基于CDIO理念的給排水監(jiān)測實訓(xùn)平臺設(shè)計

周 城，徐 冉，熊承義，劉仁峰

（1.中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中南民族大學(xué) 智能無線通信湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.武漢輕工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

隨著第四次產(chǎn)業(yè)革命的到來，美、德、法、日等世界強國均在智能制造、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域投入重資，力圖成為工業(yè)4.0時代全球工業(yè)競爭力的第一梯隊，我國更加堅定了從制造業(yè)大國向智能制造強國轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略。與產(chǎn)業(yè)革命相適應(yīng)，各國紛紛啟動了高等工程教育的改革，以應(yīng)對高等工程技術(shù)人才短缺的形勢[1]。

始于20世紀(jì)80年代的國際工程教育認(rèn)證體系，旨在提高和強化高等工程教育水平，提供專業(yè)化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的國際認(rèn)證機制，通過認(rèn)證的各國高校工程專業(yè)，可為畢業(yè)生提供國內(nèi)外認(rèn)可的工程專業(yè)學(xué)歷，是工程教育改革的主流體系之一[2]。CDIO模式亦是為強化工程實踐教育所提出的基于工程項目的全過程化管理與教學(xué)模式，指導(dǎo)思想是將項目分解為構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行（Conceive,Design,Implement,Operate）四個模塊，旨在為工程類專業(yè)學(xué)生提供近似真實項目情景的教育模式。CDIO模式以實踐為核心，提供了系統(tǒng)化、科學(xué)化的工程專業(yè)人才培養(yǎng)綱要，代表了目前工程教育的發(fā)展趨勢，是工程教育改革的另一主流體系[3]。兩種體系的目標(biāo)從根本上是一致的，均以提升工程教育水平為宗旨，均包括成果導(dǎo)向、持續(xù)改進和以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。由于CDIO模式可實施操作的層級更為具體，更接近實際企業(yè)的工程項目運作與管理，更適合教師在教學(xué)實踐中的細(xì)節(jié)設(shè)計與把握。

我國城市供水資源浪費情況較為嚴(yán)重，據(jù)住建部2020年統(tǒng)計，全國全年漏損水量達(dá)到785 408.11萬噸，漏損率高達(dá)13.4%[4]。近年來，隨著國家發(fā)改委、水利部、教育部等部委陸續(xù)出臺了《國家節(jié)水行動方案》《關(guān)于深入推進高校節(jié)約用水工作的通知》等文件綱領(lǐng)，高校作為密集型用水單位，節(jié)水治水工作的開展迫在眉睫。本文基于以上背景，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)一套基于CDIO理念的給排水監(jiān)測實訓(xùn)平臺，不僅可以增強工程類本科學(xué)生融合多學(xué)科背景的項目實踐能力，也為節(jié)水型高校建設(shè)提供了良好范例。

1 平臺建設(shè)背景與需求

1.1 建設(shè)背景

高校是用水消費密集型單位，具有用水規(guī)模大、用水集中的特點。近年來，隨著在校學(xué)生不斷增加，水資源消耗也隨之增長。據(jù)統(tǒng)計，2018年全國高校用水占城市生活用水的10%[5]。高校建筑的漏損因素主要包括給水水壓、管材材料、管網(wǎng)管齡和節(jié)水器具使用率等方面[6]。在此背景下，國內(nèi)外高校開展了關(guān)于節(jié)水技術(shù)的研究，如哥倫比亞大學(xué)、密執(zhí)安州立大學(xué)、賓州州立大學(xué)等美國高校通過采用新型節(jié)水器具和漏水修復(fù)等方式節(jié)約用水[7]；除這些措施外，很多國外高校也采用了基于物聯(lián)網(wǎng)的信息化技術(shù)監(jiān)測校園能耗使用狀況，從而實現(xiàn)節(jié)能管理[8]。我國為推動節(jié)水型高校建設(shè)，于2019年8月發(fā)布了《節(jié)水型高校評價標(biāo)準(zhǔn)》[9]，目前全國已有百余所高校通過了評估，如河北工程大學(xué)在國內(nèi)率先實行合同節(jié)水模式，通過引進專業(yè)技術(shù)力量進行水平衡監(jiān)測、節(jié)水器具改造、管網(wǎng)改造和監(jiān)管平臺建設(shè)，節(jié)水效果明顯提升[10]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)通過對供水管網(wǎng)、計量設(shè)備、用水器具等一系列改造，以及創(chuàng)新節(jié)水管理模式和加強節(jié)水教育等措施，取得了明顯的節(jié)水效益[11]。目前各高校的主要手段為采用合同節(jié)水模式，在節(jié)水教育和實訓(xùn)方面的研究較少。

1.2 建設(shè)需求

中南民族大學(xué)地處武漢南湖之濱，水文環(huán)境較為復(fù)雜，連年受到南湖湖水倒灌、路面漬水的直接影響。學(xué)校地下供水管線總長約27 413 m。按照年份劃分，1980年建造的管網(wǎng)仍有3 380 m，占管網(wǎng)總長度的12.3%。由于地下供水管網(wǎng)建設(shè)時間已超40年，因老化引起的跑冒滴漏現(xiàn)象較為嚴(yán)重，水資源浪費也較為嚴(yán)重，這也是很多高校的通病。上述這些問題對學(xué)校的節(jié)能環(huán)保型校園建設(shè)，包括樓宇水資源能耗監(jiān)測、水資源節(jié)能管理、環(huán)境污染監(jiān)測和災(zāi)害防御等方面提出了更高要求。

實訓(xùn)平臺建設(shè)之初，針對學(xué)校水文環(huán)境方面較為突出的問題進行了調(diào)研，主要需求如下：

（1）學(xué)校需要建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，如物聯(lián)網(wǎng)基站、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，從而提高無線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸能力；

（2）供水管網(wǎng)、水計量器具的測漏工作還需進一步加強，需要定期校驗各級水表，保證統(tǒng)計績效；消防管網(wǎng)也需要單獨安裝水表計量和測漏傳感器來實現(xiàn)對管道泄漏情況的監(jiān)測；

（3）學(xué)校因毗鄰南湖，經(jīng)常出現(xiàn)返水、漬水現(xiàn)象，無法及時發(fā)現(xiàn)，同時也面臨著水質(zhì)污染的威脅，缺乏有效的預(yù)警系統(tǒng)；

（4）學(xué)校針對在校學(xué)生開展了形式多樣的節(jié)能節(jié)水宣傳教育，但手段較為單一，缺乏能夠讓學(xué)生進行節(jié)水實踐的平臺。

針對這些亟待解決的問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于CDIO理念的給排水監(jiān)測實訓(xùn)平臺，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建各類無線傳感節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和管理平臺，在重點監(jiān)測區(qū)域安裝各類傳感設(shè)備，通過對水能耗信息和水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確采集，可指導(dǎo)學(xué)校進行水資源管理，同時為相關(guān)專業(yè)學(xué)生創(chuàng)造節(jié)水實訓(xùn)條件。

2 實訓(xùn)平臺組成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

通過對校園給排水監(jiān)測需求的分析，最終選取如圖1所示的總體架構(gòu)來滿足監(jiān)測系統(tǒng)需求。給排水監(jiān)測系統(tǒng)以監(jiān)測平臺為核心，提供漬水預(yù)警、水位監(jiān)測和供水管網(wǎng)漏點精確定位三大功能。在梅雨季節(jié)，當(dāng)?shù)貏莸屯萏幦绲叵峦＼噲?、配電房、泵房等重要區(qū)域發(fā)生淹水、漬水等險情時，給排水監(jiān)測平臺可以根據(jù)實際情況進行部署，實時監(jiān)測水位情況，一旦出現(xiàn)異常將會通過短信通知相應(yīng)管理人員，從而減少不必要的財產(chǎn)損失以及安全隱患。此外，通過在供水管網(wǎng)上安裝自研的漏點定位傳感器，可以準(zhǔn)確定位漏水位置，滿足管網(wǎng)測漏和修復(fù)需求，從而能夠減少開挖范圍，提升修補效率[12]。所有數(shù)據(jù)信息、報警信息、設(shè)備管理均可以在云平臺進行查看和管理，從而大大減少人力巡檢和資金成本，提高工作效率。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，系統(tǒng)層級架構(gòu)主要分為六層：物理層利用各傳感器進行數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)層將采集的數(shù)據(jù)上傳；數(shù)據(jù)層對各項數(shù)據(jù)進行存儲；支撐層一方面支撐和承載智慧應(yīng)用層中的相關(guān)應(yīng)用，另一方面為各應(yīng)用提供所需的各種共享資源與服務(wù)；應(yīng)用層對上傳的數(shù)據(jù)進行存儲和處理；決策層將用戶最關(guān)注的信息進行數(shù)字化展示。具體層次劃分如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層級架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)基于阿里云進行開發(fā)，分為前端和后端兩個部分。前端采用B/S框架設(shè)計，與C/S框架相比，采用B/S架構(gòu)只需借助瀏覽器就可以實現(xiàn)前端功能，不需要安裝客戶端[13]。此外，前端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息顯示，系統(tǒng)門戶以可視化形式對監(jiān)測結(jié)果進行展示，同時用戶在前端可以對地圖、監(jiān)測區(qū)域、用戶信息、管材和資源信息進行管理。后端利用Django框架編寫，并使用MySQL作為系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)庫。后端的主要功能包括異常報警服務(wù)、日志服務(wù)、物聯(lián)隊列服務(wù)以及操作平臺數(shù)據(jù)庫等。采用Django框架進行設(shè)計，可以快速實現(xiàn)平臺搭建，減少開發(fā)成本。前端與后端通過信息交互、協(xié)同運作來實現(xiàn)系統(tǒng)平臺的功能。

硬件模塊主要作為系統(tǒng)的物理層和網(wǎng)絡(luò)層發(fā)揮作用，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸。各個傳感器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)信息，然后將采集完成的數(shù)據(jù)信息傳輸至4G-DTU設(shè)備。該設(shè)備對數(shù)據(jù)信息進行A/D轉(zhuǎn)換后，通過4G無線通信模塊把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)后臺服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行計算和分析，從而確定監(jiān)測地狀況。系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)

3 平臺實訓(xùn)設(shè)計

3.1 實訓(xùn)培養(yǎng)目標(biāo)

給排水監(jiān)測實訓(xùn)平臺可進行的實訓(xùn)類別較多，每類實訓(xùn)均按照CDIO教育理念設(shè)計，分為構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運行四個模塊，幫助學(xué)生通過實際工程項目式的教學(xué)實訓(xùn)，掌握扎實的工程理論和專業(yè)知識[14]。兩類實訓(xùn)各環(huán)節(jié)所支撐的培養(yǎng)目標(biāo)依據(jù)我校電信學(xué)院制定的工程認(rèn)證培養(yǎng)方案相關(guān)指標(biāo)點設(shè)計，見表1所列。

表1 基于CDIO理念的教學(xué)實訓(xùn)培養(yǎng)目標(biāo)

通過表1可以看出，實訓(xùn)平臺項目的設(shè)置是在CDIO教育理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程技術(shù)相關(guān)專業(yè)認(rèn)證的具體指標(biāo)支撐點，最終落腳在項目實施的各個環(huán)節(jié)上。在具體的項目實踐中，構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行四個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，首先按專業(yè)工程認(rèn)證畢業(yè)要求設(shè)置實訓(xùn)平臺的培養(yǎng)目標(biāo)；然后，將培養(yǎng)目標(biāo)映射到實訓(xùn)中涉及到的各類教學(xué)要求上；最終在各個環(huán)節(jié)上促成了工程人才培養(yǎng)規(guī)格的實現(xiàn)[15]。

3.2 實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計

給排水監(jiān)測實訓(xùn)平臺的實訓(xùn)課題從校園水文環(huán)境監(jiān)測的實際需求而來，通過指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實現(xiàn)漏水、漬水、水位等物聯(lián)網(wǎng)傳感器并投入使用，讓學(xué)生深刻體會到利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測城市給水、排水、漬水等水文狀況的重要性，從而理解相關(guān)技術(shù)對社會和環(huán)境產(chǎn)生的影響?；贑DIO理念的各環(huán)節(jié)實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計和考核內(nèi)容見表2所列。

表2 實訓(xùn)教學(xué)方法和考核內(nèi)容

通過以上實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計，學(xué)生在校園給排水的實踐操作中解決了真正的實際問題，學(xué)習(xí)積極性明顯提高，逐步適應(yīng)了在工程項目實踐中鍛煉各種能力。圖4和圖5分別為實訓(xùn)設(shè)計的傳輸模塊范例和系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)主界面。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計范例

圖5 給排水監(jiān)測系統(tǒng)主界面

4 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于CDIO理念的給排水監(jiān)測實訓(xùn)平臺，為相關(guān)專業(yè)學(xué)生創(chuàng)造了水文環(huán)境監(jiān)測和供水管網(wǎng)節(jié)水的實訓(xùn)條件，明顯提升了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)學(xué)科的教學(xué)效果，同時也解決了學(xué)校給排水監(jiān)測的難題，主要成效包括：①學(xué)生積極參與實訓(xùn)項目，在對校園環(huán)境監(jiān)測的實踐中完成了理論知識滲透，工程項目應(yīng)用的綜合能力明顯提升；②學(xué)生通過實訓(xùn)項目的實際運維，對社會、經(jīng)濟和環(huán)境因素有了全面認(rèn)識，通過總結(jié)提高后積極參與“互聯(lián)網(wǎng)+”、挑戰(zhàn)杯等創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，近兩年已獲相關(guān)省級獎勵3項，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)熱情；③教學(xué)團隊通過給排水監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，協(xié)助學(xué)校開展了節(jié)水治水工作，學(xué)校近兩年連續(xù)獲得了“節(jié)水型高校”和“節(jié)約型公共機構(gòu)示范單位”稱號。通過近兩年的實踐表明，采用該平臺的成效顯著，提供了新型的節(jié)水教育和實訓(xùn)方式，可供相關(guān)專業(yè)研究參考。