Statistiska metoder för säkerhetsanalys



Relevanta dokument
Lunds tekniska högskola Matematikcentrum Matematisk statistik

Tentamen i matematisk statistik (9MA241/9MA341/LIMAB6, STN2) kl 08-13

Statistik 1 för biologer, logopeder och psykologer

SF1625 Envariabelanalys

INLÄMNINGSUPPGIFT 2 (Del 2, MATEMATISK STATISTIK) Kurs: MATEMATIK OCH MATEMATISK STATISTIK 6H3000

Föreläsning 9: Hypotesprövning

Tentamen i TMA321 Matematisk Statistik, Chalmers Tekniska Högskola.

Lathund, procent med bråk, åk 8

1. Frekvensfunktionen nedan är given. (3p)

Statistiska metoder för säkerhetsanalys

Uppgift

TT091A, TVJ22A, NVJA02 By, Pu, Ti. 50 poäng

k x om 0 x 1, f X (x) = 0 annars. Om Du inte klarar (i)-delen, så får konstanten k ingå i svaret. (5 p)

Lösningar till Tentamen i Matematisk Statistik, 5p 22 mars, Beräkna medelvärdet, standardavvikelsen, medianen och tredje kvartilen?

Får nyanlända samma chans i den svenska skolan?

Flervariabelanalys E2, Vecka 2 Ht08

5 Kontinuerliga stokastiska variabler

Extrauppgifter. Uppgifter. 1. Den stokastiska variabeln Y t(10). Bestäm c så att P ( c < Y < c) = 0.95.

Summor av slumpvariabler

HT 2011 FK2004 Tenta Lärare delen 4 problem 6 poäng / problem

Övningshäfte i matematik för. Kemistuderande BL 05

Erfarenheter från ett pilotprojekt med barn i åldrarna 1 5 år och deras lärare

konstanterna a och b så att ekvationssystemet x 2y = 1 2x + ay = b 2 a b

Volymer av n dimensionella klot

Projekt benböj på olika belastningar med olika lång vila

Mätningar på op-förstärkare. Del 3, växelspänningsförstärkning med balanserad ingång.

Tentamen'i'TMA321'Matematisk'Statistik,'Chalmers'Tekniska'Högskola.''

Modul 6: Integraler och tillämpningar

Tentamen i Statistik, STA A13 Deltentamen 2, 5p 24 januari 2004, kl

parametriska test Mätning Ordinalskala: Nominalskala:

Datorövning 2 Diskret fördelning och betingning

SF1620 Matematik och modeller

Statsbidrag för läxhjälp till huvudmän 2016

Bemanningsindikatorn Q1 2015

729G04 - Hemuppgift, Diskret matematik

Matematisk statistik 9 hp Föreläsning 6: Linjärkombinationer

4-6 Trianglar Namn:..

David Wessman, Lund, 30 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 5. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

Avd. Matematisk statistik

Kundservicerapport Luleå kommun 2015

Effekt av balansering 2010 med hänsyn tagen till garantipension och bostadstillägg

Möbiustransformationer.

SKOGLIGA TILLÄMPNINGAR

Syftet med den här laborationen är att du skall bli mer förtrogen med följande viktiga områden inom matematisk statistik

Algebra, polynom & andragradsekvationer en pampig rubrik på ett annars relativt obetydligt dokument

Repetition av cosinus och sinus

Kvinnor som driver företag pensionssparar mindre än män

5B1816 Tillämpad mat. prog. ickelinjära problem. Optimalitetsvillkor för problem med ickelinjära bivillkor

Enkätresultat för elever i åk 9 i Borås Kristna Skola i Borås hösten Antal elever: 20 Antal svarande: 19 Svarsfrekvens: 95% Klasser: Klass 9

Kvalster. Korrelation och regression: lineära modeller för bivariata samband. Spridningsdiagram. Bivariata samband

omvårdnad GÄVLE Maxtaxa 2016 Vård- och omsorgsboende

Tentamen I a och I b. Personlighet, hälsa och socialpsykologi, PC1245, Delkurs 1 Personlighet och hälsa Personlighet och Hälsa, PC1205 Helfart, vt 10

Varför är det så viktigt hur vi bedömer?! Christian Lundahl!

Enkätresultat för vårdnadshavare till elever i Centralskolan Söder 4-9 i Grästorp hösten Antal svar: 50

a n = A2 n + B4 n. { 2 = A + B 6 = 2A + 4B, S(5, 2) = S(4, 1) + 2S(4, 2) = 1 + 2(S(3, 1) + 2S(3, 2)) = 3 + 4(S(2, 1) + 2S(2, 2)) = = 15.

Hävarmen. Peter Kock

Övningshäfte Algebra, ekvationssystem och geometri

Vi skall skriva uppsats

Träning i bevisföring

Enkätresultat för elever i år 2 i Nösnäsgymnasiet 2 i Stenungsund våren 2014

Föreläsning 14: Försöksplanering

Om erbjudandet för din pensionsförsäkring med traditionell förvaltning.

Observera att alla funktioner kan ritas, men endast linjära funktioner blir räta linjer.

Ha det kul med att förmedla och utveckla ett knepigt område!

Lastbilsförares bältesanvändning. - en undersökning genomförd av NTF Väst Sammanställd mars 2013

Enkätresultat för elever i år 2 i Mega Musik gymnasium hösten Antal elever: 47 Antal svarande: 46 Svarsfrekvens: 98% Klasser: MM13

SANNOLIKHET. Sannolikhet är: Hur stor chans (eller risk) att något inträffar.

Enkätresultat för elever i år 2 i Praktiska Skövde i Praktiska Sverige AB hösten 2014

Datorövning 2 Statistik med Excel (Office 2007, svenska)

Stratsys för landsting och regioner

Skillnaden mellan betygsresultat på nationella prov och ämnesbetyg i årskurs 9, läsåret 2010/11

KONSTNÄRSNÄMNDENS UNDERSÖKNINGAR OM KONSTNÄRER MED UTLÄNDSK BAKGRUND 1

Institutionen för matematik Envariabelanalys 1. Jan Gelfgren Datum: Fredag 9/12, 2011 Tid: 9-15 Hjälpmedel: Inga (ej miniräknare)

4-3 Vinklar Namn: Inledning. Vad är en vinkel?

SOLCELLSBELYSNING. En praktisk guide. Råd & Tips SOLENERGI LADDA MED. Praktiska SÅ TAR DU BÄST HAND OM DIN SOLCELLSPRODUKT

Tentamen i Sannolikhetslära och statistik (lärarprogrammet) 12 februari 2011

Invisible Friend Senast uppdaterad

F14 Repetition. Måns Thulin. Uppsala universitet Statistik för ingenjörer 6/ /15

En förskola med barnen i centrum

Sammanfattning av kursdag 2, i Stra ngna s och Eskilstuna

EN BÄTTRE KREDITAFFÄR

Snapphanalegen. Firekángabogena. Spelregler. (4 spelare)

Grundläggande biostatistik. Jenny Selander

Skrivning i statistik med beslutsteori för Brandingenjörer tisdag 26 maj 2009

När jag har arbetat klart med det här området ska jag:

SEPARABLA DIFFERENTIALEKVATIONER

Mätosäkerhet vid förstörande provning

OBS! Skriv e-postadress på tentan om du vill ha resultatet innan jul. Tentamensgenomgång måndagen den 9/ kl i MC413.

Vägledning för ifyllande av kemikalieförteckning

Hur utvecklar man användbara system? Utvärdering. Användbarhet handlar om kvalitet. Utvärdering. Empiriska mätningar. Metoder

Datorövning 3: Icke-parametriska test

Omvandla Vinklar. 1 Mattematiskt Tankesätt

Mer information om arbetsmarknadsläget i Kronobergs län i slutet av april månad 2013

Brister i kunskap vid gymnasieval

1 Navier-Stokes ekvationer

Företagsamhetsmätning Kronobergs län JOHAN KREICBERGS HÖSTEN 2010

Till dig som vill bli medlem i SEKO

Systematiskt kvalitetsarbete

Elektronen och laddning

Föreläsning 5, Matematisk statistik 7.5hp för E Linjärkombinationer

Transkript:

F12: Tillförlitlighet och säkerhetsindex

Cornell Styrka Säkerhetsindex Ett säkerhetsindex, b: Är ett mått på ett systems tillförlitlighet. Är ett grövre mått än felsannolikheten P f. Används när P f inte kan räknas ut (t.ex. när vi inte har tillräcklig information eller när osäkerheten är för stor). Används för att jämföra olika system: ju högre säkerhetsindex desto lägre felsannolikhet (dvs bättre system). Finns i olika varianter, t.ex. Cornell och Hasofer-Lind.

Cornell Styrka Cornells säkerhetsindex Cornells säkerhetsindex, b C, definieras som b C = E(h(X 1,..., X n )) D(h(X 1,..., X n )) där h(x 1,..., X n ) är systemets felfunktion (dvs säkerhetsmarginal) men med E(h(X 1,..., X n )) > 0. Om h(x 1,..., X n ) är approximativt normalfördelad, h( ) N(m h, s 2 h ), så mäter b C avståndet från m h till det kritiska området, i s h -enheter: P f = P(h( ) < 0) = F( 0 m h s h ) = F( b c ) För alla felfunktioner h( ), oavsett fördelning, gäller att P f 1 1 + b 2 C

Cornell Styrka Ex: Styrka och last (igen): Vi har ett system där styrkan kan ses som en slumpvariabel R (Resistance) och lasten som en annan slumpvariabel S (Stress). Beräkna Cornells säkerhetsindex i de tre situationerna: (a) Styrkan R N(5, 0.3 2 ) medan lasten S N(3, 0.6 2 ) och de är oberoende. (b) Styrkan och lasten är normalfördelade enligt (a) men korrelerade med r(r, S) = 0.5. (c) Styrkan och lasten är lognormalfördelade med ln R N(ln 5, 0.1 2 ) och ln S N(ln 3, 0.2 2 ) med korrelationen r(ln R, ln S) = 0.5.

Cornell Styrka Ex: Styrka och last (forts): (a) Vi har att systemet går sönder om S > R dvs om h(s, R) = R S < 0 med R S N(2, 0.45) och b C = E(h(S, R)) = 2 = 2.98. V(h(S, R)) 0.45 Vi har alltså en felmarginal på nästan 3 standardavvikelser. (b) Vi har nu R S N(2, 0.63) och b C = 2/ 0.63 = 2.52. Vi har alltså en felmarginal på drygt 2.5 standardavvikelser. Systemet är lite sämre än tidigare. (c) Vi har nu ln R ln S N(0.51, 0.069) och b C = 0.51/ 0.069 = 1.95. Vi har alltså en felmarginal på nästan 2 standardavvikelser. Systemet är ännu sämre än tidigare.

Cornell Styrka Ex: Styrka och last (forts): Fördelningarna för h(r,s) 2 1.5 (a): R S, ober. (b): R S, korr (c): ln R ln S, korr 1 0.5 0 1 0 1 2 3 4 5 6 Standardiserade fördelningar: N(β C, 1 2 ) 0.5 0.4 (a): β C = 2.98 (b): β C = 2.52 (c): β C = 1.96 0.3 0.2 0.1 0 1 0 1 2 3 4 5 6

Cornell Styrka Ex: Styrka och last (forts): Är approximationerna av felsannolikheten bra? (a) Vi beräknade förra gången P f = F( b C ) = 1 F(b C ) = 0.0014 1 1 + b 2 C = 1 1 + 2.98 2 = 0.10. Sant men väldigt grov uppskattning. 1 (b) Vi har P f = 0.0059 1 + 2.52 2 = 0.14. (c) Vi har P f = 0.026 1 1 + 1.95 2 = 0.21. Approximationerna är alltså rätt dåliga.

Exempel: Avfall Vid en avfallsanläggning bränner man hushållsavfall. Ett filter i skorstenen reducerar mängden av ett visst giftigt ämne i rökgaserna med en faktor K, vilket anses variera med väntevärde 50 % och variationskoefficient 0.12. Det högsta tillåtna utsläppet är 40 mg/min. Vid förbränningen avgår i medel 50 mg/min; motsvarande standardavvikelse är 10 mg/min. Vid ett visst tillfälle avgår mängden X per tidsenhet. Totala utsläppet blir då Y = (1 K) X. (a) Beräkna Cornells säkerhetsindex. Antag att K och X är oberoende. (b) Normalt minskar dock effektiviteten K då belastningen X ökar. Man brukar räkna med att korrelationskoefficienten mellan K och X är 0.7, alltså negativ. Vad blir Cornells säkerhetsindex i så fall?

Ex: Avfall (forts) Vi har att systemet går sönder om utsläppet överstiger 40 mg/min, dvs där Y > 40 (1 K) X > 40 40 (1 K) X < 0, h(k, X) = 40 (1 K) X < 0 E(K) = 0.5 = m K, R(K) = D(K) E(K) = D(K) 0.5 = 0.12 D(K) = 0.12 0.5 = 0.06 V(K) = 0.06 2 = s 2 K, E(X) = 50 = m X, D(X) = 10, V(X) = 10 2 = s 2 X Vi vet inget om fördelningstypen, dessutom är funktionen h(k, X) inte linjär. Vi behöver hitta approximationer för dess väntevärde och varians!

Gauss approximationsformler (en variabel): Låt X vara en stokastisk variabel med väntevärde E(X) = m och varians V(X) = s 2. Om funktionen h(x) är tillräckligt linjär i närheten av m så gäller att: E[h(X)] h(m), V[h(X)] ( h (m) ) 2 V(X) = ( h (m) ) 2 s 2. Bevis: första ordningens taylorutvekling av h(x) kring x = m: h(x) h(m) + h (m) (x m), E(h(X)) E(h(m) + h (m) (X m)) = h(m) + h (m) (E(X) m) = h(m), V(h(X)) V(h(m) + h (m) (X m)) = (h (m)) 2 V(X).

Exempel: Gauss approx. i en variabel 20 15 h(x) = x 2 h(x) h(µ) + h (µ)*(x µ) 10 5 µ 2 0 µ 5 1 0 1 2 3 4 5 x Om vi har att E(X) = m = 2 och V(X) = s 2 = 1 och h(x) = x 2 så h(x) m 2 + 2m (x m), E[X 2 ] m 2 = 2 2 = 4, V[X 2 ] (2m) 2 s 2 = (2 2) 2 1 = 4 2 = 16

Gauss approximationsformler (två variabler): Låt X och Y vara två s.v. med väntevärden m X respektive m Y. E[h(X, Y)] h(m X, m Y ), V[h(X, Y)] ( h x(m X, m Y ) ) 2 V(X) + ( h y(m X, m Y ) ) 2 V(Y) + 2 h x(m X, m Y ) h y(m X, m Y ) Cov(X, Y) där h x(x, y) = h(x, y), x h y(x, y) = h(x, y). y

Ex: Avfall (forts): Vi har att Det ger h(k, X) = 40 (1 K) X, h k (K, X) = (40 (1 K) X) = X, K h x(k, X) = (40 (1 K) X) = (1 K). X E(h(K, X)) h(m K, m X ) = 40 (1 m K ) m X = 40 (1 0.5) 50 = 15 mg/min.

Ex: Avfall (forts) (a): Om K och X är oberoende, dvs Cov(K, X) = 0, får vi V(h(K, X)) (h k (m K, m X )) 2 V(K) + (h x(m K, m X )) 2 V(X) = (m X ) 2 V(K) + ( (1 m K )) 2 V(X) = 50 2 0.06 2 + (1 0.5) 2 10 2 34 (mg/min) 2. Cornells säkerhetsindex fås då som b C = E(h(K, X)) D(h(K, X)) 15 = 2.57 34 och en övre gräns för felsannolikheten är P f 1 1 + b 2 C 1 1 + 2.57 2 = 0.13.

Ex: Avfall (forts) (b): Om K och X är korrelerade med Cov(K, X) = 0.7 V(K) V(X) = 0.7 = 0.42, 0.06 2 10 2 får vi V(h(K, X)) (h k (m K, m X )) 2 V(K) + (h x(m K, m X )) 2 V(X) + 2 h k (m K, m X ) h x(m K, m X ) Cov(K, X) = (m X ) 2 V(K) + ( (1 m K )) 2 V(X) + 2 m X ( (1 m K )) Cov(K, X) = 50 2 0.06 2 + (1 0.5) 2 10 2 + 2 50 ( (1 0.5)) ( 0.42) 55 (mg/min) 2.

Ex: Avfall (forts) (b): Cornells säkerhetsindex fås nu som b C = E(h(K, X)) D(h(K, X)) 15 55 = 2.02 och en övre gräns för felsannolikheten är P f 1 1 + b 2 C 1 1 + 2.02 2 = 0.20.

Ex: Brandutrymning: Vid design av större byggnationer måste hänsyn tas till brandsäkerhet. Speciellt är man, för en byggnad av givna dimensioner, intresserad av hur stor kapacitet i form av dörrar som erfordras för att säkerställa vissa specifikationer vad gäller utrymningstid. Betrakta en byggnad med golvarea 1600 m 2 och takhöjd 5 m och med dörrkapacitet om 4 m. Utifrån mätningar och fysikalisk kunskap har man fått en modell för säkerhetsmarginalen (failure function) G vad gäller utrymningstid: G = 182.17 M S a 0.26 16.54 a 0.478 R 400 N där följande stokastiska variabler (med väntevärden m och standardavvikelser s) ingår:

Ex: Brandutrymning (forts): Variabel Beskrivning m s a Brandens tillväxthastighet (kw/s 2 ) 0.05 0.01 M S Modellosäkerhet 1.35 0.1 R Reaktionstid (s) 100 80 N Antal personer per m 2 0.7 0.4 (Säkerhetsmarginalen uttrycks i sekunder. Konstanterna i relationen ovan är alltså inte dimensionslösa; byggnadens dimensioner, flöden av människor etc. finns inkluderade i konstanterna.) (a) Beräkna med hjälp av Gauss approximationsformler E(G) och V(G). (b) Använd Cornells säkerhetsindex för att ge en uppskattning av sannolikheten för negativ säkerhetsmarginal.

Ex: Brandutrymning (forts) (a): Gauss approximation ger E(G) 182.17 m MS m 0.26 a 16.54 m 0.478 a m R 400 m N = 182.17 1.35 0.05 0.26 16.54 0.05 0.478 100 400 0.7 = 86.64 s. För variansen behöver vi de 4 partiella derivatorna: G M S = 182.17 a 0.26, G a = 0.26 182.17 M S a 0.26 1 + 0.478 16.54 a 0.478 1, G R = 1, G N = 400. Vi får också hoppas att de fyra slumpvariablerna är okorrelerade.

Ex: Brandutrymning (forts) (a): Nu får vi V(G) (182.17 m 0.26 a ) 2 s 2 M S + ( 0.26 182.17 m MS m 1.26 a + 0.478 16.54 m 1.478 a ) 2 s 2 a + ( 1) 2 s 2 R + ( 400)2 s 2 N = 34 027 s2. (b) Uppskatta felsannolikheten: Vi får b C = E(G) D(G) 86.64 34 027 = 0.47, P f = P(G < 0) 1 1 + b 2 C 1 1 + 0.47 2 = 0.82.

Jordbävning Konfidensintervall med delta-metoden Generellt: j = okänd parameter med ML-skattning j N(j, V(j )). I j = (j ± l a/2 V(j )) Om V(j ) är svår att beräkna kan man istället approximera den med hjälp av Gauss-approximation. Då sägs intervallet vara gjort med delta-metoden. Ex: Jordbävningar (igen): Vi studerade tiden, T mellan jordbävningar och antog att tiderna var exponentialfördelade med väntevärde a = 1/l. Speciellt intressant var sannolikheten att det dröjde mer än 1500 dagar mellan två jordbävningar, d.v.s. p = P(T > 1500) = e 1500/a där a skattades med a = t = 437.21 baserat på 62 tider. Den intressanta sannolikheten p skattades med p = e 1500/a = 0.0324.

Jordbävning Ex: Jordbävningar (forts): (a) Beräkna, m.h.a. Gauss approximationsformler, V(p ). (b) Gör, m.h.a. deltametoden, ett konfidensintervall för p med approximativ konfidensgrad 95 %. (c) Vilka andra metoder har vi under kursens gång använt för att göra konfidensintervall för p? Losning: Vi har T Exp(a) med E(T) = a och V(T) = a 2. Eftersom tiderna är oberoende har vi också E(a ) = E( 1 n V(a ) = V( 1 n n T i ) = 1 n i=1 n T i ) = 1 n 2 i=1 n i=1 n i=1 E(T i ) = n a n = a, V(T i ) = n a2 n 2 = a2 n.

Jordbävning Ex: Jordbävningar (forts) (a): Vi har att p = e 1500/a = h(a ) där h (a ) = 1500 (a ) 2 e 1500/a ( 1500 V(p ) (h (E(a )) 2 V(a ) = a 2 ) 2 e 1500/a a2 n = 15002 n a 2 e 2 1500/a 15002 n (a ) 2 e 2 1500/a = 1.988 10 4

Jordbävning Ex: Jordbävningar (forts) (b): Ett approximativt 95 % konfidensintervall för p ges då av I p = (p ± l 0.025 V(p )) = (0.0324 ± 1.96 1.988 10 4 ) = (0.0047, 0.060) (c) Andra konfidensintervall (Lab 3): Bootstrap: I p = (0.0032, 0.052). Bayesianskt trolighetsintervall: I p = (0.012, 0.069).