新工科背景下智能建筑實驗室建設與管理

項新建，姚佳娜，鄭永平，曹 楹

（1.安徽建筑大學，樓宇控制與節能優化國家級實驗教學示范中心，合肥 230000；2.浙江科技學院，自動化與電氣工程學院，杭州 310023）

0 引言

為了應對以大數據、物聯網和人工智能技術為基礎的第四次工業革命，教育部于2017 年啟動新工科專業建設，相繼形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等綱領性文件［1-2］。新工科專業建設將利用云計算、人工智能、物聯網與機器人等新技術對傳統工科專業升級改造，或將不同學科專業交叉融合形成全新的專業。新工科建設以繼承與創新、交叉和融合、協調與共享為途徑，培養適應科技改革、具有實踐能力和創新能力的復合型高素質新工科人才［3］。在新工科建設的背景下，高校更加注重培養學生在物聯網、云計算、人工智能、機器人等新技術下的實踐和創新能力。

智能建筑將傳統混凝土結構建筑與智能信息控制技術相結合，實現對建筑的智能化管理，不僅能夠對建筑結構、服務、系統和管理實現最優化，并為住戶提供更安全、環保、舒心、便捷的生活環境［4-6］。隨著智能建筑的蓬勃發展，智能建筑人才需求量快速增長。據有關部門調查表明，預計到2025 年，人才需求將達到900 萬人，人才缺口預計達到450 萬人［7］。為了滿足社會對高素質智能建筑人才的需求，許多高校開設了智能建筑相關專業［8-9］。

建筑電氣與智能化專業是一個隨著新工科專業建設發展起來的多學科交叉的智能建筑新興專業。智能建筑實驗室存在實驗設備繁多、體積大、分布分散、專業性強和不易操作等特點，另外還存在實驗室師資專業要求高、招聘難度大、人才缺失嚴重等問題。傳統的以單一建筑設備為對象，以老師為主體、規定時間固定場所老師手把手教學生實驗的實驗室建設與管理體系已經無法滿足智能建筑新工科專業建設培養學生的要求。面對日益變化的智能建筑技術和新工科專業建設需求，高校應跟上時代腳步，優化智能建筑實驗室建設，創新實驗室管理系統，使學生能夠有更多的時間、自主更好地熟悉、掌握各種智能建筑先進設備和技術，提升其專業競爭力［10，11］，滿足實踐和創新能力培養需要。

1 智能建筑實驗室建設與管理現狀

建筑電氣與智能化是多學科交叉的新興專業，為了更好地培養學生的專業技能，許多高校根據自己的專業特色和優勢建設了智能建筑實驗室。我校充分發揮控制科學、土木工程和電氣工程的特長和優勢，由建筑電氣智能化實驗室、智能建筑節能和樓宇自動化實驗室組成智能建筑實驗室。

建筑電氣智能化實驗室，如圖1（a）所示。由遠程抄表、消防自動報警、樓宇供配電綜合、綜合布線與計算機網絡、現場總線樓宇綜合控制、周邊防范、EIB 智能照明、閉路監控和建筑設備運維管理虛擬仿真實驗系統組成。其中，建筑設備運維管理虛擬仿真實驗系統是為了緊跟智能建筑技術革新，響應新工科建設的號召，跟上智能建筑教學內容的改革而新添的實驗系統。該仿真實驗系統基于建筑設備互聯網開放式架構，結合AR／VR、大數據分析決策技術，對智能建筑、智能社區等場景進行設備監測管理需求進行案例分析，并與BIM機電設備進行綜合分析，提升虛擬仿真效果。

圖1 智能建筑實驗室

智能建筑節能實驗室，如圖1（b）所示。由人工氣候室、三聯電梯系統、IBMS智能樓宇集成管理、智能家居和基于物聯網技術的建筑設備能耗監測系統組成。其中，基于物聯網技術的建筑設備能耗監測系統是為了緊跟智能建筑技術革新，響應新工科建設的號召，跟上智能建筑教學內容改革而新添的實驗系統。該系統是以大數據技術為核心的建筑能耗分析平臺和以人工智能技術為主的建筑節能控制平臺。學生通過建筑設備能耗監控系統采集各樓宇傳感器與執行器輸出的建筑能耗數據，然后將采集到的建筑能耗數據在建筑能耗分析平臺進行分析、診斷與預測，并將能耗分析結果進行圖形化，最后在建筑節能控制平臺上，根據樓宇的真實狀況發出各類針對性的控制指令。

樓宇自動化實驗室，如圖1（c）所示。由中央空調實驗、樓宇供電照明綜合和樓宇供水系統組成。

智能建筑實驗設備是提升學生專業技能的硬件設施，也是提高智能建筑教學水平的基礎［12］。智能建筑實驗設備存在體積大，設備分布散、精度高、專業性強等特點（見圖2），這些特點加大了智能建筑實驗室的建設與管理難度。若設備不能及時進行維護和修理，不僅會降低設備的使用壽命，同時也會帶來實驗安全問題。隨著新工科專業建設的改革深化，智能建筑實驗設備會不斷地更新。科學、合理、便捷的實驗室建設與管理方案不僅可以提高實驗場地和設備的使用率，同時可以提升設備的使用壽命、降低使用費用。

圖2 智能建筑實驗室設備

實驗技術人員、教師和實驗室管理人員組成了高校實驗教學隊伍［13-15］，三者相輔相成，相互配合，缺一不可。實驗技術人員主要承擔著教學、科研的技術支持和實驗室建設，實驗教師主要承擔實驗教學，實驗室管理人員承擔實驗室常規管理［16］。在新工科背景下，建筑電氣與智能化專業是以建筑技術為基礎，綜合應用現代計算機、人工智能、網絡通信、大數據、現代自動控制、物聯網及電氣技術的多學科集合的新興交叉學科。因此，智能建筑實驗人員需要豐富的理論知識和很強的實踐能力。

2 智能建筑實驗室建設與管理的研究

針對智能建筑實驗室存在實驗設備繁多、體積大、分布分散、專業性強和不易操作等特點，為了有效解決智能建筑實驗老師專業要求高、招聘難度大、人才缺失等問題，提高智能建筑實驗室建設和管理的效率，提升智能建筑學生實踐和創新能力，以我校智能建筑實驗室為對象，進行了“新工科”背景下基于新一代信息的智能建筑實驗室建設與管理的研究與探索。

2.1 構建智能建筑實驗室建設與管理體系

智能建筑實驗室管理系統功能是由學生、實驗室人員和學校實驗室建設管理組成，如圖3 所示。學生和實驗室人員通過微信小程序進行日常工作和學習，學校可以通過系統后臺對實驗室進行統一管理。

圖3 智能建筑實驗室建設與管理系統

2.2 智能建筑實驗室建設與管理系統設計

首先對現有智能建筑3 個實驗室原有實驗設備進行優化重組和智能改造，構建基于物聯網的智能建筑實驗室建設與管理系統。利用LAN、4G、WiFi 等有線和無線的通信網絡將智能建筑實驗室設備進行智能網絡化改造，將智能網絡化改造后設備按照實驗使用頻率科學進行重新布置。另外在每個實驗室門口加裝智能門禁系統，實驗室里加裝視頻監控系統，且每套實驗設備上加裝取電掃碼器，方便遠程監控管理與大數據記錄分析。建設智能建筑實驗數據庫服務器，存儲管理實驗室智能設備信息和學生實驗數據。

智能建筑實驗室建設與管理系統網絡拓撲結構如圖4 所示。系統由感知層、網絡層和應用層組成。

圖4 智能建筑實驗室管理系統結構圖

（1）感知層主要負責采集物體信息和實現物體識別。系統的感知層是由每個實驗室門口的二維碼掃碼器組成。學生通過微信小程序生成二維碼，實驗室門口掃碼器掃碼、簽到和解除門禁。掃碼器將接受到的信息通過網絡層傳輸至應用層。

（2）網絡層通過數據通信網絡將采集信息傳遞到中央信息系統。本系統的網絡層包括LAN、3G／4G／5G、WIFI等有線和無線的通信網絡，同時使用以太網TCP／IP通信協議控制網絡。

（3）應用層是提供實際應用服務支撐，通過開放性互聯網實現信息交換和共享，實現對物體的管理。應用層包括學生和實驗室人員管理的微信小程序、實驗室管理的Web 瀏覽器和儲存學生和實驗室人員數據信息的數據庫服務器。同時，可以拓展更多的智能建筑實驗設備的數據的收集、查詢、信息發布等。

2.3 智能建筑實驗室建設與管理系統使用

（1）學生管理系統結構，如圖5 所示。學生通過手機中的微信小程序進入該系統登錄界面。若未進行注冊，按下其中的“注冊賬號”按鍵，轉至注冊界面圖，進行信息登記。若已經注冊完成，則通過學號登錄系統，轉至學生管理系統主界面。學生根據自己的需求選擇相應功能。若按下“預約實驗室”，轉至實驗室預約界面。學生選擇自己所需預約實驗室，按下界面中“預約”按鍵，立刻會生成二維碼。學生可以在規定時間內通過二維碼進入實驗室進行實驗。若按下“預習課程”，轉至實驗預習課程界面。學生根據自己學習情況選擇預習課程，進行實驗預習，可以提高實驗效率，獲得更高的實驗成績；也可以提升實驗安全性。若按下“實驗成績”，轉至實驗成績界面。學生可以查看自己的實驗成績和反思實驗中的不足。若按下“線上問答”，轉至線上問答界面。學生可以進入線上問答界面，提出自己在實驗中不解的部分。

圖5 學生管理系統結構圖

（2）實驗室人員管理系統結構，如圖6 所示。實驗室人員通過微信小程序進入該系統登錄界面。若未進行注冊，按下其中的“注冊賬號”，轉至注冊界面，進行信息登記。若已經注冊完成，則通過工號登錄系統，轉至實驗室人員管理系統主界面。實驗室人員根據自己的需求按下相應的功能。若按下“教學活動”，轉至教學界面。若按下“教學安排”，轉至教學安排界面，實驗室教師查看自己一周的實驗教學安排和預約學生人數；若按下“打分系統”，轉至打分系統界面，實驗室教師通過手機直接給學生打分，同時可以查看學生預習情況。若按下“設備維護”，進入設備維護界面。實驗室人員可以隨時查看實驗設備維護情況，也可以上報需要維護和維修的實驗設備。若按下“線上解答”，轉至線上解答按鍵界面。實驗室教師需每周3 次進入線上解答系統，進行線上解答。

圖6 實驗室人員管理系統結構圖

（3）平臺管理使用。校學院可通過后臺對實驗室進行管理，如圖7 所示。學院根據需求選擇功能。若按下“設備維護”，轉至設備維護界面。選擇所需查看的實驗室，查看設備是否有需要維護和維修。若按下“實驗室使用狀況”，轉至實驗室使用情況界面。選擇查看的實驗室，查看實驗室使用情況。

圖7 實驗室管理平臺界面圖

3 實踐效果

智能建筑實驗課程為專業必修課，選擇2018 級、2019 級和2020 級建筑電氣與智能化畢業生的成績。其中2018 級未使用智能建筑實驗室建設與管理系統，有97 位學生選擇該課程；2019 級使用1.0 版本智能建筑實驗室建設與管理系統，但未添加預習課程、線上問答和線上解答功能，有94 位學生選擇該課程；2020級使用2.0 版本智能建筑實驗室管理系統，有113 位學生選擇該系統。該課程將低于60 分為不及格，60～69 分為及格，70～79 分為中等、80～89 分為良好和90～100 分為優秀。圖8（a）、8（b）和8（c）分別為2018級、2019 級和2020 級智能建筑實驗成績分布圖。2018 級學生成績主要分布在良好和中等，沒有人達到優秀的成績，其中1 位學生由于與其他課程產生沖突不得不放棄這門課程。2019 級學生成績大部分仍然分布在良好和中等，有極少部分學生得到優秀。2020

圖8 智能建筑實驗課程實驗成績分布圖

級學生成績分布于優秀、良好和中等。根據該系統后臺統計，2019 級和2020 級學生中有30%以上的同學通過多次進行同一實驗提高實驗分數，2020 級有約5%左右的學生使用線上問答功能，2020 級所有學生進行了實驗課程預習。同時，在使用該系統后，智能建筑實驗室教師多次表示，提高了工作效率，加快了工作進程。另外，通過后臺數據表明，實驗設備未出現維護不當或者不及時維修等問題。

4 結語

在新工科建設背景下，科學、高效的智能建筑實驗室建設與管理已經成為建筑電氣與智能化專業高質量培養學生的重要條件。經過實踐表明，智能建筑實驗建設與管理系統可以全面、高效和便捷地建設和管理實驗室和實驗設備。學生通過該系統，自主完成實驗，擁有了更多的實驗動手機會，提高了實踐和創新能力。實驗室老師通過該系統可以提高實驗教學工作效率，1人能監管多個實驗室，解決人手缺乏問題。學校通過該系統提高了實驗設備的利用率，降低學校管理成本，并實現實驗設備及時維修與升級。

新工科建設背景下智能建筑實驗室建設與管理研究與探索還處在起步階段。在后續研究與探索中，應立足于高質量安全發展的視覺，進一步提升智能建筑實驗室開放程度和智能網絡化水平，利用新一代信息技術實現實驗室全方位、全天候智能開放，提升學生自主實驗能力，為高質量培養學生創新能力服務。同時，為確保開放實驗室安全，在制度與技術手段上進一步做深入的研究與探索，以推動開放實驗室安全發展。