高校土建工程專業實驗室智慧建設的應用探討

陳航 (貴陽學院、貴州省土木工程實驗實訓教學示范中心 貴州 貴陽550005）

陳威 (貴陽創新驅動發展戰略研究院 貴州 貴陽550081)

0 引言

高校土建工程專業學科實踐性強，實驗室的規范化建設與管理尤為重要，高校土建工程專業實驗室的建設大多服務于課程教學，重理論輕實踐的現象普遍存在；實驗室開放效果不佳，未達到真正的資源共享；專業管理人員緊缺，一崗多用普遍存在；設備儀器采購投入大，設備繁多，運行與維護滯后，管理混亂；實驗教學評價體系不完善等。近年來，隨著大數據與物聯網技術的出現，為工程應用型學科的實驗室建設與管理注入了新鮮血液，建設智慧化實驗室符合智慧校園的理念，實驗室的建設將朝著“智慧學、智慧教、智慧管”的方向發展[1]。

1 實驗室的建設現狀

高等院校土建工程專業實驗室是一個重要的實踐教學場所，實驗室的建設與管理水平參差不齊，以實驗教師為主、學生被動接受的教學模式仍為常態，傳統的實驗室管理方法在教學組織和管理模式的實際運行中存在的問題日益突出，不符合高等院校創新教育發展的理念[2]，以貴州省內幾所本科高校的土建工程實驗室建設為例,實驗室運行中普遍存在以下問題：

(1)實驗室建設主要以服務專業課程教學為目的，開展的實驗項目有限，實驗室設備儀器利用率相對較低；

(2)實驗設備儀器較多，日常管理與維護較困難，設備儀器的使用程序繁瑣；

(3)缺乏實驗室開放的信息化管理，主要體現在實驗室開放信息、開放項目、開放預約等信息的更新不及時，近而降低了實驗設備儀器的使用效率；

(4)實驗室的設備儀器采購資金投入大，但多數僅限于本專業使用，實驗資源共享難度大，造成資源浪費；

(5)實驗室缺乏為學生提供自主學習的環境，創新性實驗條件較難滿足；

(6)實驗室專業技術師資力量缺乏，人才素質不一，嚴重影響實驗室的建設與發展[3]。

以大數據與物聯網技術為核心，借助互聯網技術，構建智慧實驗室系統，建設高校智慧土建工程專業實驗室，高效地解決上述問題，實現實驗室的規范化與信息化管理，優化資源配置，加大實驗室的開放與共享力度，激發教師與學生的自主創新能力，降低實驗室的管理成本，提高實驗室運行效率。

3 大數據與物聯網技術原理

當今社會是“互聯網+”時代，基于“互聯網+”的大數據與物聯網技術是社會發展的動力。在大數據與物聯網技術應用下，高校實驗室的智能化建設將變得更加切合實際，也更符合大數據時代發展的思維。

3.1 大數據技術

大數據是一種規模達到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統數據庫軟件工具能力范圍的數據集合，具有海量的數據規模、快速的數據流轉、多樣的數據類型和價值密度低四大特征[4]。大數據技術伴隨著云計算而發展，并依托云計算的分布式處理、分布式數據庫和云存儲、虛擬化技術，利用云計算對大數據進行分布式數據挖掘，將含有意義的數據進行“加工處理”，成為增值盈利的有用數據。在高校土建工程實驗室智慧化建設過程中，我們可以運用大數據技術對實驗室的規劃建設信息、設備儀器參數信息、實驗室開放信息、實驗室的消防安全管理信息以及學生與教師的個人信息等進行管控，實現實驗室的規范化與信息化管理。

3.2 物聯網技術

物聯網技術是互聯網的延伸與外拓，通過信息設備傳感器，借助互聯網技術，將物體信息進行傳播與交換，實現智能化識別、定位跟蹤、監管等功能[4]。物聯網技術借助無線射頻識別技術、傳感器技術、嵌入式系統技術等，對物體進行動態信息采集，并將信息通過互聯網傳輸到計算機終端，借助計算機對物體的有關信息和數據進行加工處理，實現物與物之間的信息溝通與互換，達到智慧控制的目標。如在高校土建工程專業實驗室的設備儀器管理上，一所普通的本科院校僅土建工程專業的實驗設備儀器就上千件，依靠人力對每臺設備儀器進行的日常維護與管理，將耗費較大的人力與財力，而通過物聯網技術建立智慧實驗室，利用各類傳感器采集實驗室設備儀器的基礎數據，實現智能化的設備出入庫管理、遠程設備儀器故障診斷、設備儀器日常維護等，從而提高實驗室資產的管理效率和利用效率。

4 構建智慧實驗室系統

構建智慧實驗室系統應以大數據與物聯網技術為核心，在充分調研和論證的基礎上，立足于高校實驗建設的改革與創新，并結合土建工程實驗室的建設與應用情況，實現“智慧學、智慧教、智慧管”的綜合實驗平臺。

4.1 構建大數據處理平臺

高校土建工程專業實驗室建設過程中，產生的數據包括設備采購數據、專業學科數據、人才市場需求信息、教學計劃、教師授課評價、課程表、實驗教學資料、實驗報告書、實驗成績等；學校有各種相關專業的網站、網絡教學平臺、教務系統、學生學習興趣信息等；實驗室運行過程中采集的室內環境數據、設備儀器運行數據、設備儀器故障診斷報告、超前維護報告、消防安全監管數據等。通過采用大數據技術，實現數據過濾、數據清洗、數據挖掘，得到有用數據信息，幫助實驗室管理人員做出決策，促進實驗課程、實驗教學方法的改革創新，構建出一套全新的實驗教學和管理模式，為實驗器材申報采購、實驗室評估、實驗室建設及實驗教學質量等實現全面控制、管理和決策提供有力的數據支持。

4.2 物聯網智能識別平臺

實驗室建設規劃過程中，以物聯網技術為基礎，充分利用各類傳感器采集各項基礎數據，實現實驗室的消防安全智能化管理、設備智能化出入庫與定位跟蹤、實驗環境智能化調節等，提高實驗室資產管理效率與運行維護效率。

4.2.1 在線終端平臺

實驗室的各項數據通過傳感器采集，借助互聯網傳輸，通過云計算分析，傳輸至客戶終端，用戶可用移動設備 (手機、平板電腦等)對實驗室運行情況實時監管，采取積極的措施干預，實現實驗室的高效、安全化管理。

圖1 物聯網智能識別系統

4.2.2 調節系統

土建工程實驗室的濕度與溫度對實驗室的設備儀器壽命、混凝土試件的養護等至關重要，如工程測量儀器、金屬疲勞試驗機等設備對室內空氣濕度要求高，通過物聯網傳感器動態采集空氣濕度與溫度數據，傳輸至客戶終端，動態調節空調設備，控制室內空氣濕度與溫度，延長設備儀器的使用壽命；在混凝土配合比實驗、膠砂實驗中，成型構件一般須進行標準養護，要求溫度控制在20±2℃，濕度不小于95%，通過物聯網技術可以動態調節室內溫度與濕度，實現試件的標準養護。

4.2.3 設備監管

土建工程專業實驗設備儀器較多，通過統一信息化設計標準，制定各個設備儀器的電子身份信息碼(如二維碼、芯片)，集成設備儀器的性能參數、操作規范、放置位置等信息于一體，利用物聯網技術的識別與GPS定位追蹤，動態監管設備儀器的使用狀態，提高設備儀器出入庫管理效率；針對大型設備儀器的故障診斷與保養維護，如土木工程實驗室的萬能實驗機、鋼筋疲勞實驗機、壓桿穩定機等大型設備，以往我們在設備故障出現后，才聯系廠家到場進行診斷維修，維修費用高，效率低；智慧土建工程實驗室通過物聯網技術采集設備數據，并進行數據的量化分析，得到包括使用時長、使用次數、平均使用率等評價指標，綜合評判設備運行質量，對可能出現故障的設備儀器進行預保養維護，降低實驗設備的安全使用風險；對出現故障的設備儀器，進行遠程故障的診斷與維修，延長設備使的用壽命，減少設備維護費用。

4.2.4 預警系統

實驗室安全管理是高校實驗室建設的重要內容，土建工程實驗室的危險源主要有線路漏電、易燃易爆、防護裝置脫落、實驗操作不當等。利用物聯網技術，對實驗室的配電箱、強電開關、易燃易爆物、防護裝置、實驗操作流程等危險源進行動態監控，設定安全閾值，當采集到數據超過安全閾值時，系統通過現場聲音、燈光、手機短信提示等方式自動發出預警信號[5]，達到及時通知有關人員采取措施避免危險的目的。

5 結語

以大數據與物聯網技術為核心的高校土建工程專業智慧實驗室建設是未來實驗室的建設方向，符合智慧校園的建設理念。依托大數據與物聯網技術，構建智慧實驗室系統，是建設智慧實驗室的關鍵工作，智慧實驗室的建成，將有利于高校工科實驗教學的改革與創新，強化實驗室的信息化與規范化管理，提高實驗的運行效率，降低實驗室的管理維護成本。