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模糊统计决策理论基础上的大型工程项目风险评估方法研究

刘佳琳  
【摘要】:随着社会经济长期快速发展,地球在为人类提供了生命必须的粮食、水和必要的能源和矿产资源的同时,也给人类带来了很多自然灾难,诸如火山、地震、海啸等。人类面临日益突出的环境、资源、能源等问题,这不仅是人类探求自然奥秘经过的历程,更是人类向大自然获取能源、资源同时为保障自身安全做出努力的过程,因此急需发展深部探测及其相关技术,以支撑解决以上方面遇到的各种问题。 近百年来,各国的地球物理学家、地质学家进行着不懈的努力对其不断探索。我国科学家也意识到必须开展中国地球深部探测计划,才能解决所面临的重大资源环境问题全面实现地球科学的创新与发展。然而全世界地球科学家不得不面对一个事实就是:人类对自身赖以生存的地球内部结构了解太少,目前我们的直接钻探仅达到12km,与庞大的地球体系相比,所涉及的只是地球的表面结构。在一直以来的研究中,研究人员渐渐发现一个不争的事实:可谓上天不易,入地更难。所谓“入地”就是通过深部探测工程,了解地下物质、结构的过程。而以上所要解决的问题都将依赖于深部探测手段——大陆深部科学钻探工程。大陆深部科学钻探工程不仅仅是一个名词,更不单纯是一个简单的工程,它是现代地球科学研究领域中不可或缺的重要工具,它能够提供随着深度的增加直接获得信息,同时无疑也是验证地球物理研究成果和结果正确性的可靠手段。我国超深科学钻探设计万米深度,将面临一系列挑战。随着深度的增加,温度、压力等环境因素也在不断变化,设备的安全性以及钻探过程中事故发生的概率也随之大大增加,对风险的预测和防范增加了难度。实际大陆深部科学钻探工程的实施可以作为实验室研究成果的验证手段,同时对于探索地球奥秘、改进研究起着关键性作用,同时也扮演着极其重要的角色,与社会能源经济有着紧密的联系。其中随钻设计的动态实时量化风险评估针对这项工作展开,能够直接在人力物力财力上减少大量不必要的损失,降低大陆深部科学钻探的整体风险,因此,启动该项研究具有现实意义。 然而,现有的风险评估方法满足不了大陆科学深部钻探的需要。原因是:(1)信息来源单一,目前进行项目风险评估的信息源往往是专家系统的经验和单一手段获得的数据,在有经验可循的项目或事件中,专家的经验可以作为判断的依据,遇到无经验可以参照或者经验很少的情况下,这种方法就会变成一种相对主观的判断,很多问题会由于主观经验不足,引起判断上的失误;(2)在对风险评估整体评价维度上,以往的方法是简单地将风险发生的概率与事后影响相乘,这样虽然能够评价出风险的大小,但是得到结果是宽泛、粗线条的,有时甚至可能会遗漏一些风险,或者把一些并不重要的风险归入其中,这样会对进一步的工作带来干扰。(3)现有风险评估的方法大部分是静态的,虽然近年来风险评估会应用在石油勘探企业的管理中,但绝大多数解决的是事前关于项目预算和时间估计与预先评定方面的应用,对于大型工程项目,只做这些方面的风险评估是远达不到要求,加强动态风险评估是解决问题的重要途径,因此,针对具体问题发展一套行之有效的解决方案尤为必要。 随着深部钻探技术的不断改进,获取数据信息的手段也不断增加,如何将获得的海量数据有效利用,是获得优质风险评估结果的前提,这就涉及在数据处理阶段用有效的方法将得到的信息进行多尺度多源信息融合。这些数据主要来自于重力勘探、磁法测量、电法测量、地震手段、随钻测井等信息手段。这些信息具有以下特点:多类型、多尺度、多时态,同时数据量庞大数据结构复杂,但是如果恰当运用,这些数据信息之间将能相互配合弥补、彼此之间的不足,从不同角度反映相同地质体特征。除了以上客观数据信息外,我们还有专家系统,这也是一个巨大的信息来源。另外,在深部探测过程中进行实时风险评估可以解决钻进过程中客观条件不断变化带来的问题,例如:压力、温度以及地质岩层结构,直接导致风险因素也会随之发生变化,风险发生的可能性也会发生变化,这就需要在钻探过程中对风险因素进行实时更新与识别,随时监控钻探各项风险发生可能性的大小,以便及时采取防范措施。因此,针对数据特点发展一套行之有效的融合技术需要进行跨学科技术融合和针对性攻关研究。 综上所述,深部探测所提供的参数特点具有诸多不确定性,运用结合针对对比开发建立在统计基础上的风险评估数学模型,可以解决在该行业中未解决的问题,因此,对超深钻探进行随钻实时风险评估方法的研究具有理论意义和应用价值。针对大陆超深科学钻探过程中不确定性风险预测和防范问题所设定的研究目标,提出一套基于多尺度多源信息融合的动态风险评估方法,同时建立多指标风险综合评价体系,通过利用随钻测量数据实时更新和完善评估手段,修正评估参数,实现钻进过程中及时发现风险、规避风险和降低风险的应用目标。本文的研究内容:主要分析如何充分考虑大陆深部钻探工程的特点,针对深部钻探随钻过程缺乏有效实时评估钻进风险的方法和技术等问题,尤其是超深钻探过程对此需求更为迫切,本项目将基于实际参数的多尺度多源信息特性,以及在随钻过程中数据实时、递归的特点,研究随钻深度动态参数融合的风险评估方法,对钻进过程中可能出现的随机风险作出预测,提高实时风险评估的准确性,并在复杂的工程实践中得到加强和完善。由此,本论文形成了一个逻辑比较合理的研究框架,在此框架下本论文系统地研究了风险评估方法的相关问题。从研究工作流程上可分为以下7个章节: 第一章:摘要。主要介绍本论文的研究背景以及研究的目的和意义。 第二章:研究综述。将论文中涉及的两大概念给出定义与性质的描述,同时对国内外的研究现状进行综述。 第三章:论文的核心章节之一,属于静态风险评估方法的研究部分。在这一章中主要目的是对各个因素进行风险评估从而进行风险排序,根据以往研究的经验总结出不足之处,提出一种新的4维度评价标准,这4个评价标准分别是:风险发生的概率、风险严重性、不可预知性和恶化后果严重性,这4种维度的评价标准,能够更加适合本项目的特点进行风险评价,以期达到在项目施工前期更加贴近实际风险发生情况概率的预测,给项目实施方以一个量化的标准来看待将要执行的项目,首先是会在哪些方面遇到风险,这些可能发生的风险的大小是怎样的,使之能更加直观明朗。 第四章:论文的另一核心章节,也属于静态风险评估方法的研究部分。在这一章中主要目的是对项目整体风险进行风险评估,应用了集成的解释结构模型(ISM)和网络分析法(ANP)对其进行评估。 第五章:论文的又一核心章节,动态风险评估方法研究部分。这项研究的主要目的是根据项目实施的具体特点提出的,本项目的特点是:有很多因素会在钻探过程中发生变化,而这些因素的变化在施工前期是无法准确得到的,也就是说在施工前期所得到的情况并非准确信息,这样就加大了项目实施过程中的风险。另外,还有一些影响因素是随着钻进的加深而不断变化,我们在施工前期只能知道这影响因素的大概变化趋势,这样在很大程度上也加大了施工的风险。同时需要明确的是,由于本项目的特殊性,如果在本文中所提出的风险发生,带来的将是十分严重的后果,这样就需要我们在项目施工过程中,不断增强风险预测概率的准确性,以期能够提前给项目实施人员以预警,尽量做到防患于未然的目的。 第六章:案例研究。将以上三个核心章节中的方法应用到大陆科学深部钻探工程中,运用在项目中实际得到的数据对以上方法进行验证,一方面是能够对上述工程项目的风险有一个全面量化的结果,另外方面也是验证所提出方法的正确性和可行性。 第七章:对全文的总结和展望,在这一章中提出了本研究的不足之处以及未来的研究方向。 通过大量国内外文献的阅读以及调研,发现了下面7个在风险评估中的具体问题,因此本论文围绕大型工程的风险评估方法进行研究,就发现的问题展开探讨: (1)如何确定评语集中每个权重的合理性; (2)如何确定每个风险的相对重要性; (3)现有的评价方法并不完善,如何使其能够更加完善,评价结果能够更加合理并且不遗漏或增加风险; (4)如何更加准确地对各个风险因素进行排序; (5)如何对项目整体风险指数予以较客观的评价; (6)在动态风险评估中获得的海量数据,如何将其进行有效的数据过滤; (7)如何有效地对动态过程进行监控的问题。 针对以上提出的问题,就现有研究中很少涉及动态风险评估方法这一不足提出解决方案、针对静态风险评估中对每个风险因素进行评价的维度进行了改进,就此,本文在改进措施、调整方案、集成处理手段、处理流程思路、处理技巧等方面提出了以下的创新和改进之处: (1)用层次分析法和网络分析法来确定每个的权重的合理性。 (2)用ANP方法确定每个风险的相对重要性。 (3)在模糊综合评价法中提出一种新的四维度评价方法。 (4)用ISM方法是用来识别风险之间的相互依存关系。进行基于模糊综合评价法的项目风险因素评估方法的研究。从预备阶段的识别风险因素开始,然后进行评语集的建立和评价标准的建立,然后确定每个风险指标的权重,建立模糊评价矩阵,最后计算出风险因素的风险指数。 (5)针对风险的重要性排序问题提出一种整合了ISM和ANP的方法。基于集成的ISM和ANP方法的项目整体风险评估方法研究,将ISM和ANP方法有效集成最后计算出项目的整体风险指数。 (6)以Kalman滤波为基础,提出一种扩展的Kalman滤波方法对多尺度海量数据进行过滤。 (7)在研究动态风险评估方法是,结合实际特点,提出基于多尺度信息融合的动态风险评估方法模型。针对在动态过程中所采集数据的特点,进行动态风险评估方法上的研究,从数据过滤到算法再到模型的逐步推进,最终得到在动态过程中对风险的评估结果。 (8)将本论文的所有创新研究方法应用在SinoProbe大陆深部科学钻探项目中,以验证其可行性得到评价结果。 对于静态风险评估方法研究的研究思路和技术路线包括以下几个方面: (1)利用模糊综合评价法对项目风险因素进行评估 从预备阶段的识别风险因素开始,然后进行评语集的建立和评价标准的建立,然后确定每个风险指标的权重,建立模糊评价矩阵,最后计算出风险因素的风险指数。 (2)集成解释结构模型(ISM)和网络分析法(ANP)进行项目整体风险评估 将ISM和ANP方法有效集成以计算出项目的整体风险指数。首先确定每个风险的相互依赖程度的大小,构建可达矩阵,随后建立有向图并形成解释结构模型,接下来应用ANP构建网络结构形成超矩阵,在超矩阵的基础上构建聚类矩阵和加权超级矩阵,最终得到项目整体风险大小的评价。 对于动态风险评估方法研究的研究思路和技术路线包括以下几个方面: (1)多源信息数据过滤问题 本项目中获得数据是多元化的,获得手段包括:重力测量、磁力测量、电法测量、地震测量以及在钻井过程中的测井以及录井的数据,针对某一风险因素,不是所有的数据信息都可以利用得上,有时虽然几个测量指标都能够指征同一个地质特征,但是测量精度、表征的准确度却不尽相同,如何有效利用这些数据信息,将不必要的冗余信息剔除做到数据过滤。本文中所指的多传感器概念和以往的并非完全相同,在这里是广义的多传感器的概念,将多种获取数据的手段看成是多传感器的目标。引入多尺度Kalman滤波的概念,由于其有实时性和递归性以及融合性的特点适应于我们应用领域,建立多传感器的多尺度算法,这是研究的内容之一。 (2)动态过程多尺度信息融合表示方法和建模。 建立动态过程的信息融合表示方法和建模方法,随后应用这一方法进行动态过程的过程监控以最终得到对于动态过程风险评估的目的。 三、四、五、六章是文章的核心章节,提出评价标准,另一个是建立动态风险评估模型,并在实际项目中进行验证。 以上的研究成果包括:静态风险评估方法的研究和动态风险评估方法的研究,在研究过程中针对动态风险评估的过程,由于工作量比较大,没有对项目所涉及的所有主要风险进行动态风险评估验证,这是本文的不足之处。同时在今后的研究中,由于本项目的特点,涉及的数据是多尺度、大数据量的,在数据处理方面需要进行更进一步的优化,这是可以开展进一步研究的地方。


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