装备研制可靠性工作项目风险评估综合模型.doc
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1、装备研制可靠性工作项目风险评估综合模型杨敏1,褚恒之21. 北京航空航天大学经济管理学院,北京市,邮编1000832. 北京航空航天大学经济管理学院,北京市,邮编100083电子邮箱:chzno11摘要:武器装备研制作为军事战略的重要组成部分,对军队战斗力的形成有着十分重要的影响。装备研制可靠性工程必须要用科学的方法来指导,目的是能够确定正确的武器装备研制决策,为军队提供坚实的物质技术基础。本文总结了关于风险影响图分析问题的思想,综述了层次分析法的优缺点,对装备研制可靠性工作项目风险评估作了介绍。关键词:装备研制,可靠性工程,AHP,影响图1 引言项目风险评估是指应用各种风险评估技术分析项目的
2、不确定性,其目的是评价风险的可能影响。常用的风险分析方法有调查和专家打分法、贝叶斯法、层次分析法、灵敏度分析法等1。装备研制项目具有系统复杂、周期长、投入大、协作面广、验收要求高等特点,存在着大量的风险因素2。可靠性工作项目开展的好与坏直接影响到武器装备的战备完好率和任务成功率,可靠性工作项目的风险在整个武器装备项目风险中占有重要的位置。然而,可靠性工作项目中的风险因素具有数量多,因果关系复杂,具有多重相关性,重要程度不同等特点,运用普通的风险评估方法难以对其风险进行有效的评价。针对这些风险因素的特殊性,运用层次分析法与影响图相结合的综合方法可以进行有效的风险评估。2 风险影响图的基本概念2.
3、1 节点介绍风险因子节点,表征风险因子节点的机会节点,它储存了风险因子的各种状态信息与相应的概率分布,在影响图中有圆形表示。风险因子是随机变量,它直接由机会节点来描述。在可靠性工作项目中,风险因子是指影响到可靠性工作项目进行的因素,比如:预测能力这一基本风险因子存在着预测精确、预测错误等几种状态,各种状态都有其发生的概率。这些信息都储存在预测能力风险因子节点上。决策结点,表示决策变量,在影响图中用方块表示。决策结点代表一个连续变量或一组离散的可行方案,只储存了方案信息即方案集。在可靠性工作项目中,决策节点表示在项目进行过程中负责人可选择的方案。 风险节点,表征风险因子所导致的后果,在影响图中用
4、椭圆表示。风险节点上储存了风险事件的概率与后果信息。在可靠性工作项目中,风险节点表示的风险因子可能引起的后果,包括技术风险、管理风险、环境风险等,价值结点,代表了所研究问题目标函数,表示决策者要极大化的效用期望值,在影响图中用菱形或六角形表示。在可靠性工作项目中,价值节点表示可靠性工作项目风险价值,通过设定基准,通过实际价值与基准价值的比较判定整个可靠性工作项目是否可行。32.2 节点间数学关系4(1)风险因子之间的概率应对关系存在有向弧连接的风险因子结点之间具有关联关系,主要体现了结点之间的概率关系。如果影响图是依据因果关系构建的,关联关系描述了机会结点的直接前序结点C(x)与机会结点x的因
5、果关系。考虑因果关系的随机观点,特定的条件概率事件。事件yi发生的概率依靠事件xj或xk之一发生为条件: PrY=yi|X=xjPrY=yi|X=xk,对所有i,j,kj(1)由于存在不确定性,即在给定C(x)取值条件下,x的取值并不唯一。也就是说,不存在从C(x)到x的单一映射关系。因此使用概率描述C(x)与x之间因果关系的不确定性。gxi,Cj(x)=Prx=xi|C(x)= Cj(x) (2)其中,gxi,Cj(x)表示C(x)和x之间的因果关系,xi和Cj(x)分别为x和C(x)的具体取值,表明在Cj(x)条件下,C(x)导致x的取值为xi的可能性。(2)风险因子节点到风险节点的应对关
6、系根据可靠性工程项目影响图定义的有关知识,风险结点的映射是效用函数,是风险结点的前序结点的函数。风险因子结点和风险结点之间的关联弧表明了数值对应关系。在不包含决策结点的影响图中,风险结点的效用函数反映了风险因子结点和风险结点之间的关系。V=U(P(v),W)= P(v)* W (3)其中,U是风险结点的效用函数,P(v)是风险结点v的直接前序结点,W是风险节点v的直接前序节点的权重,是通过层次分析法得到的,由于不含有决策结点,P(v)C。令x= P(v),y=W则上式表示为V=U(x,y),对于给定的x,y值,均有一个确定的V值与之对应。(3)决策节点到风险因子节点的应对关系决策结点指向风险因
7、子结点的有向弧为影响弧,表明风险因子结点的取值受到了决策的影响。由于存在影响弧,风险因子结点x的直接前序结点C(x)中不仅有风险因子结点,还包括决策结点。决策结点的取值对风险因子结点的取值造成影响,且这种影响具有不确定性。因此,决策结点到风险因子结点体现了概率对应关系。若无其他前序结点,令C(x)=d,则gxi,Cj(x)=Prx=xi|d= dj (4)即在决策结点d采用决策dj时,x取xi的概率表示了d与x之间的影响关系。若有其他前序结点,令C(x)=(y,d),其中yC,dD,则gxi,Cj(x)=Prx=xi|y=yk,d= dj (5)即在决策结点d采用决策dj,且其他前序结点y取值
8、为yk时,x取xi的概率表示了y,d与x之间的影响关系。(4)风险因子节点到决策节点的应对关系由风险因子结点指向决策结点的有向弧是信息弧,表明在做出决策之前,已经掌握了决策结点前序的有关风险因子结点的取值,从而可以针对不同取值采取不同的决策。信息弧体现了风险因子结点到决策结点的数值对应关系。用下式表示一个简单的决策过程Y=S(X) (6)其中,S为决策过程,X为决策条件,Y为决策结果。对于决策结点d,存在直接前序风险因子结点构成其决策条件,令x=C(d),且xC,针对决策条件所表达的不同局势xi,通过决策过程S均有决策dj应对。dj= S(xi) (7)由于dj是根据xi做出的,可以认为是对x
9、的一种映射,表现了数值对应关系。(5)风险节点到最终风险价值节点的应对关系风险节点到最终风险价值节点的过程表明分量向总量合成。风险节点的价值量通过滚动当量合成法合成最终风险总量。用下式表示一个简单的合成过程V=f(V1, Vn) (8)3 基于AHP和影响图的综合评估模型3.1 风险因子的定性分析风险因子的定性分析不仅包含了以可靠性工程风险因子的因果关系链上的有关内容,而且包含了与可靠性工程初始风险路径图构造的内容。具体步骤如下:(1)、通过与专家和相关管理人员代表的面访等沟通活动以及对历史数据资料的分析,根据可靠性工程项目进行过程决定因素进行列举和分析,确定可靠性工程风险因子。将这些风险因子
10、进行分级,归纳生成风险事件。(2)、在确定可能的风险因子后,针对可靠性工程风险因子相互之间的影响关系,设计因果关系假设。(3)、根据定性分析得到的风险因子和其相互之间的关系构造初始风险路径图。3.2 风险因子的重要程度数据调查根据定性分析得到的风险因子及相应的因果关系假设,设计关于可靠性工程风险因子重要程度的调查问卷。由于需要运用层次分析法对定性分析产生的影响因子进行评价,计算过程中需要构造判断矩阵,所以定性风险因子的专家评分是调查问卷的重要内容,希望得到因子相对重要程度方面的数据,重要思路是对本层两因子相对于上级某因子的重要程度以1-10分进行评分。以下是问卷样版:表1 风险因子的重要程度数
11、据调查问卷样板可靠性要求风险决策能力预测能力工程经验项目裁剪计划组织落实决策能力预测能力工程经验项目剪裁计划组织落实注:按照相对重要程度由1-10分打分,其中1分为最不重要,5分为相等,10分为最重要。其中纵列为基本因子,横列为比较因子。3.3 层次分析法的计算分析根据调查得到的样本数据,针对第一阶段分析的因果关系假设,通过构造判断矩阵、层次排序进行计算,并且进行一致性检验。根据计算结果验证因果关系假设,从可能的风险因子中去除影响权重较小的因子,保证因果关系链的有效性。如果计算结果表明因果关系假设并不成立,则需要重新进行因素的分析和数据调查5- 6。具体步骤如下:(1)构造判断矩阵。根据问卷调
12、查数据构造判断矩阵。1)将各问卷相应权重相加再除以问卷的分数,求得平均权重;2)采用传统层次分析法中1-9标量化法的方法对平均权重进行标量化处理: (9)3)根据标量化的相对权重构造判断矩阵。表2 层次分析判断矩阵GA1A2A3A1a11an1A2A3Ana1nann其中,G表示上层某风险因子,An表示本层某风险因子。(2)层次单排序。本文拟采用特征根法求解。求解判断矩阵的最大特征根,最大特征根对应的特征向量就是权重向量。矩阵A的特征方程为: (10)其中,为矩阵A的特征值;W为特征值入对应的特征向量,通过以下公式: (11)求解方程即可得出矩阵A的特征值。将最大特征值代回特征方程,可以求出矩
13、阵A的特征向量W,从而求出矩阵A中各元素的相对大小(即相对重要程度)。(3)风险判断矩阵的一致性检查一致性是指人们判断思维的逻辑一致性。在计算出单准则下排序向量时,还需要进行一致性检验。因为在构造判断矩阵时并不要求判断具有一致性的要求。但是判断矩阵既然是计算排序权向量的根据,那么要求判断矩阵有大体上的一致性是应该的。当判断矩阵偏离一致性过大时,判断矩阵的可靠程度也就值得怀疑了。(4)层次总排序及一致性检验层次总排序就是计算各层元素对目标层的合成权重。合成权重的计算要自上而下,将层次单排序的结果进行合成。假定已经算出第k-1层上个元素相对于总目标的排序权重向量第k层上个元素对第k-1层上第j个元
14、素的层次单排序权重向量为,那么第k层上元素对总目标的合成排序向量可以由下式给出: (12)第二层上元素对总目标的排序向量实际上就是单准则下的排序向量。而后要进行整体一致性检验。(5)风险因子的选择为了简化影响图模型的建立,根据层次分析法得到各个风险因子的权重,设定一个标准值,权重大于标准值的风险因子将被用作影响图的基础节点。3.4 改进方案设计通常,可靠性工程风险控制的可能方向不只一个,而且同一方向的改进活动的方式也有不同。在人力、物力、财力等方面存在限制时,需要选择一种到几种改进活动实施。为了保障改进活动的顺利实施,需要进行改进方案的设计,从改进的原因、目标、方法、费用、效果等方面进行详细的
15、研究。这些改进方案不再是改进的定性指导,而是可操作的详细计划。具体步骤如下:(1)根据层次分析法的结果,选出影响较为严重的风险因子,作为改进方案的切入点;(2)通过专家访谈和历史资料查询,确定有效风险控制的方法,对风险进行有效的控制。3.5 影响图构建与方案评价这些改进方案都是针对可靠性工程风险的具体表现提出的,其最终效果体现风险量的降低。根据层次分析法构建的路径图,建立影响图。由于影响图中没有风险节点的概念,且风险类型数据不可直接观测,因此需要改进影响图计算方式,运用效用值来反映各类风险对可靠性工程影响程度,效用值的函数应该表达为风险因子发生概率和权重的函数。将影响图沿可靠性工程风险因子因果
16、关系链向最终风险效用评估方向延伸,添加价值结点;同时添加决策结点,构建用于改进方案选择的决策影响图。1、影响路径图的确定根据层次分析法的结论修正初始风险路径图,并根据改进方案在原有路径图中加入决策节点。运用弧向翻转删除法对影响图进行简化,具体方法如下:(1)删除冗余结点。冗余结点指无后序结点的风险因子结点或决策结点。因为这些结点对问题的价值结点毫无影响。所以删除这些结点将不改变价值或者联合概率分布。(2)删除(进入风险结点的)风险因子结点。如果风险因子结点的直接后序结点是风险结点,那么可以删除这个风险因子结点。为满足这个条件,可能需要先翻转这个结点与其他结点之间的约束弧。用贝叶斯规则进行翻转。
17、然后利用求条件期望值删除这个结点。(3)删除(进入风险结点的)决策结点。删除决策结点必须满足以下条件:任何风险结点的条件前序结点在做决策时仍不可观察的结点(决策结点的后序结点)应先删除。通过求极大化期望值删除决策结点。运算中价值结点不接纳任何新的条件前序结点。在风险结点的全部前序结点都删除后,整个过程结束。然后确定各种类型节点之间的数学关系。下图是可靠性工作项目影响示意图。图1 可靠性项目影响示意图2、影响图问卷设计以及相关数据调查该问卷作用是确定风险因子节点发生状态,基本风险因子节点发生的概率,以及风险因子节点之间的边缘概率。该问卷数据为影响图输入数据,问卷调查内容以主观数据为主,问卷调查的
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