“智改數(shù)轉”背景下智能制造實訓基地改造提升的研究與實踐

高 巍，郭 茜

（無錫立信高等職業(yè)技術學校，江蘇 無錫 214000）

1 引言

我國制造業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一就是新一輪信息科技和工業(yè)技術的深度融合發(fā)展，智能技術與數(shù)字技術成為推動產(chǎn)業(yè)形態(tài)變革的核心力量，產(chǎn)業(yè)技術層級、生產(chǎn)架構和價值體系將發(fā)生系統(tǒng)性重組[1]。因此，無錫市于2021年發(fā)布的《無錫市“十四五”制造業(yè)高質量發(fā)展規(guī)劃》中明確提出，要發(fā)揮地區(qū)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，聚焦數(shù)字賦能、智慧發(fā)展，要順應數(shù)字化發(fā)展趨勢，深化5G、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈等新一代信息技術在制造業(yè)領域的廣泛應用，提高制造業(yè)智能化與數(shù)字化的發(fā)展水平。

在此背景下，作為承擔本地區(qū)技術技能類人才培養(yǎng)重任的職業(yè)學校也面臨著通過智能化、數(shù)字化手段改造智能制造類專業(yè)實訓基地的迫切任務。通過建設與企業(yè)場景一致的實驗實訓場景，模擬企業(yè)智能化生產(chǎn)環(huán)境，將“智改數(shù)轉”的全新理念融入教育教學的全過程，推動學校培養(yǎng)過程與企業(yè)用人需求的近距離對接。

2 “智改數(shù)轉”的內涵與指向

“智改數(shù)轉”，即對智能制造類企業(yè)或場景開展智能化改造和數(shù)字化轉型。無錫市工業(yè)和信息化局制訂的《加快智能化改造 數(shù)字化轉型 綠色化提升推動制造業(yè)降本降耗降碳三年行動計劃》中提出，要全面貫徹新發(fā)展理念，推動建設工業(yè)數(shù)字化、智能化和綠色化相互促進、深度融合的產(chǎn)業(yè)體系，推進制造業(yè)與信息化的深度融合。這是一份從路徑到結果清晰明了的改革行動路線圖，加快智能化改造、數(shù)字化轉型、綠色化提升，指向的目標是制造業(yè)降耗節(jié)能，該方案契合新時期制造業(yè)高質量綠色化發(fā)展和構建科學產(chǎn)業(yè)體系的要求。在未來三年中，無錫市的近三千家企業(yè)將推動“畫像、診斷、改造、領航、上云、轉型、創(chuàng)新”的“智改數(shù)轉”建設進程，并以此形成邏輯閉環(huán)，提高企業(yè)核心競爭能力。

職業(yè)學校立足為企業(yè)培養(yǎng)“智改數(shù)轉”過程中急需的制造業(yè)數(shù)字化工匠，也必須基于這一全新理念從人才培養(yǎng)方案、課程體系與標準、實驗實訓場景建設、教學改革與實踐、產(chǎn)教融合與成果孵化等維度深入探討研究。

3 基于“智改數(shù)轉”視角對學校智能制造實訓基地的畫像與診斷

學校智能制造實訓基地前身為機械加工實訓基地，研究“智改數(shù)轉”的現(xiàn)狀與方向，具有較強的參考價值。經(jīng)過多年的建設發(fā)展，實訓基地各類實訓設備配套齊全，但設備型號較老，數(shù)字化改造程度較低。同時，實訓基地運作模式仍采用學校傳統(tǒng)教育教學模式，與企業(yè)基于產(chǎn)品全生命周期管理的理念脫節(jié)較大，信息化水平較低，實訓環(huán)境與生產(chǎn)環(huán)境對接不緊密?；貜慕ㄔO伊始即推動甩圖板工程，先后成為國家制造業(yè)信息化三維CAD培訓基地、歐特克創(chuàng)意教育培訓基地，在計算機輔助設計與制造軟件的普及上不斷前進，學校智能制造實訓基地建設基礎的畫像診斷見表1。

表1 學校智能制造實訓基地建設基礎的畫像診斷

4 基于“智改數(shù)轉”視角改造學校智能制造實訓基地的實踐

基于對現(xiàn)有智能制造實訓基地的畫像與診斷，我校有針對性地開展對實訓基地的智能化改造和數(shù)字化轉型，并于2021年完成一期工程，主要做了以下內容建設。

4.1 基于工業(yè)數(shù)據(jù)采集，鋪設數(shù)控實訓中心MES

MES給從業(yè)人員提供生產(chǎn)計劃的計劃、執(zhí)行、監(jiān)測以及整合所有資源（人、設備、物料、客戶需求等）的可能性[2]。在智能制造高速發(fā)展的今天，MES的內涵也不斷拓展延伸，呈現(xiàn)出業(yè)務流程管理自動化、軟硬一體化融合和決策功能日益突出的特點。

（1）數(shù)控技術實訓中心MES建設的主要內容

我校智能制造實訓基地數(shù)控技術實訓中心共有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控加工中心30臺，涵蓋發(fā)那科、西門子、凱恩帝等多種數(shù)控系統(tǒng)。本次建設旨在對這部分設備進行聯(lián)網(wǎng)，打通通信壁壘，通過以太網(wǎng)通信，對學校機床的實時運行數(shù)據(jù)進行采集，分析設備的運行狀態(tài)、故障信息、加工時間、空閑時間、加工數(shù)量等，進而分析出設備的運行效率、產(chǎn)能、故障率等信息。

本次改造的整體系統(tǒng)分為設備層、采集層、存儲層、應用層[3]。設備層主要為機床控制器；采集層通過以太網(wǎng)模塊、串口轉網(wǎng)口模塊、IOT GateWay軟件網(wǎng)關，實現(xiàn)機床接口的轉換及數(shù)據(jù)采集；存儲層分為實時數(shù)據(jù)庫緩存Redis，持久數(shù)據(jù)存儲MongoDB，滿足高頻率、大數(shù)據(jù)量的存儲需求；應用層則通過軟件計算優(yōu)化，實現(xiàn)設備管理與配置、數(shù)據(jù)處理展示與消息推送等功能。

（2）數(shù)控技術實訓中心MES建設實現(xiàn)的主要功能

建設完成后的數(shù)控技術實訓中心MES能實現(xiàn)一系列智能化管理功能，明顯提高了實訓中心設備的運轉效率，如圖1所示。

圖1 數(shù)控技術實訓中心MES電子地圖

1）實現(xiàn)設備監(jiān)控。MES能通過三維電子地圖實現(xiàn)對實訓中心內各設備運行狀態(tài)的實時檢索與參數(shù)監(jiān)控，實時參數(shù)的類別根據(jù)設備自身所開放的接口有所不同。

2）實現(xiàn)故障管理。MES能查看設備在某個時間段內所發(fā)生故障的故障編號、開始時間、結束時間、持續(xù)時長等故障信息，支持根據(jù)設備編號、時間段進行過濾查詢。同時，支持統(tǒng)計查看設備在某個時間段內所發(fā)生的各種故障類型在所有故障中所占百分比。為設備的保養(yǎng)檢修提供依據(jù)。

3）實現(xiàn)程序管理。MES支持從文檔發(fā)放系統(tǒng)調取程序文件，支持頁面在線編輯程序，支持向單臺或多臺機床設備同時下發(fā)程序，也支持從設備向的程序上傳與本地保存，還能在線比較兩個程序文件，并以顏色進行標注比較結果不一致的行。

4.2 基于學校管理實際，建設智慧化庫房

學校智慧化庫房的建設根據(jù)教學使用實際需求，聚焦于提升物料庫存管理效能。項目在庫房推行物料條碼化管理，將物料流轉管理由傳統(tǒng)的單據(jù)處理轉變?yōu)楝F(xiàn)場實物掃碼流轉，由PC端操作轉變?yōu)槭殖謼l碼終端操作，可進行生產(chǎn)發(fā)料掃描出庫、生產(chǎn)完工掃描入庫、包裝作業(yè)、投料周轉任務管理和產(chǎn)出周轉任務管理，從而降低物料流轉錯誤率及人工操作工作量，大大提升管理效能。學校的實訓教學物料管理與工廠的要求有一定的差異，更加關注物料流轉的政策合規(guī)性，也需要一定的統(tǒng)計數(shù)據(jù)用于支持科學研判物料采購。因此，項目建設的重點在于庫房的自由建模、物料從入庫至領用出庫、返還、報廢的申報審批流程及使用數(shù)據(jù)的合理統(tǒng)計。

4.3 基于教學管理需求，建設實訓課程資源生成中心

制造類專業(yè)實訓教學與實訓設備的關聯(lián)度極高。因設備單價較高、班級學生人數(shù)較多，經(jīng)常造成教學靠圍觀、指導多頭跑的問題。本次改建中完成了課程資源生成中心建設，通過信息化手段解決了分組教學與現(xiàn)場教學兩大實訓教學難點，也保障了優(yōu)質課程資源的同步生成。同時，在疫情防控要求下開展在線教學時，課程資源生成中心也發(fā)揮了重要的作用。

1）分組互動教學教室。本次建設的分組互動教學教室采用七個攝像機位實現(xiàn)高清傳輸，配合定位攝像機的強大圖像跟蹤分析功能，能夠進行授課全自動錄制。教室還能通過可旋轉實訓吊臂將所有實訓小組的學生操作過程同步顯示在交互副屏或者老師授課大屏，并支持學生全景、特寫操作機位自由切換，實時對學生操作過程打點標注，讓老師輕松掌握每一組學生實操效果。在開啟微課摳像模式后，更可以自由選擇2D、3D場景，實現(xiàn)虛擬微課錄制，配合統(tǒng)一媒體資源管理平臺，并支持將所有畫面根據(jù)需要開放直播或者上傳平臺供學生、老師點播。當啟用云端服務器直播功能時，教學場景更可便捷分享到微信端，實現(xiàn)快捷、精彩的移動直播。在疫情防控期間，這間教室大展身手，“電工技術基礎”“電子技術基礎”等課程校內學生的分組教學被實時同步給在家上網(wǎng)課的學生，實現(xiàn)無縫互動，教學成效顯著，如圖2所示。

圖2 分組互動教學教室

2）移動教學車。針對鋪設中大型實訓設備的教學場所，項目還建設了移動教學車。教學車配備專業(yè)多功能萬向臂，轉臂可折疊收縮，可水平 360°旋轉，二節(jié)轉臂垂直45°調節(jié)，可多方位調節(jié)拍攝角度，并實現(xiàn)靈活移動、無線傳屏。以數(shù)控加工教學為例，移動教學車在機床旁錄制教師操作視頻，通過無線傳輸?shù)姆绞酵林凉に嚱淌覂鹊拇笃辽?，內容還可以存儲至本地進行實時回看，大幅提高實訓教學效率與效果，如圖3所示。

圖3 移動教學車

5 “智改數(shù)轉”視角改造學校智能制造實訓基地的思考與后續(xù)

根據(jù)省市“智改數(shù)轉”相關文件精神，智能制造類企業(yè)及實訓基地需要完成關鍵工序數(shù)控化不低于65%、經(jīng)營管理數(shù)字化不低于80%和數(shù)字化研發(fā)設計工具普及率不低于90%的建設目標[4]。職業(yè)學校的智能制造實訓基地受制于資金投入、發(fā)展理念、校企合作水平等因素的制約，與這三項指標尚有一定的差距。通過對智能制造實訓基地的畫像診斷，我校正式開啟“智改數(shù)轉”實訓基地效能改造提升工作，目前已完成MES設備層、采集層、存儲層的搭建，并基本完成第一期應用層建設；同時基于教學改革需要，建設課程資源生成中心；根據(jù)專業(yè)管理需要，建設智慧化庫房。目前已建項目運行穩(wěn)定，為學校智能制造實訓基地建立了一套更為高效的運行邏輯，師生的教學效果和信息化應用水平得以提升，學校培養(yǎng)與崗位需求之間的數(shù)字化鴻溝進一步彌合。

下一階段，學校將進一步完善MES應用層的內容，著重打造在線測量站、產(chǎn)品合格率統(tǒng)計、不良品原因分析與反饋、無人值守庫房、國產(chǎn)軟件為主國外軟件為輔的數(shù)字化研發(fā)設計工具、新能源技術類實訓室等軟硬件項目。同時積極進行基于“智改數(shù)轉”視角的課程資源建設、教學改革、師資培養(yǎng)、項目孵化及產(chǎn)教融合等工作，從產(chǎn)品生命全周期管理的視角統(tǒng)一教學與實訓的理念與視角，在校內建設與企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境緊密對接的實訓環(huán)境，真正以智改、數(shù)轉為理念引領學校智能制造實訓基地的發(fā)展，為提高育人質量不斷努力。