和經濟損失來衡量。大多數競爭的后果是造成低概率高損失的災難性后果。例如，據邁耶估計，核電站事故的后果是可能造成大約140億美元的財產損失和30年的期間內（早期的和潛在的死亡）超過48000人的死亡。

估計后果的最主要困難是如何是比較直接經濟損失（建筑物的損壞，生產損失），間接損失（對經濟增長的影響，失業率）和非貨幣損失，例如生命的損傷、對環境的破壞、社會分裂等。事實上，一些技術已經足夠成熟，可以為不同活動造成的不同后果提供必要的比較手段。已經有各種嘗試量化一個人的生命經濟價值的方法出現，這些包括：（I）由于過早死亡而放棄的收入值為450000美元；（II）生命的統計價值相當于1600000美元至8500000美元；（III）政府補償意外死亡金。然而，也許更有意義的計算方法是使用一個社會指標來反映個體對國民生產總值的貢獻，人均預期壽命等時間。

考慮到基于政治愿望和環境保護相關的巨大的經濟影響力，如海上石油生產設施的退役，清理被污染的地下水和太陽能的開發，構建一個與政治價值無關的環境質量保護一致性框架是非常重要的。最終，這與環境質量和人類的生活質量是息息相關的。

傳統上，結果模型的分析一直是基于安全損失的基礎上，即生命損失或損傷。然而，最近的工作已經開始注目于現有服務設施，主要關注的是大檢查，延長使用壽命，保持老化的設施運轉的維修費用等。在這種情況下，由于用戶的延遲或停機時間造成的間接成本是可觀的；例如，成本數據的分析表明，用戶延遲和額外的車輛運營成本，比如交通改道或者橋梁關閉大約為初始建設成本的25%。

2.概率分析。經典可靠性理論用于分析不同載荷條件下的相同類型的，滿足統計獨立的大量因素構成的系統。這個發現在航空、核能、化學、建筑和工業過程中得到廣泛應用。可靠性分析的理論基礎是概率論與數理統計等學科，以及運籌學，系統工程與質量控制。這些因素的失敗概率可以通過從操作經驗觀察得來的相對失敗頻率來解釋。（1）經典的可靠性分析。如前所述，經典可靠性分析主要用于估計那些能夠預測在設計和操作系統中起重要作用的技術元件壽命的統計特性。這些特征包括預期的失敗率，風險函數，預期壽命和平均失敗間隔時間。模型所考慮的系統通過邏輯樹，其各個因素由決策節點來代表，從而可以評估各種定量措施的效能，例如系統在指定周期內失敗的概率，在系統中引入冗余的積極影響，檢查和維修活動的成本等。大多數的技術系統的失敗率形如浴盆曲線。對于許多技術組件而言浴盆曲線是很典型的，比如出生缺陷，生產失誤率等。當部件存活了一定的時間，這意味著出生缺陷是不存在的，可靠性隨之增加。此后一段時間隨著年齡的老化穩態性能發生變化。具有恒定失效率的功能檢查部件很少使用，然而，對于具有緩慢增加的失敗率的功能性檢查部件可能是有用的，可以計劃使用只要這樣的失敗率不超過一定的臨界水平。如果失敗率函數在開始是準恒定，然后突然有一個急劇的下降也沒有太大的用途。但是，在這種情況下，替換策略更為合適。各種組件類型的浴盆曲線的有效性已經受到了廣泛的質疑，不可能被認為是一直有效的。顯然，圖3顯示的失敗率隨著時間的變化不是恒定的。在這樣的情況下，隨時間變化的失敗率被稱為風險函數。這是一個條件失敗率，定義為組件或者系統在時間t時刻的失敗概率。

一個重要的問題是在觀察的基礎上對失敗率的評價。正如前面所提到的，失敗率數據可以從不同的應用領域的失敗數據庫中獲取。當然在評估失敗率的時候必須小心，如果組件在觀察期的初期并不是新的，其失敗率可能會超過估計（值），如果觀察到的時間間隔太短，可能觀察不到失敗的發生。對于這樣的情況，各種文獻提供了不同的方法來解決這個問題。另外，失敗率也可能采用最大似然估計方法來處理，在這里選擇的概率分布函數的參數可以在觀察到的失敗次數的基礎上來估計。

圖3 失敗率函數的浴盆曲線

（2）結構可靠性分析與需求能力可靠性分析。關于結構組件或其它需求能力系統，如水壩，管道，機械零部件等的可靠性與電氣元件相比較是不同的；即，在大多數情況甚至個別組件失效的機理下，既使許多年的時間間隔其發生失敗的情況亦是非常罕見的。結構組件失效主要是由于極端事件，如極端風、雪崩、大雪、地震，或聯合作用，而不是由于老化或系統退化。然而，當前土木工程設施的老化或者退化等其他形式的“故障”已越來越多的成為問題的源頭。

對于可靠性分析，有必要建立基于參數的統計特性等可用信息的概率模型。這些信息可能包括有關年度極端風速資料，混凝土抗壓強度等實驗結果。事實上，荷載和抗壓能力的概率模型的不確定性的一個主要原因是由于缺乏失敗概率的相關知識，并且在此基礎上進行評估必須對失敗概率有充分的理解，即不再考慮結構的真實失敗概率而考慮結構性能的不確定性。

對于一個結構組件，其不確定的抗力R和負荷S被建模為隨機變量的概率密度函數fR（r）和fS（s），失敗概率可以定義為：

P■=P（R≤S）=P（R-S≤0）=■F■（x）f■（x）dx

假設負載S和抗力R在統計上是獨立的。抗力R的累積分布函數也可以被稱為一個脆弱性曲線。脆弱性曲線是不依賴于負荷建模的，并有助于分離和確定抗力和負荷的不確定性對結構可靠度計算的影響。該系統性能和具有高負載的不確定性和可變性密切相關，如地震、颶風、洪水等。

在一般情況下，抗力和負荷不能僅由兩個隨機變量來描述，而是通過隨機變量的函數來描述。因此，失敗概率的一般公式可以通過以下的n維積分來確定：

P■=■f■（x）dx

其中f■（x）為基本隨機變量向量的聯合概率密度函數，積分范圍為失敗區域。除了非常特殊的情況下和大多數實際應用中的數值近似方法以外，要解決式中的積分問題是不容易的。結構可靠性理論的基本原理的描述也可在JCSS概率模型代碼找到。

（六）最優性和風險接受準則

決策是一個復雜的過程，并且通常和政治關系交織在一起。一些風險評估問題試圖解決包括：誰來承擔什么樣的風險水平？誰是風險承擔的受益者和付出者？什么樣的信息是“合理”的風險管理所必須的，以及應該怎樣分析？什么樣的行為有什么樣不同風險的結果，誰來評估風險管理的成功或失敗？誰來決定不同風險之間的平衡？

這些問題都不容易解決，不能脫離風險接受準則來單獨解決風險評估問題，即，什么樣的風險是可以接受的？風險接受準則的實施和發展涉及：第一，感知風險：確保系統風險水平是可以接受或允許的；第二，正式的決策分析：比較和平衡風險與收益的風險分析技術；第三，監管安全目標：發展和增強風險接受準則的立法和法律框架。

風險接受準則一般采用美國核管理委員會、英國健康與安全執行局和其他權威監管部門的規則，總體原則是：應盡可能合理壓低（ALARP）或盡可能達到最低（ALARA）。例如定義為像 “低”，“合理”，“可能”，“達到”等等，這樣的術語是非常主觀的，容易被以保守的方式解釋。

1.個人和社會風險。這里有一個值得注意的問題，就是要重新認識到風險接受是一個與人類權利相關的、基本的、哲學問題。聯合國人權事務高級專員撰文對人類權利做了專門的規范，這里給出相關以便參考：

（1）所有的人都是生來平等的，有尊嚴和權利的平等與自由。他們賦有理性和良心，彼此間應有兄弟般關系。

（2）每個人都有生存的權利，都是自由和安全的個體。

（3）法律面前人人平等，并有權不受任何歧視，受到法律的平等保護。

宣言強調要考慮所有的人是平等的，而且強調個人人身安全的權利，道德和法律上的義務。因此無論可接受風險的標準如何制定，我們應該永遠記住，上述人權基本原則是不可違背的。

眾所周知，安全是需要成本的，下面我們將做更多的討論，因此社會個體成員的安全保證與社會所能承受的負擔密切相關。然而，對于社會代表都應該有一個總體的道德義務去考慮投資與開銷等“所有的資源能否很好的安排”，以嘗試達到宣言中的目標。

當討論“可接受的風險”問題時，有些人對于什么是“可接受的”可能跟社會觀點相比有不同的看法。每個人都有他們自己的風險體驗，或在決策方面有自己的偏好。土木工程或任何其他活動中的可接受準則主要受到來自社會個體成員的偏好的影響，而不是社會的偏好的影響，個人的偏好可能實際上同社會的偏好在總量上是矛盾，因此有必要從社會的角度來看可接受性，并同時確保個人的基本人權受到保障。

2.社會風險及風險規避。個人風險和社會風險之間是有區別的，個人風險主要表現為每年死亡數，或者死亡曝光數等，而社會風險通常表示一個F–N曲線，是一個死亡數（N）的累積頻率（F）。風險的表示方式可能影響對風險的認知，例如，在統計意義上，個人的死亡風險10-5與1000人被殺的社會風險10-8是等價的。然而，社會似乎更關心造成很多人傷害的慘重事件，而不是一系列較小的危害同樣數量個體的系列事件。這種偏好表現為典型的F–N曲線，例如，圖4表明一個人每年的死亡風險概率10-4和一個每年以10-6的概率造成10人相同結果的事件的偏好，這表明隨著后果的增加，風險規避行為也在增加。然而，從純理性的觀點來看，這可以被看作是一個增加生命安全的合理途徑。盡管使用F-N曲線作為風險分析有悠久的傳統，但值得注意的是，F-N曲線并不能為比較不同活動之間的風險提供一致的方法。

圖4 荷蘭社會風險的安全目標

3.多屬性和多目標風險決策分析。決策往往會導致不同后果，需要同時考慮如成本，生命損失，社區干擾和環境損害等等因素。此外，不同的利益群體可能有不同的目標和偏好，從而影響不同屬性的組合效應。這種情況有時被稱為多屬性、多目標決策或者代表風險分析中的一個復雜的問題。從理論和方法上講，在多屬性、多目標決策理論的框架下，這些問題可以很容易地處理。然而，必須非常清楚的認識到，這些技術本身不對如何給不同的屬性和不同的目標加權提供任何答案。無論擁有一個合理的方法的機會大與否，這個問題必須得到解決。如果有關各方之間的偏好是不可調和的，那么在一個基本的必要的決策分析調試之前，決策者必須明確并對各方偏好進行評估。然而，最后的加權決策和建立一個普通的共識面臨著已有的決策理論的挑戰。最重要的是決策理論不僅僅是 “一次性”的數值分析，而應該是一個動態的和透明的過程。

4.其他的考慮。可以理解的是，本文的重點是對風險的定量分析和如何用此作為決策的工具。在定性的意義上，系統知識以及在風險分析過程中增加的性能也揭示了關于如何改進系統性能方面的新的見解。可能是因為風險分析一般包括系統建模中的邏輯性、系統性和嚴格的方法，從而導致必須在任何定量的結果之前對系統性能增加一些理解。只要風險分析的目的是了解系統的性能，而不是一個“數字游戲”，例如用于滿足定量風險接受準則，那么風險分析就是一個對于提高系統的安全性和性能的非常有效的工具。

四、結論與討論

風險分析是通用的，因而其基本準則和理念是相同的，例如發電廠設備的最優化設計問題同1000座橋梁擁有者的資產管理非常相似。本論對這些原則提供了一個簡短的概述，并重點討論了的現行做法的不確定性和局限性。

相信風險分析師都意識到了這些問題，這是值得安慰的。也許更重要的是，把這類信息傳遞給他們的客戶—即最終的決策者。經驗表明，并非總是這種情況。因此，從廣義上講，有必要增加對風險分析的理解，這種理解是專門針對以下的個人或團體的。第一，風險分析師：提供更好的具有一致性的方法、模型和數據，從而提高風險分析的可信度。第二，土木工程師：能夠給風險分析師提供相關信息，對風險分析的結果進行嚴格審查。第三，決策者（業主，政府，社區）：被告知他們的決定和他們的利害關系的合理性。

以下結論與建議（在沒有特定的順序）是互補的，可能適用于一個或多個的個人或團體：

1.有相當比例的工程師對風險分析持懷疑態度。原因可能包括“太難”，“太數學”，“不能想象如此低的頻率”，“有一點物理意義”等，這些評論只是孤陋寡聞，只可能暴露出他們在正式的工程教育中接觸概率理論和風險分析的不足。傳統上，工程課程重點強調統計理論（如混凝土質量，水文）并不太在意概率論，但后者在預測失敗概率的時候是比較有用的。而更多的重點需要放在風險分析和評估，規范發展，代碼開發和資產管理的關系等方面。

2.對標準化的風險分析技術和概率模型的需求是明顯

的，通過這個可以降低不同分析師分析結果的差異。不同分析師的結果如果差異巨大，可能被決策者、工程師以及公眾所察覺，從而顯示出其不精確的和不成熟的“科學”性，不能夠為公共風險提供準確的預測。

3.應該承認，風險分析中的信息都應該以同樣的方式對待。

4.人為錯誤是一個重要的風險源。風險分析可以限制那些可以量化的人為錯誤，但它本質上很難把包括診斷錯誤、高層決策水平或機構管理方面的失誤包含進去。遺漏的人為錯誤來源于風險分析的假設、設計、建設和設施的運作。這些錯誤是否可以接受取決于如何使用風險評估結果。在某些情況下，如果風險分析師為土木工程設施建議的質量保證和質量控制在于考慮是否有助于提高人為錯誤的改善率，那么這是可以接受的。

5.對風險厭惡的處理很難達到一致性。如果F–N曲線，或其他不利的風險標準是風險評估的一個特征，那么在描述風險接受準則的時候這些特點應明確規定。這將導致一個更透明的決策過程。然而，更應該通過考慮結果模型去合理規避不良行為的風險。

6.現在有一個總的趨勢，那就是有選擇性的利用計算工具對風險的類型和用途進行管理，也就是說，在風險管理中標準化已經取代了傳統工具。原則上，標準化并不是一件壞事，但是，我們應該把關注的重點放在工具的使用是否適當上。

7.在這些年來，社會的可用資源的很大一部分將繼續或越來越多的花費在各種旨在維護環境效益的活動上。例如：過時的結構和設施的退役，減少二氧化碳排放量，無污染的能源和一些其他開發。這些大量的重要的問題，目前被一些相當武斷的、激進的利益集團和政治家以任意的方式處理。這里有兩個重要的方面應該被注意到，即該類問題的決策依據還不存在，因為我們提升環境質量方面還沒有達成共識，其次，這種決策往往是在不知情的偏好的基礎上進行。重要和更困難的工作仍然留待解決。

8.風險分析涉及的人員或公眾安全或公共資源都應該受到強制性的質量保證和同行評議。質量保證程序可以專注于內部的程序和實踐。同行評審應包括一個獨立和嚴格的審查，由公認的專家進行風險分析和評估。

參 考 文 獻

[1]M.H.Faber，M.G.Stewart.Risk assessment for civil engineering facili

ties：critical overview and discussion