第6章-安全系統(tǒng)工程-安全預測課件

1、6 系統(tǒng)安全預測6.1 安全預測概述6.2 德爾菲預測法6.3 回歸分析法預測6.4 馬爾柯夫鏈預測法6.5 灰色系統(tǒng)預測法6.1.1 安全預測的定義預測：是人們對客觀事物發(fā)展變化的一種認識和估計，是根據(jù)過去和現(xiàn)在去研究未來，也就是要對未來可能出現(xiàn)的事件和問題作出科學的估量和表述。 安全預測：是在分析、研究系統(tǒng)過去和現(xiàn)在安全資料的基礎上，利用各種知識和科學方法，對系統(tǒng)未來的安全狀況進行預測，預測系統(tǒng)的危險種類及危險程度，以便對事故進行預報和預防。6.1.1 安全預測的定義作用：通過安全預測可以掌握一個單位安全生產的發(fā)展趨勢，為制定安全目標、安全管理措施和技術措施提供科學依據(jù)。 安全預測的組成：

2、（1）預測信息；（2）預測分析；（3）預測技術；（4）預測結果。6.1.2 安全預測的分類（1）按預測對象的范圍分1）宏觀預測。是指對整個行業(yè)、一個地區(qū)、一個企業(yè)的安全狀況的預測。2）微觀預測。是指對一個生產單位的生產系統(tǒng)或其子系統(tǒng)的安全狀況的預測。（2）按時間長短分1）長期預測。2）中期預測。3）短期預測。（3）按所應用的原理分1）白色理論預測。用于預測的問題與所受影響因素已十分清楚的情況。2）灰色理論預測。也稱為灰色系統(tǒng)預測，灰色系統(tǒng)既包含有已知信息又含有未知信息的系統(tǒng)。安全生產活動本身就是個灰色系統(tǒng)。3）黑色理論預測。也稱為黑箱系統(tǒng)或黑色系統(tǒng)預測。這種系統(tǒng)中所含的信息多為非確定的。常用的

3、安全預測方法：德爾菲預測法、回歸分析法預測、馬爾柯夫鏈預測法、灰色系統(tǒng)預測法。6.1.2 安全預測的分類6.1.3 安全預測的步驟一般說來，預測可分為4個階段10個步驟。確定預測目標和任務1.確定預測目的2.制定預測計劃3.確定預測時間輸入信息4.收集預測資料5.檢驗現(xiàn)有資料預測處理6.選擇預測方法7.建立預測模型8.進行推測或計算輸出結果9.預測結果的鑒定10.修正預測結果階段 步驟 6 系統(tǒng)安全預測6.1 安全預測概述6.2 德爾菲預測法6.3 回歸分析法預測6.4 馬爾柯夫鏈預測法6.5 灰色系統(tǒng)預測法6.2 德 爾 菲 預 測 法 德爾菲預測法是美國蘭德公司于20世紀40年代首先提出并

4、用于技術預測的一種直觀預測法。德爾菲預測法是一種廣為適用的預測方法。它既可用于科技預測，也可用于社會、經濟預測；既可用于短期預測，也可用于長期預測。德爾菲預測法的優(yōu)點：能對大量非技術性的無法定量分析的因素作出概率估計，并將概率估計結果告訴專家，充分發(fā)揮信息反饋和信息控制的作用，使分散的評估意見逐次收斂，最后集中在協(xié)調一致的評估結果上。6.2.1 德爾菲預測法的基本程序 德爾菲預測法的實質是利用專家的知識、經驗、智慧等無法數(shù)量化而帶來很大模糊性的信息。通過通信的方式進行信息交換，逐步地取得較一致的意見，達到預測的目的。德爾菲預測法的基本程序為：（1）確定預測目標目標選擇應是本系統(tǒng)或本專業(yè)中對發(fā)展

5、規(guī)劃有重大影響而且意見分歧較大的課題，預測期限以中、遠期為宜。如工礦企業(yè)傷亡事故發(fā)展趨勢預測。（2）成立管理小組 人數(shù)為二人到十幾人，要求具備必要的專業(yè)知識和統(tǒng)計學、數(shù)據(jù)處理等方面的知識。其任務為：對預測的工作過程進行設計，提出可供選擇的專家名單，搞好專家征詢和輪間信息反饋工作，整理預測結果和寫出預測報告書。（3）選擇專家 專家選擇是預測成敗的關鍵，主要要求為： 1）專家總體的權威程度較高。 2）專家的代表面應廣泛，技術、管理、情報6.2.1 德爾菲預測法的基本程序 專家和高層決策人員。 3）嚴格專家的推薦和審定程序。 4）專家人數(shù)要適當。一般為2050人，大型預測可達100人左右。（4）設計

6、評估意見征詢表 沒有統(tǒng)一的格式，但要求： 1）表格的每一欄目要緊扣預測目標。 2）表格簡明扼要。專家思考時間長，填表時間短，24小時。 3）填表方式簡單。用數(shù)字及字母表示結果。6.2.1 德爾菲預測法的基本程序 （5）專家征詢和輪間信息反饋一般分34輪征詢。在第一輪征詢中，預先擬訂一個預測事件一覽表，并允許專家對表格補充和修改。管理小組應將與課題有關的大量技術政策和經濟條件等背景材料提供給專家。在征詢表中，最常見的問題是要求專家對某項技術實現(xiàn)的日期作出預言。6.2.1 德爾菲預測法的基本程序 德爾菲預測法的特點 德爾菲法是一個可控制的組織集體思想交流的過程，使得由各方面的專家組成的集體能作為一

7、個整體來解答某個復雜問題。（1）匿名性。專家能充分發(fā)揮自己的智慧和知識。（2）反饋性。管理小組對每一輪的預測結果指出統(tǒng)計、匯總，提供有關專家的論證依據(jù)和資料，作為反饋材料發(fā)給每一位專家，供下一輪預測時參考。（3）預測結果的統(tǒng)計特性。 6.2.2 專家意見的統(tǒng)計處理 （1）數(shù)量和時間答案的處理常用中位數(shù)和上、下四分點的方法，處理專家們的答案，求出預測的期望值和時間。將專家的回答按從小到大的順序排列。如：當有n 個專家時，共有n個答數(shù)：其中位數(shù)按下式計算 （1）數(shù)量和時間答案的處理 上四分點按下式計算 下四分點按下式計算 （1）數(shù)量和時間答案的處理 數(shù)量和時間答案的處理舉例例：某企業(yè)邀請16位專家

8、對該企業(yè)某事故發(fā)生概率進行預測，得到16個數(shù)據(jù)，即 n=16，n = 2k，k = 8為偶數(shù)。數(shù)據(jù)由小到大為： n12345678事故發(fā)生概率p1031.351.381.401.401.401.451.471.50n910111213141516事故發(fā)生概率p1031.501.501.501.531.551.601.601.65解： n=16為偶數(shù)，k = 8，則中位數(shù)為：數(shù)量和時間答案的處理舉例因此，處理后的預測結果為：事故發(fā)生概率的期望值為 p = 1.5010-3，上限p上 = 1.5410-3，下限p下 = 1.4010-3。 k = 8為偶數(shù)，則上中位數(shù)為： k = 8為偶數(shù)，則下中

9、位數(shù)為：數(shù)量和時間答案的處理舉例（2）等級比較答案的處理在邀請專家進行安全預測時，常有對某些項目的重要性進行排序的要求，如預防措施的選擇、事故原因的確定等。對這類問題，可采用評分法處理。當對n 個項目排序時，第1位得 n 分，第2位得 n-1 分，然后計算：6.2.2 專家意見的統(tǒng)計處理 （2）等級比較答案的處理 式中，m 參加比較的項目個數(shù)； sj 第j個項目的總得分； kj 第j個項目的得分比重； n 要求排序的項目個數(shù)； Bi 排在第i位項目的得分； Ni 將某項目排在第i位的專家人數(shù)； M對問題作出回答的專家總人數(shù)。等級比較答案的處理舉例 例：某礦井下發(fā)生了火災，大量煤炭正在燃燒，不僅

10、造成大量經濟損失，而且對礦井安全生產也構成了威脅。為消滅火災，共提出了六個方案，請93位專家對從中選出三個方案并對其排序。 方案序號方 案 內 容123456 密閉火區(qū)，利用風壓平衡法控制漏風 密閉火區(qū)，向火區(qū)內注水 密閉火區(qū)，向火區(qū)內注泥漿 密閉火區(qū)，向火區(qū)內注爐煙 密閉火區(qū)，向火區(qū)內注液氮 密閉火區(qū)，利用風壓平衡法控制漏風并向火區(qū)內注泥漿解：要求從六個方案中選三個，故n = 3，排在第1、2、3位的得分為：B1 = 3， B2 = 2， B3 = 1。將第1方案排在第1、2、3位的專家人數(shù)分別為71、15、2，則N1 = 71， N2 = 15， N3 = 2。于是得：等級比較答案的處理舉

11、例 用同樣方法處理其他項目，所得結果如下表。方案序號123456各方案得分2453665531168各方案得分比重0.440.070.120.010.060.30各方案排序通過比較各方案的得分比重，認為應采取的措施及其順序為：第1、第6、第3方案，即都需要密閉火區(qū)，綜合采取風壓平衡法控制漏風并向火區(qū)內注泥漿。等級比較答案的處理舉例 6 系統(tǒng)安全預測6.1 安全預測概述6.2 德爾菲預測法6.3 回歸分析法預測6.4 馬爾柯夫鏈預測法6.5 灰色系統(tǒng)預測法6.3 回歸分析法預測企業(yè)或部門的安全狀況與影響它的各種因素是一個密切聯(lián)系的整體。而這個整體又具有相對穩(wěn)定性和持續(xù)性，即時間序列平穩(wěn)性。這樣就

12、可以拋開對逐個因素的分析，就其整體利用慣性原理，對企業(yè)或部門的安全狀況進行預測提供了可能。 6.3.1 回歸分析法概述企業(yè)或部門的安全狀況可以用一定時期內的傷亡人次數(shù)、千人死亡率、千人負傷率、百萬噸產品死亡率等指標來表示。所有這些指標，都可以通過預測，對其未來的變化作出估計?；貧w分析法具有預測結果比較接近實際、易于表示數(shù)據(jù)的離散性并給出預測區(qū)間等優(yōu)點，在工礦企業(yè)傷亡事故趨勢預測中已得到了廣泛的應用。 回歸分析法是研究相關關系的一種數(shù)理統(tǒng)計方法，分為一元回歸和多元回歸。 回歸分析法預測的步驟（1）根據(jù)實驗或觀察數(shù)據(jù)，繪制散點圖，大體確定變量之間的相關關系；（2）根據(jù)散點圖初步確定相關關系方程表達

13、式的類型，建立經驗回歸方程，從而對變量之間的關系程度進行精確的計算與分析。散點圖是利用有對應關系的兩個變量分別作為坐標，且將這兩個變量的統(tǒng)計值標在該坐標系中所成的圖形上。在繪制散點圖之前，應先根據(jù)實驗或觀察取得一組互相對應的數(shù)據(jù)編制成數(shù)據(jù)表，然后根據(jù)散點圖進行計算和分析。 相 關 關 系 的 分 類（1）從相關的性質分為正相關和負相關；（2）從影響因素的多少分為單相關和復相關。單相關是兩個現(xiàn)象之間的關系；（3）從相關的表現(xiàn)形式分為直線相關和曲線相關。（4）從相關緊密程度分為完全相關、不完全相關和不相關。完全相關為函數(shù)關系，兩現(xiàn)象各自獨立，毫無關系則為不相關，在完全相關和不相關之間則為不完全相關

14、(安全系統(tǒng)多屬于此)。6.3.2 一元線性回歸法預測（1）回歸直線方程及其求法 為了研究線性相關關系，需要利用數(shù)學方程式，對實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)配合一條適當?shù)木€性修均線，其直線方程為： y = a + bx (6.6)式中 x、y 分別為自變量和因變量；參數(shù)a、b分別表示直線的縱截距和斜率。式（7.1）是研究線性函數(shù)關系的方程表達式，當a、b確定之后，回歸直線也可確定。參數(shù)a、b一般用最小二乘法求得。回歸直線方程的確定最小二乘法要求y的修均值和實際值的離差平方和為最小，即設有n對x與y的數(shù)值，若y的修均值值以a+ bx代入，則此離差平方和成為a與b的函數(shù)，用 W(a,b) 表示，即回歸直線方程的確定為

15、了使W(a,b) 成為最小，可分別求W(a,b)對a及b的偏導且令其等于0，整理后得： 由上述方程可求得參數(shù)a、b分別為：回歸分析法預測的舉例一元線性回歸用于企業(yè)事故趨勢分析時，方程式中各變量代表的具體意義為：x時間順序號；y事故數(shù)據(jù)；n事故數(shù)據(jù)總數(shù)。例：某企業(yè)近10年來的事故傷亡人數(shù)如下頁表所示，現(xiàn)用一元線性回歸法預測事故的發(fā)展趨勢。 解 首先，根據(jù)傷亡人數(shù)的統(tǒng)計數(shù)值繪制散點圖，得出傷亡人數(shù)與時間的關系為直線關系。然后，求出參數(shù)a、b： 回歸直線方程的確定舉例時間順序號(x)傷亡人數(shù)(y)x2xyy21234567891066757394683435325358149162536496481

16、100661502193763402042452564775804356562553298836462411561225102428093364回歸直線方程的確定舉例合計（2）回歸分析法的相關關系因此回歸直線方程為：y = 80.2 3.89 x 在回歸分析中，還應研究計算得到的回歸直線是否符合實際數(shù)據(jù)變化的趨勢。為此引入相關系數(shù)r 的概念，其計算公式為： 相關系數(shù)取不同的數(shù)值時，分別表示實際數(shù)據(jù)和回歸直線之間的不同符合情況。 1）r = 0時，表示回歸直線不符合實際數(shù)據(jù)的變化情況； （2）回歸分析法的相關關系 2）0 |r| 1時，表示回歸直線在一定程度上符合實際數(shù)據(jù)的變化趨勢。|r|越大，

17、說明回歸直線與實際數(shù)據(jù)變化趨勢的符合程度越大；|r|越小，則符合程度越小。 （2）回歸分析法的相關關系 3）|r| =1時，表示回歸直線完全符合實際數(shù)據(jù)的變化情況。 （2）回歸分析法的相關關系（3）回歸分析法的預測與控制在回歸分析中，還應根據(jù)回歸方程來預測 y 的取值范圍。當 n 較大時，y 的剩余均方差為： 當x = x0 時，相應的 y0 服從正態(tài)分布，則 y0 落在y02Sy0區(qū)間上的概率為0.9545，因此可得到y(tǒng) 的預測區(qū)間為y0-2Sy0， y0+2Sy0，也可求出 y 在某區(qū)間內取值，相應 x 在什么范圍。（3）回歸分析法的預測與控制仍以前面的傷亡數(shù)據(jù)為例,說明預測區(qū)間的求法。

18、該例的回歸直線過程為：可以將前面表中xi 的分別代入方程求得y的均值，再以實際 yi 分別減去y的均值，即可計算得到據(jù)此可預測y的取值范圍。例如，設 x = 11，則 y = 80.2 3.8911 = 37.41相應預測區(qū)間為：37.41217.8 = 37.41 35.6，即1.81,73.01，y值落在1.8173.01內的概率為0.9545。或者37.4117.8 ，即19.61,55.21。我們可以作出預測帶如圖所示。（3）回歸分析法的預測與控制6.3.3 一元非線性回歸預測法非線性回歸分析方法是通過一定的變換，將非線性問題轉化為線性問題，然后利用線性回歸的方法進行回歸分析。非線性回

19、歸曲線有很多種，選用哪一種曲線作為回歸分析則要根據(jù)實際數(shù)據(jù)在坐標系中的變化分布形狀，也可根據(jù)專業(yè)知識確定分析曲線。常用的非線性回歸曲線有以下幾種。（1）雙曲線（2）冪函數(shù)（3）指數(shù)函數(shù)6.3.3 一元非線性回歸預測法（4）對數(shù)函數(shù)下面以指數(shù)函數(shù) y = aebx 為例，說明非線性曲線的回歸方法例 某鋼廠上一年的工傷人數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下頁表所示，試用指數(shù)函數(shù) y = aebx 進行回歸分析。6.3.3 一元非線性回歸預測法月份時間順序號(x)工傷人數(shù)(y)yx2xyy2123456789101112123456789101112151276456744212.7082.4851.9461.7921

20、.3861.6091.7921.9461.3861.3860.69301491625364964811001211442.7084.9705.8387.1686.9309.65412.5415.5712.4713.867.62307.3336.1753.7873.2111.9312.5893.2113.787.01.9210.4800一元非線性回歸曲線一元非線性回歸預測法舉例故指數(shù)回歸曲線方程為:計算相關系數(shù)：一元非線性回歸預測法舉例0 |r| 1，說明用指數(shù)曲線進行回歸分析，在一定程度上反映了該廠實際工傷人數(shù)的變化趨勢。還可進一步計算出 y 的預測區(qū)間。6 系統(tǒng)安全預測6.1 安全預測概述6

21、.2 德爾菲預測法6.3 回歸分析法預測6.4 馬爾柯夫鏈預測法6.5 灰色系統(tǒng)預測法6.4 馬爾柯夫鏈預測法 如果事物的發(fā)展過程及狀態(tài)只與事物當時的狀態(tài)有關，而與以前狀態(tài)無關時，則此事物的發(fā)展變化稱為馬爾柯夫鏈。如果系統(tǒng)的安全狀況具有馬爾柯夫性質，且一種狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)的規(guī)律又是可知的，那么可以利用馬爾柯夫鏈的概念進行計算和分析，來預測未來特定時刻的系統(tǒng)安全狀態(tài)。馬爾柯夫鏈是表征一個系統(tǒng)在變化過程中的特性狀態(tài)，可用一組隨時間進程而變化的變量來描述。馬爾柯夫鏈預測法 如果系統(tǒng)在任何時刻上的狀態(tài)是隨機性的，則變化過程是一個隨機過程，當時刻 t 變到時刻 t+1，狀態(tài)變量從某個取值變到另一個取

22、值，系統(tǒng)就實現(xiàn)了狀態(tài)轉移。系統(tǒng)從某種狀態(tài)轉移到各種狀態(tài)的可能性大小，可用轉移概率來描述。假定系統(tǒng)的初始狀態(tài)可用狀態(tài)向量表示為： 狀態(tài)轉移概率矩陣為: 6.4.2 狀態(tài)轉移概率矩陣及其性質 狀態(tài)轉移矩陣是一個 n 階方陣，滿足概率矩陣的一般性質，即有 0 pij 1 且 。也就是說，狀態(tài)轉移矩陣的所有行向量都是概率向量。一次轉移向量 s(1) 為:二次轉移向量 s(2) 為:類似地6.4.3 安全預測 馬爾柯夫鏈預測法舉例 例：某單位對1250名接觸矽塵人員進行健康檢查時，發(fā)現(xiàn)職工的健康狀況分布如表所示。 健 康 狀 況 健 康疑 似 矽 肺 矽 肺代 表 符 號 s1(0)s2(0)s3(0)

23、人 數(shù)100020050根據(jù)統(tǒng)計資料，一年后接塵人員的健康變化規(guī)律為：健康人員繼續(xù)保持健康者剩70%，有20%變?yōu)橐伤莆危?0%的人被定為矽肺，即馬爾柯夫鏈預測法舉例 原有疑似矽肺者一般不可能恢復為健康者，仍保持原狀者為80%，有20%被正式定為矽肺，即 因此，狀態(tài)轉移矩陣為 矽肺患者一般不可能恢復為健康或返回疑似矽肺，即 馬爾柯夫鏈預測法舉例 預測一年后接塵人員的健康狀況為： 即一年后，仍然健康者為700人，疑似矽肺者360人，被定為矽肺者190人。預測表明，該單位矽肺發(fā)展速度很快，必須加強防塵工作和醫(yī)療衛(wèi)生工作。 6 系統(tǒng)安全預測6.1 安全預測概述6.2 德爾菲預測法6.3 回歸分析法預測6.4 馬爾柯夫鏈預測法6.5 灰色系統(tǒng)預測法6.5 灰色系統(tǒng)預測法 灰色系統(tǒng)理論預測通過一系列數(shù)據(jù)生成方法，如直接累加法、移動平均法、加權累加法、自適應性累加法等，將根本沒有規(guī)律的、雜亂無章的或規(guī)律性不強的一組原始數(shù)據(jù)變得具有明顯的規(guī)律性，解決了數(shù)學界一直認為不能解決的微分方程建模問題。灰色系統(tǒng)預測是從灰色系統(tǒng)的建模、關聯(lián)度及殘差辨識