第五章 安全决策54安全决策方法.docx
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第五章安全决策54安全决策方法
5.4安全决策方法
前已述及，安全决策学是一门交叉学科，它即含有从运筹学、概率论、控制论、模糊数学等引入的数学方法，也有从安全心理学、行为科学，计算机科学、信息科学引入的各种社会、技术科学。
根据决策环境，考虑属性量化程度，可以把多属性决策（MADM）问题区分为确定性和非确定性两类，相应的决策方法就有确定性多属性决策方法、定性与定量相结合的决策方法和模糊多属性决策方法。
本节重点介绍前两种决策方法，对模糊性多属性决策本节只从评价的角度作了简单介绍。
5.4.1确定性多属性决策方法
一种多属性决策（MADM）方法就是一个对属性及方案信息进行处理选择的过程。
该过程所用的基础数据主要是决策矩阵、属性fj（j∈M）和/或方按xi（i∈N）的偏好信息（倾向性）。
决策矩阵A一般由决策分析人员给出，它提供了分析决策问题的基本信息，是各种MADM方法的基础。
需要指出的是，A的元素从形式上看不一定非是定量化的，它们也可以是定性的，甚至是模糊的。
对应于确定性多属性决策则A多是定量化的，fj（j∈M）和/或xi（i∈N）的倾向性信息一般是由决策者给出。
根据决策者对决策问题提供倾向性信息的环节及充分程度的不同，可将求解MADM的问题的方法归纳为：
无倾向性信息的方法、有关于属性的倾向性信息的方法和有关于方案的倾向性信息的方法三类。
由于安全决策问题是个很复杂的课题，本书只介绍一类无倾向性信息的决策方法—筛选方案的方法。
5.4.1.1优势法
该方法的操作过程是，从备选方案集R中
R＝｛x1，x2，x3，x4｝
任取两个方案，（记为
和
），），若决策者（或决策分析者）认为（或决策矩阵A已知）
劣于
，则剔去
，保留
；若无法区分两者的优劣时，皆保留。
将留下的非劣方案与R中的第三个方案
作比较，如果它劣于
，则剔去前者，如此进行下去，经n－1步后便确定了非劣解集
。
这种方法不需要对属性作任何假设和变换，也不要求确定权系数。
那么经过这种方法筛选后，n个原方案中将有多少个非劣方案保留下来呢？
卡尔皮尼（H.C.calpine）和戈尔丁（A.Golding）导出了一个具m个属性n个方案的MADM问题经优势法筛选后保留下来的非劣解期望数估计公式：
（5.14）
式中ν是欧拉常数（≈0.5772）。
显然，N（m,1）＝N（1，n）＝1
5.4.1.2连接法（满意法）
该方法就是要求决策者对表征方案的每个属性提供一个可接受的最低值，称为切除值（cutoffvalues）。
只有当一个方案的每个属性值均不低于对应的切除值时，该方案才能保留。
即方案x被接受，即
（j∈M，x∈R）（5.15）
式中
是j个属性的切除值。
可以看出，切除值的规定是这个方法的关键所在，如果定得过高，将淘汰过多方案，定得太低，又会保留过多方案，可按下列方式来确定切除值。
令r为被淘汰方案的比例，Pc为任一随机选出的方案其各属性值满足式（5.17）的概率，则有
（5.16）
或有
（5.17）
例如：
若m＝6，r＝0.75，则Pc＝0.79。
即对每个属性所设定的切除值应保证有至少79％的方案数其对应的属性值超过该切除值。
另外，也可以用迭代法由低到高逐步提高切除值，直到得到所希望保留的方案数为止。
5.4.1.3分离法
该方法用来筛选方案时仍要对每个属性设定切除值，但和连接法不同的是，并不要求每个属性值都超过这个值，而只要求方案中至少有一个属性值超过切除值就被保留。
按此原则方案x，即满足
（当j＝1或2或…或m，x∈R）（5.18）
其中
仍为规定的切除值。
总起来看，分离法保证了凡在某一属性上占优势的方案皆被保留，而连接法则保证了凡在某一属性上处劣势的方案皆被淘汰。
显然，它们虽不宜用于方案排序，但却可以保障经上述两种方法筛选后，方案集R中所剩的方案已基本上是非劣方案。
设某生产线，安全技术改造方案所涉及的各种因素的集合如表5.2。
表5.2安全技术改造方案集
备选方案
（xi）
属性（fj）
最大生产量
f1
多品种生产性
f2
可靠性
f3
自动化程度
f4
安全技术改造费
f5
风险率
f6
x1
20
中
中等
中
900万
10-6
x2
25
低
低
低
1200万
10-3
x3
18
高
高
高
1000万
10-4
x4
22
中
中等
中等
900万
10-4
该安全技术改造问题决策矩阵为：
解1（优势法）在多准则决策问题（MCDM）中，定义：
设
∈R,若不存在x∈R满足F（x）≥F（
），则称
为MCDMP的非劣解。
（R—备选方案集）
我们用此概念去考察这4个方案，并不存在F（x）≥F（
）的情况，所以x1，x2，x3，x4均为非劣解。
若假设f1（x1）＝f1（x4）则可导出x1＞x4，此时x4是劣解，应剔除。
解2（连续解）若设定切除值
则可接受的方案集合Rc为：
解3（分离法）设定Fd=[20，中，中，中，1000，低]T
则可接受的方案集合为Rd：
5.4.2评分法
评分法就是根据预先规定的评分标准对各方案所能达到的指标进行定量计算比较，从而达到对各个方案排序的目的。
5.4.2.1评分标准
一般按5分制评分：
优、良、中、差、最差。
当然也可按7个等级评分，这要视决策方案多少及其之间的差别大小和决策者要求而定。
5.4.2.2评分方法
多数是采用专家打分的办法，即以专家根据评价目标对各个抉择方案评分，然后取其平均值或除去最大，最小值后的平均值作为分值。
5.4.2.3评价指标体系
评价指标一般应包括三个方面的内容：
技术指标、经济指标和社会指标。
对于安全问题决策，若有几个不同的技术抉择方案，则其评价指标体系大致有如下内容：
技术先进性、可靠性、安全性、维修性、可操作性等；经济方面有成本、质量可靠性、原材料、周期、风险率等；社会方面有劳动条件，环境、精神习惯、道德伦理等。
当然要注意指标因素不宜过多，否则不但难于突出主要因素，而且会造成评价结果不符合实际。
5.4.2.4加权系数
由于各评价指标其重要性程度不一样，必须给每个评价指标一个加权系数。
为了便于计算，一般取各个评价指标的加权系数gi之和为1。
加权系数值可由经验确定或用判断表法计算。
判断表如表5.3所示，将评价目标的重要性两两比较，同等重要各给2分；某一项重要者则分别给3分和1分；某一项比另一项重要得多，则分别给4分和0分。
将上述对比的给分填入表中。
表5.3判断表
被比者
比较者
A
B
C
D
Ki
A
1
0
1
0.083
B
3
1
2
6
0.250
C
4
3
3
10
0.417
D
3
2
1
6
0.250
重要程度排序C＞B，D＞A
计算各评价指标的加权系数公式为：
（5.19）
式中，ki—各评价指标的总分；
n—评价指标数。
5.4.2.5计算总分
计算总分也有多种方法，如表5.4所示，可根据其适用范围选用，总分或有效值高者当为首选方案。
表中，Q—方案总分值；
N—有效值；
n—方案指标数；
ki—各评价指标的评分值；
gi—各评价指标的加权系数；
Q0—理想方案总分值。
表5.4总分计算方法
序号
方法名称
公式
适用范围
1
分值相加法
计算简单直观
2
分值相乘法
各方案总分相差大，便于比较
3
均值法
计算简单直观
4
相对值法
Q1，能看出与理想方案的差距
5
有效值法
总分中考虑了各评价指标的重要程度
5.4.3决策树法
决策树是风险决策的基本方法之一。
决策树分析进行方法又称概率分析决策方法。
决策树法与事故树分析一样是一种演绎性方法，即是一种有序的概率图解法。
5.4.3.1决策树形
图5.3决策树示意图
决策树的结构如图5.3所示，图中符号说明如下：
方块□—表示决策点，从它引出的分支叫方案分支，分支数即为提出的方案数。
圈○—表示方案结点（也称自然状态点）。
从它引出的分支称为概率分支，每条分支上面应注明自然状态（客观条件）及其概率值，分支数即为可能出现的自然状态数。
三角△—表示结果节点（也称末稍），它旁边的数值是每一方案在相应状态下的收益值。
5.4.3.2决策步骤
首先根据决策问题绘制决策树；计算概率分支的概率值和相应的结果节点的收益值；计算各概率点的收益期望值；确定最优方案。
5.4.3.3应用举例
某厂因生产需要，考虑是否自行研制一个新的安全装置。
首先，这个研制项目是否需要评审，如果评审，则需要评审费5000元，不评审，则可省去这评审费用，这一事件的决策者完全可以决定，这是一个主观抉择环节。
如果决定评审，评审通过概率为0.8，不通过的概率为0.2，这种不能由决策者自身抉择的环节称为客观随机抉择环节。
接下来是采取“本厂独立完成”形式还是由“外厂协作完成”形式来研制这一安全装置，这也是主观环节。
每种研制形式都有失败可能，如果研制成功（无论那一种形式），能有6万元收益；若采用“本厂独立完成”形式，则研制费为2.5万元，成功概率为0.7，失败概率为0.3；若采用“外厂协作”形式（包括先评审），则支付研制费用为4万元，成功概率为0.99，失败概率为0.01。
解：
①首先画出决策树，见图5.4所示。
图5.4决策树形
②根据上述数据计算各结点的收益（收益＝效益－费用）
独立研制成功的收益：
60－5－25＝30（千元）
独立研制失败的收益：
0－5－25＝－30（千元）
协作研制成功的收益：
60－5－40＝15（千元）
协作研制失败的收益：
0－5－40＝－45（千元）
按照期望值公式计算期望值，期望值公式：
（5.20）
式中，Vi—事件i的条件值；
Pi—特定事件i发生的概率；
n—事件总数
独立研制成功的期望值：
E（V0）＝0.7×30＋0.3×（－30）＝12
协作研制成功的期望值：
E（V7）＝0.99×15＋0.01×（－45）＝14.4
③根据期望值决策准则，若决策目标是收益最大，则采用期望值最大的行为方案，如果决策目标是使损失最小，则选定期望值最小的方案，本例选用期望值最大者，即选用协作完成形式。
5.4.3.4决策树分析法的优点
①决策树能显示出决策过程，形象具体，便于发现问题；
②决策树能把风险决策的各个环节联系成一个统一的整体，有利于决策过程中的思考，易于比较各种方案的优劣；
③决策树法即可进行定性分析，也可进行定量分析。
5.4.4技术经济评价法
技术经济评价法是对抉择方案进行技术经济综合评价时，不但考虑评价指标的加权系数，而且所取的技术价和经济价都是相对于理想状态的相对值。
这样更便于决策判断与方案筛选。
5.4.4.1技术评价
①确定评价的技术项目和评价指标集。
②明确各技术指标的重要程度。
在指标集的众多技术指标中，要明确哪些是必须满足的，低于或高于该指标就不合格，即所谓固定要求，哪些是可以给出一个允许范围的，也即有一个最低要求；哪些又是希望达到的要求。
③分别对各个技术指标评分。
④进行技术指标总评价：
在各个技术指标评分的基础上，进行总的评分，即求出各技术指标的评分值与加权系数乘积之和与最高分（理想方案）的比值：
（5.21）
式中，Wt—技术价；
Vi—各技术评价指标的评分值；
gi—各技术评价指标的加权系数；取
Vmax—各技术评价指标的最高分（对理想方案，5分制的5分）；
n—技术评价指标数。
技术价Wt越高，方案的技术性能越好。
理想方案的技术价为1,Wt<0.6表示方案不可取。
5.4.4.2经济评价
①按成本分析的方法，求出各方案的制造费用Ci。
②确定该方案的理想制造费用。
通常理想的制造费是允许制造费的0.7倍。
允许制造费C可按下式计算：
（5.22）
（5.23）
式中，CM·min—合适的市场价格；
Cs—为标准价格，是研制费，制造费、行政管理费、销售费、盈利和税金的总和。
③确定经济价
（5.24）
经济价Ww值越大，经济效果越好。
理想方案的经济价为1，表示实际生产成本等于理想成本。
Ww的许用值为0.7，此时，实际生产成本等于允许成本。
5.4.4.3技术经济综合评价
可以用计算法和图法进行技术、经济综合评价：
①相对加W法
均值法：
W＝0.5（Wt＋Ww）（5.25）
双曲线法：
（5.26）
相对价W之越大，方案的技术经济综合性能好，一般应取W＞0.65。
当Wt，Ww两项中有一项数值较小时，用双曲线法能使W值明显变小，更便于对方案的抉择。
②优度图法
优度图见图5.5。
图中横坐标为技术价Wt，纵坐标为经济价Ww。
每个方案的Wti、Wwi值构成点Si，而Si的位置就反映了此方案的优度。
当Wt、Ww值均等于1时的交点SI是理想优度，表示技术经济综合指标的理想值。
0—SI连线称为“开发线”，线上各点Wt＝Ww。
Si点离SI点越近，表示技术经济综合指标高，离开发线越近，说明技术经济综合性能好。
图5.5优度图
5.4.5稀少事件的风险估计
当决策者要在多种抉择方案中做决策时，可能会遇到某种稀少事件是否值得考虑或者在用智力激励法进行风险辨别时，稀少事件如何估计的问题。
稀少事件（RareEvents）是指那些发生的概率非常小的事件，对它们很难用直接观测的方法进行研究，因为它们不但“百年不遇”，而且“不重复”。
在稀少事件中有两不同的风险估计：
一类是称外围“零—无穷大”的风险，指的是那些发生的可能性很小（几乎为零）而后果却十分严重（几乎是无穷大）的事故，例如核电站泄漏事故。
另一类是发生概率很小，后果不像前一类那么严重，但涉及的面或人数却很多，并且易被一些偶然因素、另外的风险、与它们的作用相同或相反的其它因素所掩盖的事故，如水质污染不是特别严重的情况下，很难确定与癌症发病率之间的关系，前一类情况主要涉及明显事故的估计与价格，后一类情况则主要是对潜在危险进行测量和估计。
对稀少事件很难给出一个严格定义，就第一类事故情况来说，一般采用如下的定义：
即100年才可能发生一次事故称为稀少事件。
其数学表达式如下：
nP＜0.01/年（5.27）
式中，n—试验次数；
P—事故发生的概率。
5.4.5.1稀少事件一般服从二项分布，它们相互独立，发生的概率为P，在n次试验中，有m次成功（发生）的概率P（m）为
（m＝0，1，…，n）（5.28）
其均值（期望值）：
E（x）＝nP（5.29）
方差：
D（x）＝nP（1－P）（5.30）
风险度：
对于稀少事故，P《1故有：
（5.31）
5.4.5.2绝对风险与对比风险
概率估计只有当概率不太大和不太小时才比较准确，因此以期望值（均值）为基础的统计数据计算对稀少事件的分析不是很确切，为此有人提出对比风险的概念。
对比风险与绝对风险可定义如下：
绝对风险：
是对某一可能发生事件的概率及其后果的估计，也就是我们通常所讨论的风险概念。
对比风险：
可分为两种情况，一种是对于发生概率相似的事件，比较其发生的后果；另一种是对于两种后果及大小相似的事件，比较其发生的概率。
图5.6是绝对风险与对比风险的适用区域示意图。
图5.6绝对风险与对比风险的适用区域示意图
5.4.5.3稀少事件风险估计的应用
例如某企业需存放一种有毒有害物质，拟有两种存放方案：
一种是简单的浅埋，另一种是放在专门建造的地窖中。
浅埋比较经济，但在发生水灾式会大量溢散。
水灾的发生是稀少事件。
现在需要决定的是是否需要考虑浅埋溢散的影响？
设有害物质的保护期为100年。
当发生水灾时，浅埋会造成100％的有害物质溢散，而专建地窖方案有10％的溢散。
因专建的地窖是按要求建造的，溢散10％是符合有关规定的。
假定一个对风险持中性态度的人，等价水平P＝0.01/100年，（即100年中发生溢散的概率为0.01与埋在专建地窖中等价），决策者为更保险，将此又降低两个数量级即认为等价水平是P＝10－6/年，然后就要对水灾发生的概率进行估计。
如果水灾概率小于10－6/年，则可以采用浅埋方案，否则，则应用专建地窖方案。
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