“物聯(lián)網(wǎng)+”背景下五年制高職樓宇自控課程改革與實踐研究

王榮

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，樓宇自控技術(shù)不斷地更新?lián)Q代，智能樓宇的應(yīng)用越來越多，企業(yè)用人標準也有所提高，這就需要加強高職教育的崗位對接能力，提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)[1]。樓宇自控課程是工程應(yīng)用類的綜合學(xué)科，涉及跨學(xué)科的綜合系統(tǒng)應(yīng)用，學(xué)生不僅要掌握各科的基礎(chǔ)知識，還需要將它們?nèi)诤显谝黄穑瑧?yīng)用在項目工程中，具備一系列工程方案設(shè)計、系統(tǒng)編程調(diào)試、設(shè)備維護管理等能力，這樣的復(fù)合型應(yīng)用人才正是現(xiàn)在企業(yè)所急需的[2]。

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對原有的五年制高職樓宇自控課程進行項目化教學(xué)改革，同時設(shè)計先進的樓宇自控系統(tǒng)實訓(xùn)樓，提高教學(xué)水平和實訓(xùn)效果，讓學(xué)生更好地掌握職業(yè)技能。

1 高職樓宇自控課程改革與實踐

1.1 項目化教學(xué)設(shè)計的課程改革

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下企業(yè)對于學(xué)生職業(yè)崗位能力的需求，樓宇自控課程的教學(xué)方式也要與時俱進，對于綜合性工程應(yīng)用學(xué)科，應(yīng)該使用以工程項目為導(dǎo)向的新型教學(xué)模式，即根據(jù)企業(yè)各個崗位的實際工作需求，以具體的工作任務(wù)為框架，在設(shè)計課程項目時按照工程設(shè)計、施工、管理等順序進行[3]。在教學(xué)過程中使學(xué)生在學(xué)習基礎(chǔ)知識的同時，還可以系統(tǒng)地了解項目的整體過程，掌握工程項目的招標、方案設(shè)計、繪圖、建模、工程造價等一系列專業(yè)技能。

假設(shè)施工項目為某大樓樓宇自控系統(tǒng)，設(shè)置暖通空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、給排水監(jiān)控系統(tǒng)、供配電監(jiān)測系統(tǒng)、電梯監(jiān)測系統(tǒng)、照明監(jiān)控系統(tǒng)等5 個教學(xué)子項目。根據(jù)每個子項目的實際工作步驟設(shè)計相應(yīng)的子任務(wù)，包括投標、現(xiàn)場施工、工程驗收等全部過程。具體設(shè)計方法如圖1 所示。

圖1 教學(xué)項目設(shè)計

學(xué)生按照圖1 的流程進行系統(tǒng)地學(xué)習后，即可完整了解整個項目工程的實際工作過程，并掌握各個階段需要的職業(yè)技能。在教學(xué)過程中老師采用信息化手段和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過學(xué)校建設(shè)的實訓(xùn)樓進行模擬實景教學(xué)，以提高學(xué)生的實操能力和工程實踐能力，提升樓宇自控課程的教學(xué)效果。

1.2 樓宇自控系統(tǒng)實訓(xùn)樓設(shè)計

樓宇自控系統(tǒng)（BAS）實訓(xùn)樓分為2 個主要組成部分，分別是完整的樓宇自控系統(tǒng)和教學(xué)實操平臺。整個實訓(xùn)樓的控制系統(tǒng)采用Webs 系統(tǒng)。BAS 控制子系統(tǒng)，包括空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電梯監(jiān)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等[4]。教學(xué)實操平臺由2 部分組成，分別是教師管理平臺和學(xué)生實操平臺。教師管理平臺主要由計算機、網(wǎng)絡(luò)交換機、Webs控制器等設(shè)備構(gòu)成。學(xué)生實操平臺則是按照實際工位設(shè)置20 套相互獨立的學(xué)生實操工位，由計算機、DDC 控制器、路由器等設(shè)備構(gòu)成。整個實訓(xùn)樓的物聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，分為4 個層級：設(shè)備層、感知層、控制層和管理層。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

按照當前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，本文使用BACnet 協(xié)議構(gòu)建BAS 系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)。要達成在BACnet IP 基礎(chǔ)上的系統(tǒng)集成訓(xùn)練，可以通過上層控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)[5]。實訓(xùn)樓各個設(shè)備的調(diào)試、編程和仿真等操作通過下層的現(xiàn)場控制器實現(xiàn)，組網(wǎng)時使用BACnet MS/TP 協(xié)議。

組建一個局域網(wǎng)管理教師管理平臺與學(xué)生實操平臺，二者之間的通信采用TCP/IP 協(xié)議。樓宇自控系統(tǒng)中的各個工作站使用WebStation AX 軟件管理。在實操訓(xùn)練時，教師管理平臺和學(xué)生實操工位使用同樣的控制軟件，每個工位都可以進行單獨的控制操作。此時系統(tǒng)的主服務(wù)器是教師管理平臺，客戶端是學(xué)生實操工位，老師可以進行任務(wù)分配和權(quán)限維護等操作，掌握所有學(xué)生的實操情況，學(xué)生按照老師分配的任務(wù)進行樓宇自控管理的操作訓(xùn)練。

1.2.2 系統(tǒng)配置與選型

本文設(shè)計的樓宇自控系統(tǒng)DDC 控制器使用主控制器（DDC）與擴展模塊（I/O）相結(jié)合的方式，這樣不僅可以節(jié)省成本，還可以保持各個模塊控制操作的獨立性[6]。

（1）教師管理平臺DDC 配置：由于教師管理平臺需要直接連接實際的樓宇自控設(shè)備，進行教學(xué)演示，所以在配置DDC 和I/O 模塊時需要進行優(yōu)化配置。具體參數(shù)見表1所列。

表1 教師管理平臺DDC 配置

（2）學(xué)生操作平臺DDC 配置：在實際的訓(xùn)練中，每次學(xué)生的操作都是單獨的程序編程與操控實驗，所以根據(jù)上述系統(tǒng)配置的方案，學(xué)生實操工位參照空調(diào)系統(tǒng)配置DDC 和I/O 模塊即可[7]。具體配置見表2 所列。

表2 學(xué)生實操平臺DDC 配置

1.2.3 傳感器多源信息融合

感知層通過各個傳感器采集BAS 系統(tǒng)各種設(shè)備的運行信息，例如空調(diào)、照明設(shè)備、排水、電梯、配電箱等，這些信息較為雜亂，而且類型也不同，將這些信息匯總，再進行合理分析，就可以判斷學(xué)生實操后整個樓宇各個系統(tǒng)的運行風險，評估實訓(xùn)效果[8]。將這些傳感器采集的信息進行匯總的過程是多源信息融合。

多源信息融合模型由數(shù)據(jù)層、特征層和決策層組成。多源信息融合主要包括以下3 個環(huán)節(jié)：

（1）信息預(yù)處理環(huán)節(jié)：使用數(shù)據(jù)歸一化算法融合BAS系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)；

（2）特征融合環(huán)節(jié)：通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)特征的融合；

（3）決策級融合環(huán)節(jié)：將數(shù)據(jù)級融合與特征級融合結(jié)果使用DS 證據(jù)融合方法分析，獲取BAS 系統(tǒng)風險評價中需要的數(shù)據(jù)源，并結(jié)合模糊評價、加權(quán)綜合等步驟實現(xiàn)多傳感器信息融合[9]。

多源信息融合的重點步驟是DS 證據(jù)融合，融合時使用DS 證據(jù)理論，對于評估目標的模糊性，DS 證據(jù)理論加入似然函數(shù)、概率分布函數(shù)等內(nèi)容，分析差異化信息得出的模糊性問題，使評價中的魯棒性更好，同時增加評價結(jié)果的精度[10]。

BAS 系統(tǒng)風險評價框架用U={u1,u2, ...,un}描述，其中的各個因素都具有兩兩互斥性和獨立性，將所有因素進行組合，使其構(gòu)成一個整體，該整體是U的冪集，可以用2U描述。

假設(shè)m:2U→[0, 1]，需要滿足以下2 個約束：

（1）m(Φ)=0，即不可能產(chǎn)生的風險，概率是0；

用m代表U上命題Y的基本概率分配，將其定義為mass 函數(shù)，用m(Y)代表Y的信任度。

假設(shè)Y的似然函數(shù)用p(Y)描述，可以表示為：

當?Y?U時，U上元素的證據(jù)合成過程如下：

式中沖突系數(shù)用Z描述，可以表示為：

證據(jù)間的沖突水平用Z值表示，不同證據(jù)間的沖突程度與Z值成正比。

由此可得BAS 系統(tǒng)風險評價數(shù)據(jù)源，根據(jù)這些數(shù)據(jù)源通過模糊綜合評價法即可得出系統(tǒng)風險等級，衡量學(xué)生樓宇自控實訓(xùn)操作效果。

3 實驗及應(yīng)用

3.1 樓宇自控系統(tǒng)實訓(xùn)樓建設(shè)

本文選擇某職業(yè)技術(shù)學(xué)院，將一座5 層的普通教學(xué)樓改建為樓宇自控系統(tǒng)實訓(xùn)樓，該教學(xué)樓占地面積為2 500 m2，總建筑面積為3 600 m2。一共需要布設(shè)650 個BAS 點位，DDC 控制器加I/O 擴展模塊20 套，聯(lián)網(wǎng)控制器2 個，采用WebStation-N4 軟件作為實訓(xùn)樓的綜合管理平臺，使用WebStation-N4 軟件平臺和Web-8000 聯(lián)網(wǎng)控制器組成管理層，選擇BACnet協(xié)議的Spyder控制器和Spyder VAV控制器。具體的實訓(xùn)樓Webs 系統(tǒng)構(gòu)架如圖3 所示。

圖3 實訓(xùn)樓Webs 系統(tǒng)

3.2 BAS 教學(xué)實操平臺應(yīng)用

3.2.1 創(chuàng)建應(yīng)用程序庫

為了提高樓宇自控課程實訓(xùn)的效果，讓學(xué)生更好地掌握職業(yè)技術(shù)，在系統(tǒng)建設(shè)初期，老師需要根據(jù)項目化教學(xué)設(shè)計具體的實操內(nèi)容，對于各個項目和子系統(tǒng)中需要用到的程序進行標準化設(shè)計，形成一系列程序控制邏輯，作為教學(xué)演示和學(xué)生實操的評分標準。將這些項目程序匯總，構(gòu)建一個項目教學(xué)程序庫，在教師管理平臺服務(wù)器的WebStation AX 系統(tǒng)中進行儲存，以便后期的教學(xué)使用。

3.2.2 教師實訓(xùn)教學(xué)演示

根據(jù)項目教學(xué)的安排，老師從服務(wù)器的程序庫中調(diào)取相應(yīng)的實操程序，在BAS 系統(tǒng)中向?qū)W生講解控制原理和控制流程，然后通過實操訓(xùn)練平臺對控制方法進行程序仿真。通過這種方式進行教學(xué)，可以更加清晰直觀地了解每一個功能模塊的工作順序、控制邏輯和實時仿真數(shù)據(jù)，提升學(xué)習效果。

講解相關(guān)操作程序后，老師通過Web-8000 網(wǎng)絡(luò)控制器將標準程序下載到BAS 系統(tǒng)對應(yīng)設(shè)備的DDC 控制器中，由DDC 控制現(xiàn)場的演示設(shè)備按照標準程序工作，讓學(xué)生進一步學(xué)習和掌握程序在真實設(shè)備上的運行狀態(tài)。具體的操作界面如圖4 所示。

圖4 教師管理平臺系統(tǒng)操作界面

3.2.3 學(xué)生實訓(xùn)操作

教師在完成具體項目的教學(xué)演示后，即可安排學(xué)生分組使用實操工位進行實際的操作訓(xùn)練。老師需要將DDC 控制器的操作權(quán)轉(zhuǎn)給每個學(xué)生實操工位，學(xué)生在自己的工位上進行項目實驗程序的編寫、調(diào)試、仿真、測試等操作。同時與DDC 相連的程序驗證板，可以幫助學(xué)生驗證自己編寫的控制程序的準確性，最后向老師進行確認。具體的實操過程如圖5 所示。

圖5 老師指導(dǎo)學(xué)生進行實操訓(xùn)練

3.2.4 學(xué)生實訓(xùn)考核

學(xué)生自己編寫的程序在經(jīng)過驗證板驗證后，上交老師進行審核。教師將學(xué)生的編程載入BAS 系統(tǒng)各個設(shè)備的控制器中，由DDC 控制現(xiàn)場的演示設(shè)備按照學(xué)生自編的程序進行工作，從而驗證學(xué)生的編程是否可行，并評估其運行效果，最后由老師根據(jù)驗證的結(jié)果對學(xué)生的實操訓(xùn)練課程進行考核評價。

4 結(jié) 語

本文采用項目化教學(xué)的方式對傳統(tǒng)的樓宇自控課程進行了教學(xué)改革，通過建設(shè)BAS 系統(tǒng)實訓(xùn)樓對學(xué)生進行實操訓(xùn)練。實驗結(jié)果表明，本文方法設(shè)計的項目化教學(xué)方式可以更好地讓學(xué)生掌握相對應(yīng)的職業(yè)技能，提高了教學(xué)水平和實訓(xùn)效果。