基于數(shù)字孿生平臺的建筑能源設備系統(tǒng)運維課程建設

摘 要：對建筑能源設備系統(tǒng)進行精細化運維是降低建筑運行能耗和碳排放的有效手段，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術和智能化技術的不斷發(fā)展，建筑運維也面臨更高的要求和更大的挑戰(zhàn)。其中，對建筑智能運維專業(yè)人員的培養(yǎng)是提高建筑運維水平的關鍵一環(huán)。然而，建筑設備系統(tǒng)運維是一門需要建立在現(xiàn)場實踐經(jīng)驗上的學問，與限制在教室、課堂內(nèi)的理論教學方式相矛盾，教學實施效果不理想。為此，北京工業(yè)大學土木工程一流學科開設綠色智能運維方法與技術課程，提出將運維理論教學與“數(shù)字孿生平臺”結(jié)合起來的新型教學方法，通過導入校企合作平臺的方式，推進實際教學試驗，實現(xiàn)超越現(xiàn)場實踐維度的理論與實際的結(jié)合，獲得良好的教學效果。

關鍵詞：數(shù)字孿生；智能運維；協(xié)同育人；情景構(gòu)建；低代碼

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）33-0009-04

Abstract： The fine operation and maintenance of building energy equipment systems is an effective means to reduce building operational energy consumption and carbon emissions. With the continuous development of Internet of Things technology and intelligent technology， building operation and maintenance face higher requirements and greater challenges. Among these， the cultivation of professionals in intelligent building operation and maintenance is a key link to improving the level of building operations. However， the operation and maintenance of building equipment systems is a discipline that requires hands-on practical experience， which contradicts the theoretical teaching methods confined to the classroom， leading to unsatisfactory teaching outcomes. In response， the first-class discipline of civil engineering at Beijing University of Technology has established a course on green intelligent operation and maintenance. This course proposes a novel teaching method that combines operation and maintenance theory with the "digital twin platform". By introducing a school-enterprise cooperation platform， the course promotes practical teaching experiments， achieving a combination of theory and practice that transcends the dimension of field practice， and has yielded positive teaching results.

Keywords： digital twin; intelligent operation and maintenance; collaborative education; scenario construction; low code

能源及環(huán)境問題是我國乃至全球都迫在眉睫需要關注的問題，是國際上備受重視的重大挑戰(zhàn)。我國在2020提出的“雙碳”戰(zhàn)略目標正是為了應對能源環(huán)境問題。當前我國建筑領域的全過程碳排放量已超過了全國總排放量的40%[1]，其中包括建筑材料制造和運輸過程產(chǎn)生的碳排放、建筑運行過程產(chǎn)生的碳排放和建筑廢棄拆除過程造成的碳排放。建筑運行過程的碳排放是當下節(jié)能減排所關注的重點，這部分碳排放量占全國總排放量的20%[2]。

建筑運行過程中的碳排放主要源自建筑中的多個系統(tǒng)，如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的運維情況直接決定了室內(nèi)環(huán)境的好壞。研究顯示人們平均每天要花費超過85%的時間待在室內(nèi)[3]，室內(nèi)的光環(huán)境、熱濕環(huán)境和空氣品質(zhì)等會直接影響到工作效率、生活質(zhì)量甚至身體健康。系統(tǒng)的運行需要消耗大量的能源并產(chǎn)生碳排放，我國照明用電量在2016年達到了全社會用電量的14%[4]；部分大型公共建筑中央空調(diào)的能耗超過建筑總能耗的40%[5]。因此，建筑運行過程中各個系統(tǒng)所造成的碳排放量的大小對我國“雙碳”目標的實現(xiàn)有著密切影響，如何實現(xiàn)系統(tǒng)的良好運行維護是節(jié)能減排過程中的重要一環(huán)。

我國現(xiàn)在大型建筑中的運維系統(tǒng)已經(jīng)可以通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)信號的及時讀取、傳輸和收集匯總，依靠中央機房完成整棟建筑的智能化控制[6-7]。但目前其普及度不夠高，且完全的建筑自我運維管理尚不能實現(xiàn)，實施運維的主體仍是運維人員，其專業(yè)技能水平對于運維效果仍然有著顯著影響[8]。伴隨著的行業(yè)問題是在我國建筑基數(shù)龐大的背景下，具備建筑智能運維相關專業(yè)知識的技術人員較為短缺。培養(yǎng)專業(yè)的建筑能源系統(tǒng)智能運維人員將是各高校、專業(yè)院校的重要任務。對此，北京工業(yè)大學建筑工程學院設置了綠色智能運維方法與技術課程，以期向社會輸送掌握建筑運維知識的人才。

針對智能運維的教學特點來說，因其實操性強，需要將理論和實踐緊密結(jié)合。如果單獨講授理論知識而不進行實際運維操作，學生難以切實掌握進行建筑運維的本領。且在基本的理論教學之外，適合線下實踐教學的地點少、限制大，教學的實施存在困難。

為了克服以上問題，本文提出利用“數(shù)字孿生平臺”輔助理論教學的新型教學方法，依據(jù)綠色智能運維方法與技術課程進行教學實踐，借助“數(shù)字孿生平臺”來模擬實際在建筑中進行運維的場景，以消除線下實操的場地限制，并利用其虛擬空間的特點獲得更好的教學效果。課程仍將授課內(nèi)容分為理論知識和模擬運維操作，理論知識由教師在課堂上直接教授，對應的實際運維操作部分由“數(shù)字孿生平臺”模擬出虛擬運維場景輔助教學。二者結(jié)合之下，獲得了良好的教學成效。

一 課程設計思路

為了搭建課程的數(shù)字化教學環(huán)境，導入校企結(jié)合協(xié)同育人的方式，形成理論知識轉(zhuǎn)化與新技術新手段的平滑連接。一方面，教師作為教學主體，設計理論知識體系和輔助的實操專題場景，向企業(yè)平臺提出場景需求和需要實現(xiàn)的調(diào)控功能；另一方面，企業(yè)作為輔助，提供課程所用的“數(shù)字孿生平臺”，通過零代碼配置和低代碼開發(fā)降低數(shù)字孿生的開發(fā)門檻，低成本高效率滿足教學所需數(shù)字孿生功能需求。

傳統(tǒng)的書本教學主要是通過教師口述和書本上的文字描寫對學生傳授知識，在這樣的方式下，學生僅能憑文字在腦海中構(gòu)建所學到的知識框架。這樣的學習方法比較抽象，不利于理解工科學習中系統(tǒng)設備的構(gòu)成和相關的運行原理。因此可以將傳統(tǒng)的書本教學定義為第一層次，其所具備的對學生進行教學的維度是1。

第二層次包含了展示圖像，如現(xiàn)在已經(jīng)廣泛被使用的PPT、多媒體教學，包括課本上的插圖，都可以更加直觀、具象地給學生展示機組的零部件、系統(tǒng)的具體組成等。這樣對學生進行教學的維度是2，相比第一層次更加豐富，便于學生更好地理解知識點。線下的“參觀實習”也是第二層次的一部分，但考慮到場地、人員和安全等不穩(wěn)定因素，這類活動往往有所限制，普適度不夠。

第三層次是在經(jīng)過理論的學習之后，親自上手操控、實踐，通過實際操作來檢驗所學的知識是否到位，從而對知識系統(tǒng)查漏補缺、融會貫通。正如做習題一樣，這是一個自我反饋環(huán)節(jié)，對學生進行教學的維度是3，教學過程更加豐富。但也正如上文提到，工科背景下相關的實習單位和場所非常有限，學生實操練習相對困難，因而本課程嘗試利用“數(shù)字孿生平臺”輔助理論教學的新型教學方法，借助“數(shù)字孿生平臺”來模擬實際在建筑中進行運維的場景，期望克服線下實操的各種限制，以實現(xiàn)第三層次的教學效果。

本課程將每次課程分為理論部分和實操部分。理論講解是教授運維的基礎和原理，實操演習可以實現(xiàn)臨場感，以直觀感受運行維護的結(jié)果。教學采用全過程管理的方式，為學生提供包括慕課小視頻、操作說明書、操作分解視頻的各種素材，形成從課前預習、課中學習再到課后復習的自主節(jié)奏化教學流程。

二 教學內(nèi)容

課程教學安排為16周共計32學時，前8個學時為基本背景和基礎知識導入，給學生建立包括低碳化社會建設、綠色低碳建筑、建筑智能化運維、數(shù)字孿生技術的整體知識框架，熟悉相關概念。中間18學時為運維理論和實操相結(jié)合的情景課程，內(nèi)容包括園區(qū)建設管理、重點建筑建模、室內(nèi)溫濕度和二氧化碳濃度監(jiān)控、照度和人感傳感器布置、照明切換控制、暖通系統(tǒng)調(diào)節(jié)、電梯動力系統(tǒng)、消防排煙及攝像頭監(jiān)控和能源管理平臺；各個數(shù)字孿生場景示意如圖1所示。最后6個學時聚焦行業(yè)前沿進行課堂理論教學，進一步提升對運維重要性的理解，同時完成復習和考核。

環(huán)境監(jiān)測是綠色建筑運維的基本一環(huán)。環(huán)境監(jiān)測的基本內(nèi)容是在室內(nèi)外設置監(jiān)測點，安裝傳感器和監(jiān)測設備，對室內(nèi)外對人體有影響的多種環(huán)境參數(shù)加以測量，如溫度、濕度、二氧化碳濃度和PM2.5濃度等。課程的實踐部分將在“數(shù)字孿生平臺”的虛擬建筑中布置監(jiān)測點，使用傳感器進行虛擬環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，并將獲取的數(shù)據(jù)和指標進行可視化，便于直觀地了解室內(nèi)環(huán)境狀況。本次課程教授學生如何在室內(nèi)擺放桌椅和傳感器，創(chuàng)建相應的“數(shù)字孿生體”，然后設置相關功能開關、展示界面，并從后臺導入設定的參數(shù)，實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測模擬。

人員定位是實現(xiàn)后續(xù)多種控制系統(tǒng)的前提。室內(nèi)人員定位主要是為了實時追蹤和記錄人員在建筑樓宇中的位置信息，從而進行照明、空調(diào)等系統(tǒng)的啟?？刂啤Ｈ欢?，室內(nèi)環(huán)境復雜，干擾多，至今難以形成一個完善而普適的定位解決方案[9]。對于室內(nèi)系統(tǒng)的調(diào)控，利用人感傳感器分辨室內(nèi)是否有人員活動即可實現(xiàn)基本的啟停控制。本次課程要求學生自行設置人員行走路徑，實現(xiàn)室內(nèi)人員的實時定位模擬，并與后續(xù)照明系統(tǒng)的控制進行聯(lián)動。學生需要學會在場景中擺放人物并創(chuàng)建相應的“數(shù)字孿生體”，設置功能開關和展示界面，選取人員的運動坐標，并導入后臺數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人員按指示自行行走的效果。

照明系統(tǒng)監(jiān)測控制是智能建筑運維中的基礎環(huán)節(jié)。通過智能運維系統(tǒng)聯(lián)動人員定位，自動檢測室內(nèi)人員動向，可以及時開啟和關閉相關燈具，提高能源使用效率。此外，在室外陽光充足時，屋內(nèi)光照度達到規(guī)范要求，即可減少光照亮度或關閉燈光，以減少能源消耗。本次課程要求學生擺放人體感應傳感器和照度傳感器并建立相應的孿生體，設置燈光開閉動畫并配置其邏輯，聯(lián)動人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)以下效果：根據(jù)人員是否在房間內(nèi)開閉燈光；當房間內(nèi)有人員時檢測屋內(nèi)照度，若照度達標則關閉燈光。

對空調(diào)系統(tǒng)進行監(jiān)測控制是通過智能運維實現(xiàn)建筑節(jié)能減排的重要部分?？照{(diào)系統(tǒng)形式多樣、系統(tǒng)復雜，其運維過程也非常復雜。相關深入運行原理的學習由其他專業(yè)課程進行，本次課程僅講解較為簡單的知識作為示范，包括關聯(lián)發(fā)熱裝置啟停狀態(tài)的空調(diào)送風系統(tǒng)控制和關聯(lián)室外PM2.5濃度的空調(diào)新風系統(tǒng)控制。當室內(nèi)發(fā)熱裝置啟動時，室溫升高，空調(diào)系統(tǒng)加大送風以保持室內(nèi)溫度；當室外PM2.5濃度超過設定值時，送入室外新風會對人體健康造成影響，需要停止新風系統(tǒng)運行。本次課程需要學生擺放細顆粒物傳感器、發(fā)熱設備和空調(diào)機組等物體并創(chuàng)建孿生體，完成相關運行邏輯的配置，使機組可以根據(jù)不同情況執(zhí)行不同的運行策略，并在后臺導入四種情況的數(shù)據(jù)以模擬真實情況，測試機組運行效果。

電梯系統(tǒng)的監(jiān)測控制是建筑中人員正常進出和建筑順利運行的基本保障。電梯系統(tǒng)目前可利用各種算法進行客梯人流高峰區(qū)間的預測以提高運行效率。在數(shù)字孿生平臺中可以實時監(jiān)測并記錄電梯的運行狀態(tài)；還可以監(jiān)測電梯故障信息和記錄日常維護計劃，實現(xiàn)電梯系統(tǒng)監(jiān)測管理的智能化。本次課程要求學生完成電梯的擺放并創(chuàng)建相應孿生體，在后臺導入電梯位置信息以模擬實際情況，實現(xiàn)場景中電梯的移動和實時位置監(jiān)控，并在系統(tǒng)中同步檢修記錄表。

能源管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)建筑用能分項計量，從而了解建筑中的用能情況，進行調(diào)控以提高能源使用效率。在數(shù)字孿生平臺中，可以通過可視化界面實時監(jiān)測建筑內(nèi)部的能源設備，方便運維人員進行設備管理和故障排查；通過可視化展示建筑的能源消耗趨勢、能耗占比等信息，幫助運維人員進行數(shù)據(jù)分析和決策支持。本次課程中，學生需要完成的任務是在建筑中擺放一些用電設備并設定好相應的用電線路，連接至最近的配電箱，設置展示的圖表格式，后臺導入自定數(shù)據(jù)以代替與實際交互的情況，實現(xiàn)電力從供給到末端的線路及相關能耗數(shù)據(jù)直觀的展示。

消防系統(tǒng)是每個建筑中都必須具備的保障系統(tǒng)。火災事故防大于治，將安全隱患從源頭排除或在火災初期遏制就能避免重大損失。建筑消防系統(tǒng)涉及多個學科，其設計需考慮多種因素[10]。其中，火災自動報警、自動噴水滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)和疏散指示系統(tǒng)等是應具備的基本功能[11]。本次課程將火災自動報警和疏散指示系統(tǒng)作為實操示例，教導學生在場景中擺放煙霧傳感器和相應的攝像頭，擺放模擬人員并設置疏散路線，配置相關邏輯，使火災發(fā)生后，煙霧傳感器觸發(fā)報警，報警點位周圍的攝像頭傳輸火災畫面，疏散指示系統(tǒng)指示火災逃生路線。

三 考核方式探索

新教學手段的導入，對平時考核和期末考核都提出新的要求。為了把數(shù)字孿生場景運維落在實處，而不是“熱鬧”課堂，課程設置了7次基于“數(shù)字孿生平臺”的運維實操作業(yè)，要求學生結(jié)合建筑智能運維的理論知識點，完成在不同業(yè)務下數(shù)字孿生場景中的應用配置，實現(xiàn)布置的業(yè)務功能。明確作業(yè)要求和評分標準，包括內(nèi)容完整性、數(shù)字孿生應用的創(chuàng)造性和實用性等方面。學生按每節(jié)課的授課內(nèi)容，依次將不同系統(tǒng)在數(shù)字孿生場景中可視化實現(xiàn)成果提交至學校網(wǎng)絡教學平臺，之后教師一一查看并評分。通過這樣的作業(yè)形式，學生有機會將所學的理論知識應用于實際場景中，通過數(shù)字孿生技術進行運維模擬和優(yōu)化。這不僅能夠提高學生的實踐能力和解決問題的能力，還能夠加深學生對建筑智能運維理論的理解和應用。

課程期末考核仍然堅持理論考核和實操運維考核相結(jié)合的路線，基于網(wǎng)絡教學平臺發(fā)布試卷，包括30分客觀題，涵蓋了課程中的重要知識點，用以檢驗運維基本原理和方法的掌握；70分運維實操題，通過在“數(shù)字孿生平臺”上完成相應系統(tǒng)的配置，實現(xiàn)業(yè)務功能，錄制視頻并提交。

四 結(jié)束語

針對加強建筑高水平智能運維人員培養(yǎng)的迫切需求，本文提出了將傳統(tǒng)教學與“數(shù)字孿生平臺”結(jié)合起來的新型教學方法，并依據(jù)北京工業(yè)大學土木工程一流學科增設的綠色智能運維方法與技術課程進行教學實踐。教學方法強化了學生的實際運維操作能力，克服了工科課程教學中線下實操存在的各種限制問題，收獲了學生的良好反饋，驗證了在傳統(tǒng)教學中利用“數(shù)字孿生平臺”輔助教學的可行性和優(yōu)越性，值得推廣。

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