高校土木实验室硬件保障系统评估模型及应用

摘 要：为了合理地评估高校土木实验室实训教学中硬件保障系统是否正常运转，提出了一种结合专家综合评价的模糊故障树分析方法（Fuzzy Fault Tree Analysis，FFTA），并进一步建立了高校土木实验室硬件保障系统评估模型。该模型实施包含6个步骤：（1）合理构建故障树；（2）引入专家评语；（3）计算基本事件模糊数集；（4）去模糊化；（5）系统失效概率分析；（6）基本事件重要度分析。同时，分析了高校土木实验室硬件保障系统组成与各子系统的逻辑关系，以滁州职业技术学院建筑综合实训馆为例，开展了在实训教学环节中各实验室的硬件保障系统运行评估。结果表明：以系统失效概率和基本事件重要度两个指标，可以定量地描述高校土木实验室硬件保障系统运行状况，对高校土木实验室实训教学安排具有借鉴意义，值得推广。

关键词：模糊故障树分析方法；土木实验室；硬件保障系统；评估；模糊集理论

中图分类号：X928.7 ""文献标识码：A ""文章编号：1673-1794（2024）02-0054-08

作者简介：李玉荣，滁州职业技术学院建筑工程学院实验师，研究方向：土木工程实验室安全评估（安徽 滁州 239000）。

基金项目：安徽省教育厅高等学校省级质量工程项目“滁州职业技术学院安徽德合衡建筑工程有限公司产教融合实训基地”（2021cjrh032）；安徽省教育厅高校优秀青年人才支持项目“优秀青年人才”（gxyq2022231）

收稿日期：2024-01-06

实验教学环节在高等教育过程中具有不可替代的重要性，尤其是高校土木专业，实验教学能够培养学生实践技能、加深理论理解、提高学习积极性、培养科学精神和培养团队协作能力[1-4]。而实验室各种设备、仪器等硬件设施故障又是影响实验教学的重要因素。因此，对高校土木实验室实训教学中硬件保障系统研究非常重要，建立一套合理的高校土木实验室硬件保障系统评估模型，不仅可为高校土木实验室架构设计提供重要依据，并且对实训教学环节安排也具有指导意义。

模糊故障树分析方法（Fuzzy Fault Tree Analysis，FFTA）是一种被广泛用于评估各种复杂系统中不确定因素风险和可靠性的分析方法。杨智雯等[5]采用相似度聚合法的模糊故障树分析方法，计算出故障树中各基本事件的失效概率，建立高校实验室火灾评价结构模型。王宇琴[6]基于故障树分析方法构建了涵盖生态主体、生态客体和生态环境三大组成部分的高校实验室生态安全事故故障树模型，通过最小割集、最小径集与结构重要度分析，研究实验室事故爆发的可能性以及各基本事件对实验室安全管理的影响程度大小。张晔[7]利用故障树分析方法确定了高校实验室发生气体泄漏火灾爆炸事故的原因，再根据布尔代数运算，分析事故原因的最小割集、最小径集和结构重要度并提出相应的安全措施与对策。

文章根据高校土木实验室硬件保障系统组成与各子系统的逻辑关系，运用FFTA法，建立了高校土木实验室硬件保障系统评估模型。该模型实施包含6个步骤：（1）构建故障树；（2）引入专家评语；（3）基本事件模糊数集；（4）去模糊化；（5）失效概率分析；（6）基本事件重要度分析。文章不仅开展了在实训教学环节中各实验室的硬件保障系统运行评估，而且定量地描述了高校土木实验室硬件保障系统运行状况。

1 高校土木实验室硬件保障系统FFTA法分析概述

1.1 硬件保障系统组成及分析

根据高校土木相关实验教材[8-10]，高等学校土木实验室一般架构是由六个方面的实验室组成，即建筑材料实验室、工程力学实验室、土力学实验室、水力学实验室、工程测量实验室以及制图与造价实验室。高校土木实验室包含实验项目众多，涉及到的实验设备或仪器高达上百台。高校土木实验室硬件设备组成一般架构如图1所示。

土木实验项目根据培养目的不同，又分为理解演示型和实践实操型两类。理解演示型实验项目涉及到的单项设备较少（如万能试验机等），在实验教学环节中，任何一个设备出现故障，会直接影响相应的实验项目开展，甚至会取消该实验项目。而实践实操型实验项目一般更注重学生的动手能力，往往相应的硬件设备较多（如水准仪、机房电脑等），实验教学环节中，若少量设备故障，导致实操实训设备不足，可以改变教学组织方式，进行分批教学。

1.2 FFTA法分析框架流程

FFTA法分析框架流程包括三部分内容，即：基于模糊集理论的隶属函数构建，考虑专家重要度的综合评价以及模糊故障树分析。FFTA法分析框架流程图如图2所示。

2 模型构建

2.1 模糊集理论

采用三角形模糊数和梯形模糊数构建一个风险状态隶属度函数f（x），该隶属度函数包括7种风险等级状态，即：极低风险状态（fVL）、低风险状态（fL）、较低风险状态（fML）、中风险状态（fM）、较高风险状态（fMH）、高风险状态（fH）和极高风险状态（fVH）。模糊数对应隶属度函数的风险等级状态如图3所示。

式中：IiFV为基本事件对顶事件概率贡献的重要度；Pij为第j个最小割集中第i个基本事件的发生概率，PTOP指顶事件的发生概率。

3 评估模型实例验证

3.1 构建实验室硬件保障系统事故树

为了验证评估模型的有效性和适用性，选取滁州职业技术学院建筑综合实训馆实训教学环节评估为实例，开展在实训教学环节中各实验室的硬件保障系统运行评估工作。该建筑综合实训馆包含六个实验室，分别为建筑材料实验室、土力学实验室、工程力学实验室、水力学实验室、工程测量实验室以及制图与造价实验室。根据各实验室组成架构和开展的相应实验项目，统计各实验项目所涉及到的硬件设备，构建了滁州职业技术学院土木实验室硬件保障系统故障树，如图4所示，故障树中各基本事件的详细描述见表3。

3.2 实验室硬件保障系统评估模型分析

为获取实验室硬件保障系统中设备失效对实验环节的教学影响效果，邀请了五位来自不同高校的土木实验教学专家，对各基本事件进行判断。表4给出了各位专家的职称、工作经验、教育程度及年龄，根据表2的计分规则，计算出各专家的权重系数，分别为：0.24，0.23，0.20，0.19，0.15。

为了方便理解模型的计算过程，选取基本事件X1，即水泥净浆搅拌机故障，进行模糊聚合计算及模糊故障树分析，详细计算过程见表5。借助相关办公软件进一步计算出整个故障树基本事件的模糊可能性和失效概率，见表6。

根据基本事件的失效概率，计算出六个实验室子系统的失效概率，如图5所示。计算结果表明：建筑材料实验室硬件故障对实验教学效果的影响最大，为36.96%，因为该实验室开展的实验大都是理解演示型的，设备较少，一旦关键设备出现故障，相应的教学任务不能开展，甚至会取消该实验项目。影响最小的是工程测量实验室和制图与造价实验室，合计为2.04%，这两个实验室主要涉及到测量相关的实操和制图和造价相关软件的训练，这些训练均属于实践实操型的，设备较多，个别设备故障，对整体实训教学效果影响不大。

3.3 系统重要度分析

为了明确滁州职业技术学院土木实验室硬件保障系统中的薄弱环节，找出系统中基本事件对顶事件的影响程度。应用重要度公式对基本事件进行计算，并根据大小排序，见表7和图6。

通过滁州职业技术学院土木实验室硬件保障系统基本事件重要度分析，可以发现：

抗压实验机故障、抗折实验机故障和沥青针入度计故障是导致建筑材料实验子系统失效的关键因素，所以对建筑材料实验室硬件日常检修时，重点对抗压实验机、抗折实验机和沥青针入度计进行加强防护，提升实训教学应急处置措施，有条件时，可申请采购备用设备。

200t压力实验机故障和60t拉力实验机故障对工程力学实验项目有着显著的影响程度。这两台设备实验室各一台，且价格昂贵，学校一般不会采购备用设备，200t压力实验机对混凝土立方体试块抗压实验至关重要，而普通钢筋拉伸实验需要用到60t拉力实验机，这两台设备目前不可取代，需要加强日常养护，定期进行检修。

4 结论

文章根据高校土木实验室硬件保障系统的特点，提出了一种结合专家综合评价的模糊故障树分析方法。选取滁州职业技术学院建筑综合实训馆实训教学环节评估为实例，进行了评估模型验证，取得了良好的效果。综上，以系统失效概率和基本事件重要度两个指标，可以定量地描述高校土木实验室硬件保障系统运行状况，对高校土木实验室实训教学安排具有借鉴意义，值得推广应用。

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责任编辑：陈星宇