“物联网 ”背景下五年制高职楼宇自控课程改革与实践研究.pdf

2023年/第9期 物联网技术人才培养Vocational Education1590 引 言随着物联网技术的发展，楼宇自控技术不断地更新换代，智能楼宇的应用越来越多，企业用人标准也有所提高，这就需要加强高职教育的岗位对接能力，提升学生的职业素养1。楼宇自控课程是工程应用类的综合学科，涉及跨学科的综合系统应用，学生不仅要掌握各科的基础知识，还需要将它们融合在一起，应用在项目工程中，具备一系列工程方案设计、系统编程调试、设备维护管理等能力，这样的复合型应用人才正是现在企业所急需的2。本文结合物联网技术对原有的五年制高职楼宇自控课程进行项目化教学改革，同时设计先进的楼宇自控系统实训楼，提高教学水平和实训效果，让学生更好地掌握职业 技能。1 高职楼宇自控课程改革与实践1.1 项目化教学设计的课程改革为了满足物联网技术飞速发展的背景下企业对于学生职业岗位能力的需求，楼宇自控课程的教学方式也要与时俱进，对于综合性工程应用学科，应该使用以工程项目为导向的新型教学模式，即根据企业各个岗位的实际工作需求，以具体的工作任务为框架，在设计课程项目时按照工程设计、施工、管理等顺序进行3。在教学过程中使学生在学习基础知识的同时，还可以系统地了解项目的整体过程，掌握工程项目的招标、方案设计、绘图、建模、工程造价等一系列专业技能。假设施工项目为某大楼楼宇自控系统，设置暖通空调监控系统、给排水监控系统、供配电监测系统、电梯监测系统、照明监控系统等 5 个教学子项目。根据每个子项目的实际工作步骤设计相应的子任务，包括投标、现场施工、工程验收等全部过程。具体设计方法如图 1 所示。学生按照图 1 的流程进行系统地学习后，即可完整了解整个项目工程的实际工作过程，并掌握各个阶段需要的职业技能。在教学过程中老师采用信息化手段和物联网技术，通过学校建设的实训楼进行模拟实景教学，以提高学生的实操能力和工程实践能力，提升楼宇自控课程的教学效果。1.2 楼宇自控系统实训楼设计楼宇自控系统（BAS）实训楼分为 2 个主要组成部分，分别是完整的楼宇自控系统和教学实操平台。整个实训楼的控制系统采用 Webs 系统。BAS 控制子系统，包括空调系统、给排水系统、配电系统、电梯监控系统、照明系统等4。教学实操平台由 2 部分组成，分别是教师管理平台和学生实操平台。教师管理平台主要由计算机、网络交换机、Webs控制器等设备构成。学生实操平台则是按照实际工位设置“物联网+”背景下五年制高职楼宇自控 课程改革与实践研究王荣（江苏联合职业技术学院南京分院，江苏 南京 210019）摘 要：针对现有高职楼宇自控课程教学效果不理想，学生缺乏职业技能和综合应用能力，达不到企业用人标准的问题，开展物联网背景下的楼宇自控课程改革与实践。采用项目化教学的方式进行综合应用性教学课程改革，根据工程项目的实际过程设计教学项目，建设基于物联网分布式结构的楼宇自控系统实训楼，使用 BACnet 协议构建系统整体网络，将主控制器（DDC）与扩展模块（I/O）相结合作为控制单元，通过教学实操平台对学生进行项目实训，并采用 DS 证据理论融合系统多源信息，结合模糊综合评价法评估学生楼宇自控实操效果。实验结果表明，该研究可以更好地让学生掌握相应的职业技能，提高楼宇自控课程的教学水平和实训效果。关键词：物联网；五年制高职；楼宇自控课程；教学改革；工程项目；职业技能中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）09-0159-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.09.042收稿日期：2023-03-16 修回日期：2023-04-14基金项目：2021年南京市教育科学规划第十二期个人课题“五年制高职专业技能课新型活页式教材开发研究以 楼宇自动控制系统工程技术 课程为例”（0y0013）；2021年南京市教育科学“十四五”规划课题“生态系统观视角下校企融合机制的探索与实践”（LZ/2021/034）；2022年江苏省职业教育智能建筑“双师型”名师工作室建设项目（2022ZZ002）物联网技术 2023年/第9期 人才培养Vocational Education16020 套相互独立的学生实操工位，由计算机、DDC 控制器、路由器等设备构成。整个实训楼的物联网分布式系统结构如图 2 所示，分为 4 个层级：设备层、感知层、控制层和管 理层。图 1 教学项目设计图 2 物联网分布式系统结构1.2.1 网络架构设计按照当前物联网技术的发展，本文使用 BACnet 协议构建 BAS 系统的整体网络。要达成在 BACnet IP 基础上的系统集成训练，可以通过上层控制网络实现5。实训楼各个设备的调试、编程和仿真等操作通过下层的现场控制器实现，组网时使用 BACnet MS/TP 协议。组建一个局域网管理教师管理平台与学生实操平台，二者之间的通信采用 TCP/IP 协议。楼宇自控系统中的各个工作站使用 WebStation AX 软件管理。在实操训练时，教师管理平台和学生实操工位使用同样的控制软件，每个工位都可以进行单独的控制操作。此时系统的主服务器是教师管理平台，客户端是学生实操工位，老师可以进行任务分配和权限维护等操作，掌握所有学生的实操情况，学生按照老师分配的任务进行楼宇自控管理的操作训练。1.2.2 系统配置与选型本文设计的楼宇自控系统 DDC 控制器使用主控制器（DDC）与扩展模块（I/O）相结合的方式，这样不仅可以节省成本，还可以保持各个模块控制操作的独立性6。（1）教师管理平台 DDC 配置：由于教师管理平台需要直接连接实际的楼宇自控设备，进行教学演示，所以在配置 DDC 和 I/O 模块时需要进行优化配置。具体参数见表 1 所列。表 1 教师管理平台 DDC 配置系统 分类系统点数模块配置AIDIAODOPUB6438SR SIO12000 SIO4022照明252411供水31831011空调1095511排风5151711（2）学生操作平台 DDC 配置：在实际的训练中，每次学生的操作都是单独的程序编程与操控实验，所以根据上述系统配置的方案，学生实操工位参照空调系统配置 DDC 和I/O 模块即可7。具体配置见表 2 所列。表 2 学生实操平台 DDC 配置配置参数设 备数 量系统需要的最大点数AI10DI18AO3DO12模块配置PUB6438SR1SIO120001SIO40221模块配置套数201.2.3 传感器多源信息融合感知层通过各个传感器采集 BAS 系统各种设备的运行信息，例如空调、照明设备、排水、电梯、配电箱等，这些信息较为杂乱，而且类型也不同，将这些信息汇总，再进行合理分析，就可以判断学生实操后整个楼宇各个系统的运行风险，评估实训效果8。将这些传感器采集的信息进行汇总的过程是多源信息融合。多源信息融合模型由数据层、特征层和决策层组成。多源信息融合主要包括以下 3 个环节：（1）信息预处理环节：使用数据归一化算法融合 BAS系统传感器数据；（2）特征融合环节：通过神经网络进行数据特征的融合；（3）决策级融合环节：将数据级融合与特征级融合结果2023年/第9期 物联网技术人才培养Vocational Education161使用 DS 证据融合方法分析，获取 BAS 系统风险评价中需要的数据源，并结合模糊评价、加权综合等步骤实现多传感器信息融合9。多源信息融合的重点步骤是 DS 证据融合，融合时使用 DS 证据理论，对于评估目标的模糊性，DS 证据理论加入似然函数、概率分布函数等内容，分析差异化信息得出的模糊性问题，使评价中的鲁棒性更好，同时增加评价结果的 精度10。BAS 系统风险评价框架用 U=u1,u2,.,un 描述，其中的各个因素都具有两两互斥性和独立性，将所有因素进行组合，使其构成一个整体，该整体是 U 的幂集，可以用 2U 描述。假设 m:2U 0,1，需要满足以下 2 个约束：（1）m()=0，即不可能产生的风险，概率是 0；（2）m YA U()=1，即全部有可能发生的风险，概率和是 1。用 m 代表 U 上命题 Y 的基本概率分配，将其定义为mass 函数，用 m(Y)代表 Y 的信任度。mm Ym YYUUBA:,20 1()=()（1）假设 Y 的似然函数用 p(Y)描述，可以表示为：pp Yf YYUU:,20 11()=()（2）当YU 时，U 上元素的证据合成过程如下：mmmYm YmYmYZnnnYYYn12112212()()=()()(),（3）式中冲突系数用 Z 描述，可以表示为：Zm Y m YmYnnYYYn=()()()1112212 （4）证据间的冲突水平用 Z 值表示，不同证据间的冲突程度与 Z 值成正比。由此可得 BAS 系统风险评价数据源，根据这些数据源通过模糊综合评价法即可得出系统风险等级，衡量学生楼宇自控实训操作效果。3 实验及应用3.1 楼宇自控系统实训楼建设本文选择某职业技术学院，将一座 5 层的普通教学楼改建为楼宇自控系统实训楼，该教学楼占地面积为 2 500 m2，总建筑面积为 3 600 m2。一共需要布设 650 个 BAS 点位，DDC 控制器加 I/O 扩展模块 20 套，联网控制器 2 个，采用 WebStation-N4 软件作为实训楼的综合管理平台，使用WebStation-N4 软件平台和 Web-8000 联网控制器组成管理层，选择 BACnet 协议的 Spyder 控制器和 Spyder VAV 控制器。具体的实训楼 Webs 系统构架如图 3 所示。图 3 实训楼 Webs 系统3.2 BAS 教学实操平台应用3.2.1 创建应用程序库为了提高楼宇自控课程实训的效果，让学生更好地掌握职业技术，在系统建设初期，老师需要根据项目化教学设计具体的实操内容，对于各个项目和子系统中需要用到的程序进行标准化设计，形成一系列程序控制逻辑，作为教学演示和学生实操的评分标准。将这些项目程序汇总，构建一个项目教学程序库，在教师管理平台服务器的 WebStation AX 系统中进行储存，以便后期的教学使用。3.2.2 教师实训教学演示根据项目教学的安排，老师从服务器的程序库中调取相应的实操程序，在 BAS 系统中向学生讲解控制原理和控制流程，然后通过实操训练平台对控制方法进行程序仿真。通过这种方式进行教学，可以更加清晰直观地了解每一个功能模块的工作顺序、控制逻辑和实时仿真数据，提升学习效果。讲解相关操作程序后，老师通过 Web-8000 网络控制器将标准程序下载到 BAS 系统对应设备的 DDC 控制器中，由DDC 控制现场的演示设备按照标准程序工作，让学生进一步学习和掌握程序在真实设备上的运行状态。具体的操作界面如图 4 所示。图 4 教师管理平台系统操作界面3.2.3 学生实训操作教师在完成具体项目的教学演示后，即可安排学生分组物联网技术 2023年/第9期 人才培养Vocational Education162使用实操工位进行实际的操作训练。老师需要将 DDC 控制器的操作权转给每个学生实操工位，学生在自己的工位上进行项目实验程序的编写、调试、仿真、测试等操作。同时与DDC 相连的程序验证板，可以帮助学生验证自己编写的控制程序的准确性，最后向老师进行确认。具体的实操过程如图 5 所示。图 5 老师指导学生进行实操训练3.2.4 学生实训考核学生自己编写的程序在经过验证板验证后，上交老师进行审核。教师将学生的编程载入 BAS 系统各个设备的控制器中，由 DDC 控制现场的演示设备按照学生自编的程序进行工作，从而验证学生的编程是否可行，并评估其运行效果，最后由老师根据验证的结果对学生的实操训练课程进行考核评价。4 结 语本文采用项目化教学的方式对传统的楼宇自控课程进行了教学改革，通过建设 BAS 系统实训楼对学生进行实操训练。实验结果表明，本文方法设计的项目化教学方式可以更好地让学生掌握相对应的职业技能，提高了教学水平和实训 效果。参考文献1 齐斌.基于职业岗位能力要求的楼宇智能化工程技术专业课程体系建设 J.产业与科技论坛，2015，14（16）：144-145.2 张琳.楼宇智能化技术课程的教学设计 J.集成电路应用，2021，38（11）：20-22.3 谈敏，张锋.CDIO 工程教育理念在高职楼宇智能化工程课程中的实践 J.轻工科技，2020，36（10）：175-176.4 张明理.建筑智能化系统的楼宇智控施工技术研究 J.电子元器件与信息技术，2022，6（11）：101-104.5 张建涛，张继庆.建筑智能化中楼宇自控系统的应用研究 J.山西建筑，2020，46（9）：193-194.6 田亚龙.智能建筑智能化系统楼宇自控技术探究 J.新疆有色金属，2022，45（4）：83-84.7 童建.楼宇自控系统的设备维护策略研究 J.工程技术研究，2022，7（20）：86-88.8 高洪.基于虚拟仿真技术的工程训练教学 J.计算机仿真，2020，37（7）：391-393.9 王宏，韩晨，李丹丹，等.AIoT 技术在绿色智能建筑楼宇自控系统中的最新发展和应用探究J.华中师范大学学报（自然科学版），2021，55（1）：52-60.10郑业景.楼宇自控系统在现代智能建筑中的应用J.新型工业化，2021，11（11）：224-225.作者简介：王荣（1989），男，江苏南京人，本科，讲师，研究方向为建筑电气与智能化、职业教育教学。物联网技术杂志栏目简介特别专访：紧追行业热点，邀请行业专家、企业领袖针对我国物联网产业核心技术、标准体系、产业培育、应用示范、信息安全、公共服务等方面进行权威分析、解读，为读者了解物联网产业现状、发展趋势提供参考。行业资讯：跟踪报道物联网产业重要信息，涵盖国家、地方物联网扶持政策，重大项目实施。物联网行业标准制定进展；新产品及其特点介绍、新技术研发动态。专题介绍：物联网促进工业、农业、流通、生态环境、安全生产、交通管理、公共安全、城市基础设施管理、智能家居等传统行业信息化、智能化提升方面的顶层设计、系统化论述；全球各国物联网产业相关，如传感网、ITC、云计算、大数据专题解析。方案案例：精选物联网技术在智慧政务、智能安防、智能交通、智能电网、智能物流、智慧工业、智能医疗、智能家居、智慧社区等方向的典型解决方案以及具有示范意义的成功应用案例。iCAN 论坛：与国际大学生物联网创新创业大赛合作，每期优选大赛获奖作品，写实报道大学生令人惊喜的创新成果，带您一览高校学子“传递 iCAN 理念、激发创新热情、点燃创业梦想”的中国梦。学术研究：在物联网技术全面感知、可靠传输、智能处理与应用三个层面，刊载物联网技术学术研究成果，为各高校、科研机构、企业研发部门、行业用户搭建交流平台，促进物联网技术的创新、交流和产业繁荣。