以系統(tǒng)運維為目標(biāo)的建環(huán)本科生科研素質(zhì)培養(yǎng)

胡云鵬

（武漢商學(xué)院機電工程學(xué)院 湖北·武漢 430056）

1 面向運維崗位的人才培養(yǎng)

建環(huán)等樓宇設(shè)備相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生，與建筑學(xué)、土木工程等學(xué)科的畢業(yè)生相比，占據(jù)了建筑全壽命周期中90%以上的服務(wù)時長。隨著建筑節(jié)能的逐漸深入，暖通空調(diào)系統(tǒng)運營節(jié)能的迫切性不言而喻。系統(tǒng)運維，不僅僅只要求運維人員能保證系統(tǒng)正常啟停，還對他們的綜合素質(zhì)提出更高的要求。當(dāng)前所急需的運維人員，既要具備設(shè)備維護的動手能力，又要擁有運營效果的分析能力、優(yōu)化控制的創(chuàng)新思維。因此，在本科階段針對性的進行系統(tǒng)運維的教學(xué)、分析和訓(xùn)練，提高科研素質(zhì)，能為隨后三十多年的工作中開展節(jié)能操作奠定扎實的基礎(chǔ)。

為有效面對行業(yè)發(fā)展與崗位需求的變化，許多學(xué)校都積極開展以運維為目標(biāo)的素質(zhì)培養(yǎng)與教學(xué)改革。在課程教學(xué)方面，以培養(yǎng)建環(huán)專業(yè)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，進行了專業(yè)課程群培養(yǎng)模式研究，從系統(tǒng)角度建立了建筑冷熱源的核心課程群體系。[1]在實驗教學(xué)方面，以中央空調(diào)的運行調(diào)試為核心，建立了自主研究型實驗教學(xué)模式，充分運維工程中的系統(tǒng)故障排查等問題。[2]畢業(yè)設(shè)計是工科實踐性教學(xué)最后一個環(huán)節(jié)，對選題進行工程設(shè)計和分析研究，[3]從選題的角度考慮以創(chuàng)新性好、工程性強、創(chuàng)業(yè)結(jié)合及延續(xù)研究的角度開展畢業(yè)設(shè)計，[4]或者將能源結(jié)構(gòu)、能源政策、工程實際、運維管理等方面進行綜合分析，合理選擇建筑冷熱源，把系統(tǒng)運維作為了項目前期分析的基礎(chǔ)，或者鼓勵學(xué)生了解所研究問題的技術(shù)背景和研究成果的用途，以畢業(yè)論文作為本科科研訓(xùn)練的總結(jié)。[5]這些教學(xué)改革與人才培養(yǎng)的成功案例，為開展面向運維崗位人才的科研素質(zhì)培養(yǎng)提供了研究基礎(chǔ)。

針對我校以服務(wù)地方經(jīng)濟為主的就業(yè)指導(dǎo)方向，在現(xiàn)有培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，從二年級開始增加對系統(tǒng)運維方面的知識學(xué)習(xí)和訓(xùn)練培養(yǎng)，并以畢業(yè)設(shè)計作為運維體系的培養(yǎng)總結(jié)，開展本科生科研素質(zhì)培養(yǎng)的試點研究。

2 方案設(shè)計

2.1 學(xué)分體系

對比我校的2016 級與2020 級的人才培養(yǎng)方案，其模塊學(xué)分及比例如表1 所示。在各個環(huán)節(jié)均有下降的情況下，素質(zhì)拓展與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動模塊仍然不變，體現(xiàn)了對素質(zhì)培養(yǎng)的重視。

建環(huán)專業(yè)所學(xué)內(nèi)容側(cè)重于熱力系統(tǒng)，而“熱、機、電、控”等專業(yè)多位一體則是學(xué)生畢業(yè)后從事運維相關(guān)崗位必然面臨的問題。在以人工智能，5G 等新技術(shù)為核心的工業(yè)4.0 時代，迫切需要畢業(yè)生能具備現(xiàn)場維護和數(shù)據(jù)分析的能力。我校目前培養(yǎng)方案中已包含了“小型制冷裝置檢修技術(shù)”“制冷壓縮機拆卸與裝配”“PLC 技術(shù)與應(yīng)用”等與運維實踐相匹配的實踐課程，因此，在補充培養(yǎng)方案中，主要開展“Python 語言學(xué)習(xí)”與“EnergyPlus 仿真模擬”兩方面的內(nèi)容。

表1 2016 級與2020 級各功能模塊學(xué)分對比分析

表2 學(xué)習(xí)內(nèi)容與預(yù)期目標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系

2.2 補充方案

（1）基于Python 的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)的學(xué)習(xí)后，即可引入Python 語言的學(xué)習(xí)。無論是否有C 語言學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，Python 在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的Numpy，Pandas等眾多工具包以及網(wǎng)絡(luò)上大量的開源代碼，都能幫助學(xué)生迅速的理解和掌握初步的入門知識。針對性的以一個建筑樓宇管理或者是空調(diào)系統(tǒng)管理平臺為目標(biāo)，將Web 框架、界面編程、數(shù)據(jù)擬合、實時展示、性能分析等內(nèi)容進一步拆分為不同的應(yīng)用功能，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入。學(xué)習(xí)Python 語言的同時，也加深了對數(shù)學(xué)知識、測量知識等內(nèi)容的理解，掌握數(shù)據(jù)擬合、趨勢預(yù)測等簡單的數(shù)據(jù)分析技能。

（2）基于EnergyPlus 的中央空調(diào)系統(tǒng)仿真模擬。在傳熱學(xué)、熱質(zhì)交換、暖通空調(diào)、制冷技術(shù)等課程的基礎(chǔ)上，進行建筑能耗仿真模擬軟件EnergyPlus 的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，從而能融會貫通建筑熱過程、暖通空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成、制冷設(shè)備裝置性能等內(nèi)容。以一個建筑物及其中央空調(diào)系統(tǒng)的仿真為目標(biāo)，開展不同末端形式、不同冷熱源系統(tǒng)的運營規(guī)律分析。從建筑材料庫、圍護結(jié)構(gòu)庫再到建筑體型，構(gòu)建一個完整的虛擬建筑。從末端的風(fēng)機盤管到空氣處理機，從水系統(tǒng)的管路連接到水泵、冷水機組、冷卻塔的選型，EnergyPlus提供了不同空調(diào)系統(tǒng)的各種組件模型。利用虛擬建筑及其空調(diào)系統(tǒng)，開展全年的空調(diào)系統(tǒng)仿真模擬。通過設(shè)計不同的室內(nèi)負(fù)荷及時間表，調(diào)整關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)定值，從而了解系統(tǒng)運行的過程規(guī)律。

利用EnergyPlus 的開源接口，還可以與Python 構(gòu)建的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)進行實時在線的交互式仿真研究，從而達(dá)到開展系統(tǒng)運維分析所需要的能耗預(yù)測、模型控制、故障識別等方面內(nèi)容的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

2.3 預(yù)期目標(biāo)

經(jīng)上述補充方案培養(yǎng)，期望達(dá)到提高學(xué)生的分析目標(biāo)、細(xì)化流程、厘清邏輯、主動觀察的能力，鍛煉其勤于動手、善于發(fā)現(xiàn)、自我學(xué)習(xí)的基本素質(zhì)，主要學(xué)習(xí)內(nèi)容與預(yù)期目標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

2.4 案例分析

有兩個學(xué)生按照上述模式進行了長時間的個性化培養(yǎng)，取得了一定的成績。

（1）案例一：2014 級汪同學(xué)。該同學(xué)從2015年12 月即二年級上學(xué)期開始進行個性化培養(yǎng)，開展過“紙幣展開機”“Arduino小車”以及“無人機”等科技作品制作。在畢業(yè)設(shè)計中開展了“基于 Python 的建筑空調(diào)能耗分析軟件開發(fā)”，自行完成了基于Django（Python 語言的一種Web 框架）開發(fā)的建筑能源管理網(wǎng)站的代碼編寫，進行空調(diào)系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和實時數(shù)據(jù)分析。該同學(xué)畢業(yè)后就讀碩士研究生，目前已獲得博士入學(xué)資格。

（2）案例二：2016 級李同學(xué)。該同學(xué)自大一下學(xué)期即2017年3 月開始參加課題組的各種活動和個性培養(yǎng)，主導(dǎo)了“紡織廠回風(fēng)管道自動清掃回收的裝置”等科技產(chǎn)品的制作，主持了1 項國家級的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，獲發(fā)明專利和實用新型專利授權(quán)。畢業(yè)論文題目是“基于數(shù)據(jù)挖掘的冷水機組故障識別研究”，主要采用支持向量機的算法對冷水機組的熱力系統(tǒng)故障開展研究分析。完全采用Python 語言進行故障識別算法編寫，實現(xiàn)了故障識別流程的自動化。

3 結(jié)語

對于樓宇設(shè)備而言，滿足精確用能需求，延長設(shè)備使用壽命，提高系統(tǒng)運維能力，離不開建環(huán)及樓宇設(shè)備等相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生在高等教育階段的目標(biāo)化培養(yǎng)。為適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代對智能建筑運維節(jié)能的需求和推動，在現(xiàn)有培養(yǎng)方案的基礎(chǔ)上，補充了Python 與EnergyPlus 的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，并以運維中的運營展示、能耗預(yù)測、故障識別等方面擬定了針對性畢業(yè)設(shè)計選題，開展綜合鍛煉和培養(yǎng)。補充方案的實施，一方面加深和強化學(xué)生對系統(tǒng)運維崗位內(nèi)涵的理解，另一方面為其在運維崗位上開展合理運行、優(yōu)化節(jié)能的操作提供了扎實的理論分析實踐，為其在工作崗位上開展技術(shù)革新奠定基礎(chǔ)。