高校土建工程专业实验室智慧建设的应用探讨

陈航 (贵阳学院、贵州省土木工程实验实训教学示范中心 贵州 贵阳550005）

陈威 (贵阳创新驱动发展战略研究院 贵州 贵阳550081)

0 引言

高校土建工程专业学科实践性强，实验室的规范化建设与管理尤为重要，高校土建工程专业实验室的建设大多服务于课程教学，重理论轻实践的现象普遍存在；实验室开放效果不佳，未达到真正的资源共享；专业管理人员紧缺，一岗多用普遍存在；设备仪器采购投入大，设备繁多，运行与维护滞后，管理混乱；实验教学评价体系不完善等。近年来，随着大数据与物联网技术的出现，为工程应用型学科的实验室建设与管理注入了新鲜血液，建设智慧化实验室符合智慧校园的理念，实验室的建设将朝着“智慧学、智慧教、智慧管”的方向发展[1]。

1 实验室的建设现状

高等院校土建工程专业实验室是一个重要的实践教学场所，实验室的建设与管理水平参差不齐，以实验教师为主、学生被动接受的教学模式仍为常态，传统的实验室管理方法在教学组织和管理模式的实际运行中存在的问题日益突出，不符合高等院校创新教育发展的理念[2]，以贵州省内几所本科高校的土建工程实验室建设为例,实验室运行中普遍存在以下问题：

(1)实验室建设主要以服务专业课程教学为目的，开展的实验项目有限，实验室设备仪器利用率相对较低；

(2)实验设备仪器较多，日常管理与维护较困难，设备仪器的使用程序繁琐；

(3)缺乏实验室开放的信息化管理，主要体现在实验室开放信息、开放项目、开放预约等信息的更新不及时，近而降低了实验设备仪器的使用效率；

(4)实验室的设备仪器采购资金投入大，但多数仅限于本专业使用，实验资源共享难度大，造成资源浪费；

(5)实验室缺乏为学生提供自主学习的环境，创新性实验条件较难满足；

(6)实验室专业技术师资力量缺乏，人才素质不一，严重影响实验室的建设与发展[3]。

以大数据与物联网技术为核心，借助互联网技术，构建智慧实验室系统，建设高校智慧土建工程专业实验室，高效地解决上述问题，实现实验室的规范化与信息化管理，优化资源配置，加大实验室的开放与共享力度，激发教师与学生的自主创新能力，降低实验室的管理成本，提高实验室运行效率。

3 大数据与物联网技术原理

当今社会是“互联网+”时代，基于“互联网+”的大数据与物联网技术是社会发展的动力。在大数据与物联网技术应用下，高校实验室的智能化建设将变得更加切合实际，也更符合大数据时代发展的思维。

3.1 大数据技术

大数据是一种规模达到在获取、存储、管理、分析方面大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据集合，具有海量的数据规模、快速的数据流转、多样的数据类型和价值密度低四大特征[4]。大数据技术伴随着云计算而发展，并依托云计算的分布式处理、分布式数据库和云存储、虚拟化技术，利用云计算对大数据进行分布式数据挖掘，将含有意义的数据进行“加工处理”，成为增值盈利的有用数据。在高校土建工程实验室智慧化建设过程中，我们可以运用大数据技术对实验室的规划建设信息、设备仪器参数信息、实验室开放信息、实验室的消防安全管理信息以及学生与教师的个人信息等进行管控，实现实验室的规范化与信息化管理。

3.2 物联网技术

物联网技术是互联网的延伸与外拓，通过信息设备传感器，借助互联网技术，将物体信息进行传播与交换，实现智能化识别、定位跟踪、监管等功能[4]。物联网技术借助无线射频识别技术、传感器技术、嵌入式系统技术等，对物体进行动态信息采集，并将信息通过互联网传输到计算机终端，借助计算机对物体的有关信息和数据进行加工处理，实现物与物之间的信息沟通与互换，达到智慧控制的目标。如在高校土建工程专业实验室的设备仪器管理上，一所普通的本科院校仅土建工程专业的实验设备仪器就上千件，依靠人力对每台设备仪器进行的日常维护与管理，将耗费较大的人力与财力，而通过物联网技术建立智慧实验室，利用各类传感器采集实验室设备仪器的基础数据，实现智能化的设备出入库管理、远程设备仪器故障诊断、设备仪器日常维护等，从而提高实验室资产的管理效率和利用效率。

4 构建智慧实验室系统

构建智慧实验室系统应以大数据与物联网技术为核心，在充分调研和论证的基础上，立足于高校实验建设的改革与创新，并结合土建工程实验室的建设与应用情况，实现“智慧学、智慧教、智慧管”的综合实验平台。

4.1 构建大数据处理平台

高校土建工程专业实验室建设过程中，产生的数据包括设备采购数据、专业学科数据、人才市场需求信息、教学计划、教师授课评价、课程表、实验教学资料、实验报告书、实验成绩等；学校有各种相关专业的网站、网络教学平台、教务系统、学生学习兴趣信息等；实验室运行过程中采集的室内环境数据、设备仪器运行数据、设备仪器故障诊断报告、超前维护报告、消防安全监管数据等。通过采用大数据技术，实现数据过滤、数据清洗、数据挖掘，得到有用数据信息，帮助实验室管理人员做出决策，促进实验课程、实验教学方法的改革创新，构建出一套全新的实验教学和管理模式，为实验器材申报采购、实验室评估、实验室建设及实验教学质量等实现全面控制、管理和决策提供有力的数据支持。

4.2 物联网智能识别平台

实验室建设规划过程中，以物联网技术为基础，充分利用各类传感器采集各项基础数据，实现实验室的消防安全智能化管理、设备智能化出入库与定位跟踪、实验环境智能化调节等，提高实验室资产管理效率与运行维护效率。

4.2.1 在线终端平台

实验室的各项数据通过传感器采集，借助互联网传输，通过云计算分析，传输至客户终端，用户可用移动设备 (手机、平板电脑等)对实验室运行情况实时监管，采取积极的措施干预，实现实验室的高效、安全化管理。

图1 物联网智能识别系统

4.2.2 调节系统

土建工程实验室的湿度与温度对实验室的设备仪器寿命、混凝土试件的养护等至关重要，如工程测量仪器、金属疲劳试验机等设备对室内空气湿度要求高，通过物联网传感器动态采集空气湿度与温度数据，传输至客户终端，动态调节空调设备，控制室内空气湿度与温度，延长设备仪器的使用寿命；在混凝土配合比实验、胶砂实验中，成型构件一般须进行标准养护，要求温度控制在20±2℃，湿度不小于95%，通过物联网技术可以动态调节室内温度与湿度，实现试件的标准养护。

4.2.3 设备监管

土建工程专业实验设备仪器较多，通过统一信息化设计标准，制定各个设备仪器的电子身份信息码(如二维码、芯片)，集成设备仪器的性能参数、操作规范、放置位置等信息于一体，利用物联网技术的识别与GPS定位追踪，动态监管设备仪器的使用状态，提高设备仪器出入库管理效率；针对大型设备仪器的故障诊断与保养维护，如土木工程实验室的万能实验机、钢筋疲劳实验机、压杆稳定机等大型设备，以往我们在设备故障出现后，才联系厂家到场进行诊断维修，维修费用高，效率低；智慧土建工程实验室通过物联网技术采集设备数据，并进行数据的量化分析，得到包括使用时长、使用次数、平均使用率等评价指标，综合评判设备运行质量，对可能出现故障的设备仪器进行预保养维护，降低实验设备的安全使用风险；对出现故障的设备仪器，进行远程故障的诊断与维修，延长设备使的用寿命，减少设备维护费用。

4.2.4 预警系统

实验室安全管理是高校实验室建设的重要内容，土建工程实验室的危险源主要有线路漏电、易燃易爆、防护装置脱落、实验操作不当等。利用物联网技术，对实验室的配电箱、强电开关、易燃易爆物、防护装置、实验操作流程等危险源进行动态监控，设定安全阈值，当采集到数据超过安全阈值时，系统通过现场声音、灯光、手机短信提示等方式自动发出预警信号[5]，达到及时通知有关人员采取措施避免危险的目的。

5 结语

以大数据与物联网技术为核心的高校土建工程专业智慧实验室建设是未来实验室的建设方向，符合智慧校园的建设理念。依托大数据与物联网技术，构建智慧实验室系统，是建设智慧实验室的关键工作，智慧实验室的建成，将有利于高校工科实验教学的改革与创新，强化实验室的信息化与规范化管理，提高实验的运行效率，降低实验室的管理维护成本。