工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)室的應(yīng)用

王碧玉，朱曉剛

（金華市技師學(xué)院，浙江 金華 321000）

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業(yè)云平臺(tái)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)包括邊緣層、IaaS層、工業(yè)PaaS層、工業(yè)SaaS層[1]。學(xué)院實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所建設(shè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是根據(jù)學(xué)院的實(shí)際情況基于總體架構(gòu)而成的特有的技術(shù)架構(gòu)，詳細(xì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)主要由設(shè)備層、邊緣計(jì)算層、霧計(jì)算層、云平臺(tái)組成。設(shè)備層是將分布在學(xué)校內(nèi)部各個(gè)單元的可接入的設(shè)備，包括數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、普通機(jī)床、實(shí)訓(xùn)室等接入聯(lián)通，是整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)數(shù)據(jù)的源頭；邊緣計(jì)算層中設(shè)備數(shù)據(jù)的有效接入，依據(jù)不同的設(shè)備類型選擇不同的接入手段，可以選擇物聯(lián)網(wǎng)關(guān)也可以選擇系統(tǒng)對(duì)接，接入層需要具備協(xié)議解析和邊緣計(jì)算的能力；霧計(jì)算層將采集的信息經(jīng)過邊緣計(jì)算初級(jí)處理加工后的數(shù)據(jù)，按照系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理后展示和控制，根據(jù)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)接入要求，把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)脫敏后上傳給市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。云平臺(tái)層將數(shù)據(jù)根據(jù)要求分類，實(shí)現(xiàn)以標(biāo)準(zhǔn)格式應(yīng)用展示。

2 學(xué)院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

學(xué)校內(nèi)存在大量的耗能單元，這些單元有實(shí)訓(xùn)機(jī)床、教學(xué)儀器，還有一些計(jì)算機(jī)機(jī)房等；目前實(shí)訓(xùn)樓內(nèi)的制造設(shè)備都是獨(dú)立運(yùn)行并未聯(lián)網(wǎng)，所有設(shè)備的管理比較粗放；學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中對(duì)設(shè)備的操作是否合規(guī)、制造設(shè)備自身狀態(tài)等信息都無法準(zhǔn)確獲知[2]。

隨著IPv6網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，校內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)都是基于IPv6基礎(chǔ)上形成的架構(gòu)，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行改造，加裝邊緣網(wǎng)關(guān)，將實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所的網(wǎng)絡(luò)也基于IPv6建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)設(shè)備的上網(wǎng)。

按照設(shè)備分布情況進(jìn)行接入單元的劃分，每個(gè)單元設(shè)置校園匯聚交換機(jī)，每個(gè)單元的工業(yè)設(shè)備按照自身控制器特點(diǎn)進(jìn)行采集參數(shù)的設(shè)置。采集解析器的作用是協(xié)議轉(zhuǎn)換，將機(jī)床自身的私有協(xié)議轉(zhuǎn)化為可以統(tǒng)一的加密協(xié)議。

2.1 實(shí)訓(xùn)室電源遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)

每個(gè)實(shí)訓(xùn)室配置一套能耗采集網(wǎng)關(guān)，控制實(shí)訓(xùn)室的總電源開關(guān)的開關(guān)功能，也可以通過手機(jī)App或公眾號(hào)對(duì)每個(gè)實(shí)訓(xùn)室的總電源開關(guān)的遠(yuǎn)程開關(guān)進(jìn)行控制；所有狀態(tài)信息通過能耗采集網(wǎng)關(guān)上傳到霧計(jì)算服務(wù)器，通過應(yīng)用軟件使用者可以獲取實(shí)訓(xùn)室當(dāng)前的電源開光狀態(tài)[3]。

2.2 機(jī)加工實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)時(shí)采集監(jiān)控系統(tǒng)

（1）教學(xué)任務(wù)下發(fā)。根據(jù)教師教學(xué)計(jì)劃，將相應(yīng)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)任務(wù)通過云平臺(tái)下發(fā)到實(shí)訓(xùn)設(shè)備，同時(shí)與這些教學(xué)任務(wù)相匹配的實(shí)訓(xùn)操作指導(dǎo)書也同時(shí)自動(dòng)下發(fā)到該實(shí)操操作的實(shí)訓(xùn)設(shè)備。

（2）實(shí)操指導(dǎo)。學(xué)生在邊緣網(wǎng)關(guān)上通過刷卡領(lǐng)取實(shí)操作業(yè)內(nèi)容，進(jìn)行實(shí)操操作。邊緣網(wǎng)關(guān)根據(jù)任務(wù)顯示操作指導(dǎo)書，引導(dǎo)學(xué)生按步驟操作，減少操作失誤。設(shè)備運(yùn)行信息實(shí)時(shí)采集（節(jié)拍、狀態(tài)等），可實(shí)時(shí)了解學(xué)生在操作過程中出現(xiàn)的問題，同時(shí)收集這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析后可進(jìn)一步制定更好的教學(xué)方案，實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。

（3）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維培養(yǎng)。利用現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)資源，培養(yǎng)學(xué)生熟悉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用方法，并針對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象分解解剖，提高學(xué)生對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)維能力。

（4）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。學(xué)校工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)應(yīng)用平臺(tái)與學(xué)校的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，做到了對(duì)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所的全場(chǎng)監(jiān)控，可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，促進(jìn)教學(xué)改革，也可以對(duì)學(xué)校的教學(xué)督導(dǎo)提供有效的數(shù)據(jù)支持。

（5）刷卡開機(jī)功能。學(xué)生通過刷校園卡對(duì)設(shè)備進(jìn)行加電，開啟設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備自檢。可做到對(duì)設(shè)備的使用者記錄，如使用者操作不當(dāng)，可通過記錄查看，做到信息可追溯。

2.3 設(shè)備管理

實(shí)現(xiàn)對(duì)所有實(shí)訓(xùn)設(shè)備的信息化管理，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管平臺(tái)可以查看設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)前的使用情況，當(dāng)前設(shè)備的電壓、電流情況等。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

3.1 技術(shù)提升

我們?cè)趯?shí)訓(xùn)場(chǎng)所采用支持高可用、超高吞吐量的消息中間件，以支持大量設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集到平臺(tái)。系統(tǒng)整體采用高可用架構(gòu)，保證系統(tǒng)在極端情況下仍可正常提供服務(wù)。同時(shí)利用現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源增加學(xué)生和老師對(duì)接當(dāng)前企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用情況的了解，為學(xué)校培養(yǎng)符合當(dāng)前企業(yè)真正所需人才提供保障。

3.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.2.1 操作便捷

大多數(shù)學(xué)生在校期間學(xué)習(xí)以理論知識(shí)為主，實(shí)踐相對(duì)較少，與社會(huì)實(shí)際需求差距較大，通過在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，讓學(xué)生在學(xué)校就有機(jī)會(huì)接觸并與社會(huì)接軌的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用參考企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)線上的操作流程，操作便捷，學(xué)生只要通過刷校園一卡通就可實(shí)現(xiàn)任務(wù)單領(lǐng)取、實(shí)訓(xùn)加工全過程監(jiān)控、完成后自動(dòng)檢測(cè)等過程，操作簡(jiǎn)單方便可控。

3.2.2 拓寬技術(shù)涉及面，提高專業(yè)技能

學(xué)生在校除了學(xué)習(xí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理論知識(shí)，還能近距離接觸當(dāng)前企業(yè)所用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在原有的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)上增加了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)技術(shù)學(xué)習(xí)，不僅拓寬了技術(shù)涉及面，對(duì)現(xiàn)代智能制造技術(shù)也有全新的、直觀的認(rèn)識(shí)，使得學(xué)生在校內(nèi)就具備了解決工業(yè)生產(chǎn)過程中的一些基本問題，增加了創(chuàng)新能力，為今后工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2.3 市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)

目前，市場(chǎng)層面缺少專門為技師學(xué)院提供一站式實(shí)訓(xùn)管理模塊系統(tǒng)的解決方案。市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)產(chǎn)教融合應(yīng)用將打造成一個(gè)可復(fù)制的信息化實(shí)訓(xùn)管理系統(tǒng)，可推廣到其他技師學(xué)院中。

同時(shí)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)室的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全部服務(wù)采用SSL加密傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)于敏感信息進(jìn)行二次加密，使用了非對(duì)稱加密，保證敏感數(shù)據(jù)安全符合《GBT 22239—2019信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》《GBT 20984—2007信息安全技術(shù) 信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范》等相關(guān)安全管理規(guī)范。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所應(yīng)用的價(jià)值體現(xiàn)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在對(duì)學(xué)院實(shí)訓(xùn)設(shè)備管理的過程中，促進(jìn)了產(chǎn)教融合應(yīng)用，引入了企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)管理模式，將工廠習(xí)慣提前引入到學(xué)校教學(xué)中。在教學(xué)過程中，我們應(yīng)用學(xué)生的校園卡刷卡開啟設(shè)備，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行一次自檢工作，這樣提高了學(xué)生操作的安全性，在很大程度上減少學(xué)生因開機(jī)不正確而引起的安全事故。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的應(yīng)用，也很好地監(jiān)管了學(xué)校實(shí)訓(xùn)設(shè)備的能耗，通過平臺(tái)可以實(shí)時(shí)了解各實(shí)訓(xùn)設(shè)備的能耗情況，也能通過能耗數(shù)據(jù)分析減少能源浪費(fèi)情況。如今年五一放假期間，我們發(fā)現(xiàn)在能源監(jiān)管平臺(tái)上還存在大的電量消耗情況，通過對(duì)后臺(tái)的數(shù)據(jù)分析比對(duì)，發(fā)現(xiàn)在一臺(tái)實(shí)訓(xùn)設(shè)備在沒有操作人員的情況下還在開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，馬上聯(lián)系了實(shí)訓(xùn)室管理老師將設(shè)備關(guān)閉，減少了能源消耗，同時(shí)也提高了安全性。

平臺(tái)應(yīng)用以來多次監(jiān)測(cè)到在空閑時(shí)間有設(shè)備開機(jī)運(yùn)行的情況，為學(xué)院在節(jié)能減排和安全方面提供了不小的幫助，同時(shí)由于在開啟設(shè)備之前增加了刷卡檢測(cè)的環(huán)節(jié)，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成在實(shí)訓(xùn)開始時(shí)檢測(cè)設(shè)備的習(xí)慣，不僅提高了操作的安全性，而且也為學(xué)生以后進(jìn)入企業(yè)工作打好了細(xì)心操作的基礎(chǔ)。

平臺(tái)在應(yīng)用時(shí)將企業(yè)的刷卡機(jī)制和任務(wù)單引入教學(xué)中，形成獨(dú)有的教學(xué)模式。在課前，教師通過平臺(tái)將課堂的實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)單和教學(xué)要求或教學(xué)視頻下發(fā)的每一臺(tái)設(shè)備的邊緣網(wǎng)關(guān)里，學(xué)生通過刷校園卡開啟設(shè)備，選擇當(dāng)天課堂的教學(xué)任務(wù)，并根據(jù)教學(xué)任務(wù)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作，同時(shí)教學(xué)要求和教學(xué)視頻可讓學(xué)生多次重復(fù)學(xué)習(xí)，鞏固操作要點(diǎn)，提高學(xué)生在課堂上的主動(dòng)性。在實(shí)訓(xùn)過程中，邊緣網(wǎng)關(guān)記錄了設(shè)備的操作過程，并將實(shí)際的操作過程與記錄中的標(biāo)準(zhǔn)操作進(jìn)行比對(duì)，完成智能評(píng)價(jià)學(xué)生的操作過程。同時(shí)因?yàn)殚_機(jī)前采用刷卡開機(jī)，可有效地記錄當(dāng)前的實(shí)訓(xùn)操作人員，如果在實(shí)訓(xùn)過程中發(fā)生問題，也可進(jìn)行操作信息追溯。

平臺(tái)采用24小時(shí)監(jiān)管機(jī)制，對(duì)接入的每臺(tái)設(shè)備監(jiān)管，可實(shí)時(shí)看到每臺(tái)設(shè)備的當(dāng)前操作人員，設(shè)備的運(yùn)行情況，以及教學(xué)任務(wù)的完成情況，并且平臺(tái)對(duì)接了學(xué)校監(jiān)控系統(tǒng)，可通過高清監(jiān)控查看實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)操作情況，為學(xué)校教學(xué)督導(dǎo)帶來了便利。同時(shí)，實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)的記錄為學(xué)校的教學(xué)改革提供有效的數(shù)據(jù)支撐，從而能更有效地分析實(shí)訓(xùn)過程中的問題，促進(jìn)教學(xué)改革。

5 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)訓(xùn)室應(yīng)用帶來的效益

（1）提升學(xué)院實(shí)訓(xùn)管理水平：減少學(xué)生被動(dòng)實(shí)訓(xùn)情況、增加實(shí)訓(xùn)設(shè)備利用率、減少實(shí)訓(xùn)老師的工作量。實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)信息數(shù)字化：學(xué)生的實(shí)訓(xùn)信息數(shù)字化，實(shí)訓(xùn)質(zhì)量數(shù)字化、學(xué)生的實(shí)訓(xùn)過程評(píng)價(jià)數(shù)字化。強(qiáng)化學(xué)生技能學(xué)習(xí)：學(xué)生在學(xué)校就可以接觸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)用實(shí)例，為學(xué)生今后走上工作崗位即可直接上崗打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）深入開展產(chǎn)教融合：學(xué)生在系統(tǒng)平臺(tái)上完成招聘就業(yè)，完成企業(yè)招人和學(xué)生應(yīng)聘一條龍服務(wù)，深度促進(jìn)校企合作，做到企業(yè)、學(xué)校共同進(jìn)步。

（3）實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)監(jiān)管：通過部署市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)產(chǎn)教融合應(yīng)用，加強(qiáng)了學(xué)院對(duì)實(shí)訓(xùn)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提升了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力，結(jié)合實(shí)訓(xùn)設(shè)備的數(shù)字化改造實(shí)現(xiàn)了設(shè)備利用率、設(shè)備平均故障時(shí)間的監(jiān)測(cè)，為學(xué)院降低運(yùn)維成本，提升了學(xué)院本身的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）為學(xué)院帶來新的教學(xué)模式：讓學(xué)生在校內(nèi)就可以接觸當(dāng)前企業(yè)正在實(shí)際運(yùn)用的新技術(shù)并可實(shí)踐操作，給社會(huì)提供適應(yīng)社會(huì)實(shí)際需求的人才，同是也促進(jìn)了職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革。

6 結(jié)束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是近年來在全球范圍內(nèi)興起的，以互聯(lián)網(wǎng)和新一代信息技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)全方位深度融合為特征的，新型、重大的工程科技和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，是支撐全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵基礎(chǔ)。人才培養(yǎng)是重中之重，而職業(yè)院校以培養(yǎng)高技能人才和實(shí)用性技術(shù)技能型人才為目標(biāo)，通過在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓學(xué)生更貼近社會(huì)，掌握更貼近企業(yè)工作崗位的技能要求，同時(shí)也提升了學(xué)校學(xué)生的技能創(chuàng)新，為企業(yè)提供迫切所需的人才。隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這方面的人才缺口很大，做好這方面專業(yè)人才培養(yǎng)很重要?！?/p>