以新冠疫情為背景談電氣物聯網實驗平臺建設

◇西安石油大學電子工程學院 高煒欣 王 征 宋 楠 宋久旭 習德英

本文探討了電氣專業物聯網實驗平臺建設的必要性與主要內容，建立了平臺建設的具體框架，為轉變實驗教學思想提出了新的思路。

新冠肺炎疫情，是我國建國以來影響范圍極廣、防控難度極大的公共衛生事件。新冠疫情背景下，在線教育被寄予了巨大期望。為貫徹落實教育部、教育廳關于新冠肺炎疫情防控期間網上教學的指導意見和學校對延期開學期間本專科網絡教學工作的具體要求，確保在高質量做好疫情防控的同時有效開展教育教學工作，學校電氣專業積極開展了網絡教學的研究與實踐。通過網上教學在一定程度上能夠解決學生無法到校學習的難題，這具有重要的積極意義。此次疫情背景下，開展網課也是在此基礎上的一次全新嘗試，是教育教學創新的一次實踐。然而就是通過這次教學創新的實踐，讓學校電氣專業認識到了實踐教學與遠程教學的矛盾，于是物聯網實驗平臺的建設成為一個重要的思考。

1 物聯網實驗教學平臺概述

物聯網是讓所有能行使獨立功能的普通物體實現互聯互通的網絡[1]，是基于互聯網的一種拓展。它通過約定的協議，對用戶端進行延伸與擴展。通過把能行使獨立功能的物體與互聯網相連，從更大的維度收集數據，不僅增加了收集的數據量，而且極大地增加了收集數據的數據類型。在此基礎上，利用云計算、大數據與人工智能技術對收集的數據信息進進行處理、分析和挖掘，從而快速準確地對物理世界進行管控[2]。物聯網技術極大地推動了產品及服務創新，開啟了全新的商業模式，加速了行業變革[3]。

研究人員已經對物聯網的應用和相應平臺開發做了大量研究。例如，Mazhelis等認為物聯網在包括射頻識別、機—機交流、普適計算等領域有著廣泛的應用范圍[4]；一些學者分析了安全性、隱私、大數據和互操作性等因素在物聯網技術發展中所面臨的挑戰[5]；Kumar在評價IBM平臺基礎上，比較了現有的多種基于云的物聯網開發平臺后發現，所有平臺都能提供物聯網的基本功能，但基于IBM的物聯網平臺在集成運行時間和開發友好性方面顯示了其獨特優勢[6]。

2 物聯網實驗平臺建設分析

2.1 專業概況

學校電氣工程及其自動化專業成立于1996年1月，目前開設近二十門專業課及專業基礎課。該專業以其獨有的特色為石油系統及地方培養了急需的電力人才，近幾年畢業生就業率一直保持在98%以上，被石油天然氣集團公司指定為電力系統技術人才培養和培訓基地。該專業以面向石油系統、發電工程、供用電工程和電力系統自動化為其專業教學和研究方向，專業涉及電力系統、電氣系統、電氣設備、用戶用電管理等多個方面。具體教學和科研方向如下：①電力系統自動化；②電力系統優化運行；③需求方用電管理技術；④現代電力設備在線檢測。

2.2 平臺建設的必要性

目前面向本科教學的電力實驗教學內容、方式和手段落后于現場技術，滯后于現代電力供應和使用。原因是實驗室的建設單一，即按照專業條塊建設實驗室，例如：遠動、繼電保護、電力系統分析計算、動模等實驗室，都是針對專業的某一方面而對學生進行技能訓練，相互之間很少聯系，致使學生對電力供應和電力使用缺乏整體的感性認識和基本訓練。而基于物聯網的新型實驗平臺提供了新的出路。

建設的新實驗平臺，充分考慮現場生產實際的狀況，在一個實驗室學生能對電力供應和電力應用的全過程進行實驗，通過實驗學生能夠直觀的掌握電力生產和電力的應用過程。學生能夠通過直觀的方式，對現代電力的傳輸、配送的全過程有一個直觀的認識，能夠對電力生產自動化手段有全新的認識，便于學生對所學的知識進行系統的總結歸納。實驗室能對用戶的負荷特性和特征進行實驗，通過用戶負荷仿真系統，使學生對用戶的用電特性、電能質量有一個直觀的認識，也使學生牢固樹立高效用電的概念。目前的教學由于實驗環境的制約，存在教學和實際生產現場脫節的現象，實驗室的建設將能改變這一現行，更好的滿足社會的要求。

特別是像新冠疫情這種突發狀況，實踐教學與網課的矛盾，在物聯網平臺建設下會大大得到緩解。這種嶄新的實踐教學形式，能極大彌補專業教學中的不確定性，同時在正常建設情況下，該平臺也容易向社會開放，在社會培訓、遠程考試等方面發揮積極作用。

3 物聯網實驗平臺建設的目標

聯網實驗教學平臺的目標以技術進步推動實驗手段變革，主要包括課程實驗、競賽設計、科研開發、創新項目等四個方面。最重要的是：①實驗手段變革倒逼實驗理論創新—實驗考核機制。以物聯網為基礎的遠程實驗雖然可以解決實驗室面積及開放時間限制的問題，但采用何種考核機制可以有效調動學生的積極性，同時保障實驗教學的質量是本研究要重點解決的內容。②實驗理論創新促進實驗內容改進—實驗設置體系。現有的實驗項目安排多基于傳統的實驗模式，課程實驗界限分明，內容融合度低。在物聯網環境下，如何改造現有實驗項目，在實踐教學中體現出“新興”、“新型”和“新生”，形成物聯網環境下電氣工程專業實驗設置體系，是本項目要解決的另一重要問題。

4 物聯網實驗平臺建設的內容

物聯網實驗教學平臺的基本功能是開展課程實驗，與課堂教學相配合，提升教學質量。使電氣工程及其自動化專業的學生能深入理解課堂學習內容，擴充物聯網基礎知識、增強實際動手能力，并將物聯網的概念遷入電氣專業。通過物聯網實驗平臺，進一步為學生參與基于物聯網的各類競賽提供鍛煉的平臺。通過調動學生的學習興趣，培養學生的自主學習能力、動手能力，并進一步提高學生的創新意識。從科學研究的角度來說，物聯網實驗平臺應是一個模塊化的、具有可擴展性的平臺。它應能配合電氣工程專業課題的研究，可以在一定程度上成為科研項目的初始研發平臺，協助電氣工程專業技術人員取得關鍵技術突破。最后，學生可以借助物聯網技術對本專業的技術發展產生自己的創意。從這個角度來說，物聯網平臺也應該成為學生創意開發的基礎平臺，幫助學生積累開發實踐項目的經驗，從而為培育物聯網技術方面的創新成果奠定基礎。

相對于傳統的工科人才，未來產業和經濟發展需要實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。“新”的意思就是新興、新型和新生。“新興”是指面向未來新技術和新產業發展的學科，雖然由非工科門類拓展而來的，但與傳統工科門類有本質的區別。“新型”是通過轉型、改造和升級提對傳統的學科。“新生”則其他學科與傳統工科的交叉融合。物聯網、人工智能的發展對電氣工程專業具有重大影響。電氣工程實驗平臺及相應實驗體系需要以新工科的思維，借助物聯網技術進行改革，以改變傳統電氣工程實驗教學內容、方式和手段落后于現場技術，滯后于現代電力供應和使用的情況。現有實驗平臺及實驗模式已不能滿足新工科背景下人才培養需求，其原因是傳統實驗室建設單一，且受到場地及時間的限制，使得學生對電力供應和電力使用缺乏整體的感性認識和訓練。本項目研究通過良好的通信技術，網絡技術擴大實驗室的開放度，突破現有實驗室空間及開放時間的限制，探索建設全天候的電力系統綜合實驗平臺的理論及方法，并研究相應的實驗課程體系。解決的主要問題如下所示。

（1）在物聯網環境下電氣工程實驗室的構架及實驗計劃安排。

（2）融入新工科理念的，基于物聯網環境的電氣工程實驗設置和培養方案。

（3）遠程實驗和現場實驗的課時分配及實驗的考核方法。

5 物聯網實驗平臺建設的具體框架

具體的平臺建設思路如下：以基于雙光環網的通信架構為依托（如圖1所示），實現發、輸、變、配現場設備和調度中心的通信，使學生可以通過遠程的方法進行實際真實驗，在接觸技術前沿的基礎上直觀地掌握電力生產、電力應用、現代電力的傳輸和配送的全過程，也讓學生對電力生產的自動化手段有全新認識，便于學生對所學的知識進行系統的總結歸納。

圖1 平臺架構

在此實驗平臺建設基礎上，由專業課老師提出新的基于新工科思維的實驗項目并改進已有實驗項目。教研室根據各個實驗項目的具體情況，提出總的實驗考核原則。專業課老師根據實驗考核原則，提出具體各個課程的實驗考核方法。最后課題組根據實驗考核原則及具體的考核方法形成物聯網環境下電氣工程實驗教學體系。整體思路如圖2所示。

圖2 平臺建設整體思路示意圖

以技術手段推進實驗平臺建設，通過基于物聯網的電氣工程實驗平臺建設倒逼實驗理論改革，以實驗理論改革促進實驗內容更新。以基于物聯網的電氣工程實驗平臺為抓手，將新工科理念融入實驗平臺建設及實驗安排中。通過實踐，形成新工科理念下基于物聯網的電氣工程實驗平臺建設理論體系和實驗課程設置的理論體系。

6 結束語

物聯網教學平臺首先要滿足高校教學的第一需求，所以平臺不只是簡單的硬件堆砌，要求所有硬件驅動暢通的前提下，建立豐富的可滿足學校教學的實驗體系。電氣工程及其自動化專業學生人數多，就業率高，實驗平臺可以使盡可能多的學生和企業受益。實驗平臺的建設，可使我校電氣工程及其自動化專業實驗室的實驗設備和實驗內容得到根本改善，對本科教學效果的提高和綜合素質的培養將起到極大的促進作用，可以全面提高電氣工程及其自動化專業實驗室的實驗水平。該平臺的建設，將會極大提高本專業實踐教學的韌性，在面對新冠疫情等突發情況時能產生良好的教學效果。

該平臺的建設對于轉變實驗教學思想，優化學科結構，改善實驗條件，提高專業實驗教學水平，增強我校服務于陜西地方以及西部油氣田的經濟建設和社會發展的能力將有著重要的現實意義。