多元集成的智能生產(chǎn)實驗教學平臺建設

嚴京濱， 成 曄

（清華大學工業(yè)工程系，北京 100084）

0 引 言

隨著我國“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)＋”“數(shù)字化轉型”等重大戰(zhàn)略的提出與實施，以新技術、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，在這個過程中需要大量具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力、高素質的復合型人才?；趪覒?zhàn)略發(fā)展新需求，以及培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的需求，有必要建設與人才培養(yǎng)相應的實驗教學平臺。

1 原有教學平臺基礎

工業(yè)工程是研究復雜系統(tǒng)有效運作的科學，將工程技術與管理科學相結合，從系統(tǒng)的角度對制造業(yè)、服務業(yè)等企業(yè)或組織中的實際工程與管理問題進行定量分析、優(yōu)化與設計，是一門以系統(tǒng)效率和效益為目標的、獨立的工程學科。實驗教學平臺的建設需要符合專業(yè)實踐特色以及人才培養(yǎng)目標的需求。

我校工業(yè)工程系物流系統(tǒng)實驗室建立于2004年，以培養(yǎng)肩負使命、追求卓越、既懂工程技術又掌握管理科學知識的高素質人才為目標，創(chuàng)建了一系列具有開放性、創(chuàng)新性的教學實踐平臺。圖1所示的實驗平臺是2012年所研制開發(fā)的，應用于生產(chǎn)運作管理的實驗教學已多年，雖然已被其他近20所高校采用，但是只著重于裝配生產(chǎn)運作與管理實驗教學，應用場景單一；人工部署費力、費時；自動化程度低。所采用的技術已經(jīng)缺乏當今科技的前沿性，已不具備先進性。為了適應當前行業(yè)和先進技術的發(fā)展，滿足新技術應用下行業(yè)及企業(yè)高素質人才的需求，引領工業(yè)工程實踐教學的智能、高端變革，完全有必要加快新一代智能制造技術的研究及應用，實現(xiàn)實驗教學平臺的升級改造。

圖1 2012年研制的裝配生產(chǎn)運作與管理實驗系統(tǒng)

2 生產(chǎn)與物流實踐教學平臺建設

智能制造涉及與生產(chǎn)、物流環(huán)節(jié)相關的上下游全流程，涉及內容廣。多種技術的應用，多個環(huán)節(jié)的集成創(chuàng)新，以提高制造的智能化、數(shù)字化。國內外高校都圍繞自身基礎進行了智能工廠、智能制造教學平臺的實踐。例如我校工業(yè)工程系與麥肯錫公司合作建立的占地200 m2的模范工廠實驗室，設計有離散生產(chǎn)線、機加工生產(chǎn)線和連續(xù)流生產(chǎn)線，分別體現(xiàn)出模擬裝配類、重投資類及流程類行業(yè)各自生產(chǎn)工藝特色，還可演示諸如生產(chǎn)排產(chǎn)、物流管理等延伸類型運營主題。同濟大學工業(yè)4.0實驗室［1］，設計了自動流水線，每個工件配電子標簽，內置定制的加工任務，可自行與機器人、機床等加工設備進行通信，完成加工，并進行質量檢測，實現(xiàn)了大規(guī)模定制。杭州電子科技大學智能工廠實驗系統(tǒng)［2］與西門子公司合作，開發(fā)了基于工業(yè)4.0的軸承智能裝配實驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)混裝。山東財經(jīng)大學的物聯(lián)網(wǎng)與智能物流實驗室模擬第三方物流公司配送中心的包裝、裝卸、倉儲、配送等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)全過程智能控制［3］。德國的達姆施塔特應用科學大學建立了全自動的工業(yè)4.0學習工廠，稱為AutFab，該生產(chǎn)線采用射頻識別RFID技術［4］。奧地利格拉茨理工大學智能制造工廠實驗室采用自動導引車和機械臂實現(xiàn)齒輪裝配［5］。

以數(shù)字化和智能化為主導的制造業(yè)和物流行業(yè)的的生產(chǎn)、運作與管理模式必將發(fā)生變化，但是目前高校的實訓基地多采用工業(yè)設備，體積龐大，占地面積廣，系統(tǒng)復雜，流程固化，更多開展的是演示型或驗證型實驗，學生實踐參與度不高。不利于滿足當前行業(yè)對高端綜合性、高素質人才的培養(yǎng)需求。

結合實驗教學需求和科研應用的需求以及人才培養(yǎng)的目標，基于實驗室原有實驗教學系統(tǒng)建設的基礎與經(jīng)驗［6-7］，采用工業(yè)級應用的自動輸送機器人為教學平臺的應用基礎載體，采用（物聯(lián)網(wǎng)、自動化、網(wǎng)絡、智能、自動識別等）先進技術，引入工程技術、信息技術、運營技術和工業(yè)工程方法，實現(xiàn)教學實驗平臺的互聯(lián)互通，可產(chǎn)可控，可測可控，達到“隨需而至，隨需而制”的目標。以自動輸送機器人為平臺基礎構建單元，全程高度自動化，部署敏捷，也可實現(xiàn)智能驅動，可形成動態(tài)的裝配生產(chǎn)流水線和動態(tài)的物料揀選線，涉及應用場景比之前更豐富，布局多樣，自動化程度高。裝配車間與物料庫之間可通過自動輸送機器人完成聯(lián)接，實現(xiàn)物料輸出及成品入庫自動化（見圖2）。 此實驗教學平臺的設計與建設采用“積木搭建”思想，提供多種類別的“技術及應用積木”，針對不同課程的需求，不同的應用場景，可迅速敏捷地構成多類別、異構的應用系統(tǒng)，使探索運作模式和管理模式的創(chuàng)新成為可能。它的特點在于：

圖2 基于自動輸送機器人的智能生產(chǎn)實驗教學平臺

（1）平臺開發(fā)的主導思想突出先進性、系統(tǒng)性、工程性、綜合性及實踐性等特點，提高學生的工程技術應用能力和工程實踐能力，增強學校人才培養(yǎng)與企業(yè)人才需求的適應性。在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中應用機器人技術及智能制造技術已成為企業(yè)提升核心競爭力的關鍵。所構建實驗平臺具備信息化和工業(yè)化融合的特點，科技含量高，應用眾多先進技術，將工業(yè)工程學科與企業(yè)應用兩方面在該系統(tǒng)中進行有機融合，理論教學與實踐教學相結合，學生通過貼近企業(yè)實際應用的場景，掌握當前先進的技術及管理方法，而且能夠了解并掌握該領域的前沿發(fā)展動態(tài)。

（2）突顯應用型的特色，將企業(yè)實際應用、能力培養(yǎng)和知識傳授融為一體?；谄脚_可以實現(xiàn)產(chǎn)學研互動?；谙冗M的設備，構建智能生產(chǎn)環(huán)境，貼近企業(yè)應用。使學校的人才培養(yǎng)與用人企業(yè)形成良性互動?；谠撈脚_探究的新方法或新模式可以向企業(yè)推廣。

（3）所構建實驗平臺具備自主性、實戰(zhàn)性、挑戰(zhàn)性、開放性、創(chuàng)新性等特點，將生產(chǎn)環(huán)節(jié)與物聯(lián)、互聯(lián)網(wǎng)、人機交互技術等有機地結合起來，形成一個“包容、開放、共享”的平臺。平臺架構是開放的、模塊化的、易構的，能夠最大限度地整合實驗室軟硬件資源，讓平臺充滿活力。

（4）學生利用不同效能的“工廠積木”，可自主構建“智慧夢工廠”，并對其運行與管理。平臺能夠最大限度發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，探索新技術下的生產(chǎn)組織、物流運行、管理模式以及信息技術的應用。依托此實驗平臺，可以探索并實踐“教、學、做、用、研、創(chuàng)”六位一體創(chuàng)新實驗教學模式。

3 實驗教學體系設計及教學實踐

基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，針對新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)發(fā)展，2017年教育部正式推出新工科計劃，新工科的內涵是：以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才［8］?；贏BET（Accreditation Board for Engineering and Technology，工程技術評審委員會）結構認證視角［9］，在新工科的背景下，結合我校以價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授“三位一體”為核心的教育理念［10］以及工業(yè)工程為交叉學科的特點進行了實驗教學體系設計與建設。

實驗教學體系建設目標為以新生產(chǎn)實驗教學平臺為主體，理實貫通，多元集成，以人為本，推進學科融合、科教協(xié)同，培養(yǎng)面向未來的工業(yè)工程創(chuàng)新人才，符合行業(yè)及社會需求的高素質人才。采用項目驅動，以問題為導向，體驗沉浸式學習方式，采用企業(yè)實際應用案例場景，真實地展示和反映工業(yè)生產(chǎn)中的技術應用和運作管理流程。實驗教學將以學生為主體，結合裝配、揀選配送等應用場景，通過自主設計、自主構建、自主組織、自主運營、自主優(yōu)化、自主維護等實踐形式，體驗有關“設計、規(guī)劃、生產(chǎn)／構建、運營／實施”等環(huán)節(jié)流程，對系統(tǒng)的運作模式或管理流程進行設計和優(yōu)化，做到理論知識與實際應用的貫通。

多元集成的智能生產(chǎn)實驗教學平臺由設備層、運行層、管理層、數(shù)據(jù)服務層構成，融入了工程技術、信息技術、運營技術、智能技術、仿真技術、數(shù)字工程技術等多項技術，結合工業(yè)工程方法，實驗教學類型設計為基礎型、綜合型、挑戰(zhàn)型和研究型（見圖3）。

圖3 實驗教學平臺構成與實驗教學

工業(yè)工程是實踐性極強的學科，許多理論、技術和方法都來源于實踐，必然要求實踐教學要貼近生產(chǎn)實際、工程教育要貼近工程實踐、實踐教學要符合企業(yè)人才培養(yǎng)需求［11-13］?；谥悄苌a(chǎn)教學平臺的實驗教學環(huán)節(jié)以學生為主體，著重產(chǎn)品／系統(tǒng)全生命周期，圍繞分析、設計、構建、驗證四大實驗要素，結合工程技術、信息技術、運營技術和工業(yè)工程方法等實驗技術及方法應用，提升學生“學、做、用、研、創(chuàng)”等多維度能力，從能力、方法、意識、創(chuàng)新、素養(yǎng)、協(xié)作等6個方面著重對學生的培養(yǎng)（見圖4）。通過實景沉浸式教學發(fā)揮學生獨立思考解決問題的能力，強調自主學習，統(tǒng)籌資源，團隊協(xié)作，對新技術和新方法的應用與探究持有好奇心、想象力和創(chuàng)新，貼近工業(yè)實際應用的系統(tǒng)的設計、構建、運作與管理的績效評估也增強了學生的社會責任感與使命感。

圖4 實驗教學與IE人才培養(yǎng)

此實驗教學平臺建設與教學應用相交并進，通過專業(yè)課程實驗教學、課程設計、生產(chǎn)實踐、學生自主研究等方式，不斷對此實驗教學平臺進行建設與完善，并豐富實驗教學平臺內容。在2019（70人，7組）、2020年（74人，7組）基于此平臺進行了課程“生產(chǎn)計劃與控制”的生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)運作專題教學實驗（見圖5）。通過課程實驗環(huán)節(jié)，讓學生能夠理解市場的多樣性需求，學習并運用先進的數(shù)字化技術，構建敏捷應變的生產(chǎn)系統(tǒng)，并實現(xiàn)高效率運行。在此實驗環(huán)節(jié)中，突破了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)流水線傳送帶的概念，運用自動輸送機器人承載裝配工作臺，構建自由移動式的裝配生產(chǎn)系統(tǒng)，能根據(jù)產(chǎn)品與市場訂單變化的情況，自動重構生產(chǎn)線。通過實驗活動，一方面能夠把課堂知識用在實際系統(tǒng)中，實現(xiàn)了從“聽懂”到“會用”的轉換。另一方面是由于系統(tǒng)提供了高度的靈活性，能夠允許學生們自由地設計自己理想中的生產(chǎn)系統(tǒng)，每組學生的生產(chǎn)體系結構布局、人員分工、作業(yè)流程都各不相同，充分發(fā)揮了學生們的積極主動性，真正地實現(xiàn)了“以學生為中心”的教學方式。此外，高度數(shù)字化、智能化的生產(chǎn)設施與管控體系，讓學生們體會到了未來的智能生產(chǎn)系統(tǒng)所具有的主要特征，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與能力也頗有裨益。

圖5 學生在流動生產(chǎn)線上進行裝配

4 結 語

集成了多元技術與方法、多元設備協(xié)同、多元實踐環(huán)節(jié)的智能生產(chǎn)實驗教學平臺以先進技術、系統(tǒng)理念為引領，推進教學實驗平臺的升級，學研融合、創(chuàng)教融合，提供自主型、研究型、創(chuàng)新型三維一體的多模式實踐教學。此實驗教學平臺當前已完成了應用基礎平臺建設，并開展了專題實驗教學，受到了學生們的肯定與歡迎。采用企業(yè)實際應用案例場景，真實地展示和反映工業(yè)生產(chǎn)中的技術應用和運作管理流程，學生可以自主構建應用系統(tǒng)，并對運作模式或管理流程進行設計和優(yōu)化。基于問題導向、項目驅動的實景沉浸式教學實驗，不僅加深和鞏固了學生的理論基礎，也培養(yǎng)并提升了學生較強的實踐能力、管理能力、溝通能力、創(chuàng)新能力。

此實驗教學平臺引入當前最新技術及熱點技術（數(shù)字化、智能化技術、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、增強現(xiàn)實等），推動技術創(chuàng)新。選取工業(yè)應用中最為代表性的自動輸送機器人為基礎應用載體，選擇典型的工業(yè)應用場景，設計相應的專業(yè)課程實驗環(huán)節(jié)，能夠實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，多方集成，能夠快速構建多種體系，提供創(chuàng)新平臺，具有開放性、易構性、創(chuàng)新性、易擴展性等特點。此平臺建設過程中獲得了2項發(fā)明專利授權：一種裝配生產(chǎn)系統(tǒng)及方法（專利號：ZL-2019-1-0745227.1）［14］；一種工位架（專利號：201910744636.X）［15］。

今后將繼續(xù)進行此實驗教學平臺的數(shù)字化建設與智能化提升的建設，繼續(xù)優(yōu)化和完善。基于此平臺可開展對生產(chǎn)系統(tǒng)進行設施規(guī)劃、設計、過程優(yōu)化以及流程管理等實踐，讓學生深入體驗和理解系統(tǒng)中物料流、服務流、信息流互相影響、互相制約的關系，體驗并實踐互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、VR／AR、數(shù)字孿生等先進技術的應用，為系統(tǒng)有效運行能夠提出改善措施和選擇最優(yōu)方案，以培養(yǎng)學生工程實踐分析和設計能力，提升分析、規(guī)劃、設計、管理和運行系統(tǒng)的能力。學生也可探索關于生產(chǎn)系統(tǒng)的創(chuàng)新技術和運行模式。希望通過智能生產(chǎn)實驗教學平臺的建設，實驗教學環(huán)節(jié)的開展，不斷探索符合新時代行業(yè)發(fā)展需要的新工科創(chuàng)新型復合人才培養(yǎng)的實驗教學模式。