“互聯網+實驗室”建設探討

董春橋， 張延榮

(華中科技大學 環境科學與工程學院, 湖北 武漢 430074)

“互聯網+實驗室”建設探討

董春橋， 張延榮

(華中科技大學 環境科學與工程學院, 湖北 武漢 430074)

基于“互聯網+”思維,探討“互聯網+”在實驗室建設中的作用和應用方式,并通過“互聯網+建筑能效管理系統實驗教學平臺”的研發和教學實踐,展示了“互聯網+”在人才培養、實驗教學和管理中的創新應用,以期為提高實驗教學和管理水平起到拋磚引玉的作用。

“互聯網+實驗室”; 實驗教學; 實驗室管理; 建筑能效管理系統

自2015年3月5日,李克強總理在十二屆全國人大三次會議上的政府工作報告中提出制定“互聯網+”行動計劃以來,“互聯網+” 已作為一項國家戰略,上升至國家意志,勢必加速向各行各業滲透,促進產業融合,為未來國家各領域的發展指明了方向[1]。至今,“互聯網+”已成為我國社會經濟提質增效和改造升級的途徑。

高校作為培養和生產人才的“工廠”,尤其是高校實驗室及其實驗教學系統,存在自主創新實驗能力不足、實驗設備資源利用效率低、實驗信息化程度不高和實驗室管理水平低等方面問題,因此為了適應我國經濟社會轉型發展,并為我國培養出合格的建設人才,利用“互聯網+”對實驗技術和管理進行轉型升級和跨越發展就是高校發展過程中的迫切任務。

自“互聯網+”行動計劃啟動以來,諸多實踐證明,“互聯網+”在促進傳統行業升級和加速經濟轉型中起到了巨大的作用。因此,如何將“互聯網+”和傳統教育行業的諸要素緊密組合,打造新型的教學模式和教學系統,則是傳統教育行業必須探討的問題。

1 應用與創新

“互聯網”作為一種通用目的技術,與以前的蒸汽機技術和電力技術一樣,將對人類經濟社會產生巨大、深遠而廣泛的影響。互聯網經過多年的發展,已發展到今天以智能移動設備為代表的“互聯網+”時代。

從外在特征上來講,“互聯網+”就是互聯網與傳統產業的結合。但這種結合不是簡單的組合,而是在社會生產諸要素配置中優化和集成互聯網的作用,將互聯網的創新技術融合在經濟社會各領域中,打造傳統產業新的增長點,提升實體經濟的創新力和生產力,促進國民經濟增效升級。從本質上來講,“互聯網+”是一種新型的經濟形態,是移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等新一代信息技術在傳統制造業、服務業等傳統行業的創新應用,其深層目標是促進傳統產業升級,加速經濟轉型[2-3]。其中,云計算、大數據和智能移動設備是其顯著特征,而大數據則是“互聯網+”時代的新生產要素。

從信息的角度來看,人類社會的各項活動與信息數據的產生、傳輸和使用直接相關,而信息技術的不斷突破,都是在逐漸打破信息數據與其他要素的緊耦合關系,增強其流動性,以此提升使用范圍和價值,最終提高經濟社會的運作效率。從這個意義來說,教學的本質就是知識(信息)在社會中的傳播與接收、感應與內化的過程,提升教學水平就是讓知識和信息 以易于接收和內化的方式高效傳播,因此,利用“互聯網+”升級和轉型傳統教育行業是大有用武之地的。

高校教學大體上可分為課堂教學和實驗教學2種主要方式。其中,課堂教學基本上以多媒體方式為主,這也可以說是“互聯網+”的簡單應用,但要將“互聯網+”高水平應用于課堂教學,目前還沒有通用的“互聯網+”教學技術,僅取決于授課教師自身應用信息技術的能力,因而不屬于本文討論的范圍。

從教學技術角度看,信息技術一直是促進教學發展的重要技術之一,出現了諸多先進的教學和管理技術[4-8],也有少量對最新IT技術在實驗教學和管理應用方面的探討,但這些文獻沒有從技術層面上進行探討和分析[9-11]。因此,在鼓勵創新的今天,利用“互聯網+”從技術層面上對實驗教學設備與儀器系統、實驗管理進行升級和改造,使實驗教學所涉及的知識信息和實驗過程產生的數據信息在教學過程各要素之間高效流動,并形成良性互動,則是提升實驗教學水平的有效途徑,也是提升實驗教學水平的創新之舉。

利用“互聯網+”改造和升級實驗教學設備與儀器系統的目標是提升實驗硬件系統的性能,而利用“互聯網+” 改造和升級實驗管理則主要是完善服務功能和提升用戶體驗。從技術角度來分析,利用“互聯網+”改造和升級實驗教學設備與儀器系統是當前的緊迫任務,也是行之有效的。以下通過一個案例展示“互聯網+”在改造和升級實驗教學設備與儀器系統的應用。

2 案例簡介

在當前節能減排的大背景下,建筑能效管理是建筑環境與能源應用工程專業所必備的專業知識和綜合技能,它涉及到建筑節能和建筑設備運行評價2個主要方面。顯然,建筑能效管理就是全面獲取建筑在使用過程中的所有實時運行數據,并在數據處理的基礎上對建筑實時運行能效進行評價和優化運行的過程。現階段,建筑能效管理系統基本上都是基于互聯網技術的,其核心觀念是將互聯網技術作為其構造的工具,只是簡單地利用互聯網技術的通信功能。因而這種應用方式并沒有升級建筑能效管理系統核心功能,也沒有增強建筑能耗數據的流動性,建筑能耗數據的傳輸和使用基本上仍局限于監測系統的終端或建筑能耗數據中心[12],嚴重阻礙了能耗數據的應用范圍,所以不能充分發揮建筑運行數據的作用。更為嚴重的是,在實驗教學中,這些數據集中且封閉,不能在教學各環節中實現無障礙流動,互動性和實驗效果差。

“互聯網+建筑能效管理系統”則是利用“互聯網+”改造和升級的建筑能效管理系統,其核心觀念是利用“互聯網+”思維,通過引入云計算、大數據、物聯網和智能移動設備接入的方式,創新性地建立建筑內部所有能耗數據要素的互聯和互通,增強建筑能耗數據的流動性,并充分發揮智能移動設備的接入功能,增強人與建筑的互動,使建筑社會運行過程中更具人性化,并在充分保障室內環境的前提下實現最大限度節能,使建筑能效測評更具客觀性和科學性。

為了完善和升級建筑環境與能源應用工程專業本科實驗教學,華中科技大學環境科學與工程學院實驗中心對原有的中央空調系統實驗項目進行了改造。在原有的中央空調系統基礎上增設一臺風冷熱泵和一臺地源熱泵,用于取代原有系統的冷熱源,末端系統仍保持原有的設備系統,包括一套空氣處理機組及單風管空氣系統、雙管風機盤管系統和地板輻射系統等。該項目要求開設的綜合實驗內容包括建筑環境測試與儀表、空調系統能效監測與運行優化控制、室內氣流組織測試與評價、地板輻射熱舒適性測試與評價、空調系統運行維護與管理等相關內容的實驗,建成目標是在完成基本教學實驗的基礎上,實現符合“基礎型、綜合型、設計型和研究創新型”的分層次實驗系統,以滿足自主創新型實驗教學的要求。

3 實現與展示

要實現“互聯網+建筑能效管理系統”,關鍵就是把“互聯網+”觀念融合到建筑能效管理系統之中,核心就是將建筑能耗數據互聯互通和開發利用。

在經費有限的情況下,為了實現上述目標,需要在理解項目要求的基礎上充分運用“互聯網+”思維進行研究和自主開發，創新利用現代信息技術搭建建筑運行能耗“大數據”實驗平臺,并實現所有實驗數據的流動性。本項目充分利用校園網和智能移動設備是其最有特色的創新,即將參與實驗學生的智能手機作為實驗系統的設備構成,學生可以充分利用自己的智能手機參與實驗過程。這樣不僅可以提高學生參與實驗的熱情,更可以激發學生利用智能手機進行有益活動的興趣,從而促進學生自主學習、情境學習和協作學習。事實上,在當前最流行和最成功的“互聯網+”系統中,移動智能終端(如智能手機)及其應用則是其主要的表現形式和功能升級的實現載體。

本項目從體系構成上分為數據平臺和功能平臺2大組成部分。其中,數據平臺的主要功能為采集和存儲建筑設備能耗數據和環境參數,并實現這些數據在應用中的自由流動；而功能平臺則以數據平臺為基礎實現能效監測與評價、運行控制與優化等各種操作功能,并提供新功能擴展接口。

數據平臺主要以現場總線、無線網、云計算和數據庫技術進行構建,其中,現場總線技術用于互聯各種現場測控傳感器、執行器和控制器等,形成現場測控互聯網絡,并將采集的現場設備實時數據存入數據庫。無線網用于智能移動設備的接入及移動設備數據的采集；云計算技術則主要用于氣象數據的收集和能耗數據庫的自由訪問。值得指出的是,現場總線用于安裝在現場固定位置上測控設備的互聯,而無線網則用于移動物體的數據的互聯。例如在舒適性空調環境中,人是影響環境的重要因素之一,對人員數量的統計則可以通過掃描二維碼的方式進行統計。

本項目利用校園無線網絡實現了學生實驗考勤和現場虛擬儀表(virtual instrument)2個非常實用的功能。實驗考勤功能是通過用智能手機掃描二維碼記錄其參與實驗的時間,并下載實驗數據。此功能要求智能手機與學生身份一一對應,1臺智能終端(或智能手機)只對應1名學生,不能用于多名學生的考勤,從而實現實驗考勤功能。

為了節省經費,大部分現場實時數據采集只安裝了相應的傳感器,沒有現場顯示儀表。解決現場數據顯示和記錄的方法就是在所有現場傳感器或儀表上設置二維碼,通過智能手機掃描二維碼,利用智能手機強大的處理能力和顯示功能實現現場數據的顯示和記錄,從而將智能手機變成了功能強大的虛擬儀表。這種在智能手機上實現的虛擬儀表功能不僅可以顯示實時數據,而且還可以圖形和曲線的方式非常直觀地進行顯示、查詢歷史數據等,更可以對相關傳感器的測量原理及實際應用方式進行介紹和展示,從而極大地提升了實驗功能和實驗教學效果,使學生在實驗情境中主動學習和協作學習。即使在某些帶有數顯的測量儀表上,這種虛擬儀表功能不僅更全面,而且更加靈活和新穎。

在非教學類工程項目中,利用智能終端或智能手機掃描相關的二維碼也可以實現許多非常實用的功能。例如在計費系統中,用戶可以利用智能手機全面控制和了解自己的消費狀況；在末端環境控制中,用戶還可以利用智能手機控制其微環境參數,真正實現環境人性化的目標等。

在功能平臺上,本項目提供了定流量和變流量控制策略,具體包括負荷側定壓(變流量)控制和負荷側定流量控制,及地源側定溫控制、定溫差控制和定流量控制等。目的是提供多種運行控制策略,用于探索不同運行控制策略下的能耗狀況和能效,從而找出不同運行工況下的最優化運行方式,提高建筑運行能效和實現節能運行的目標。

該功能平臺為開放性平臺,在大學生創新實踐中,甚至是教師科研工作中,只要了解其擴展接口,就可以自行開發自己的控制功能模塊,實現更高層次的自主設計實驗功能,從而構建一套“基礎型、綜合型、設計型和研究創新型”的分層次“建筑環境與能源應用工程專業”實驗教學體系。

圖1至圖4為項目運行截圖,所有運行設備均是動態顯示的,非常直觀。其中,圖1為運行主界面,具體功能如該圖所示。由于篇幅有限,不再詳細說明各項功能和實現方法。圖2和圖3為智能手機虛擬機儀表截圖示例；圖4為實驗考勤智能手機信息輸入界面。

圖1 運行主界面圖

圖2 流量虛擬儀表圖

圖3 室內溫濕度虛擬儀表圖

圖4 實驗考勤界面圖

本項目已在教學實踐中得到了應用和檢驗,取得了較好的教學效果。同時,利用“互聯網+”方式自主開發的建筑能效管理系統也在其他實際項目中得到了應用。其中,“學生考勤”功能可以改換為操作人員交接班記錄功能。在實際工程項目中,該系統讓驗收專家耳目一新,一致認為操作界面新穎、直觀、功能齊全,完全不同于引進的國外系統。實際運行也表明該系統操作簡單直觀、運行穩定可靠。

4 結語

“互聯網+”是我國經濟頂層設計的概念,具體落實到傳統教育行業諸要素之上還有許多需要深入研究的問題,例如,如何將“互聯網+”應用于課堂教學、線下教學、不同實驗設備與儀器系統以及實驗管理等,均須具體問題具體分析,是一個非常大的系統應用工程。本文僅以一個具體的實驗教學系統為例展示了“互聯網+”在提升實驗教學效果中的應用,希望起到拋磚引玉的作用。

References)

[1] 李克強.制定“互聯網+”計劃促電子商務健康發展[EB/OL].(2015-03-05). http://www.chinanews.com/gn/2015/03-05/7103116.shtml.

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[3] 歐陽日輝, 從“+互聯網”到“互聯網+”: 技術革命如何孕育新型經濟社會形態[J]. 學術前沿, 2015(5):25-38.

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[12] 住房和城鄉建設部.公共建筑能耗遠程監測系統技術規范: 第599號公告[Z]. 2014.

Exploration on construction of “Internet+laboratory”

Dong Chunqiao, Zhang Yanrong

(School of Environmental Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Based on the “Internet+” thinking, the role and application method of “Internet+” are explored in the laboratory construction, and through the development and the teaching practice on “Experimental teaching platform for Internet+building energy efficiency management system,” the innovative application of “Internet+” to talent cultivation, the experimental teaching and management is demonstrated, hoping to be a case for improving experimental teaching and management level.

“Internet+laboratory”; experimental teaching; laboratory management; building energy efficiency management system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.059

2016-07-19 修改日期：2016-09-05

華中科技大學實驗室建設項目

董春橋(1976—),男,湖北武漢,博士,副教授,主要研究方向為模擬仿真和建筑節能與智能化.

E-mail：dongcq@mail.hust.edu.cn

G642

A

1002-4956(2017)1-0240-04