互聯(lián)網(wǎng)+背景下工業(yè)工程實驗平臺設(shè)計與應(yīng)用研究

曹建華+夏緒輝+王蕾+龔園+劉翔+周幼慶+劉長生

摘要：本文針對當(dāng)前工業(yè)工程實驗存在技術(shù)先進(jìn)性不足、實驗內(nèi)容內(nèi)在關(guān)聯(lián)性及系統(tǒng)性不足、綜合創(chuàng)新性不足等問題，在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息化技術(shù)、面向服務(wù)架構(gòu)等技術(shù)，整合現(xiàn)有各個獨立的工業(yè)工程實驗資源，研究并開發(fā)了現(xiàn)代工業(yè)工程實驗平臺，以該平臺為基礎(chǔ)，設(shè)計了全自動立體倉庫操作實驗、物流配送管理實驗、生產(chǎn)控制與運作實驗、人因工程實驗、物料揀選等工業(yè)工程實驗，并以武漢科技大學(xué)工業(yè)工程實驗平臺的實際運行效果為例，對本文所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)工程實驗平臺可行性、優(yōu)越性與智能性進(jìn)行了驗證，對高校工業(yè)工程實驗室建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；工業(yè)工程；實驗平臺；實驗設(shè)計

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）01-0253-03

一、引言

2015年李克強(qiáng)總理在《政府工作報告》中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”，隨后《國務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》頒布，提出了通過互聯(lián)網(wǎng)探索新型教育服務(wù)供給方式，互聯(lián)網(wǎng)對社會轉(zhuǎn)型進(jìn)步的推動引起了國家最高決策層的高度重視。[1]“互聯(lián)網(wǎng)+”，通俗來說就是“互聯(lián)網(wǎng)+各個傳統(tǒng)行業(yè)”，但并不是簡單地將兩者結(jié)合，而是利用互聯(lián)網(wǎng)平臺以及信息通信技術(shù)，使互聯(lián)網(wǎng)與其他傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行深度融合，帶來全新的產(chǎn)業(yè)變革。[2]

工業(yè)工程（Industrial Engineering）作為一門綜合性學(xué)科，具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉性、應(yīng)用性、實踐性，實驗教學(xué)是其教學(xué)過程中必不可少的環(huán)節(jié)。在經(jīng)濟(jì)全球化和信息技術(shù)迅速發(fā)展的今天，高校利用現(xiàn)有技術(shù)和資源構(gòu)建具有專業(yè)特色的工業(yè)工程實驗室、保證工業(yè)工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量就顯得尤為重要。自1992年國家教委批準(zhǔn)西安交通大學(xué)和天津大學(xué)首批設(shè)立工業(yè)工程專業(yè)以來，[3]工業(yè)工程學(xué)科的發(fā)展非常迅速，國內(nèi)已開設(shè)工業(yè)工程專業(yè)的高校都非常重視和支持實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，不斷加強(qiáng)設(shè)備投入和實驗室建設(shè)，[4]但由于資金、技術(shù)以及投入的階段性等原因，導(dǎo)致工業(yè)工程實驗室中存在多個“實驗孤島”、[5]實驗技術(shù)先進(jìn)性不足、實驗內(nèi)容內(nèi)在關(guān)聯(lián)性及系統(tǒng)性不足、綜合創(chuàng)新性不足等問題。

本文針對當(dāng)前工業(yè)工程實驗室存在的問題，在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、自動化控制等先進(jìn)技術(shù)，對現(xiàn)有實驗設(shè)備資源進(jìn)行整合更新，構(gòu)建現(xiàn)代化工業(yè)工程實驗平臺，使整個工業(yè)工程實驗室形成統(tǒng)一的系統(tǒng)，實現(xiàn)各孤立實驗的深度融合，并為后續(xù)新增實驗提供良好的擴(kuò)展接口，為學(xué)校教師和學(xué)生提供了良好的實踐教學(xué)與創(chuàng)新學(xué)習(xí)平臺。

二、設(shè)計目的

通過對武漢科技大學(xué)工業(yè)工程實驗室現(xiàn)狀分析，在當(dāng)前實驗室建設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，增加必要的設(shè)備，結(jié)合學(xué)校教學(xué)要求來規(guī)劃“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的工業(yè)工程實驗平臺設(shè)計方案，采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、[6]自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和實驗開設(shè)理念，將“工業(yè)工程”學(xué)科與“企業(yè)應(yīng)用”兩方面在該系統(tǒng)中進(jìn)行有機(jī)融合，理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，讓學(xué)生更好地理解所學(xué)的知識，并培養(yǎng)其動手操作能力。該實驗平臺最終達(dá)到以下目的：

1.通過對實驗設(shè)備升級、改造與更新，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的互聯(lián)，以及對實驗資源的遠(yuǎn)程訪問、監(jiān)測與智能控制，有效地支持人機(jī)交互、人與物品之間的交互、人與人之間的社會性交互，實現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方式向系統(tǒng)性、生動性、開放性的創(chuàng)新型工業(yè)工程實踐教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。

2.實現(xiàn)實驗教學(xué)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，不斷豐富和更新教學(xué)實驗內(nèi)容，提高學(xué)生現(xiàn)代IE（IT+IE）技能，培養(yǎng)學(xué)生運用工業(yè)工程知識規(guī)劃、設(shè)計、分析、組織、優(yōu)化、控制、決策和信息技術(shù)應(yīng)用能力。

3.結(jié)合我校工業(yè)工程特色，設(shè)計一個面向工業(yè)工程專業(yè)的實驗平臺，豐富與完善我校工業(yè)工程實驗項目，后期還可根據(jù)需要增加新的模塊。

4.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的工業(yè)工程實驗平臺設(shè)計，不僅能為學(xué)生提供實驗環(huán)境，也能為教師和研究生提供研究平臺，該實驗平臺對培養(yǎng)高等工程技術(shù)人才，形成專業(yè)特色具有重要作用。

三、平臺設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與SOA技術(shù)作為信息化的新興領(lǐng)域，其飛速發(fā)展也給各高校建設(shè)突出工業(yè)工程專業(yè)特色實驗教學(xué)系統(tǒng)帶來了契機(jī)。如圖1所示，“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下工業(yè)工程實驗平臺采用數(shù)據(jù)采集與硬件控制層、實驗過程跟蹤與整合層、實驗優(yōu)化管理與決策分析層三層架構(gòu)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對底層硬件的控制與數(shù)據(jù)采集，基于SOA、采用模塊化技術(shù)對各個獨立實驗進(jìn)行集成。

1.數(shù)據(jù)采集與硬件控制層。數(shù)據(jù)采集與硬件控制層由一套現(xiàn)代化工業(yè)工程實驗設(shè)施組成，包含的硬件設(shè)備主要有：自動化立體庫、堆垛機(jī)、輥筒式輸送機(jī)、分揀設(shè)備、5自由度雕刻機(jī)器人、AGV小車、RFID標(biāo)簽揀貨機(jī)、裝配生產(chǎn)線、RFID讀寫設(shè)備及標(biāo)簽以及各種傳實驗感器等，通過PC-PLC系統(tǒng)對接，實現(xiàn)與上層控制系統(tǒng)的對接和實驗數(shù)據(jù)實時采集與監(jiān)測，通過無線傳感技術(shù)、通信技術(shù)等將大量數(shù)據(jù)上傳至分布式服務(wù)器，為實驗過程、實驗分析與實驗管理提供最底層的硬件與數(shù)據(jù)支持。

2.實驗過程跟蹤與整合層。采用SOA架構(gòu)，通過企業(yè)服務(wù)總線將各個實驗應(yīng)用進(jìn)行整合，實現(xiàn)各實驗子系統(tǒng)的信息連通。主要包括基于ERP系統(tǒng)的實驗子系統(tǒng)，如生產(chǎn)計劃與控制實驗、物料揀選實驗、生產(chǎn)線裝配實驗、倉儲實驗等；以及其他實驗，如人因工程實驗、運籌學(xué)實驗等。由于采用了面向服務(wù)的模塊化技術(shù)，具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性、集成性與擴(kuò)展性。

3.實驗優(yōu)化管理與決策分析層。通過底層數(shù)據(jù)采集和硬件控制層與高層管理信息系統(tǒng)的融合，對各子系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析處理，結(jié)合自動化、智能化與可視化技術(shù)，實現(xiàn)對實驗室的整體優(yōu)化管理。該層根據(jù)使用對象的不同分為教師實驗管理模塊與學(xué)生實驗分析模塊。

四、實驗設(shè)計

結(jié)合武漢科技大學(xué)工業(yè)工程學(xué)科建設(shè)實際情況，基于本文設(shè)計的工業(yè)工程實驗平臺設(shè)計了基于ERP系統(tǒng)的實驗和其他類實驗。

1.基于ERP系統(tǒng)的實驗設(shè)計。該ERP系統(tǒng)是以面向訂單生產(chǎn)企業(yè)實際業(yè)務(wù)流程為基礎(chǔ)，通過工業(yè)工程方法優(yōu)化后面向高校本科生、研究生所設(shè)計開發(fā)的一套實驗系統(tǒng)，主要包含訂單管理、生產(chǎn)管理、倉儲管理、運輸管理、財務(wù)管理等功能模塊，把復(fù)雜的生產(chǎn)管理以最直觀的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前，將抽象、復(fù)雜的管理理念直觀化并讓學(xué)生參與其中，在生產(chǎn)企業(yè)運營的全過程中，體驗生產(chǎn)企業(yè)各個流程和各個部門之間的關(guān)系和職責(zé)，對生產(chǎn)管理有綜合的認(rèn)識。如圖2所示，目前已成功運行的實驗有生產(chǎn)計劃與控制實驗、物料揀選實驗、生產(chǎn)線裝配實驗、自動化立體倉庫操作實驗、物流實驗等。下面對生產(chǎn)線裝配實驗進(jìn)行詳細(xì)介紹。

裝配生產(chǎn)線設(shè)計示意圖如圖3所示，每個工位均有電子看板及RFID讀寫器，輸送到各工位上的在制品托盤上貼有記錄該托盤所裝產(chǎn)品信息的RFID卡片，通過RFID讀寫器讀取該卡片，當(dāng)前工位操作所需物料信息、操作步驟、以及注意事項均會詳細(xì)顯示在工位看板上，同時系統(tǒng)自動記錄開始操作時間，當(dāng)操作結(jié)束并確認(rèn)后，系統(tǒng)自動記錄結(jié)束時間并提交通過攝像頭記錄的操作工程視頻錄像，托盤自動進(jìn)入下一工序。通過該實驗可以對每個產(chǎn)品在每個工位上的加工信息自動采集，實現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)實時跟蹤和統(tǒng)一管理，并為后續(xù)流程程序分析、工時評價實驗、學(xué)習(xí)曲線實驗以及聯(lián)合操作分析、雙手操作分析、時間研究實驗、動素圖分析和影片分析實驗等工業(yè)工程基礎(chǔ)實驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.其他實驗設(shè)計。除ERP實驗系統(tǒng)，該工業(yè)工程實驗平臺還集成了人因工程相關(guān)實驗設(shè)備與控制系統(tǒng)，基于該平臺可以完成反應(yīng)時間測定、耗氧量與心率關(guān)系測定、勞動強(qiáng)度與疲勞測定、照明和生產(chǎn)率關(guān)系的測定、微氣候測定、環(huán)境噪聲測量、環(huán)境照明測量、生理測量與作業(yè)設(shè)計、心理與認(rèn)知測試、人體尺寸測量、人體感知特征和素質(zhì)綜合測試系統(tǒng)實驗等。通過該平臺既可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集、自動記錄與可視化管理，方便后續(xù)學(xué)生的實驗分析，同時基于該數(shù)據(jù)，教師可以對學(xué)生試驗學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析并不斷優(yōu)化實驗設(shè)計，以獲得更好的教學(xué)效果。

五、結(jié)論

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，針對當(dāng)前工業(yè)工程實驗存在的問題，通過開發(fā)面向工業(yè)工專業(yè)的ERP實驗系統(tǒng)將生產(chǎn)計劃與控制實驗、物料揀選實驗、生產(chǎn)線裝配實驗、自動化立體倉庫操作等實驗整合成一個完整的實驗體系，把復(fù)雜的生產(chǎn)管理以最直觀的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前并讓學(xué)生真正參與其中，讓學(xué)生更真實地理解并運用所學(xué)的知識，同時運用面向服務(wù)的架構(gòu)集成人因工程、運籌學(xué)等學(xué)科實驗，形成完整的工業(yè)工程實驗平臺，并為未來實驗室發(fā)展提供了良好的擴(kuò)展接口。經(jīng)過兩年的實踐運行，該實驗平臺為廣大師生提供了一個綜合性的學(xué)習(xí)、實驗、創(chuàng)新平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮智慧.“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的教學(xué)創(chuàng)新—訪華南師范大學(xué)胡小勇教授[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2015，（10）：11-14.

[2]姜艷玲，古岱月.“互聯(lián)網(wǎng)+”環(huán)境下微視頻實現(xiàn)創(chuàng)客學(xué)習(xí)研究[J].中國電化教育，2016，（353）：71-76.

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Design and Application of Industrial Engineering Experimental Platform In the Background of "Internet +"

CAO Jian-hua，XIA Xu-hui，WANG Lei，GONG Yuan，LIU Xiang，ZHOU You-qing，LIU Chang-sheng

（Engineering Training Center，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan，Hubei 430081，China）

Abstract：As the lack of advanced technology，experimental content inherent relevance，systematic and comprehensive innovation of the Industrial Engineering Experiment at present，Internet of Things technology，information technology，service-oriented architecture technology are used to integrate various existing independent industrial engineering experiments resources in the Background of "Internet + ".A modern industrial engineering experimental platform is studied and established.The operation experiment of automatic warehouse，logistics and distribution management experiment，production control and operation experiment，human factors engineering experiments and other industrial engineering experiments are designed based on this platform.And the feasibility，superiority and intelligence are proved by the actual operating results of industrial Engineering experiment platform in Wuhan University of Science，which has guiding significance for Industrial Engineering Laboratory in colleges.

Key words：Internet+；industrial engineering；experimental platform；experimental design