Урок 8. От микроампера до городского бюджета
Урок 8. От микроампера до городского бюджета: обоснование сети
Паспорт урока
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Место в модуле | PowerSentry, модуль 4 «Экономика и защита», урок 8 из 8 — финал модуля |
| Длительность | 90 мин (подготовка 45 + защиты 45) |
| Возраст | 15–16 |
| Оборудование | Свои измерения (урок 2), расчёты (уроки 1, 5), проектор |
| Предварительные знания | Все уроки модуля |
| Предмет | Экономика, инженерное проектирование, публичная речь |
Образовательные цели
| № | Цель | Блум | Миллер | Чем доказывается |
|---|---|---|---|---|
| 8.1 | Разрабатывать инженерно-экономическое обоснование сети | создавать | показывает как | Защита по рубрике Б |
| 8.2 | Различать CAPEX и OPEX, оценивать окупаемость | применять | знает как | Расчёт по своим данным |
| 8.3 | Обосновывать выбор технологии совпадением с профилем задачи | оценивать | знает как | Сравнительная таблица |
| 8.4 | Называть границы применимости собственного решения | оценивать | показывает как | Раздел «ограничения» в защите |
Сценарий (90 минут)
| Время | Блок | Что делает педагог | Что делают ученики |
|---|---|---|---|
| 0–5 | Выдача рубрики | Раздаёт критерии оценки защиты | Читают, задают вопросы |
| 5–15 | Экономика задачи | Потери воды как статья бюджета | Обсуждают |
| 15–25 | Четыре опоры | Структура обоснования | Конспектируют |
| 25–30 | CAPEX и OPEX | Сравнение технологий по экономике | Разбирают |
| 30–45 | Подготовка | Консультирует команды | Готовят защиту |
| 45–80 | Защиты | Модерирует, задаёт вопросы | Защищают, слушают |
| 80–90 | Разбор | Обратная связь по рубрике | Получают оценку |
Блок 1. Выдача рубрики (0–5 мин)
Восемь критериев рубрики Б: задача и обоснование · формат данных · бюджет эфира · бюджет энергии · модель безопасности · доказательство работоспособности · границы и ограничения · ответы на вопросы.
Порог зачёта: не ниже 2 по всем критериям. Конкурсный уровень: не ниже 2 везде и не ниже 3 минимум по четырём, обязательно включая «Границы и ограничения».
Блок 2. Экономика задачи (5–15 мин)
Постановка
«Мы построили технически грамотную систему. Но город не покупает технику — он покупает решение проблемы. Какую проблему мы решаем и сколько она стоит?»
Потери воды как статья расходов
Механизм убытка, который ученик должен уметь объяснить:
- Вода поднята насосами — потрачена электроэнергия;
- Вода очищена — потрачены реагенты;
- Вода закачана в сеть — снова энергия;
- Вода утекла через свищ — счётчик потребителя её не видит;
- Затопленный подвал разрушает конструкции — дополнительный ущерб.
«За эту воду уже заплачено дважды: энергией и реагентами. И никто её не оплатит.»
Что меняет система
| Без системы | С системой |
|---|---|
| «Прорвало → затопило → экстренная бригада ночью» | «Датчик увидел воду в 3:40 → слесарь к открытию» |
| Аварийный режим, сверхурочные | Плановый режим |
| Ущерб конструкциям | Ущерб предотвращён |
| Потери воды месяцами | Потери часами |
Требование к доказательности. Утверждение «потери воды велики» без источника на защите не засчитывается. Ученик обязан привести конкретные данные со ссылкой — статистику по своему городу, отраслевые отчёты, публикации.
Это прямое требование конкурсных площадок (см. документ 5 экспертизы, §4): работа без источников воспринимается как несамостоятельная.
Блок 3. Четыре опоры обоснования (15–25 мин)
«Инженер будущего защищает не поделку, а решение. У решения четыре опоры, и все четыре вы уже построили за этот модуль.»
Опора 1. Энергобюджет
Что предъявить: расчёт по статьям со своими измеренными числами из урока 2.
| Обязательно | Недопустимо |
|---|---|
| «Мы измерили ток сна нашего стенда: N мкА» | «По даташиту 2 мкА» |
| «Нашли и назвали потребителей: …» | «Узел живёт десятилетия» |
| Честная оговорка про саморазряд | Умолчание об ограничениях |
Опора 2. Ёмкость сети
Что предъявить: расчёт по модели ALOHA (урок 5) с числом узлов на шлюз и объяснением, почему событийная модель даёт масштаб.
Ключевой тезис: редкость выхода в эфир даёт одновременно автономность и ёмкость.
Опора 3. Модель безопасности
Что предъявить: угрозы, механизмы LoRaWAN (урок 7) и честно названные незакрытые риски.
Опора 4. Экономическое обоснование
Что предъявить: CAPEX, OPEX, оценка окупаемости — см. следующий блок.
Блок 4. CAPEX и OPEX (25–30 мин)
Два вида затрат
| Термин | Что это | Пример в нашем проекте |
|---|---|---|
| CAPEX (капитальные) | разовые вложения | шлюзы, узлы, монтаж, сервер |
| OPEX (операционные) | постоянные расходы | замена батарей, обслуживание, связь |
Почему LoRaWAN выигрывает экономикой
Сравнение технологий по трём требованиям задачи (автономность, проникновение, масштаб):
| Технология | Автономность | Проникновение | OPEX на узел | Вердикт |
|---|---|---|---|---|
| Wi-Fi | часы-дни | плохо через стены | точка доступа на подъезд | нет |
| Сотовая (NB-IoT) | месяцы-годы | хорошо | абонплата × тысячи | ближе, но OPEX |
| Проводные датчики | питание есть | идеально | монтаж кабеля в каждый подвал | нет: CAPEX |
| LoRaWAN | годы | отлично | ноль за узел в эфире | да |
Формулировка для защиты: LoRaWAN побеждает не техническим превосходством «вообще», а совпадением с профилем задачи. Датчик протечки молчит месяцами и говорит редко и коротко — ровно в этом режиме LoRaWAN недосягаем.
Сотовая связь проигрывает не радио, а экономикой (абонплата, умноженная на тысячи узлов). Wi-Fi — энергией и покрытием. Провод — стоимостью монтажа.
Структура расчёта окупаемости
CAPEX = (стоимость шлюза × N_шлюзов) + (стоимость узла × N_узлов) + монтаж + сервер
OPEX_год = замена батарей + обслуживание сети + администрирование
Экономия_год = предотвращённые потери воды + снижение аварийных выездов
+ предотвращённый ущерб конструкциям
Срок окупаемости = CAPEX / (Экономия_год − OPEX_год)Блок 5. Подготовка защиты (30–45 мин)
Задание командам
«Подготовьте пятиминутную защиту сети Power Sentry для города. Структура — четыре опоры плюс ограничения. Критерий, по которому вас оценят в первую очередь: воспроизводимость — может ли другая команда по вашему обоснованию повторить расчёт.»
Обязательная структура (5 минут)
| Время | Раздел | Содержание |
|---|---|---|
| 0:00–0:45 | Задача | что решаем, масштаб проблемы со ссылкой |
| 0:45–1:30 | Решение | архитектура: узлы → шлюз → сервер → диспетчер |
| 1:30–2:15 | Энергобюджет | свои измеренные числа, расчёт срока жизни |
| 2:15–3:00 | Ёмкость сети | расчёт ALOHA, узлов на шлюз |
| 3:00–3:40 | Безопасность | механизмы и незакрытые риски |
| 3:40–4:30 | Экономика | CAPEX, OPEX, окупаемость с допущениями |
| 4:30–5:00 | Ограничения | что наша система не делает |
Консультации педагога
Обходить команды с вопросами, которые задаст жюри:
- «Откуда эта цифра?»
- «Вы это измерили или взяли из документации?»
- «Что будет, если условие изменится?»
- «Чем ваше решение отличается от существующих?»
- «Что ваша система не умеет?»
Блок 6. Защиты и разбор (45–90 мин)
Регламент
- 5 минут защита, 3 минуты вопросы;
- Вопросы задают педагог и другие команды (это тоже оценивается);
- Оценка по рубрике заполняется во время выступления.
Типичные ошибки, на которые обращать внимание
| Ошибка | Как реагировать |
|---|---|
| Цифры без источника | «Откуда это число?» |
| Даташит вместо измерения | «Вы это измерили сами?» |
| Умолчание об ограничениях | «Что ваша система не умеет?» |
| «Мы сделали классную штуку» | «Какую проблему это решает и для кого?» |
| Идеальная картина без рисков | «Что может пойти не так при развёртывании?» |
Обратная связь
Разбор строго по рубрике: назвать по каждому критерию оценку и конкретную причину. Общие похвалы («молодцы») не дают ученику информации для улучшения.
Практические задачи (для домашней подготовки)
Уровень B
B1. Составьте перечень CAPEX и OPEX для пилота: один район, один шлюз, 50 узлов.
Ориентир
CAPEX: шлюз, 50 узлов, монтаж (доступ в подвалы, крепление, настройка), сервер (или использование существующего), пусконаладка.
OPEX: замена батарей (при сроке 5–8 лет — примерно 10 узлов в год), администрирование сервера, диагностика молчащих узлов, канал связи для шлюза.
Важное наблюдение: при событийной модели OPEX очень мал — в этом и состоит экономическое преимущество. Именно поэтому борьба за микроамперы на уроке 2 имеет денежное измерение.
B2. Почему сотовая связь проигрывает LoRaWAN в этой задаче, хотя технически надёжна?
Ответ
Из-за OPEX: каждый узел требует SIM-карты с абонентской платой. При тысячах узлов это постоянный ежегодный расход, растущий пропорционально масштабу.
У LoRaWAN узел в эфире бесплатен: разовый CAPEX на шлюз, а добавление узлов почти ничего не добавляет к операционным расходам. При масштабе города разница становится определяющей.
Уровень C
C1. Постройте расчёт окупаемости с явно названными допущениями. Укажите, какое допущение наиболее влияет на результат.
Разбор
Ученик должен: (1) перечислить допущения (доля протечек, обнаруживаемых системой; средний объём потерь на одну протечку; стоимость воды; частота аварий); (2) провести расчёт; (3) оценить чувствительность — какое допущение сильнее всего меняет ответ.
Обычно критичным оказывается доля обнаруживаемых протечек: если система ловит только явные затопления, а не медленные свищи, экономия падает многократно.
Ценность задания: ученик обнаруживает, что результат зависит не от точности расчёта, а от корректности исходных допущений. Это ключевое понимание для любого экономического обоснования.
C2. Назовите пять ограничений вашей системы, которые не видны со стороны.
Ориентир
Сильные ответы: датчик обнаруживает воду только в точке установки (свищ в стене может не дойти до пола); коррозия электродов со временем; узел, полностью затопленный, выходит из строя; система не отличает протечку от мытья полов или мокрой тряпки; батарея деградирует на морозе в неотапливаемом колодце; при глушении эфира сеть слепа.
Критерий качества ответа: названы ограничения, которые нельзя обнаружить, не поработав с системой. Это отличает реальный опыт от пересказа.
Раздаточный лист (для печати)
Урок 8. Защита проекта Power Sentry
Четыре опоры обоснования:
Опора Что предъявляю Мои числа 1. Энергобюджет измеренный ток сна, расчёт срока 2. Ёмкость сети расчёт ALOHA, узлов на шлюз 3. Безопасность механизмы + незакрытые риски 4. Экономика CAPEX, OPEX, окупаемость Структура защиты (5 минут):
Время Раздел Готово 0:00–0:45 Задача и масштаб проблемы (со ссылкой!) ☐ 0:45–1:30 Архитектура решения ☐ 1:30–2:15 Энергобюджет со своими измерениями ☐ 2:15–3:00 Ёмкость сети ☐ 3:00–3:40 Модель безопасности ☐ 3:40–4:30 Экономика с допущениями ☐ 4:30–5:00 Ограничения системы ☐ Сравнение технологий (заполните вердикты):
Технология Автономность Проникновение OPEX на узел Вердикт Wi-Fi Сотовая Проводные LoRaWAN Пять ограничений нашей системы:
- ____________________________________
- ____________________________________
- ____________________________________
- ____________________________________
- ____________________________________
Вопросы, к которым я готов:
«Откуда эта цифра?» → ______________________________
«Чем отличается от существующих решений?» → ______________
Домашнее задание
Обязательная часть
Врайтап по рубрике А о защите: что получилось, какой вопрос оказался самым трудным, что доработать.
Уровень B
Найти и оформить по правилам цитирования три источника данных о потерях воды в коммунальных сетях.
Уровень C
Доработать защиту до уровня конкурсной работы: добавить обзор существующих решений и список литературы (см. документ 5, §4).
Итог урока и модуля
Вывод урока 8
- Город покупает не технику, а решение проблемы — обоснование начинается с задачи, а не с устройства.
- Четыре опоры защиты: энергобюджет · ёмкость сети · модель безопасности · экономика.
- Все числа — свои измеренные, а не из документации. Данные о проблеме — со ссылкой на источник.
- CAPEX — разовые вложения, OPEX — постоянные расходы. LoRaWAN выигрывает нулевым OPEX на узел.
- Технология выбирается совпадением с профилем задачи, а не превосходством «вообще».
- Расчёт с честно названными допущениями ценнее уверенной цифры без обоснования.
- Умение назвать ограничения собственного решения — обязательный критерий и главный признак зрелости.
Итог модуля PowerSentry. Ученик прошёл путь от одного микроампера тока сна до обоснования городской сети — и на каждом шаге видел, что масштаб рождается не из мощности радио, а из энергоэффективности протокола.
Событийная модель, за которую воевали ради лишнего года автономности, оказалась тем же решением, которое позволяет одному шлюзу нести десятки тысяч узлов. Это и есть переход от «датчик мигает» к «система, за которую город платит деньги».
Связь с курсом
| Что родилось на этом уроке | Где станет инструментом |
|---|---|
| Четыре опоры защиты | Выпускной проект, конкурсные работы |
| CAPEX/OPEX, окупаемость | Документ 5, §3.2 (конкурсная работа) |
| «Назвать ограничения» | Рубрика Б, все защиты курса |
| Структура пятиминутной защиты | НТО, «Большие вызовы», конференции |
Чек-лист педагога перед уроком
- Рубрика Б распечатана и выдана до подготовки
- У команд есть свои измерения из урока 2 и расчёты из уроков 1 и 5
- Проектор для защит
- Таймер на 5 минут
- Подготовлены вопросы жюри для каждой команды
- Заготовлены бланки рубрики для заполнения во время выступлений