面向“工業4.0”的工程教育創新實驗平臺建設

姜晨

摘 要 以德國近年來提出的“工業4.0”技術發展框架，探索“機械設計制造及其自動化”專業的工程教育創新實驗平臺建設思路，重點探討“工業4.0”的發展趨勢，以及如何結合“工業4.0”開展“機械設計制造及其自動化”專業課程創新實驗平臺建設，滿足機械行業對高素質的工程技術人才的需求。

關鍵詞 工業4.0 工程教育 機械工程

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A

2011年在漢諾威工業博覽會上，德國人工智能研究中心負責人Wolfgang Wahlster教授首次提出“工業4.0”的概念。2013年，德國成立了“工業4.0”工作組，并于同年4月在漢諾威工業博覽會上發布了最終報告《保障德國制造業的未來：關于實施“工業4.0”戰略的建議》。①可以說“工業4.0”已經正式成為德國工業未來發展的方向標。“工業4.0”強調將傳統工業生產與現代信息技術相結合，將基本模式由集中式控制向分散式增強型控制進行轉變，并最終實現工廠智能化、生產智能化。②

1 工業4.0的發展趨勢

“智能工廠”和“智能生產”是“工業4.0”的兩個主要組成部分，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現，相關研究工作在德國已經廣泛開展。③德國弗勞恩霍夫協會（Fraunhofer-Gesellschaft）引入“工業4.0”概念，開展針對“智能工廠”的全方位智能自動化技術研究；西門子公司將這一概念引入其工業軟件開發和生產控制系統中，研究開發針對“智能工廠”相關的系列產品；恩德斯豪斯（Endree-Hauss）公司按照“工業4.0”要求開發過程工業自動化解決方案，實現不同區域、不同客戶生產資料的信息共享；庫卡（Kuka）公司結合其在機器人領域的技術優勢，重點研究面向智能制造的協作機器人和遠程維護系統；德國電信（Deutsche Telekom）、博世（Bosch）以及薩普（SAP）等公司在云計算、大數據存儲和處理等方面開展了卓有成效的研究，為“智能工廠”提供軟件支持結構或服務；作為工業用戶代表，德國大眾（VW）和巴斯夫（BASF）等公司通過使用快速成型和能源智能建筑技術優化生產過程，參與到“智能工廠”的研究中；德國費斯托（Festo）公司研究了一種分散式智能機電一體化控制系統，即智能閥島，實現面向“工業4.0”的新型控制系統。上述研究工作為實現從傳統的集中式工廠控制系統向分散式智能工廠控制系統轉變提供了基本思路與手段。

中國素有制造業大國之稱，同時也是自動化技術需求大國。中國政府非常重視“智能工廠”領域的基礎理論研究。為全面開展智能制造技術研究，國務院發布了《智能制造十二五規劃》，鼓勵企業構建工業智能化工廠，而其中重點任務之一就是解決未來智能制造所需的理論框架和共性技術。眾多國內企業和大專院校等研究機構也開展相關研究。浙江大學方紅飛以動態模擬為基礎，研究了動態模擬在智能工廠實驗系統中的應用，齊瑞超進一步提出用于工廠建模和仿真的四層框架，運用這種對工廠拓撲網絡進行抽象的建模與仿真方法構建可擴展和易配置的仿真模型，為“智能工廠”建模和仿真提供了指導；上海工業自動化儀表繆學勤根據“工業4.0”理念，探討了面向服務的“智能工廠”體系架構，為加快中國裝備制造業轉型升級提供思路；中石化夏茂森從易工程化和技術成熟度兩個維度，對流程制造工業智能工廠體系架構和基礎實施技術進行了研究，認為基于知識發現和基于模型的兩類技術應該是目前智能工廠建設的首選技術；江南大學王聰面向物料智能配送體系，對生產執行系統的架構、RFID智慧生產車間應用流程及應用可靠性等關鍵問題進行了研究；武漢理工大學何寧輝提出網絡化制造環境下的數字化制造車間集成管理系統結構，創建智能分布式人機協同工作模式。

2012年，工信部批復同意在順德建立無人化工廠，支持廣東創匯等多家企業采用智能化成套裝備建設數字化車間和智能化工廠管理軟件。在政府的支持下，中國企業開展了各項相關技術的研發及應用。中國石化提出了用信息化支撐傳統產業升級轉型，推進“智能工廠”建設的戰略目標，通過應用信息技術改造石油石化傳統生產工藝、提高資源利用率，從而實現智能生產；煙臺萬華以MES應用為基礎，建立穩標準統一、工廠應用快速復制的綜合數據整合平臺，向建設智能化工廠的目標邁進；燕山石化投用了ERP企業資源計劃系統、MES生產執行系統，自主開發了盈虧平衡分析系統、設備實時監控系統，大幅度提升了工廠的信息管理智能化水平。研華公司研發的WebAccess平臺將工廠里每個系統的信息采集到云端實現信息共享，工廠用戶能夠及時掌握現場的狀況并通過云端功能實時地將信息傳遞，進而達到提升工廠智能化信息處理能力；2012年西門子在中國成都建立西門子工業自動化產品成都生產及研發基地（SEWC），它是西門子面向“工業4.0”，在中國設立的最大的現代化數字工廠。

2 面向“工業4.0”的工程教育創新實驗平臺建設

針對“工業4.0”新形勢以及機械學科的自身工程教育特點，新形勢下的工程教育創新實驗平臺建設重點應該包括以下幾個內容：

2.1 平臺以培養學生科研的思維方法、科學研究能力和創新能力為目標

針對傳統機械工程類課程，以創新和探索為目的，著重培養學生的基本的工程技術實現能力。課程以工程項目的形式進行， 使學生在技術難題解決、文獻查閱、方案設計、技術操作、案例分析、撰寫技術文檔等各個環節得到較全面的工程技術思維和方法的訓練。安排一些具有創新性、探索性的工程技術實驗，培養學生查閱、分析及概括文獻的能力，設計及計劃安排實驗的能力以及分析問題、解決問題的能力，為學習能力較強的學生提供了進一步發展的空間。學生可根據導師的實際課題或者合作企業的實際項目為對象，設計相關實驗，并可以由學生和企業導師或者學校教師直接進行討論，確定實驗地點與時間，針對智能化程度較高的企業，重點開展實驗平臺合作建設工作，安排具體老師，負責長期聯絡與合作，為面向“工業4.0”的創新實驗場地建設提供支持。

2.2 面向大學生創新創業，建設“工業4.0”的專業實驗室

通過實施創新創業教育實驗基地建設，讓基地成為國內先進的具有輻射示范作用的創新創業教學實踐基地，使基地成為培養學生創新精神、創新能力，提高學生動手、動腦等實踐能力為重點的創新實踐教育基地，使之成為創新教育與實踐系列課程體系、內容、方法、手段改革研究的實踐基地，大學生創業教育與訓練基地、大學生科技活動研發實踐基地。逐步實現“創業政策比較完善、創業教育基本普及、創業平臺較為健全、創業氛圍更為濃厚、創業成果更加豐富”的高校創新創業工作目標。主要包括：（1）大幅度提高實驗基地內的學生參與創新創業項目的比例；（2）建立和完善包括校級機械創新實踐基地、校級工程實訓中心、院級創新實踐基地、創新工作室、專業實驗中心、基礎實驗中心等在內的大學生創新創業實踐平臺；（3）優化創新創業課程體系，確立創新創業人才培養模式，完成創新創業訓練體系建設，滿足上海高校創新創業教育實驗基地對創新創業人才的培養要求。（4）建設周期內學生獲得國家、上海市等國家及省部級創新創業成果不少于80項。此外，“工業4.0”以物聯網為基礎，構建物聯網創新實驗平臺，緊密結合通信技術發展方向和高校教學改革方向，以面向提升學生能力和培養師資力量為目標，打破專業界限，改革過去實驗依附于理論課程的舊體系，設置開放性實驗、物聯網通信系統實驗等。

在原有建設基礎上，建立工程設計實踐平臺、工程分析實踐平臺、先進制造實踐平臺、工程試驗實踐平臺等創新實踐平臺；將上述各實踐平臺進行優化集成，構建代表國內外主流先進制造企業生產過程的“卓越工程師工程實踐與創新實踐平臺”，建立面向“工業4.0”的“卓越工程師工程實踐與創新人才培養體系”，在此基礎上工廠教育創新實驗平臺。建設實現基于該平臺進行典型機電產品案例驅動的學生自主創新設計，自主分析、自主制造、自主試驗的目標。實施全程質量監督與過程控制，按照建設目標，進行定期檢查，保證平臺建設的順利進行；完成平臺的師資隊伍建設、專業建設、教學條件建設、教學管理建設等任務，構建與時俱進的新型工程教育創新實驗平臺框架。

2.3 專業實驗室的師資隊伍培養與建設

加強師資隊伍的人才培訓和再教育。有計劃地支持教師到企業掛職鍛煉，鼓勵教師參與社會行業的創新創業實踐。積極從社會各界聘請企業家、創業成功人士、專家學者等作為兼職教師，建立一支專兼結合的高素質創新創業教育教師隊伍。建立中外創新創業教育交流機制，加強和國外大學的交流，聘請國外大學教授、企業專家來學院授課。吸納先進的國際化創新創業教學體系與教學內容，與國際創新創業教育人才標準接軌。在建設中培養和鍛煉一批能勝任國際化創新創業教育的高水平教師。與學校教務處、人事處等相關職能部處配合，從教學考核、職稱評定、培訓培養、經費支持等方面給予傾斜支持，定期組織教師培訓、實訓和交流，不斷提高教師教學研究與指導學生創新創業實踐的水平。培養團結合作的團隊精神，為培養面向“工業4.0”的高素質工程技術人才提供重要保障，建立一支創新創業意識強、結構合理、具有國際視野和工程實踐能力的“雙師型”創新創業教育師資隊伍。

3 結束語

總體來看，“工業4.0”描繪出未來制造業的工廠生產景象，處在全球智能工業領域領先地位的德國，已敏銳地覺察到工業進程發展趨勢，并全力推廣“工業4.0”，進一步提升其在工業自動化制造業生產領域的地位。這一點對于制造業正快速發展的中國具有非常強的啟迪意義。當前，工業技術水平、運行模式等方面，都處于日新月異的發展階段。擔負著自主創新重任的企業對教育提出了更高更新的要求，對于高等工程教育來說，建設一個與“工業4.0”相適應的工程教育創新實驗平臺極為重要。

教育部專業綜合改革試點項目（2N14304101）資助

注釋

① Drath Rainer， Horch Alexander. Industrie 4.0： Hit or hype[J].IEEE Industrial Electronics Magazine，2014.8（2）：56-58.

② 齊瑞超，榮岡，馮毅萍，胡云蘋.智能工廠可配置的多層次建模方法[J].化工學報，2013.64（12）：4354-4365.

③ 郭政.標準引領德國工業升級[J].上海質量，2013（10）：22-26.