以系統運維為目標的建環本科生科研素質培養

胡云鵬

（武漢商學院機電工程學院 湖北·武漢 430056）

1 面向運維崗位的人才培養

建環等樓宇設備相關專業的畢業生，與建筑學、土木工程等學科的畢業生相比，占據了建筑全壽命周期中90%以上的服務時長。隨著建筑節能的逐漸深入，暖通空調系統運營節能的迫切性不言而喻。系統運維，不僅僅只要求運維人員能保證系統正常啟停，還對他們的綜合素質提出更高的要求。當前所急需的運維人員，既要具備設備維護的動手能力，又要擁有運營效果的分析能力、優化控制的創新思維。因此，在本科階段針對性的進行系統運維的教學、分析和訓練，提高科研素質，能為隨后三十多年的工作中開展節能操作奠定扎實的基礎。

為有效面對行業發展與崗位需求的變化，許多學校都積極開展以運維為目標的素質培養與教學改革。在課程教學方面，以培養建環專業創新型人才為目標，進行了專業課程群培養模式研究，從系統角度建立了建筑冷熱源的核心課程群體系。[1]在實驗教學方面，以中央空調的運行調試為核心，建立了自主研究型實驗教學模式，充分運維工程中的系統故障排查等問題。[2]畢業設計是工科實踐性教學最后一個環節，對選題進行工程設計和分析研究，[3]從選題的角度考慮以創新性好、工程性強、創業結合及延續研究的角度開展畢業設計，[4]或者將能源結構、能源政策、工程實際、運維管理等方面進行綜合分析，合理選擇建筑冷熱源，把系統運維作為了項目前期分析的基礎，或者鼓勵學生了解所研究問題的技術背景和研究成果的用途，以畢業論文作為本科科研訓練的總結。[5]這些教學改革與人才培養的成功案例，為開展面向運維崗位人才的科研素質培養提供了研究基礎。

針對我校以服務地方經濟為主的就業指導方向，在現有培養方案的基礎上，從二年級開始增加對系統運維方面的知識學習和訓練培養，并以畢業設計作為運維體系的培養總結，開展本科生科研素質培養的試點研究。

2 方案設計

2.1 學分體系

對比我校的2016 級與2020 級的人才培養方案，其模塊學分及比例如表1 所示。在各個環節均有下降的情況下，素質拓展與創新創業活動模塊仍然不變，體現了對素質培養的重視。

建環專業所學內容側重于熱力系統，而“熱、機、電、控”等專業多位一體則是學生畢業后從事運維相關崗位必然面臨的問題。在以人工智能，5G 等新技術為核心的工業4.0 時代，迫切需要畢業生能具備現場維護和數據分析的能力。我校目前培養方案中已包含了“小型制冷裝置檢修技術”“制冷壓縮機拆卸與裝配”“PLC 技術與應用”等與運維實踐相匹配的實踐課程，因此，在補充培養方案中，主要開展“Python 語言學習”與“EnergyPlus 仿真模擬”兩方面的內容。

表1 2016 級與2020 級各功能模塊學分對比分析

表2 學習內容與預期目標之間的對應關系

2.2 補充方案

（1）基于Python 的中央空調監控系統設計與實現。高等數學、線性代數的學習后，即可引入Python 語言的學習。無論是否有C 語言學習的基礎，Python 在數據分析領域的Numpy，Pandas等眾多工具包以及網絡上大量的開源代碼，都能幫助學生迅速的理解和掌握初步的入門知識。針對性的以一個建筑樓宇管理或者是空調系統管理平臺為目標，將Web 框架、界面編程、數據擬合、實時展示、性能分析等內容進一步拆分為不同的應用功能，引導學生逐步深入。學習Python 語言的同時，也加深了對數學知識、測量知識等內容的理解，掌握數據擬合、趨勢預測等簡單的數據分析技能。

（2）基于EnergyPlus 的中央空調系統仿真模擬。在傳熱學、熱質交換、暖通空調、制冷技術等課程的基礎上，進行建筑能耗仿真模擬軟件EnergyPlus 的學習和應用，從而能融會貫通建筑熱過程、暖通空調系統構成、制冷設備裝置性能等內容。以一個建筑物及其中央空調系統的仿真為目標，開展不同末端形式、不同冷熱源系統的運營規律分析。從建筑材料庫、圍護結構庫再到建筑體型，構建一個完整的虛擬建筑。從末端的風機盤管到空氣處理機，從水系統的管路連接到水泵、冷水機組、冷卻塔的選型，EnergyPlus提供了不同空調系統的各種組件模型。利用虛擬建筑及其空調系統，開展全年的空調系統仿真模擬。通過設計不同的室內負荷及時間表，調整關鍵節點的設定值，從而了解系統運行的過程規律。

利用EnergyPlus 的開源接口，還可以與Python 構建的中央空調監控系統進行實時在線的交互式仿真研究，從而達到開展系統運維分析所需要的能耗預測、模型控制、故障識別等方面內容的學習和訓練。

2.3 預期目標

經上述補充方案培養，期望達到提高學生的分析目標、細化流程、厘清邏輯、主動觀察的能力，鍛煉其勤于動手、善于發現、自我學習的基本素質，主要學習內容與預期目標之間的對應關系如表2 所示。

2.4 案例分析

有兩個學生按照上述模式進行了長時間的個性化培養，取得了一定的成績。

（1）案例一：2014 級汪同學。該同學從2015年12 月即二年級上學期開始進行個性化培養，開展過“紙幣展開機”“Arduino小車”以及“無人機”等科技作品制作。在畢業設計中開展了“基于 Python 的建筑空調能耗分析軟件開發”，自行完成了基于Django（Python 語言的一種Web 框架）開發的建筑能源管理網站的代碼編寫，進行空調系統運行狀態監控和實時數據分析。該同學畢業后就讀碩士研究生，目前已獲得博士入學資格。

（2）案例二：2016 級李同學。該同學自大一下學期即2017年3 月開始參加課題組的各種活動和個性培養，主導了“紡織廠回風管道自動清掃回收的裝置”等科技產品的制作，主持了1 項國家級的大學生創新創業訓練計劃項目，獲發明專利和實用新型專利授權。畢業論文題目是“基于數據挖掘的冷水機組故障識別研究”，主要采用支持向量機的算法對冷水機組的熱力系統故障開展研究分析。完全采用Python 語言進行故障識別算法編寫，實現了故障識別流程的自動化。

3 結語

對于樓宇設備而言，滿足精確用能需求，延長設備使用壽命，提高系統運維能力，離不開建環及樓宇設備等相關專業的畢業生在高等教育階段的目標化培養。為適應大數據時代對智能建筑運維節能的需求和推動，在現有培養方案的基礎上，補充了Python 與EnergyPlus 的學習和應用，并以運維中的運營展示、能耗預測、故障識別等方面擬定了針對性畢業設計選題，開展綜合鍛煉和培養。補充方案的實施，一方面加深和強化學生對系統運維崗位內涵的理解，另一方面為其在運維崗位上開展合理運行、優化節能的操作提供了扎實的理論分析實踐，為其在工作崗位上開展技術革新奠定基礎。