TU03 Expert Mening voor het bepalen van multidimensionale onzekerheid

Aanleiding van het project

De nieuwe normering voor het toetsen van waterkeringen in Nederland is gebaseerd op een overstromingsrisicobenadering. Op basis van acceptabele risiconiveaus in Nederland (bv 10-5 individueel risico om te overlijden ten gevolge van een overstroming) zijn eisen aan de waterkeringen afgeleid in termen van overstromingskansen. Met ingang van 1 januari 2017 zijn bijbehorende regels voor het beoordelen (en dus ook voor het ontwerp) van waterkeringen vastgelegd in het WBI2017 (Wettelijk Beoordelings Instrumentarium 2017). Dit instrumentarium is in de basis sterk model-gebaseerd en zo generiek dat het toepasbaar is voor het merendeel van de keringen. Er zijn echter wat problemen met (toepassing van) het huidige instrumentarium. Twee ervan worden in het kader van dit voorstel eruit gelicht: 1) lokale omstandigheden kunnen buiten het toepassingsbereik van de standaard modellen vallen en 2) de regels zijn in stappen afgeleid, en iedere keer met conservatieve keuzes ingericht. De toets op maat die ruimte biedt voor inzet van expert meningen en kansinschatting met inachtname van lokale omstandigheden is dermate vormvrij dat gebruikers van het WBI moeite hebben met het gebruiken en onderbouwen van deze toets op maat. Het effect daarvan zien we nu in beoordelingen, waar (soms onterecht) hoge overstromingskansen worden gerapporteerd.
De overstromingskans wordt echter beïnvloed door verschillende variabelen en er is een onzekerheid in deze kansbepaling. Ten eerste is er de onzekerheid op het niveau van de individuele variabelen (“afhankelijke-blinde onzekerheid”). Ten tweede zijn variabelen vaak afhankelijk van elkaar (“multidimensionale-onzekerheid”) en er is meningsverschil mbt de mate van afhankelijkheid.

Doel van het project

Berekening van de overstromingskans met afhankelijke-blinde onzekerheid leidt waarschijnlijk tot incomplete (of onjuiste) conclusies. Om een betere inschatting van de overstromingskans te kunnen maken is het belangrijk dat de statistische afhankelijkheid tussen verschillende variabelen (multidimensionale-onzekerheid) wordt meegenomen.

Probleembeschrijving:

De laatste jaren is er veel onderzoek geweest naar het bepalen van de onzekerheid van individuele variabelen. Indien er bijvoorbeeld onvoldoende veldmetingen zijn, of als de metingen van slechte kwaliteit zijn om de waarde van een variabele te bepalen, wordt vaak “structured expert judgement” toegepast om toch een aannemelijk waarde van de variabele te krijgen. Deze methode, ontwikkeld door Cooke (1991), is toegepast in een groot aantal disciplines zoals in de epidemiologie of bij het bepalen van de betrouwbaarheid van kerncentrales. Een andere naam voor deze methode is ook dependence-blind uncertainty characterization of univariate dependence characterization.

Er is echter nog nauwelijks onderzoek gedaan naar methodes om de afhankelijkheid tussen de onderlinge variabelen te bepalen door expert meningen.

In dit onderzoeksvoorstel willen we een nieuwe methode ontwikkelen, die de statistische afhankelijkheid tussen de variabelen meeneemt in de “structured expert judjement”. We noemen dit “multidimensional uncertainty characterization”.

Het doel van dit onderzoek is om de overstromingskansen van waterkeringen betrouwbaarder te kunnen inschatten, door middel van “expert judgment” waarbij de afhankelijkheid van de verschillende variabelen die tot overstromen kunnen leiden wordt meegenomen.

Omschrijving van de activiteiten

Er zal een voltijds onderzoekers (Onderzoeker 1) worden aangenomen voor 1 jaar een 3 maanden. Deze onderzoeker zal worden begeleid door Oswaldo Morales-Napoles en Matthijs Kok. Als eerste zal er een vragenlijst opgesteld worden volgens de procedure van Cooke. De vragen zullen betrekking hebben op dijkveiligheid en de afhankelijkheid van de variabelen. Deze vragenlijst wordt, tijdens een workshop in juli 2019, voorgelegd aan enkele experts uit het vakgebied. Vervolgens zal de vragenlijst op basis van de feedback en uitkomst van de workshop worden verbeterd. De definitieve vragenlijst wordt vervolgens in september, oktober of november 2019 voorgelegd aan 5 tot 10 zorgvuldig gekozen experts.

De vragenlijst zal worden uitgewerkt met behulp van de open-source code Anduril (Anduryl). Deze code is ontworpen in de vakgroep van Oswaldo Morales-Napoles en gepresenteerd in SoftwareX journal. De code zal worden uitgebreid zodat de afhankelijkheid van variabelen kan worden meegenomen. Dit wordt gedaan op basis van een wiskundige framework.

Verwachte resultaten

Vragenlijst overstromingsrisicobenadering
Matlab opensource code: Uitbreden van ANDURIL.
• Journal publicatie wiskundige methode multidimensionale kans verdelingen van experts.
• Journal publicatie toepassing overstromingsrisicobenadering.
• SoftwareX journal publicatie uitbreiden van ANDURIL.
• Mogelijkheid om de 3 in 1 of 2 Journal papers te combineren.

Innovativiteit

Een veel gebruikte methode om overstromingskansen te bepalen zijn foutenbomen. Een foutenboom toont een aaneenschakeling van gebeurtenissen die tot een “top gebeurtenis” leiden. In foutenbomen wordt er onderscheid gemaakt tussen EN en OF poorten. Bij EN poorten moeten alle gebeurtenissen optreden voordat er een topgebeurtenis optreedt en bij OF poorten treedt de topgebeurtenis al op als minstens één van de gebeurtenissen optreedt. Bij het opstellen van zulke foutenbomen wordt er uitgegaan van onafhankelijke individuele variabelen. In het voorbeeld hieronder zijn het bezwijken van dijksectie 1 en het bezwijken van dijksectie 2 onafhankelijk van elkaar.

In dit onderzoek willen we foutenbomen opstellen waarbij we de afhankelijkheid van de variabelen meenemen. De afhankelijk kan worden weergegeven in Bayesiaanse Netwerken. Dit willen we doen door Cooke’s “structured expert judgement” methode voor individuele variabelen uit te breiden en aan te passen met behulp van een wiskundige methode.

Valorisatie

Journal publicatie wiskundige methode multidimensionale kans verdelingen van experts. RWS en waterschappen Analyse van mogelijke “quick wins” die wellicht doorwerking moeten krijgen in een update van de Handreiking Deskundigen Oordeel Toets op Maat (DOT)

Journal publicatie toepassing overstromingsrisicobenadering RWS, Deltares, HKV. Impact analyse en definitie welke stappen verder gezet moeten worden voor bredere toepassing, gevolgd door Nederland-brede consequentie-analyse