项新建，姚佳娜，郑永平，曹 楹

（1.安徽建筑大学，楼宇控制与节能优化国家级实验教学示范中心，合肥 230000；2.浙江科技学院，自动化与电气工程学院，杭州 310023）

0 引言

为了应对以大数据、物联网和人工智能技术为基础的第四次工业革命，教育部于2017 年启动新工科专业建设，相继形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等纲领性文件［1-2］。新工科专业建设将利用云计算、人工智能、物联网与机器人等新技术对传统工科专业升级改造，或将不同学科专业交叉融合形成全新的专业。新工科建设以继承与创新、交叉和融合、协调与共享为途径，培养适应科技改革、具有实践能力和创新能力的复合型高素质新工科人才［3］。在新工科建设的背景下，高校更加注重培养学生在物联网、云计算、人工智能、机器人等新技术下的实践和创新能力。

智能建筑将传统混凝土结构建筑与智能信息控制技术相结合，实现对建筑的智能化管理，不仅能够对建筑结构、服务、系统和管理实现最优化，并为住户提供更安全、环保、舒心、便捷的生活环境［4-6］。随着智能建筑的蓬勃发展，智能建筑人才需求量快速增长。据有关部门调查表明，预计到2025 年，人才需求将达到900 万人，人才缺口预计达到450 万人［7］。为了满足社会对高素质智能建筑人才的需求，许多高校开设了智能建筑相关专业［8-9］。

建筑电气与智能化专业是一个随着新工科专业建设发展起来的多学科交叉的智能建筑新兴专业。智能建筑实验室存在实验设备繁多、体积大、分布分散、专业性强和不易操作等特点，另外还存在实验室师资专业要求高、招聘难度大、人才缺失严重等问题。传统的以单一建筑设备为对象，以老师为主体、规定时间固定场所老师手把手教学生实验的实验室建设与管理体系已经无法满足智能建筑新工科专业建设培养学生的要求。面对日益变化的智能建筑技术和新工科专业建设需求，高校应跟上时代脚步，优化智能建筑实验室建设，创新实验室管理系统，使学生能够有更多的时间、自主更好地熟悉、掌握各种智能建筑先进设备和技术，提升其专业竞争力［10，11］，满足实践和创新能力培养需要。

1 智能建筑实验室建设与管理现状

建筑电气与智能化是多学科交叉的新兴专业，为了更好地培养学生的专业技能，许多高校根据自己的专业特色和优势建设了智能建筑实验室。我校充分发挥控制科学、土木工程和电气工程的特长和优势，由建筑电气智能化实验室、智能建筑节能和楼宇自动化实验室组成智能建筑实验室。

建筑电气智能化实验室，如图1（a）所示。由远程抄表、消防自动报警、楼宇供配电综合、综合布线与计算机网络、现场总线楼宇综合控制、周边防范、EIB 智能照明、闭路监控和建筑设备运维管理虚拟仿真实验系统组成。其中，建筑设备运维管理虚拟仿真实验系统是为了紧跟智能建筑技术革新，响应新工科建设的号召，跟上智能建筑教学内容的改革而新添的实验系统。该仿真实验系统基于建筑设备互联网开放式架构，结合AR／VR、大数据分析决策技术，对智能建筑、智能社区等场景进行设备监测管理需求进行案例分析，并与BIM机电设备进行综合分析，提升虚拟仿真效果。

图1 智能建筑实验室

智能建筑节能实验室，如图1（b）所示。由人工气候室、三联电梯系统、IBMS智能楼宇集成管理、智能家居和基于物联网技术的建筑设备能耗监测系统组成。其中，基于物联网技术的建筑设备能耗监测系统是为了紧跟智能建筑技术革新，响应新工科建设的号召，跟上智能建筑教学内容改革而新添的实验系统。该系统是以大数据技术为核心的建筑能耗分析平台和以人工智能技术为主的建筑节能控制平台。学生通过建筑设备能耗监控系统采集各楼宇传感器与执行器输出的建筑能耗数据，然后将采集到的建筑能耗数据在建筑能耗分析平台进行分析、诊断与预测，并将能耗分析结果进行图形化，最后在建筑节能控制平台上，根据楼宇的真实状况发出各类针对性的控制指令。

楼宇自动化实验室，如图1（c）所示。由中央空调实验、楼宇供电照明综合和楼宇供水系统组成。

智能建筑实验设备是提升学生专业技能的硬件设施，也是提高智能建筑教学水平的基础［12］。智能建筑实验设备存在体积大，设备分布散、精度高、专业性强等特点（见图2），这些特点加大了智能建筑实验室的建设与管理难度。若设备不能及时进行维护和修理，不仅会降低设备的使用寿命，同时也会带来实验安全问题。随着新工科专业建设的改革深化，智能建筑实验设备会不断地更新。科学、合理、便捷的实验室建设与管理方案不仅可以提高实验场地和设备的使用率，同时可以提升设备的使用寿命、降低使用费用。

图2 智能建筑实验室设备

实验技术人员、教师和实验室管理人员组成了高校实验教学队伍［13-15］，三者相辅相成，相互配合，缺一不可。实验技术人员主要承担着教学、科研的技术支持和实验室建设，实验教师主要承担实验教学，实验室管理人员承担实验室常规管理［16］。在新工科背景下，建筑电气与智能化专业是以建筑技术为基础，综合应用现代计算机、人工智能、网络通信、大数据、现代自动控制、物联网及电气技术的多学科集合的新兴交叉学科。因此，智能建筑实验人员需要丰富的理论知识和很强的实践能力。

2 智能建筑实验室建设与管理的研究

针对智能建筑实验室存在实验设备繁多、体积大、分布分散、专业性强和不易操作等特点，为了有效解决智能建筑实验老师专业要求高、招聘难度大、人才缺失等问题，提高智能建筑实验室建设和管理的效率，提升智能建筑学生实践和创新能力，以我校智能建筑实验室为对象，进行了“新工科”背景下基于新一代信息的智能建筑实验室建设与管理的研究与探索。

2.1 构建智能建筑实验室建设与管理体系

智能建筑实验室管理系统功能是由学生、实验室人员和学校实验室建设管理组成，如图3 所示。学生和实验室人员通过微信小程序进行日常工作和学习，学校可以通过系统后台对实验室进行统一管理。

图3 智能建筑实验室建设与管理系统

2.2 智能建筑实验室建设与管理系统设计

首先对现有智能建筑3 个实验室原有实验设备进行优化重组和智能改造，构建基于物联网的智能建筑实验室建设与管理系统。利用LAN、4G、WiFi 等有线和无线的通信网络将智能建筑实验室设备进行智能网络化改造，将智能网络化改造后设备按照实验使用频率科学进行重新布置。另外在每个实验室门口加装智能门禁系统，实验室里加装视频监控系统，且每套实验设备上加装取电扫码器，方便远程监控管理与大数据记录分析。建设智能建筑实验数据库服务器，存储管理实验室智能设备信息和学生实验数据。

智能建筑实验室建设与管理系统网络拓扑结构如图4 所示。系统由感知层、网络层和应用层组成。

图4 智能建筑实验室管理系统结构图

（1）感知层主要负责采集物体信息和实现物体识别。系统的感知层是由每个实验室门口的二维码扫码器组成。学生通过微信小程序生成二维码，实验室门口扫码器扫码、签到和解除门禁。扫码器将接受到的信息通过网络层传输至应用层。

（2）网络层通过数据通信网络将采集信息传递到中央信息系统。本系统的网络层包括LAN、3G／4G／5G、WIFI等有线和无线的通信网络，同时使用以太网TCP／IP通信协议控制网络。

（3）应用层是提供实际应用服务支撑，通过开放性互联网实现信息交换和共享，实现对物体的管理。应用层包括学生和实验室人员管理的微信小程序、实验室管理的Web 浏览器和储存学生和实验室人员数据信息的数据库服务器。同时，可以拓展更多的智能建筑实验设备的数据的收集、查询、信息发布等。

2.3 智能建筑实验室建设与管理系统使用

（1）学生管理系统结构，如图5 所示。学生通过手机中的微信小程序进入该系统登录界面。若未进行注册，按下其中的“注册账号”按键，转至注册界面图，进行信息登记。若已经注册完成，则通过学号登录系统，转至学生管理系统主界面。学生根据自己的需求选择相应功能。若按下“预约实验室”，转至实验室预约界面。学生选择自己所需预约实验室，按下界面中“预约”按键，立刻会生成二维码。学生可以在规定时间内通过二维码进入实验室进行实验。若按下“预习课程”，转至实验预习课程界面。学生根据自己学习情况选择预习课程，进行实验预习，可以提高实验效率，获得更高的实验成绩；也可以提升实验安全性。若按下“实验成绩”，转至实验成绩界面。学生可以查看自己的实验成绩和反思实验中的不足。若按下“线上问答”，转至线上问答界面。学生可以进入线上问答界面，提出自己在实验中不解的部分。

图5 学生管理系统结构图

（2）实验室人员管理系统结构，如图6 所示。实验室人员通过微信小程序进入该系统登录界面。若未进行注册，按下其中的“注册账号”，转至注册界面，进行信息登记。若已经注册完成，则通过工号登录系统，转至实验室人员管理系统主界面。实验室人员根据自己的需求按下相应的功能。若按下“教学活动”，转至教学界面。若按下“教学安排”，转至教学安排界面，实验室教师查看自己一周的实验教学安排和预约学生人数；若按下“打分系统”，转至打分系统界面，实验室教师通过手机直接给学生打分，同时可以查看学生预习情况。若按下“设备维护”，进入设备维护界面。实验室人员可以随时查看实验设备维护情况，也可以上报需要维护和维修的实验设备。若按下“线上解答”，转至线上解答按键界面。实验室教师需每周3 次进入线上解答系统，进行线上解答。

图6 实验室人员管理系统结构图

（3）平台管理使用。校学院可通过后台对实验室进行管理，如图7 所示。学院根据需求选择功能。若按下“设备维护”，转至设备维护界面。选择所需查看的实验室，查看设备是否有需要维护和维修。若按下“实验室使用状况”，转至实验室使用情况界面。选择查看的实验室，查看实验室使用情况。

图7 实验室管理平台界面图

3 实践效果

智能建筑实验课程为专业必修课，选择2018 级、2019 级和2020 级建筑电气与智能化毕业生的成绩。其中2018 级未使用智能建筑实验室建设与管理系统，有97 位学生选择该课程；2019 级使用1.0 版本智能建筑实验室建设与管理系统，但未添加预习课程、线上问答和线上解答功能，有94 位学生选择该课程；2020级使用2.0 版本智能建筑实验室管理系统，有113 位学生选择该系统。该课程将低于60 分为不及格，60～69 分为及格，70～79 分为中等、80～89 分为良好和90～100 分为优秀。图8（a）、8（b）和8（c）分别为2018级、2019 级和2020 级智能建筑实验成绩分布图。2018 级学生成绩主要分布在良好和中等，没有人达到优秀的成绩，其中1 位学生由于与其他课程产生冲突不得不放弃这门课程。2019 级学生成绩大部分仍然分布在良好和中等，有极少部分学生得到优秀。2020

图8 智能建筑实验课程实验成绩分布图

级学生成绩分布于优秀、良好和中等。根据该系统后台统计，2019 级和2020 级学生中有30%以上的同学通过多次进行同一实验提高实验分数，2020 级有约5%左右的学生使用线上问答功能，2020 级所有学生进行了实验课程预习。同时，在使用该系统后，智能建筑实验室教师多次表示，提高了工作效率，加快了工作进程。另外，通过后台数据表明，实验设备未出现维护不当或者不及时维修等问题。

4 结语

在新工科建设背景下，科学、高效的智能建筑实验室建设与管理已经成为建筑电气与智能化专业高质量培养学生的重要条件。经过实践表明，智能建筑实验建设与管理系统可以全面、高效和便捷地建设和管理实验室和实验设备。学生通过该系统，自主完成实验，拥有了更多的实验动手机会，提高了实践和创新能力。实验室老师通过该系统可以提高实验教学工作效率，1人能监管多个实验室，解决人手缺乏问题。学校通过该系统提高了实验设备的利用率，降低学校管理成本，并实现实验设备及时维修与升级。

新工科建设背景下智能建筑实验室建设与管理研究与探索还处在起步阶段。在后续研究与探索中，应立足于高质量安全发展的视觉，进一步提升智能建筑实验室开放程度和智能网络化水平，利用新一代信息技术实现实验室全方位、全天候智能开放，提升学生自主实验能力，为高质量培养学生创新能力服务。同时，为确保开放实验室安全，在制度与技术手段上进一步做深入的研究与探索，以推动开放实验室安全发展。