智能制造應用型人才培養(yǎng)的實踐與思考

鄧三鵬，韓 浩，張香玲，祁宇明

（1.天津職業(yè)技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222；2.天津博諾智創(chuàng)機器人技術有限公司，天津300353）

0 引言

新一輪科技革命和產業(yè)變革蓬勃興起，全球范圍內創(chuàng)新資源快速流動，產業(yè)格局深度調整，世界各國紛紛將發(fā)展制造業(yè)作為搶占未來競爭制高點的重要戰(zhàn)略，把人才作為實施制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要支撐，加大人力資本投資，改革創(chuàng)新教育與培訓體系。我國制造業(yè)迎來了“由大變強”的難得機遇，制造業(yè)發(fā)展面臨著資源環(huán)境約束不斷強化、人口紅利逐漸消失等多重因素的影響，人才是第一資源的重要性更加凸顯?！吨袊圃?025》第一次從國家戰(zhàn)略層面描繪建設制造強國的宏偉藍圖，并把人才作為建設制造強國的根本，對人才發(fā)展提出了新的更高要求。本文探討了全球制造業(yè)發(fā)展趨勢，智能制造相關專業(yè)的發(fā)展，結合天津職業(yè)技術師范大學機器人工程、智能制造工程專業(yè)建設的實踐，探討了智能制造應用型人才培養(yǎng)的思考。

1 制造業(yè)現狀及發(fā)展趨勢

1.1 全球面臨制造模式變革

如圖1所示，全球制造業(yè)面臨著勞動力短缺、產能過剩等問題，發(fā)達國家都在研究、謀劃、部署，對高端制造業(yè)布局，以打造國家競爭新優(yōu)勢，搶占新一輪發(fā)展制高點。

圖1 全球面臨制造模式變革

（1）美國的“制造創(chuàng)新網絡”戰(zhàn)略

國際金融危機爆發(fā)之后，時任美國總統(tǒng)奧巴馬呼吁要“重新回歸制造業(yè)”，通過快速發(fā)展人工智能、機器人和數字制造技術，重構制造業(yè)的競爭格局，實現制造模式變革。2012年啟動美國國家制造創(chuàng)新網絡（NNMI）戰(zhàn)略計劃，并于2013年發(fā)布機器人發(fā)展路線圖，機器人被列為美國實現制造業(yè)變革、促進經濟發(fā)展的核心技術。

（2）歐盟的“新工業(yè)革命”戰(zhàn)略

2012年，歐盟委員會提出“新工業(yè)革命”理念，強調技術創(chuàng)新與結構改革，更有效和可持續(xù)地利用資源，同時大力推進新的生產方式，包括機器人、數字技術等新興產業(yè)。2013年，德國提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及人因工程學的智慧工廠，在商業(yè)流程及價值流程中整合客戶及商業(yè)伙伴。

（3）日本的“產業(yè)復興”計劃

2013年，日本推出的《日本復興戰(zhàn)略》提出了“日本產業(yè)復興計劃”、“戰(zhàn)略市場創(chuàng)造計劃”以及“國際拓展戰(zhàn)略”，強調了制度改革和科學技術創(chuàng)新在日本經濟再生中的關鍵作用，重申了要強化日本綜合科學技術會議作為科技創(chuàng)新總司令部的職能，推出了推動跨部門的戰(zhàn)略性創(chuàng)新項目等重要措施，將機器人產業(yè)作為“新產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”中7大重點扶持的產業(yè)之一，把機器人作為經濟增長戰(zhàn)略的重要支柱。

（4）韓國的“智能機器人基本計劃”

2009年，韓國制定了“智能機器人基本計劃”，并于2012年10月發(fā)布了“機器人未來戰(zhàn)略展望2022”，指明了機器人未來的發(fā)展方向。

（5）中國的“中國制造2025”規(guī)劃

2015年5月，國務院公布了《中國制造2025》規(guī)劃，是中國政府實施制造強國戰(zhàn)略的第一個十年行動綱領，規(guī)劃提出，堅持“創(chuàng)新驅動、質量為先、綠色發(fā)展、結構優(yōu)化、人才為本”的基本方針，堅持“市場主導、政府引導，立足當前、著眼長遠，整體推進、重點突破，自主發(fā)展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實現制造強國的戰(zhàn)略目標：第一步，到2025年邁入制造強國行列：第二步，到2035年中國制造業(yè)整體達到世界制造強國陣營中等水平；第三步，到新中國成立一百年時，綜合實力進入世界制造強國前列。其具體內涵如圖2所示。

圖2 中國制造2025的具體內涵

1.2 世界制造中心的演變

伴隨世界制造業(yè)的發(fā)展，在不同的階段形成了四大世界級制造中心，如圖3所示。目前，中國已經成為全球第二大經濟體，極可能成為第五個世界制造中心。

圖3 在不同的階段形成了四大世界級制造中心

1.3 中國制造模式及其困境

改革開放40多年來，科技進步在制造領域發(fā)揮了重要作用，“人口紅利”與“政策紅利”相輔相成，顯著提高了“中國制造”產品的市場競爭力。

第六次人口普查顯示：老齡化人口占整個人口比重為8.9%，人口在2015年處于劉易斯拐點，到2050年時老齡人口將占到30%（這是絕對的人工荒）；中國勞動力成本持續(xù)增長，人口紅利消失（已成為亞洲新興國家中人力成本最高的國家），中國勞動力出現結構性短缺，老齡化少子化嚴重，人海戰(zhàn)術難以為繼，60歲達 2.12億/占到 15.5%、65歲達 1.38億/10.1%，勞動力每年減少500萬左右；90后的勞動觀念發(fā)生轉變，將迫使低端制造業(yè)離開中國流向更低勞動力成本國家。圖4所示為聯(lián)合國秘書處2010年公布的1980～2050年，世界總人口和勞動力的情況及預測。

中國有很多制造企業(yè)尚處于產業(yè)鏈中低附加值的階段。例如富士康公司給蘋果代工生產iphone，如圖5所示，其所分到的利潤不足2%。

圖52010 年iphone產品的利潤分配格局

中國制造模式面臨著三大困境：①勞動力結構性短缺，人口紅利到期，勞動力效率低，僅為美國的1/10；②高成本、低附加值；③單位GDP耗能高：8倍于日本、4倍于美國、2倍于韓國，資源環(huán)境無以為繼。中國制造模式難以持續(xù)，急需轉型。

1.4 全球制造業(yè)發(fā)展趨勢

機器人改變了生產方式，帶來了制造業(yè)模式的變革。新一輪工業(yè)革命呼喚著機器人發(fā)展，勞動力成本不斷上升加速機器人需求，新技術進步提升機器人性能，客戶化定制依賴于機器人制造。

全球制造業(yè)發(fā)展三項關鍵技術：

生產方式：數字化制造；

生產決策：人工智能；

生產工具：智能機器人。

2 智能制造相關專業(yè)的發(fā)展

2.1 新工科專業(yè)建設

為主動應對新一輪科技革命與產業(yè)變革，支撐服務創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略。2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。與傳統(tǒng)的工程教育相比較，新工科建設更加注重與產業(yè)對接，更加注重學科交叉，更加注重創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)育人體系建設，更加注重以學生為中心，更加注重開闊視野。隨后許多本科院校相繼本科院校開設了機器人工程、智能制造工程、智能科學與技術、物聯(lián)網工程、智能電網信息工程等智能制造類新工科專業(yè)。如圖6所示，以機器人工程專業(yè)為例，新工科專業(yè)發(fā)展迅速，至2019年，教育部正式備案的機器人工程本科專業(yè)達到186所。

圖6 新工科專業(yè)機器人工程開設情況

2.2 新職教專業(yè)建設

工業(yè)機器人作為高端制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，已成為衡量一個國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標志。目前我國正處于加快轉型升級的重要時期，以工業(yè)機器人為主體的機器人產業(yè)，正是破解我國產業(yè)成本上升、環(huán)境制約問題的重要路徑選擇。中國工業(yè)機器人市場近年來持續(xù)表現強勁，市場容量不斷擴大。產業(yè)的發(fā)展急需大量高素質高級技能型專門人才，人才短缺已經成為產業(yè)發(fā)展的瓶頸。為適應企業(yè)對技能型人才的需求，職業(yè)本科、高職高專院校開設了工業(yè)機器人技術、智能控制技術、工業(yè)網絡技術等智能制造類新職教專業(yè)，中等職業(yè)學校開設了“工業(yè)機器人技術應用”專業(yè)，進行智能制造緊缺人才的培養(yǎng)，如圖7所示，以高職高專工業(yè)機器人技術專業(yè)的開設情況為例，專業(yè)發(fā)展迅速。

圖7 高職高專工業(yè)機器人技術專業(yè)開設情況

3 智能制造應用型人才培養(yǎng)的實踐與思考

2010年，天津職業(yè)技術師范大學機電工程系在機電技術教育專業(yè)增設了機器人方向，2018年獲批機器人工程專業(yè)，2019年獲批智能制造工程專業(yè)，積極進行智能制造緊缺職教師資和高級專門應用人才的培養(yǎng)。在教學模式，實踐教學體系建設，特色教材開發(fā)和職教師資培養(yǎng)等方面形成了特色。

3.1 產業(yè)對人才的需求

（1）國家相關政策規(guī)劃

為深入實施《中國制造2025》，2016年12月，教育部、人力資源和社會保障部等部門共同編制了《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》。接下來國家又頒布了一系列相關文件：《增強制造業(yè)核心競爭力三年行動計劃（2018-2020年）》、《機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016－2020年）》、《中國制造2025》重點領域技術路線圖、《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》、《國務院關于印發(fā)國家職業(yè)教育改革實施方案的通知》、《關于實施中國特色高水平高職學校和專業(yè)建設計劃的意見》等。

（2）我國機器人產業(yè)對人才的需求狀況

受勞動力結構性短缺、勞動力成本迅速上升及全球制造業(yè)模式變革的影響，機器人換人方案成為各行業(yè)的首選，造成整個社會對工業(yè)機器人的需求出現井噴現象，無論是在數量上，還是在技術結構上，在研發(fā)、制造、集成、安裝、調試、維修、銷售、服務等方面都對人才提出了新的要求。從機器人制造商需要的研發(fā)工程師和技術支持工程師、系統(tǒng)集成商需求的系統(tǒng)集成工程師和售前售后技術支持工程師，到機器人應用需要的運維工程師，都彰顯出機器人產業(yè)對人才的大量而迫切的需求。工業(yè)機器人應用人才崗位分布及能力要求如圖8所示。

圖8 工業(yè)機器人應用人才崗位分布及能力要求

3.2 深化教學模式改革，創(chuàng)新實踐教學體系

針對企業(yè)的需求，更加注重培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力為主線，堅持理論、設計、實驗、實訓“四位一體”教學模式，如圖9所示；充分調研，以產業(yè)需求為導向；堅持機電融合。形成理論與實踐融合、機與電融合、技能與工程融合、校與企融合的“四融合”教學特色。實施并完善“三層次、五階段”實踐教學體系，在工程實踐教學階段，分基礎層、核心層和拓展層實施教學，培養(yǎng)職業(yè)能力和工程能力。①通過職業(yè)基本技能訓練和工業(yè)系統(tǒng)認識實習，培養(yǎng)職業(yè)基本技能和工程概念認知；②通過高新、復合技能訓練，培養(yǎng)相應工種職業(yè)技能和職業(yè)素質及應用能力和工程意識；③通過創(chuàng)新實踐活動，培養(yǎng)解決生產實際問題能力和創(chuàng)新實踐能力。如圖10所示。

圖9 “四位一體”教學模式

基于“三層次、五階段”實踐教學體系，構建了機器人技術基礎、仿真、應用編程和智能制造四大實驗實訓室，建設了工業(yè)機器人“理、虛、實”一體化實驗實訓中心，以學校模擬現場工程環(huán)境與企業(yè)實際項目相融合的模式，注重專業(yè)理論學習與技能訓練的結合，將職業(yè)技能等級考核與實訓教學相結合，開發(fā)特色實訓教學環(huán)節(jié)，將實踐能力培養(yǎng)貫穿于整個人才的培養(yǎng)過程中。

3.2.1 基礎實訓

基礎實訓室能對智能制造領域的學生進行基礎性、系統(tǒng)性的基礎知識實訓，配備全開放的教學機器人平臺，學習工業(yè)機器人技術基礎知識，掌握機器人典型機械結構，控制架構和軟件操作方法，支撐工業(yè)機器人技術基礎核心課程。配備了機器人用RV/諧波減速器拆裝實訓裝置，機械手拆裝實訓裝置，直角坐標機器人綜合實訓系統(tǒng)，AGV，并聯(lián)機器人，工業(yè)機器人裝調與維修實訓系統(tǒng)（如圖11所示）等，其中BNRT-BRICS-RBT3型工業(yè)機器人裝調與維修實訓系統(tǒng)緊貼國家工業(yè)機器人相關職業(yè)技能等級考核標準研發(fā)，針對工業(yè)機器人的應用和維修工作，以搬運、涂膠、裝配等典型應用為背景，融合了機械安裝、電氣接線、氣壓驅動、PLC控制、人機交互、標定和校準等應用技術，涵蓋了工業(yè)機器人工作站在安裝、調試、編程、運維、標定和校準過程中的技能內容，涵蓋知識點全面，配套資源豐富，適合實訓教學、競賽訓練和1+X職業(yè)技能等級考核等。

圖11 工業(yè)機器人裝調與維修實訓系統(tǒng)

3.2.2 仿真實訓

配備純仿真軟件，半實物仿真和實物驗證系統(tǒng)來學習機器人基礎，模擬操作機器人、搭建典型工作站和生產線等，通過仿真學習，降低了教學成本，提高了安全性，豐富了教學內容。針對教學的需要，天津職業(yè)技術師范大學機器人及智能裝備研究所聯(lián)合天津博諾機器人技術有限公司進行技術攻關，成功開發(fā)了一款功能強大的智能制造生產線仿真軟件—IRobotSIM及工業(yè)機器人模擬訓練機等產品，IRobot－SIM軟件豐富的3D設備庫如圖12所示。

圖12 IRobotSIM軟件豐富的3D設備庫

（1）IRobotSIM智能制造生產線仿真軟件：IRobot－SIM軟件在虛擬環(huán)境中對機器人、制造過程進行仿真，真實地模擬生產線的運動和節(jié)拍，實現智能制造生產線的分析與規(guī)劃，具有豐富的3D設備庫，支持用戶模型導入和定制、物理、傳感器仿真，機器人離線編程，便捷的拖曳操作，大場景的優(yōu)秀仿真效果，強大API和數字孿生開發(fā)功能等，降低安全風險，節(jié)約了經費，提升了效率。

（2）工業(yè)機器人模擬訓練機如圖13所示，采用真實的控制系統(tǒng)和手持示教器控制虛擬的工業(yè)機器人完成現場示教編程教學。通過更換手持示教器和工業(yè)機器人模型能夠對ABB、KUKA、FANUC、安川等多種品牌工業(yè)機器人進行真實示教編程訓練。提供針對不同行業(yè)應用的工藝包，如碼垛、搬運、裝配、分揀、機床上下料、焊接、打磨、噴涂等。

圖13 工業(yè)機器人模擬訓練機

3.2.3 應用編程實訓

應用編程實訓室配備各種典型的工業(yè)機器人工作站和作業(yè)工具學習工業(yè)機器人系統(tǒng)，熟練掌握工業(yè)機器人及工作站的編程操作，主要支撐機工業(yè)器人編程操作、工業(yè)機器人現場編程、工業(yè)機器人技術及應用等核心課程。配備了工業(yè)機器人虛實一體實訓系統(tǒng)，工業(yè)機器人綜合應用實訓系統(tǒng)，工業(yè)機器人搬運、雕刻、分揀、焊接、協(xié)作等應用工作站。

（1）工業(yè)機器人虛實一體實訓系統(tǒng)如圖14所示，由PLC控制器、輸送線、供料系統(tǒng)、倉儲模塊、分揀系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)、6軸工業(yè)機器人、仿真軟件等組成?；贗RobotSIM仿真軟件強大的數字孿生功能開發(fā)，實現了硬件和軟件的實時同步聯(lián)動。分揀系統(tǒng)可實現對金屬、顏色等多種物料進行分揀；采用西門子SIMATIC S7-1200/1500，完成工件的出庫、運輸、分揀、搬運、裝配、入庫，實時再現工業(yè)生產流程控制。

圖14 工業(yè)機器人虛實一體實訓系統(tǒng)

（2）工業(yè)機器人綜合應用實訓系統(tǒng)如圖15所示，能夠再現工業(yè)領域搬運、碼垛、上下料、裝配、焊接、拋光、噴涂、繪圖、循跡、視覺檢測等典型應用，可滿足汽車制造、機械加工、物流等行業(yè)對工業(yè)機器人編程與操作訓練需求；開放性好、與工業(yè)實際應用融合度高、可操作性強；涉及的技術包括：工業(yè)機器人編程、PLC控制、視覺處理、人機交互、傳感器檢測、機械結構與系統(tǒng)裝調、智能倉儲等。涵蓋知識點全面，配套資源豐富，適合實訓教學、競賽訓練和1+X職業(yè)技能等級考核等。

圖15 工業(yè)機器人綜合應用實訓系統(tǒng)

3.2.4 智能制造生產線實訓

配置典型多工業(yè)機器人工作站及常用外圍設備學習工業(yè)機器人系統(tǒng)集成技術、掌握智能生產線管理、PLC主控、總線與網絡通信，人機交互（HIMI）、作業(yè)流程優(yōu)化MES核心技術，提高大系統(tǒng)掌控能力，主要針對工業(yè)機器人系統(tǒng)集成，工業(yè)機器人應用綜合實訓，智能生產線運營與調試等核心課程。如圖16所示。

圖16 智能制造生產線實訓系統(tǒng)

3.3 以“項目驅動、工作過程”為導向開發(fā)特色教材

圍繞機器人實際應用，以工作任務為依據，以真實的工作任務為載體，設計項目模塊，以工作過程為導向，做到知識學習與技能訓練融合，實現“教、學、做”一體化，出版“十三五”智能制造高級應用型人才培養(yǎng)規(guī)劃系列教材，例如《ABB工業(yè)機器人編程與操作》《移動機器人技術應用》《工業(yè)機器人系統(tǒng)集成技術》《工業(yè)機器人裝調維修技術》等。

3.4 職教師資的培養(yǎng)

2010年開始，按照“四模塊六能力”模式培養(yǎng)機器人職教師資：四模塊六能力具體為：（1）師范訓練模塊，用于培養(yǎng)①教師基本技能；（2）實習實訓模塊，培養(yǎng)②初步工程能力、③較高職業(yè)技能；（3）實驗設計模塊，培養(yǎng)④設計開發(fā)能力、⑤基本實驗能力；（4）科技活動模塊，培養(yǎng)⑥實踐創(chuàng)新能力。2018年機電技術教育（機器人方向）更名為機器人工程，進行更加深入的機器人職教師資培養(yǎng)的探索。開展了多場智能制造專業(yè)建設研討會和多期智能制造師資研修班，著力提升智能制造職教師資的能力。2018年，“智能制造領域緊缺職教師資人才培養(yǎng)模式的探索與實踐”榮獲天津市第八屆高等教育天津市級教學成果一等獎。

4 結束語

新一輪科技革命和產業(yè)變革蓬勃興起，產業(yè)格局深度調整，我國制造業(yè)迎來“由大變強”的難得機遇，人才緊缺成為產業(yè)轉型升級的瓶頸，本文首先分析了全球制造業(yè)發(fā)展趨勢，智能制造相關專業(yè)的發(fā)展，結合天津職業(yè)技術師范大學機器人工程、智能制造工程專業(yè)建設的實踐，探討了智能制造應用型人才培養(yǎng)教學理念、實驗實訓室建設、師資培養(yǎng)等多個方面，智能制造內涵豐富，還需要不斷的探索、實踐創(chuàng)新，期望能給智能制造應用型人才培養(yǎng)帶來一定的借鑒。