面向智能制造智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)探索

李根

摘要：根據(jù)廣東智能制造發(fā)展的人才需求和工程用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院電子信息技術(shù)的特色和優(yōu)勢，圍繞智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程設(shè)置，實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)、實(shí)驗(yàn)保障等方面，探討如何構(gòu)建一個(gè)與廣東智能產(chǎn)業(yè)深度融合的，強(qiáng)應(yīng)用重創(chuàng)新的專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺。

關(guān)鍵詞：智能制造；智能科學(xué)與技術(shù)；人工智能技術(shù)；機(jī)器人；實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動各個(gè)環(huán)節(jié)。具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。是信息技術(shù)和智能技術(shù)在裝備制造過程技術(shù)的深度融合與集成。加快推進(jìn)智能制造，是我國在全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革競爭背景下出臺的《中國制造2025》的主攻方向。廣東省作為國內(nèi)制造大省和全球重要制造基地，也對接印發(fā)了《廣東省智能制造發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》。針對廣東省制造業(yè)的創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、信息化水平的缺乏競爭力的問題，大力實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，推動智能制造核心技術(shù)攻關(guān)和關(guān)鍵零部件研發(fā)，推進(jìn)制造過程智能化升級改造，實(shí)現(xiàn)“制造大省”向“制造強(qiáng)省”轉(zhuǎn)變。創(chuàng)新驅(qū)動，智能化升級改造需要國際領(lǐng)先水平人才的引進(jìn)和高等院校實(shí)戰(zhàn)型工程技術(shù)人才培養(yǎng)。我院智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)就是面向廣東智能產(chǎn)業(yè)的深度融合設(shè)置的。其專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)需要針對廣東省高端裝備、制造過程、工業(yè)產(chǎn)品智能化等領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)，以“機(jī)器智能”為方向，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、整合實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，開設(shè)綜合性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。緊密聯(lián)系企業(yè)，針對智能制造關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新。培養(yǎng)具有智能系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)、智能裝備的應(yīng)用與工程管理能力；能在智能裝備、智能機(jī)器人、智能家居等領(lǐng)域從事智能系統(tǒng)的是開發(fā)與設(shè)計(jì)、應(yīng)用于維護(hù)、運(yùn)營與管理的“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)應(yīng)用、能創(chuàng)新”的高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才。

1專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)思路

面向智能制造專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，依據(jù)《廣東省智能制造發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》中發(fā)展智能裝備與系統(tǒng)，工業(yè)產(chǎn)品、制造流程智能化升級改造的任務(wù)，從智能科學(xué)與技術(shù)知識體系中提取專業(yè)發(fā)展方向的課程，建立完善專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系。以“機(jī)器智能”為方向建設(shè)人工智能與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為核心，以項(xiàng)目、科技競賽、緊密對接企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新為手段，培養(yǎng)學(xué)生能夠運(yùn)用工程基礎(chǔ)知識和專業(yè)理論知識設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生查詢檢索資料文獻(xiàn)獲取知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生能夠綜合運(yùn)用自然科學(xué)知識、專業(yè)理論知識和技術(shù)手段設(shè)計(jì)系統(tǒng)和過程解決實(shí)際問題的能力。通過科技競賽等活動，培養(yǎng)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)里具有工程組織管理能力、表達(dá)能力和人際交往能力。通過與企業(yè)的合作，掌握基本創(chuàng)新方法，并讓學(xué)生具有追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力為重點(diǎn)。立足華軟學(xué)院電子系電子信息工程嵌入式專業(yè)、自動化專業(yè)、通信工程專業(yè)現(xiàn)有的平臺優(yōu)勢，按照“整合、集成、共享、提升”的基本思路，完善支撐體系，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源配置，建設(shè)一個(gè)能夠與廣東智能產(chǎn)業(yè)深度融合的階梯形層次化實(shí)驗(yàn)平臺。

2實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)內(nèi)容

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺的建設(shè)要依據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建，突出面向智能制造工程實(shí)踐為特色，按照學(xué)生的成長需要，建立階段化、層次化、模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

2.1專業(yè)實(shí)踐課程體系建設(shè)

面向智能制造的智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)定位是以工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的，是在通識教育基礎(chǔ)上的特色專業(yè)教育。專業(yè)課程體系的建設(shè)首先還是以培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)自然科學(xué)基礎(chǔ)知識，人文社會科學(xué)知識和外語應(yīng)用能力為基礎(chǔ)，其次是智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，如數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計(jì)、數(shù)字信號處理基礎(chǔ)、信號與系統(tǒng)、電路分析與電子電路；c語言程序設(shè)計(jì)與算法分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫與操作系統(tǒng)、微機(jī)原理與接口、傳感器與檢測技術(shù)等。最后是專業(yè)方向類課程，也是專業(yè)的核心課程，如制造業(yè)基礎(chǔ)軟件中的嵌入式軟件、工業(yè)控制系統(tǒng)軟件，工業(yè)機(jī)器人中人工智能技術(shù)應(yīng)用和智能控制技術(shù)。主要有知識獲取模式識別；數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)；嵌入式系統(tǒng)移植和驅(qū)動開發(fā)；嵌入式應(yīng)用開發(fā)；人工智能與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；智能控制技術(shù)；機(jī)器人學(xué)等課程。培養(yǎng)學(xué)生具備計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、智能系統(tǒng)方法、傳感信息處理等技術(shù)，完成系統(tǒng)集成，并配合專業(yè)實(shí)踐課程體系如圖1，完成電子工藝實(shí)習(xí)、技術(shù)基礎(chǔ)課程、核心課程的課程設(shè)計(jì)和綜合項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，并在工程應(yīng)用中實(shí)施的能力。

2.2實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)

依據(jù)專業(yè)實(shí)踐課程體系，構(gòu)建主要包括計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、電路基礎(chǔ)、信息與控制基礎(chǔ)、嵌入式技術(shù)、機(jī)器智能系統(tǒng)五大模塊開展不同學(xué)習(xí)階段層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。主要包括基礎(chǔ)類、專業(yè)實(shí)訓(xùn)類、綜合創(chuàng)新類。

1）基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)注重開設(shè)與課堂教學(xué)中基本理論相結(jié)合的精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并逐步提升基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課時(shí)的比例。從實(shí)踐中啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生牢固掌握基礎(chǔ)理論知識。除此之外，還要注重工作方法和學(xué)習(xí)方法的能力培養(yǎng)，如收集信息查找資料、制定工作計(jì)劃步驟、從基礎(chǔ)理論到解決實(shí)際問題的思路以及獨(dú)立學(xué)習(xí)新技術(shù)的方法和評估工作結(jié)果的方法。培養(yǎng)學(xué)生厚實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識和能力。

2）專業(yè)實(shí)訓(xùn)類實(shí)驗(yàn)主要以項(xiàng)目教學(xué)、案例教學(xué)、情景教學(xué)方式培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)知識及方法獨(dú)立解決行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的任務(wù)和問題并能夠評價(jià)結(jié)果的能力。如智能傳感應(yīng)用項(xiàng)目，人工智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，知識表示與推理項(xiàng)目，計(jì)算智能項(xiàng)目，專家系統(tǒng)，多智能體系統(tǒng)；機(jī)器人項(xiàng)目，如最小機(jī)電系統(tǒng)組成，如何完成對電機(jī)的控制；利用單軸或雙軸控制平臺實(shí)現(xiàn)基本搬運(yùn)裝配作業(yè)。

3）綜合創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生從理解問題域開始，獲取數(shù)據(jù)和知識、開發(fā)原型智能系統(tǒng)、開發(fā)完整智能系統(tǒng)、評估并修訂智能系統(tǒng)、到整合和維護(hù)智能系統(tǒng)六個(gè)階段構(gòu)建智能系統(tǒng)。如開展人工智能技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工、智能生產(chǎn)調(diào)度、智能工藝規(guī)劃、智能機(jī)器人、智能測量等；直角坐標(biāo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)碼垛搬運(yùn)、多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人、弧焊機(jī)器人實(shí)訓(xùn)等。

4）科技競賽、與企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，通過觀察記錄待智能化升級的工廠生產(chǎn)過程，發(fā)現(xiàn)定義問題、提出假設(shè)、搜集證據(jù)檢驗(yàn)假設(shè)、發(fā)表結(jié)果、建構(gòu)理論等實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)的能力。培養(yǎng)學(xué)生掌握基本創(chuàng)新的方法，團(tuán)隊(duì)協(xié)作管理能力、表達(dá)溝通能力等。如嵌入式設(shè)計(jì)大賽、機(jī)器人大賽等科技競賽；以及針對自動化生產(chǎn)線的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；針對原材料制造企業(yè)的集散控制、制造執(zhí)行集成應(yīng)用；針對裝備制造企業(yè)的敏捷制造、虛擬制造應(yīng)用；工業(yè)機(jī)器人在汽車、電子電氣、機(jī)械加工、船舶制造、食品加工、紡織制造、輕工家電、醫(yī)藥制造等行業(yè)的應(yīng)用。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)保障

智能科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)以人工智能與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為核心，結(jié)合目前學(xué)院嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、自動控制實(shí)驗(yàn)室、傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、通信原理實(shí)驗(yàn)室資源，儀器設(shè)備共享共建的原則，系統(tǒng)化籌備購置。人工智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主要針對智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)和機(jī)器人應(yīng)用，基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的人工智能技術(shù)學(xué)習(xí)應(yīng)用包括人工智能技術(shù)在智能制造應(yīng)用和工業(yè)機(jī)器人仿真軟件ABB Robot Studio?；凇疤剿髡摺睓C(jī)器人系統(tǒng)控制實(shí)訓(xùn)箱Rino-MRZ02（包含履帶機(jī)器人、雙輪自平衡機(jī)器人、5自由度機(jī)械臂、6自由度機(jī)械臂等）

可以開展的項(xiàng)目有：利用啟發(fā)式算法、遺傳算法、蟻群算法等模糊數(shù)學(xué)理論對工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行性能模擬、運(yùn)動分析、功能仿真與評價(jià)；利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)、自組織構(gòu)造產(chǎn)品加工過程新能參數(shù)預(yù)測模型。利用模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)、多智能體系統(tǒng)進(jìn)行感知、并對環(huán)境的改變進(jìn)行解讀、動作進(jìn)行規(guī)劃和決策；利用專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊邏輯集中式解決生產(chǎn)調(diào)度多目標(biāo)性、不確定性和高度復(fù)雜性的問題，尋求最優(yōu)規(guī)則，提高調(diào)度的速度；利用蟻群算法、遺傳算法分布式多智能體系統(tǒng)進(jìn)行問題分解、彼此協(xié)商、任務(wù)指派、解決沖突。

履帶機(jī)器人可開展電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)；運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)；HD軌跡控制實(shí)驗(yàn)；無線通信實(shí)驗(yàn)。雙輪自平衡機(jī)器人呢可開展自平衡模塊實(shí)驗(yàn)；倒立擺算法實(shí)驗(yàn)；雙輪載具運(yùn)動實(shí)驗(yàn)。6自由度雙足機(jī)器人可開展雙足運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)；步態(tài)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)；雙足平衡實(shí)驗(yàn)；機(jī)構(gòu)改裝實(shí)驗(yàn)。5自由度機(jī)械臂可開展機(jī)械臂運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)；顏色分揀實(shí)驗(yàn)?？蓴U(kuò)展為8自由度雙足機(jī)器人、輪腿式機(jī)器人等技能提高類課程設(shè)計(jì)。

通過ABB公司的機(jī)器人仿真軟件RobotStudio進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的基本操作、功能設(shè)置、二次開發(fā)、在線監(jiān)控與編程、方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的學(xué)習(xí)。

3結(jié)束語

智能制造是基于人工智能的研究，機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要基礎(chǔ)。所以面向智能制造智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)要把人工智能技術(shù)在智能裝備、智能系統(tǒng)中的應(yīng)用和機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用作為專業(yè)知識技能培養(yǎng)的重點(diǎn)，更要讓實(shí)驗(yàn)平臺既能幫助學(xué)生理解掌握所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力，掌握學(xué)習(xí)研究的方法，基本的科學(xué)實(shí)驗(yàn)技能外，又要調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐。