工業(yè)工程專業(yè)制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析方向課程設(shè)置

吳小東，趙晶英

（廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名525000）

當(dāng)今時(shí)代，大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為寶貴的資源。大數(shù)據(jù)背景下，數(shù)據(jù)科學(xué)是以數(shù)據(jù)，特別是大數(shù)據(jù)為研究對象，以從數(shù)據(jù)中獲取知識與智慧為主要目的，以數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、可視化以及專業(yè)領(lǐng)域知識等為理論基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)計(jì)算等為研究內(nèi)容的一門學(xué)科[1]。

物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了大數(shù)據(jù)技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用。許多國家的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，如德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造2025等均明確指出，大數(shù)據(jù)是新一代工業(yè)革命和制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。我國國務(wù)院2015年發(fā)布的《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》將制造業(yè)大數(shù)據(jù)列入十大重點(diǎn)工程。在基礎(chǔ)性支撐技術(shù)、產(chǎn)業(yè)政策和國際競爭的驅(qū)動(dòng)下，我國制造業(yè)大數(shù)據(jù)急需發(fā)展，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提升制造業(yè)價(jià)值，從而需求大量的大數(shù)據(jù)人才。大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)主要分為大數(shù)據(jù)應(yīng)用架構(gòu)師和大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析師[2]，本文分析討論的是制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析師培養(yǎng)。

我國大數(shù)據(jù)本科教育起源于2016年，教育部批準(zhǔn)首批3所高校于2016年、32所高校2017年開始開展數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)本科人才培養(yǎng)。制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析人才培養(yǎng)屬于文獻(xiàn)[1]提出的泛專業(yè)數(shù)據(jù)科學(xué)素養(yǎng)的人才培養(yǎng)。由于大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)教育剛起步，泛專業(yè)數(shù)據(jù)科學(xué)素養(yǎng)的人才培養(yǎng)還沒有起步。

泛專業(yè)數(shù)據(jù)科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)是數(shù)據(jù)科學(xué)與實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域知識的深度融合，培養(yǎng)既有領(lǐng)域?qū)I(yè)背景又有一定數(shù)據(jù)科學(xué)素養(yǎng)的復(fù)合型人才[1]。實(shí)踐中，可設(shè)置“？＋大數(shù)據(jù)”式的精簡、融合類課程，或設(shè)置與大數(shù)據(jù)技術(shù)交叉的“微專業(yè)”，開設(shè)相對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)科學(xué)系列課程，培養(yǎng)領(lǐng)域知識與數(shù)據(jù)思維高度結(jié)合的“π”（兩專多能）型人才[1]。我們下面從“？＋大數(shù)據(jù)”的融合類課程模式分析制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析人才培養(yǎng)的課程設(shè)置。

1　制造業(yè)大數(shù)據(jù)與制造大數(shù)據(jù)的概念

制造業(yè)大數(shù)據(jù)是指從制造車間生產(chǎn)現(xiàn)場到制造企業(yè)頂層運(yùn)營所有生成、交換和集成的數(shù)據(jù)，包含了所有制造相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與衍生附加信息，但是相對于其他行業(yè)大數(shù)據(jù)，制造業(yè)大數(shù)據(jù)大量集中于工業(yè)設(shè)備所產(chǎn)生、采集和處理的數(shù)據(jù)，并且隨著制造過程的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，體現(xiàn)了極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，它是制造企業(yè)中具備海量、高增長率和多樣化特征的信息資產(chǎn)，廣泛存在于企業(yè)中各類應(yīng)用系統(tǒng)[3]。

按照制造業(yè)大數(shù)據(jù)的不同來源，制造業(yè)大數(shù)據(jù)分為產(chǎn)品大數(shù)據(jù)、運(yùn)營大數(shù)據(jù)、價(jià)值鏈大數(shù)據(jù)、外部大數(shù)據(jù)；按照制造業(yè)大數(shù)據(jù)的不同結(jié)構(gòu)，制造業(yè)大數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)；按照制造業(yè)大數(shù)據(jù)的不同維度，制造業(yè)大數(shù)據(jù)分為設(shè)計(jì)維大數(shù)據(jù)、制造維大數(shù)據(jù)、銷售維大數(shù)據(jù)和服務(wù)維大數(shù)據(jù)[3]。

制造大數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)來源和使用均在制造過程環(huán)節(jié)，是利用大數(shù)據(jù)技術(shù)采集、處理制造過程產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)并基于數(shù)據(jù)處理進(jìn)行制造工藝改進(jìn)、制造質(zhì)量控制與改進(jìn)、制造成本建模與控制、制造資源調(diào)度、生產(chǎn)設(shè)備效率提升、制造設(shè)備健康運(yùn)行管理與視情主動(dòng)維護(hù)。

2　制造大數(shù)據(jù)技術(shù)與人才培養(yǎng)

制造大數(shù)據(jù)是制造科學(xué)與技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的交叉技術(shù)，包括對海量制造數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理和利用。制造業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)包括制造業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā)相關(guān)技術(shù)（基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)）、制造業(yè)大數(shù)據(jù)感知技術(shù)、制造業(yè)大數(shù)據(jù)通信與控制技術(shù)、制造業(yè)大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)四大類制造業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)[3]。

高等學(xué)校大數(shù)據(jù)技術(shù)人才培養(yǎng)可以分為大數(shù)據(jù)架構(gòu)師和大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析師[2]?；谥圃鞓I(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)人才培養(yǎng)類型，可以把制造業(yè)大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)分為從事制造業(yè)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)、感知、通信與控制技術(shù)的制造業(yè)大數(shù)據(jù)架構(gòu)師，從事大數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)的制造業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)分析師。制造業(yè)大數(shù)據(jù)架構(gòu)師需要具備大數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)知識外還需要扎實(shí)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程知識。制造業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)分析師需要具備大數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)和某特定行業(yè)的制造科學(xué)與技術(shù)知識。

制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析是制造大數(shù)據(jù)的分支，是大數(shù)據(jù)處理和利用的大數(shù)據(jù)技術(shù)，在采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理海量制造數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)挖掘分析海量制造數(shù)據(jù)，結(jié)合制造系統(tǒng)工程技術(shù)，挖掘制造質(zhì)量影響因素及其相互關(guān)系、預(yù)測性質(zhì)量控制、精準(zhǔn)預(yù)測需求與優(yōu)化庫存、實(shí)時(shí)調(diào)度制造資源、預(yù)測性設(shè)備故障診斷和優(yōu)化維護(hù)，使得制造過程蘊(yùn)含的問題和規(guī)律透明化，優(yōu)化生產(chǎn)決策與控制制造過程。

制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析師應(yīng)該掌握制造系統(tǒng)工程與大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析技術(shù)，包括制造系統(tǒng)工程中的制造工藝與設(shè)備、制造資源調(diào)度、制造質(zhì)量與可靠性工程，大數(shù)據(jù)技術(shù)中的大數(shù)據(jù)架構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)和大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)。

3　工業(yè)工程重要發(fā)展方向——制造大數(shù)據(jù)分析

根據(jù)美國工業(yè)工程師協(xié)會(huì)的權(quán)威定義，工業(yè)工程（Industrial Engineering，IE）是對人物、設(shè)備、能源和信息組成的集成系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、改善、實(shí)施和控制的工程技術(shù)，它綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、工程設(shè)計(jì)與制造、社會(huì)科學(xué)的專門知識和技術(shù)，結(jié)合工程分析和設(shè)計(jì)的原理和方法，對該系統(tǒng)所取得的成果進(jìn)行確定、預(yù)測、優(yōu)化和評價(jià)[4]。這里的集成系統(tǒng)可以分為制造系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)。

工業(yè)工程起源于制造業(yè)的生產(chǎn)制造問題改善研究，制造業(yè)一直都是工業(yè)工程的主要應(yīng)用領(lǐng)域。典型的制造業(yè)工業(yè)工程問題有：依據(jù)制造工藝和設(shè)備進(jìn)行制造車間設(shè)施設(shè)備布局設(shè)計(jì)與改善、滿足制造工藝要求的制造車間物料搬運(yùn)與儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及改善、制造過程中的各類制造資源調(diào)度、對制造系統(tǒng)的設(shè)施（或設(shè)備、工具、環(huán)境、產(chǎn)品）進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)與改善、產(chǎn)品制造質(zhì)量保障技術(shù)、生產(chǎn)線運(yùn)行維護(hù)與健康管理、人工參與的產(chǎn)品加工流程及方法改進(jìn)、制造信息化、制造車間現(xiàn)場改善，等等。

在工業(yè)工程領(lǐng)域的上述問題中，要準(zhǔn)確預(yù)測生產(chǎn)工期和成本并根據(jù)產(chǎn)品需求變化、物料與設(shè)備現(xiàn)狀等因素，對制造資源進(jìn)行精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度，需要制造大數(shù)據(jù)資源分析。要發(fā)掘設(shè)備運(yùn)行狀況規(guī)律、產(chǎn)品制造質(zhì)量影響因素及其相互關(guān)系、預(yù)測質(zhì)量因素因素狀況，從而有效進(jìn)行生產(chǎn)線健康管理、制造質(zhì)量保障，這些需要制造大數(shù)據(jù)資源分析。也就是說，在大數(shù)據(jù)技術(shù)成熟的情況下，利用工業(yè)工程技術(shù)對制造過程進(jìn)行分析需要借助于大數(shù)據(jù)技術(shù)，才能提高數(shù)據(jù)資源價(jià)值和工業(yè)工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，可以說，制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析是工業(yè)工程技術(shù)在大數(shù)據(jù)時(shí)代的重要發(fā)展方向。

綜上所述，依托工業(yè)工程專業(yè)培養(yǎng)制造大數(shù)據(jù)分析人才是必要的也是可行的。

4　依托工業(yè)工程專業(yè)培養(yǎng)制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析人才的課程設(shè)置

根據(jù)制造系統(tǒng)工程的知識模塊體系，以“制造系統(tǒng)工程+大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析”的課程融合模式設(shè)定制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析人才培養(yǎng)課程體系。

制造工藝與設(shè)備類課程包括機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、制造工程技術(shù)基礎(chǔ)、自動(dòng)化制造系統(tǒng)、先進(jìn)制造技術(shù)。

制造資源調(diào)度類課程包括生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真，制造物流工程、生產(chǎn)計(jì)劃與控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)。

制造質(zhì)量控制與生產(chǎn)線健康管理包括現(xiàn)代質(zhì)量工程學(xué)、可靠性預(yù)測與維護(hù)優(yōu)化。

資源調(diào)度與大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)課程包括統(tǒng)計(jì)學(xué)、最優(yōu)化理論與方法、智能算法。

參考數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的人才培養(yǎng)研究文獻(xiàn)[1，2，5]和制造業(yè)大數(shù)據(jù)文獻(xiàn)[3]設(shè)定制造業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析類課程體系。

計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)類課程包括程序語言設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、數(shù)據(jù)庫、管理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)包括人工智能概論、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)。

面向制造的大數(shù)據(jù)課程包括制造業(yè)大數(shù)據(jù)概論、制造業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)概論、制造過程大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。

制造工藝與設(shè)備、資源調(diào)度類、質(zhì)量控制與生產(chǎn)線健康管理、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)類課程方面，大部分課程均為各高校的工業(yè)工程本科專業(yè)必修課程，沒有列入必修課程的課程所占比例低，在不同高校不同程度地被列為選修課程。

智能算法兼顧制造資源調(diào)度和數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)這些后續(xù)課程，選取若干種智能算法講授，主要精講遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其他算法概述性講解。

目前的高校工業(yè)工程專業(yè)基本不開設(shè)大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)類課程和面向制造的大數(shù)據(jù)課程，因此，這些課程為工業(yè)工程專業(yè)制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析方向的新開設(shè)課程。人工智能概論、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)為數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的課程，在此不分析課程內(nèi)容。

對于制造業(yè)大數(shù)據(jù)概論、制造業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)概論、制造過程大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用這些面向制造的大數(shù)據(jù)課程，參考文獻(xiàn)[5]的制造業(yè)大數(shù)據(jù)研究內(nèi)容初步設(shè)定課程內(nèi)容。

制造業(yè)大數(shù)據(jù)概論。包括大數(shù)據(jù)時(shí)代的制造業(yè)、制造業(yè)大數(shù)據(jù)的基本概念、制造業(yè)大數(shù)據(jù)資源、制造業(yè)大數(shù)據(jù)感知技術(shù)、制造業(yè)大數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、制造業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用概論、部分制造行業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用案例。

制造業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)。包括制造業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)、制造業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)配置、制造業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的硬件配置、制造業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)支撐軟件技術(shù)、制造業(yè)大數(shù)據(jù)商業(yè)產(chǎn)品。

制造過程大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。包括制造過程質(zhì)量控制產(chǎn)品制造過程大數(shù)據(jù)挖掘與質(zhì)量改進(jìn)、控制策略；設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘與可靠性預(yù)測、生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)與健康管理、效率管理、制造過程能耗優(yōu)化；生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度，基于大數(shù)據(jù)分析的產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃、物料計(jì)劃、實(shí)時(shí)控制、作業(yè)調(diào)度，制造過程的庫存優(yōu)化；制造物流管理，基于大數(shù)據(jù)分析的物料搬運(yùn)與倉儲(chǔ)優(yōu)化。

5　結(jié)束語

制造大數(shù)據(jù)是制造業(yè)大數(shù)據(jù)的重要類型和構(gòu)成部分，制造大數(shù)據(jù)分析是制造業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)人才培養(yǎng)的重要方向。

制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析是工業(yè)工程學(xué)科的重要發(fā)展方向，應(yīng)用“制造系統(tǒng)工程+大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析”的模式設(shè)置制造大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析人才培養(yǎng)課程體系，在工業(yè)工程專業(yè)原有制造系統(tǒng)工程類課程和信息科學(xué)類課程的基礎(chǔ)上，開設(shè)大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)課程和面向制造過程的大數(shù)據(jù)分析課程。

面向工業(yè)工程專業(yè)，基于課程集成的理念完善制造大數(shù)據(jù)分析方向課程體系的教學(xué)內(nèi)容，研究校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)、校企聯(lián)合培養(yǎng)方式，這些是后續(xù)需要深入研究的內(nèi)容。