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(lái)越多，企業(yè)用人標(biāo)準(zhǔn)也有所提高，這就需要加強(qiáng)高職教育的崗位對(duì)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(lèi)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(shí)，還需要將它們?nèi)诤显谝黄?，?yīng)用在項(xiàng)目工程中，具備一系列工程方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)編程調(diào)試、設(shè)備維護(hù)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(duì)原有的五年制高職樓宇自控課程進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)改革，同時(shí)設(shè)計(jì)先進(jìn)的樓宇自控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)樓，提高教學(xué)水平和實(shí)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(shí)踐

1.1 項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)的課程改革

為了滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下企業(yè)對(duì)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(shí)俱進(jìn)，對(duì)于綜合性工程應(yīng)用學(xué)科，應(yīng)該使用以工程項(xiàng)目為導(dǎo)向的新型教學(xué)模式，即根據(jù)企業(yè)各個(gè)崗位的實(shí)際工作需求，以具體的工作任務(wù)為框架，在設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目時(shí)按照工程設(shè)計(jì)、施工、管理等順序進(jìn)行[3]。在教學(xué)過(guò)程中使學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，還可以系統(tǒng)地了解項(xiàng)目的整體過(guò)程，掌握工程項(xiàng)目的招標(biāo)、方案設(shè)計(jì)、繪圖、建模、工程造價(jià)等一系列專(zhuān)業(yè)技能。

假設(shè)施工項(xiàng)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(cè)系統(tǒng)、電梯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、照明監(jiān)控系統(tǒng)等5 個(gè)教學(xué)子項(xiàng)目。根據(jù)每個(gè)子項(xiàng)目的實(shí)際工作步驟設(shè)計(jì)相應(yīng)的子任務(wù)，包括投標(biāo)、現(xiàn)場(chǎng)施工、工程驗(yàn)收等全部過(guò)程。具體設(shè)計(jì)方法如圖1 所示。

圖1 教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

學(xué)生按照?qǐng)D1 的流程進(jìn)行系統(tǒng)地學(xué)習(xí)后，即可完整了解整個(gè)項(xiàng)目工程的實(shí)際工作過(guò)程，并掌握各個(gè)階段需要的職業(yè)技能。在教學(xué)過(guò)程中老師采用信息化手段和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)學(xué)校建設(shè)的實(shí)訓(xùn)樓進(jìn)行模擬實(shí)景教學(xué)，以提高學(xué)生的實(shí)操能力和工程實(shí)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(shí)訓(xùn)樓設(shè)計(jì)

樓宇自控系統(tǒng)（BAS）實(shí)訓(xùn)樓分為2 個(gè)主要組成部分，分別是完整的樓宇自控系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)操平臺(tái)。整個(gè)實(shí)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(shí)操平臺(tái)由2 部分組成，分別是教師管理平臺(tái)和學(xué)生實(shí)操平臺(tái)。教師管理平臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、Webs控制器等設(shè)備構(gòu)成。學(xué)生實(shí)操平臺(tái)則是按照實(shí)際工位設(shè)置20 套相互獨(dú)立的學(xué)生實(shí)操工位，由計(jì)算機(jī)、DDC 控制器、路由器等設(shè)備構(gòu)成。整個(gè)實(shí)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(gè)層級(jí)：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(jì)

按照當(dāng)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(dá)成在BACnet IP 基礎(chǔ)上的系統(tǒng)集成訓(xùn)練，可以通過(guò)上層控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[5]。實(shí)訓(xùn)樓各個(gè)設(shè)備的調(diào)試、編程和仿真等操作通過(guò)下層的現(xiàn)場(chǎng)控制器實(shí)現(xiàn)，組網(wǎng)時(shí)使用BACnet MS/TP 協(xié)議。

組建一個(gè)局域網(wǎng)管理教師管理平臺(tái)與學(xué)生實(shí)操平臺(tái)，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(gè)工作站使用WebStation AX 軟件管理。在實(shí)操訓(xùn)練時(shí)，教師管理平臺(tái)和學(xué)生實(shí)操工位使用同樣的控制軟件，每個(gè)工位都可以進(jìn)行單獨(dú)的控制操作。此時(shí)系統(tǒng)的主服務(wù)器是教師管理平臺(tái)，客戶(hù)端是學(xué)生實(shí)操工位，老師可以進(jìn)行任務(wù)分配和權(quán)限維護(hù)等操作，掌握所有學(xué)生的實(shí)操情況，學(xué)生按照老師分配的任務(wù)進(jìn)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(jì)的樓宇自控系統(tǒng)DDC 控制器使用主控制器（DDC）與擴(kuò)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(gè)模塊控制操作的獨(dú)立性[6]。

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

表1 教師管理平臺(tái)DDC 配置

（2）學(xué)生操作平臺(tái)DDC 配置：在實(shí)際的訓(xùn)練中，每次學(xué)生的操作都是單獨(dú)的程序編程與操控實(shí)驗(yàn)，所以根據(jù)上述系統(tǒng)配置的方案，學(xué)生實(shí)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(jiàn)表2 所列。

表2 學(xué)生實(shí)操平臺(tái)DDC 配置

1.2.3 傳感器多源信息融合

感知層通過(guò)各個(gè)傳感器采集BAS 系統(tǒng)各種設(shè)備的運(yùn)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(lèi)型也不同，將這些信息匯總，再進(jìn)行合理分析，就可以判斷學(xué)生實(shí)操后整個(gè)樓宇各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估實(shí)訓(xùn)效果[8]。將這些傳感器采集的信息進(jìn)行匯總的過(guò)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(gè)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(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)特征的融合；

（3）決策級(jí)融合環(huán)節(jié)：將數(shù)據(jù)級(jí)融合與特征級(jí)融合結(jié)果使用DS 證據(jù)融合方法分析，獲取BAS 系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中需要的數(shù)據(jù)源，并結(jié)合模糊評(píng)價(jià)、加權(quán)綜合等步驟實(shí)現(xiàn)多傳感器信息融合[9]。

多源信息融合的重點(diǎn)步驟是DS 證據(jù)融合，融合時(shí)使用DS 證據(jù)理論，對(duì)于評(píng)估目標(biāo)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(wèn)題，使評(píng)價(jià)中的魯棒性更好，同時(shí)增加評(píng)價(jià)結(jié)果的精度[10]。

BAS 系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)框架用U={u1,u2, ...,un}描述，其中的各個(gè)因素都具有兩兩互斥性和獨(dú)立性，將所有因素進(jìn)行組合，使其構(gòu)成一個(gè)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(mǎn)足以下2 個(gè)約束：

（1）m(Φ)=0，即不可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，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(dāng)?Y?U時(shí)，U上元素的證據(jù)合成過(guò)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)源，根據(jù)這些數(shù)據(jù)源通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法即可得出系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，衡量學(xué)生樓宇自控實(shí)訓(xùn)操作效果。

3 實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用

3.1 樓宇自控系統(tǒng)實(shí)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(shí)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(gè)BAS 點(diǎn)位，DDC 控制器加I/O 擴(kuò)展模塊20 套，聯(lián)網(wǎng)控制器2 個(gè)，采用WebStation-N4 軟件作為實(shí)訓(xùn)樓的綜合管理平臺(tái)，使用WebStation-N4 軟件平臺(tái)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(shí)訓(xùn)樓Webs 系統(tǒng)構(gòu)架如圖3 所示。

圖3 實(shí)訓(xùn)樓Webs 系統(tǒng)

3.2 BAS 教學(xué)實(shí)操平臺(tái)應(yīng)用

3.2.1 創(chuàng)建應(yīng)用程序庫(kù)

為了提高樓宇自控課程實(shí)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(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)具體的實(shí)操內(nèi)容，對(duì)于各個(gè)項(xiàng)目和子系統(tǒng)中需要用到的程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，形成一系列程序控制邏輯，作為教學(xué)演示和學(xué)生實(shí)操的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。將這些項(xiàng)目程序匯總，構(gòu)建一個(gè)項(xiàng)目教學(xué)程序庫(kù)，在教師管理平臺(tái)服務(wù)器的WebStation AX 系統(tǒng)中進(jìn)行儲(chǔ)存，以便后期的教學(xué)使用。

3.2.2 教師實(shí)訓(xùn)教學(xué)演示

根據(jù)項(xiàng)目教學(xué)的安排，老師從服務(wù)器的程序庫(kù)中調(diào)取相應(yīng)的實(shí)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(guò)實(shí)操訓(xùn)練平臺(tái)對(duì)控制方法進(jìn)行程序仿真。通過(guò)這種方式進(jìn)行教學(xué)，可以更加清晰直觀地了解每一個(gè)功能模塊的工作順序、控制邏輯和實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，提升學(xué)習(xí)效果。

講解相關(guān)操作程序后，老師通過(guò)Web-8000 網(wǎng)絡(luò)控制器將標(biāo)準(zhǔn)程序下載到BAS 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)設(shè)備的DDC 控制器中，由DDC 控制現(xiàn)場(chǎng)的演示設(shè)備按照標(biāo)準(zhǔn)程序工作，讓學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握程序在真實(shí)設(shè)備上的運(yùn)行狀態(tài)。具體的操作界面如圖4 所示。

圖4 教師管理平臺(tái)系統(tǒng)操作界面

3.2.3 學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作

教師在完成具體項(xiàng)目的教學(xué)演示后，即可安排學(xué)生分組使用實(shí)操工位進(jìn)行實(shí)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(gè)學(xué)生實(shí)操工位，學(xué)生在自己的工位上進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)程序的編寫(xiě)、調(diào)試、仿真、測(cè)試等操作。同時(shí)與DDC 相連的程序驗(yàn)證板，可以幫助學(xué)生驗(yàn)證自己編寫(xiě)的控制程序的準(zhǔn)確性，最后向老師進(jìn)行確認(rèn)。具體的實(shí)操過(guò)程如圖5 所示。

圖5 老師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練

3.2.4 學(xué)生實(shí)訓(xùn)考核

學(xué)生自己編寫(xiě)的程序在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證板驗(yàn)證后，上交老師進(jìn)行審核。教師將學(xué)生的編程載入BAS 系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的控制器中，由DDC 控制現(xiàn)場(chǎng)的演示設(shè)備按照學(xué)生自編的程序進(jìn)行工作，從而驗(yàn)證學(xué)生的編程是否可行，并評(píng)估其運(yùn)行效果，最后由老師根據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果對(duì)學(xué)生的實(shí)操訓(xùn)練課程進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用項(xiàng)目化教學(xué)的方式對(duì)傳統(tǒng)的樓宇自控課程進(jìn)行了教學(xué)改革，通過(guò)建設(shè)BAS 系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)樓對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法設(shè)計(jì)的項(xiàng)目化教學(xué)方式可以更好地讓學(xué)生掌握相對(duì)應(yīng)的職業(yè)技能，提高了教學(xué)水平和實(shí)訓(xùn)效果。