摘 要：為了合理地評估高校土木實驗室實訓教學中硬件保障系統(tǒng)是否正常運轉，提出了一種結合專家綜合評價的模糊故障樹分析方法（Fuzzy Fault Tree Analysis，F(xiàn)FTA），并進一步建立了高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)評估模型。該模型實施包含6個步驟：（1）合理構建故障樹；（2）引入專家評語；（3）計算基本事件模糊數(shù)集；（4）去模糊化；（5）系統(tǒng)失效概率分析；（6）基本事件重要度分析。同時，分析了高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)組成與各子系統(tǒng)的邏輯關系，以滁州職業(yè)技術學院建筑綜合實訓館為例，開展了在實訓教學環(huán)節(jié)中各實驗室的硬件保障系統(tǒng)運行評估。結果表明：以系統(tǒng)失效概率和基本事件重要度兩個指標，可以定量地描述高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)運行狀況，對高校土木實驗室實訓教學安排具有借鑒意義，值得推廣。

關鍵詞：模糊故障樹分析方法；土木實驗室；硬件保障系統(tǒng)；評估；模糊集理論

中圖分類號：X928.7 ""文獻標識碼：A ""文章編號：1673-1794（2024）02-0054-08

作者簡介：李玉榮，滁州職業(yè)技術學院建筑工程學院實驗師，研究方向：土木工程實驗室安全評估（安徽 滁州 239000）。

基金項目：安徽省教育廳高等學校省級質量工程項目“滁州職業(yè)技術學院安徽德合衡建筑工程有限公司產(chǎn)教融合實訓基地”（2021cjrh032）；安徽省教育廳高校優(yōu)秀青年人才支持項目“優(yōu)秀青年人才”（gxyq2022231）

收稿日期：2024-01-06

實驗教學環(huán)節(jié)在高等教育過程中具有不可替代的重要性，尤其是高校土木專業(yè)，實驗教學能夠培養(yǎng)學生實踐技能、加深理論理解、提高學習積極性、培養(yǎng)科學精神和培養(yǎng)團隊協(xié)作能力[1-4]。而實驗室各種設備、儀器等硬件設施故障又是影響實驗教學的重要因素。因此，對高校土木實驗室實訓教學中硬件保障系統(tǒng)研究非常重要，建立一套合理的高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)評估模型，不僅可為高校土木實驗室架構設計提供重要依據(jù)，并且對實訓教學環(huán)節(jié)安排也具有指導意義。

模糊故障樹分析方法（Fuzzy Fault Tree Analysis，F(xiàn)FTA）是一種被廣泛用于評估各種復雜系統(tǒng)中不確定因素風險和可靠性的分析方法。楊智雯等[5]采用相似度聚合法的模糊故障樹分析方法，計算出故障樹中各基本事件的失效概率，建立高校實驗室火災評價結構模型。王宇琴[6]基于故障樹分析方法構建了涵蓋生態(tài)主體、生態(tài)客體和生態(tài)環(huán)境三大組成部分的高校實驗室生態(tài)安全事故故障樹模型，通過最小割集、最小徑集與結構重要度分析，研究實驗室事故爆發(fā)的可能性以及各基本事件對實驗室安全管理的影響程度大小。張曄[7]利用故障樹分析方法確定了高校實驗室發(fā)生氣體泄漏火災爆炸事故的原因，再根據(jù)布爾代數(shù)運算，分析事故原因的最小割集、最小徑集和結構重要度并提出相應的安全措施與對策。

文章根據(jù)高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)組成與各子系統(tǒng)的邏輯關系，運用FFTA法，建立了高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)評估模型。該模型實施包含6個步驟：（1）構建故障樹；（2）引入專家評語；（3）基本事件模糊數(shù)集；（4）去模糊化；（5）失效概率分析；（6）基本事件重要度分析。文章不僅開展了在實訓教學環(huán)節(jié)中各實驗室的硬件保障系統(tǒng)運行評估，而且定量地描述了高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)運行狀況。

1 高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)FFTA法分析概述

1.1 硬件保障系統(tǒng)組成及分析

根據(jù)高校土木相關實驗教材[8-10]，高等學校土木實驗室一般架構是由六個方面的實驗室組成，即建筑材料實驗室、工程力學實驗室、土力學實驗室、水力學實驗室、工程測量實驗室以及制圖與造價實驗室。高校土木實驗室包含實驗項目眾多，涉及到的實驗設備或儀器高達上百臺。高校土木實驗室硬件設備組成一般架構如圖1所示。

土木實驗項目根據(jù)培養(yǎng)目的不同，又分為理解演示型和實踐實操型兩類。理解演示型實驗項目涉及到的單項設備較少（如萬能試驗機等），在實驗教學環(huán)節(jié)中，任何一個設備出現(xiàn)故障，會直接影響相應的實驗項目開展，甚至會取消該實驗項目。而實踐實操型實驗項目一般更注重學生的動手能力，往往相應的硬件設備較多（如水準儀、機房電腦等），實驗教學環(huán)節(jié)中，若少量設備故障，導致實操實訓設備不足，可以改變教學組織方式，進行分批教學。

1.2 FFTA法分析框架流程

FFTA法分析框架流程包括三部分內容，即：基于模糊集理論的隸屬函數(shù)構建，考慮專家重要度的綜合評價以及模糊故障樹分析。FFTA法分析框架流程圖如圖2所示。

2 模型構建

2.1 模糊集理論

采用三角形模糊數(shù)和梯形模糊數(shù)構建一個風險狀態(tài)隸屬度函數(shù)f（x），該隸屬度函數(shù)包括7種風險等級狀態(tài)，即：極低風險狀態(tài)（fVL）、低風險狀態(tài)（fL）、較低風險狀態(tài)（fML）、中風險狀態(tài)（fM）、較高風險狀態(tài)（fMH）、高風險狀態(tài)（fH）和極高風險狀態(tài)（fVH）。模糊數(shù)對應隸屬度函數(shù)的風險等級狀態(tài)如圖3所示。

式中：IiFV為基本事件對頂事件概率貢獻的重要度；Pij為第j個最小割集中第i個基本事件的發(fā)生概率，PTOP指頂事件的發(fā)生概率。

3 評估模型實例驗證

3.1 構建實驗室硬件保障系統(tǒng)事故樹

為了驗證評估模型的有效性和適用性，選取滁州職業(yè)技術學院建筑綜合實訓館實訓教學環(huán)節(jié)評估為實例，開展在實訓教學環(huán)節(jié)中各實驗室的硬件保障系統(tǒng)運行評估工作。該建筑綜合實訓館包含六個實驗室，分別為建筑材料實驗室、土力學實驗室、工程力學實驗室、水力學實驗室、工程測量實驗室以及制圖與造價實驗室。根據(jù)各實驗室組成架構和開展的相應實驗項目，統(tǒng)計各實驗項目所涉及到的硬件設備，構建了滁州職業(yè)技術學院土木實驗室硬件保障系統(tǒng)故障樹，如圖4所示，故障樹中各基本事件的詳細描述見表3。

3.2 實驗室硬件保障系統(tǒng)評估模型分析

為獲取實驗室硬件保障系統(tǒng)中設備失效對實驗環(huán)節(jié)的教學影響效果，邀請了五位來自不同高校的土木實驗教學專家，對各基本事件進行判斷。表4給出了各位專家的職稱、工作經(jīng)驗、教育程度及年齡，根據(jù)表2的計分規(guī)則，計算出各專家的權重系數(shù)，分別為：0.24，0.23，0.20，0.19，0.15。

為了方便理解模型的計算過程，選取基本事件X1，即水泥凈漿攪拌機故障，進行模糊聚合計算及模糊故障樹分析，詳細計算過程見表5。借助相關辦公軟件進一步計算出整個故障樹基本事件的模糊可能性和失效概率，見表6。

根據(jù)基本事件的失效概率，計算出六個實驗室子系統(tǒng)的失效概率，如圖5所示。計算結果表明：建筑材料實驗室硬件故障對實驗教學效果的影響最大，為36.96%，因為該實驗室開展的實驗大都是理解演示型的，設備較少，一旦關鍵設備出現(xiàn)故障，相應的教學任務不能開展，甚至會取消該實驗項目。影響最小的是工程測量實驗室和制圖與造價實驗室，合計為2.04%，這兩個實驗室主要涉及到測量相關的實操和制圖和造價相關軟件的訓練，這些訓練均屬于實踐實操型的，設備較多，個別設備故障，對整體實訓教學效果影響不大。

3.3 系統(tǒng)重要度分析

為了明確滁州職業(yè)技術學院土木實驗室硬件保障系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，找出系統(tǒng)中基本事件對頂事件的影響程度。應用重要度公式對基本事件進行計算，并根據(jù)大小排序，見表7和圖6。

通過滁州職業(yè)技術學院土木實驗室硬件保障系統(tǒng)基本事件重要度分析，可以發(fā)現(xiàn)：

抗壓實驗機故障、抗折實驗機故障和瀝青針入度計故障是導致建筑材料實驗子系統(tǒng)失效的關鍵因素，所以對建筑材料實驗室硬件日常檢修時，重點對抗壓實驗機、抗折實驗機和瀝青針入度計進行加強防護，提升實訓教學應急處置措施，有條件時，可申請采購備用設備。

200t壓力實驗機故障和60t拉力實驗機故障對工程力學實驗項目有著顯著的影響程度。這兩臺設備實驗室各一臺，且價格昂貴，學校一般不會采購備用設備，200t壓力實驗機對混凝土立方體試塊抗壓實驗至關重要，而普通鋼筋拉伸實驗需要用到60t拉力實驗機，這兩臺設備目前不可取代，需要加強日常養(yǎng)護，定期進行檢修。

4 結論

文章根據(jù)高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)的特點，提出了一種結合專家綜合評價的模糊故障樹分析方法。選取滁州職業(yè)技術學院建筑綜合實訓館實訓教學環(huán)節(jié)評估為實例，進行了評估模型驗證，取得了良好的效果。綜上，以系統(tǒng)失效概率和基本事件重要度兩個指標，可以定量地描述高校土木實驗室硬件保障系統(tǒng)運行狀況，對高校土木實驗室實訓教學安排具有借鑒意義，值得推廣應用。

［參 考 文 獻］

［1］ 王睿，段翠娥，劉佳璇，等.《土木工程材料》課程建設思考分析[J].內江科技，2023，44（2）：151-152+40.

[2] 賀冉，張再華，何敏，等.產(chǎn)教融合背景下的應用型本科《土木工程結構實驗與檢測》實驗教學改革初探[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（25）：69-71+98.

[3] 薛斌，張玉棟，叢曉紅，等.基于專業(yè)素質和能力培養(yǎng)的土建類專業(yè)材料課程實踐性教學環(huán)節(jié)改革研究[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（8）：38-39.

[4] 李炎鋒，杜修力，紀金豹，等.土木類專業(yè)建設虛擬仿真實驗教學中心的探索與實踐[J].中國大學教學，2014（9）：82-85.

[5] 楊智雯，李曉泉，鐘遠焜，等.SAM-FFTA-ANP在高校實驗室中的應用[J].廣西大學學報（自然科學版），2023，48（3）：743-753.

[6] 王宇琴.基于FTA與FCE的高校實驗室生態(tài)安全風險管理及信息化管理系統(tǒng)建設[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2022：23-59.

[7] 張曄.FTA分析方法在高校實驗室集中供氣系統(tǒng)上的分析及應用[J].實驗技術與管理，2021，38（9）：7-13.

[8] 彭小芹，吳芳，劉芳. 土木工程材料[M].北京：人民交通出版社，2022：47-148.

[9] 劉自由，曹國輝，童小龍，等. 土木工程實驗[M].重慶：重慶大學出版社，2018：35-145.

[10] 王瑞燕，李德軍，張祖堂. 建筑材料試驗指導書[M].重慶：重慶大學出版社，2015：08-133.

[11] F. AQLAN E.MUSTAFA ALI.Integrating lean principles and fuzzy bow-tie analysis for risk assessment in chemical industry[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2014，29（1）：39-48.

[12] YAZDI M，NIKFARF，NASRABADI M.Failure probability analysis by employing fuzzy fault tree analysis[J].International Journal of System Assurance Engineering and Management，2017，8（2）：1177-1193.

[13] ONISAWAT. Anapproach to human reliability in man-machine system susing error possibility[J].Fuzzy Setsand Systems，1988，27（2）：87-103.

責任編輯：陳星宇