高校土建工程專業(yè)實驗室智慧建設(shè)的應(yīng)用探討

陳航 (貴陽學(xué)院、貴州省土木工程實驗實訓(xùn)教學(xué)示范中心 貴州 貴陽550005）

陳威 (貴陽創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略研究院 貴州 貴陽550081)

0 引言

高校土建工程專業(yè)學(xué)科實踐性強，實驗室的規(guī)范化建設(shè)與管理尤為重要，高校土建工程專業(yè)實驗室的建設(shè)大多服務(wù)于課程教學(xué)，重理論輕實踐的現(xiàn)象普遍存在；實驗室開放效果不佳，未達(dá)到真正的資源共享；專業(yè)管理人員緊缺，一崗多用普遍存在；設(shè)備儀器采購?fù)度氪?，設(shè)備繁多，運行與維護滯后，管理混亂；實驗教學(xué)評價體系不完善等。近年來，隨著大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，為工程應(yīng)用型學(xué)科的實驗室建設(shè)與管理注入了新鮮血液，建設(shè)智慧化實驗室符合智慧校園的理念，實驗室的建設(shè)將朝著“智慧學(xué)、智慧教、智慧管”的方向發(fā)展[1]。

1 實驗室的建設(shè)現(xiàn)狀

高等院校土建工程專業(yè)實驗室是一個重要的實踐教學(xué)場所，實驗室的建設(shè)與管理水平參差不齊，以實驗教師為主、學(xué)生被動接受的教學(xué)模式仍為常態(tài)，傳統(tǒng)的實驗室管理方法在教學(xué)組織和管理模式的實際運行中存在的問題日益突出，不符合高等院校創(chuàng)新教育發(fā)展的理念[2]，以貴州省內(nèi)幾所本科高校的土建工程實驗室建設(shè)為例,實驗室運行中普遍存在以下問題：

(1)實驗室建設(shè)主要以服務(wù)專業(yè)課程教學(xué)為目的，開展的實驗項目有限，實驗室設(shè)備儀器利用率相對較低；

(2)實驗設(shè)備儀器較多，日常管理與維護較困難，設(shè)備儀器的使用程序繁瑣；

(3)缺乏實驗室開放的信息化管理，主要體現(xiàn)在實驗室開放信息、開放項目、開放預(yù)約等信息的更新不及時，近而降低了實驗設(shè)備儀器的使用效率；

(4)實驗室的設(shè)備儀器采購資金投入大，但多數(shù)僅限于本專業(yè)使用，實驗資源共享難度大，造成資源浪費；

(5)實驗室缺乏為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，創(chuàng)新性實驗條件較難滿足；

(6)實驗室專業(yè)技術(shù)師資力量缺乏，人才素質(zhì)不一，嚴(yán)重影響實驗室的建設(shè)與發(fā)展[3]。

以大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智慧實驗室系統(tǒng)，建設(shè)高校智慧土建工程專業(yè)實驗室，高效地解決上述問題，實現(xiàn)實驗室的規(guī)范化與信息化管理，優(yōu)化資源配置，加大實驗室的開放與共享力度，激發(fā)教師與學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，降低實驗室的管理成本，提高實驗室運行效率。

3 大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)原理

當(dāng)今社會是“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是社會發(fā)展的動力。在大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用下，高校實驗室的智能化建設(shè)將變得更加切合實際，也更符合大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的思維。

3.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)是一種規(guī)模達(dá)到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型和價值密度低四大特征[4]。大數(shù)據(jù)技術(shù)伴隨著云計算而發(fā)展，并依托云計算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫和云存儲、虛擬化技術(shù)，利用云計算對大數(shù)據(jù)進行分布式數(shù)據(jù)挖掘，將含有意義的數(shù)據(jù)進行“加工處理”，成為增值盈利的有用數(shù)據(jù)。在高校土建工程實驗室智慧化建設(shè)過程中，我們可以運用大數(shù)據(jù)技術(shù)對實驗室的規(guī)劃建設(shè)信息、設(shè)備儀器參數(shù)信息、實驗室開放信息、實驗室的消防安全管理信息以及學(xué)生與教師的個人信息等進行管控，實現(xiàn)實驗室的規(guī)范化與信息化管理。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸與外拓，通過信息設(shè)備傳感器，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將物體信息進行傳播與交換，實現(xiàn)智能化識別、定位跟蹤、監(jiān)管等功能[4]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)借助無線射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等，對物體進行動態(tài)信息采集，并將信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)接嬎銠C終端，借助計算機對物體的有關(guān)信息和數(shù)據(jù)進行加工處理，實現(xiàn)物與物之間的信息溝通與互換，達(dá)到智慧控制的目標(biāo)。如在高校土建工程專業(yè)實驗室的設(shè)備儀器管理上，一所普通的本科院校僅土建工程專業(yè)的實驗設(shè)備儀器就上千件，依靠人力對每臺設(shè)備儀器進行的日常維護與管理，將耗費較大的人力與財力，而通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立智慧實驗室，利用各類傳感器采集實驗室設(shè)備儀器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能化的設(shè)備出入庫管理、遠(yuǎn)程設(shè)備儀器故障診斷、設(shè)備儀器日常維護等，從而提高實驗室資產(chǎn)的管理效率和利用效率。

4 構(gòu)建智慧實驗室系統(tǒng)

構(gòu)建智慧實驗室系統(tǒng)應(yīng)以大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，在充分調(diào)研和論證的基礎(chǔ)上，立足于高校實驗建設(shè)的改革與創(chuàng)新，并結(jié)合土建工程實驗室的建設(shè)與應(yīng)用情況，實現(xiàn)“智慧學(xué)、智慧教、智慧管”的綜合實驗平臺。

4.1 構(gòu)建大數(shù)據(jù)處理平臺

高校土建工程專業(yè)實驗室建設(shè)過程中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括設(shè)備采購數(shù)據(jù)、專業(yè)學(xué)科數(shù)據(jù)、人才市場需求信息、教學(xué)計劃、教師授課評價、課程表、實驗教學(xué)資料、實驗報告書、實驗成績等；學(xué)校有各種相關(guān)專業(yè)的網(wǎng)站、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、教務(wù)系統(tǒng)、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣信息等；實驗室運行過程中采集的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備儀器運行數(shù)據(jù)、設(shè)備儀器故障診斷報告、超前維護報告、消防安全監(jiān)管數(shù)據(jù)等。通過采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)挖掘，得到有用數(shù)據(jù)信息，幫助實驗室管理人員做出決策，促進實驗課程、實驗教學(xué)方法的改革創(chuàng)新，構(gòu)建出一套全新的實驗教學(xué)和管理模式，為實驗器材申報采購、實驗室評估、實驗室建設(shè)及實驗教學(xué)質(zhì)量等實現(xiàn)全面控制、管理和決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)智能識別平臺

實驗室建設(shè)規(guī)劃過程中，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用各類傳感器采集各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實驗室的消防安全智能化管理、設(shè)備智能化出入庫與定位跟蹤、實驗環(huán)境智能化調(diào)節(jié)等，提高實驗室資產(chǎn)管理效率與運行維護效率。

4.2.1 在線終端平臺

實驗室的各項數(shù)據(jù)通過傳感器采集，借助互聯(lián)網(wǎng)傳輸，通過云計算分析，傳輸至客戶終端，用戶可用移動設(shè)備 (手機、平板電腦等)對實驗室運行情況實時監(jiān)管，采取積極的措施干預(yù)，實現(xiàn)實驗室的高效、安全化管理。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智能識別系統(tǒng)

4.2.2 調(diào)節(jié)系統(tǒng)

土建工程實驗室的濕度與溫度對實驗室的設(shè)備儀器壽命、混凝土試件的養(yǎng)護等至關(guān)重要，如工程測量儀器、金屬疲勞試驗機等設(shè)備對室內(nèi)空氣濕度要求高，通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器動態(tài)采集空氣濕度與溫度數(shù)據(jù)，傳輸至客戶終端，動態(tài)調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備，控制室內(nèi)空氣濕度與溫度，延長設(shè)備儀器的使用壽命；在混凝土配合比實驗、膠砂實驗中，成型構(gòu)件一般須進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，要求溫度控制在20±2℃，濕度不小于95%，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以動態(tài)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度與濕度，實現(xiàn)試件的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。

4.2.3 設(shè)備監(jiān)管

土建工程專業(yè)實驗設(shè)備儀器較多，通過統(tǒng)一信息化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，制定各個設(shè)備儀器的電子身份信息碼(如二維碼、芯片)，集成設(shè)備儀器的性能參數(shù)、操作規(guī)范、放置位置等信息于一體，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的識別與GPS定位追蹤，動態(tài)監(jiān)管設(shè)備儀器的使用狀態(tài)，提高設(shè)備儀器出入庫管理效率；針對大型設(shè)備儀器的故障診斷與保養(yǎng)維護，如土木工程實驗室的萬能實驗機、鋼筋疲勞實驗機、壓桿穩(wěn)定機等大型設(shè)備，以往我們在設(shè)備故障出現(xiàn)后，才聯(lián)系廠家到場進行診斷維修，維修費用高，效率低；智慧土建工程實驗室通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的量化分析，得到包括使用時長、使用次數(shù)、平均使用率等評價指標(biāo)，綜合評判設(shè)備運行質(zhì)量，對可能出現(xiàn)故障的設(shè)備儀器進行預(yù)保養(yǎng)維護，降低實驗設(shè)備的安全使用風(fēng)險；對出現(xiàn)故障的設(shè)備儀器，進行遠(yuǎn)程故障的診斷與維修，延長設(shè)備使的用壽命，減少設(shè)備維護費用。

4.2.4 預(yù)警系統(tǒng)

實驗室安全管理是高校實驗室建設(shè)的重要內(nèi)容，土建工程實驗室的危險源主要有線路漏電、易燃易爆、防護裝置脫落、實驗操作不當(dāng)?shù)取＠梦锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，對實驗室的配電箱、強電開關(guān)、易燃易爆物、防護裝置、實驗操作流程等危險源進行動態(tài)監(jiān)控，設(shè)定安全閾值，當(dāng)采集到數(shù)據(jù)超過安全閾值時，系統(tǒng)通過現(xiàn)場聲音、燈光、手機短信提示等方式自動發(fā)出預(yù)警信號[5]，達(dá)到及時通知有關(guān)人員采取措施避免危險的目的。

5 結(jié)語

以大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的高校土建工程專業(yè)智慧實驗室建設(shè)是未來實驗室的建設(shè)方向，符合智慧校園的建設(shè)理念。依托大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智慧實驗室系統(tǒng)，是建設(shè)智慧實驗室的關(guān)鍵工作，智慧實驗室的建成，將有利于高校工科實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新，強化實驗室的信息化與規(guī)范化管理，提高實驗的運行效率，降低實驗室的管理維護成本。