“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)技術學院南京分院，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，樓宇自控技術不斷地更新?lián)Q代，智能樓宇的應用越來越多，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，提升學生的職業(yè)素養(yǎng)[1]。樓宇自控課程是工程應用類的綜合學科，涉及跨學科的綜合系統(tǒng)應用，學生不僅要掌握各科的基礎知識，還需要將它們融合在一起，應用在項目工程中，具備一系列工程方案設計、系統(tǒng)編程調試、設備維護管理等能力，這樣的復合型應用人才正是現(xiàn)在企業(yè)所急需的[2]。

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

1 高職樓宇自控課程改革與實踐

1.1 項目化教學設計的課程改革

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)技術飛速發(fā)展的背景下企業(yè)對于學生職業(yè)崗位能力的需求，樓宇自控課程的教學方式也要與時俱進，對于綜合性工程應用學科，應該使用以工程項目為導向的新型教學模式，即根據(jù)企業(yè)各個崗位的實際工作需求，以具體的工作任務為框架，在設計課程項目時按照工程設計、施工、管理等順序進行[3]。在教學過程中使學生在學習基礎知識的同時，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、方案設計、繪圖、建模、工程造價等一系列專業(yè)技能。

假設施工項目為某大樓樓宇自控系統(tǒng)，設置暖通空調監(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 個教學子項目。根據(jù)每個子項目的實際工作步驟設計相應的子任務，包括投標、現(xiàn)場施工、工程驗收等全部過程。具體設計方法如圖1 所示。

圖1 教學項目設計

學生按照圖1 的流程進行系統(tǒng)地學習后，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。在教學過程中老師采用信息化手段和物聯(lián)網(wǎng)技術，通過學校建設的實訓樓進行模擬實景教學，以提高學生的實操能力和工程實踐能力，提升樓宇自控課程的教學效果。

1.2 樓宇自控系統(tǒng)實訓樓設計

樓宇自控系統(tǒng)（BAS）實訓樓分為2 個主要組成部分，分別是完整的樓宇自控系統(tǒng)和教學實操平臺。整個實訓樓的控制系統(tǒng)采用Webs 系統(tǒng)。BAS 控制子系統(tǒng)，包括空調系統(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]。教學實操平臺由2 部分組成，分別是教師管理平臺和學生實操平臺。教師管理平臺主要由計算機、網(wǎng)絡交換機、Webs控制器等設備構成。學生實操平臺則是按照實際工位設置20 套相互獨立的學生實操工位，由計算機、DDC 控制器、路由器等設備構成。整個實訓樓的物聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)結構如圖2 所示，分為4 個層級：設備層、感知層、控制層和管理層。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)分布式系統(tǒng)結構

1.2.1 網(wǎng)絡架構設計

按照當前物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，本文使用BACnet 協(xié)議構建BAS 系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡。要達成在BACnet IP 基礎上的系統(tǒng)集成訓練，可以通過上層控制網(wǎng)絡實現(xiàn)[5]。實訓樓各個設備的調試、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。在實操訓練時，教師管理平臺和學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)的主服務器是教師管理平臺，客戶端是學生實操工位，老師可以進行任務分配和權限維護等操作，掌握所有學生的實操情況，學生按照老師分配的任務進行樓宇自控管理的操作訓練。

1.2.2 系統(tǒng)配置與選型

本文設計的樓宇自控系統(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備，進行教學演示，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）學生操作平臺DDC 配置：在實際的訓練中，每次學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，學生實操工位參照空調系統(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)各種設備的運行信息，例如空調、照明設備、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，就可以判斷學生實操后整個樓宇各個系統(tǒng)的運行風險，評估實訓效果[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，并結合模糊評價、加權綜合等步驟實現(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，使其構成一個整體，該整體是U的冪集，可以用2U描述。

假設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，衡量學生樓宇自控實訓操作效果。

3 實驗及應用

3.1 樓宇自控系統(tǒng)實訓樓建設

本文選擇某職業(yè)技術學院，將一座5 層的普通教學樓改建為樓宇自控系統(tǒng)實訓樓，該教學樓占地面積為2 500 m2，總建筑面積為3 600 m2。一共需要布設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。具體的實訓樓Webs 系統(tǒng)構架如圖3 所示。

圖3 實訓樓Webs 系統(tǒng)

3.2 BAS 教學實操平臺應用

3.2.1 創(chuàng)建應用程序庫

為了提高樓宇自控課程實訓的效果，讓學生更好地掌握職業(yè)技術，在系統(tǒng)建設初期，老師需要根據(jù)項目化教學設計具體的實操內容，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計，形成一系列程序控制邏輯，作為教學演示和學生實操的評分標準。將這些項目程序匯總，構建一個項目教學程序庫，在教師管理平臺服務器的WebStation AX 系統(tǒng)中進行儲存，以便后期的教學使用。

3.2.2 教師實訓教學演示

根據(jù)項目教學的安排，老師從服務器的程序庫中調取相應的實操程序，在BAS 系統(tǒng)中向學生講解控制原理和控制流程，然后通過實操訓練平臺對控制方法進行程序仿真。通過這種方式進行教學，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)，提升學習效果。

講解相關操作程序后，老師通過Web-8000 網(wǎng)絡控制器將標準程序下載到BAS 系統(tǒng)對應設備的DDC 控制器中，由DDC 控制現(xiàn)場的演示設備按照標準程序工作，讓學生進一步學習和掌握程序在真實設備上的運行狀態(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 學生實訓操作

教師在完成具體項目的教學演示后，即可安排學生分組使用實操工位進行實際的操作訓練。老師需要將DDC 控制器的操作權轉給每個學生實操工位，學生在自己的工位上進行項目實驗程序的編寫、調試、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 老師指導學生進行實操訓練

3.2.4 學生實訓考核

學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。教師將學生的編程載入BAS 系統(tǒng)各個設備的控制器中，由DDC 控制現(xiàn)場的演示設備按照學生自編的程序進行工作，從而驗證學生的編程是否可行，并評估其運行效果，最后由老師根據(jù)驗證的結果對學生的實操訓練課程進行考核評價。

4 結 語

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