智能化工程訓練中心建設探索

黃海龍， 陳晉市

(吉林大學 工程訓練中心，長春 130025)

0 引 言

制造業是現代工業的基石，隨著信息技術、新能源、新材料、新裝備、新工藝等重要領域和前沿方向的革命性突破和交叉融合，傳統制造業正在向全數字化、智能化、云制造方向轉型，與此同時德國工業4.0和中國制造2025智能制造發展戰略誕生。工程教育是當代教育體系中的重要組成部分，隨著全面工程教育理念在國內外教育界不斷被提及，全面工程教育對當代教育變革的影響日益明顯。高等工程教育是工程人才培養的一個重要階段，作為工程教育實施的載體，高校工程訓練中心為適應工業時代的發展需求，也正在向著數字化、智能化的方向轉型升級[1]。

結合工程教育發展的時代背景和工程訓練中心的定位與歷史使命，提出了智能化工程訓練中心的建設理念，通過智能化工程訓練中心的建設使現代化高等工程教育理念與工業4.0和中國制造2025發展戰略緊密融合，通過工業互聯網與智能化的管理面向工程人才培養過程開展現代化工程教育和工程背景下的創新創業教育、提供智能化的服務[2]。

1 智能化工程訓練中心體系框架構建

智能制造是基于信息技術，將制造技術與數字技術、智能技術、網絡技術集成應用于產品設計、生產、管理和服務的全生命周期，在制造過程中自行感知、分析、推理、決策與控制，具有自感知、自決策、自執行等特征的先進制造過程[3]。

智能化工程訓練中心建設是以原有工程訓練實踐教學平臺為基礎的數字化軟、硬件環境建設和智能化管理與服務平臺的建設。數字化軟、硬件環境建設包括智能化制造基地和智能化倉儲兩方面的建設，智能化制造基地建設是將傳統制造技術、現代制造技術和特種制造技術的各種機床實現物聯網管理，并引入數字化工藝、云制造平臺和智能制造平臺；智能化倉儲的建設實現了對工具庫、刀具庫和材料庫進行分類、編碼與管理。智能化管理平臺建設包括對智能制造基地的物聯網安全管理、實踐教學管理、學生成長過程管理、評價管理、工具管理、物料管理和師資隊伍的管理。通過建立智能化倉儲實現對工具庫、刀具庫和材料庫的進出庫、使用狀態的數字化智能管理；通過引入CAD、CAE、CAM和CAPP技術搭建起智能化設計與工藝管理平臺，結合智能化制造基地共同搭建起工程訓練平臺的智能化制造環境[4]；通過建立智能化考核與評價體系實現工程教育平臺下對教學過程、教學效果、學生成長過程、教師業務能力、教師服務水平等進行智能化的綜合評價；通過建立數字化教學平臺和各種數字化教學資源為工程教育實踐教學提供在線教學服務。在智能化管理平臺的基礎上搭建起數字化應用平臺和數字化創新服務平臺，數字化應用平臺為“工程教育實踐教學”提供智能化的服務，數字化創新服務平臺為“工程背景下的創新創業教育”提供智能化的服務[5]。以智能云平臺為核心構建起智能化工程訓練中心體系框架如圖1所示。在智能化工程訓練中心體系框架范圍內實現對內的智能化管理和對外的智能化服務[6]。

2 工業互聯網系統建設

工業互聯網系統是以數據的采集、存儲、運算和應用為驅動、以綜合制造能力為核心、以數字化控制為宗旨的專業化服務平臺。工程訓練中心工業互聯網系統的建設是以實踐教學為核心，突出智能化制造能力，教室、設備、倉儲、環境網絡一體化的工業制造環境和實踐教學平臺。融合數字化教學和智能化管控于一體構建起工程訓練中心工業互聯網系統體系框架如圖2所示[7]。

2.1 數據采集

工程訓練實踐教學平臺互聯網系統的數據采集包括對教室、設備、倉儲、環境4部分數據的采集。教室數據包括照明控制開關狀態、總電源開關狀態、電表用電量、人臉識別或指紋考勤數據、智能門禁控制、視頻采集、觸摸屏一體機交互數據等狀態數據；設備數據包括設備運行狀態視頻采集、設備電源智能控制、設備用電量、基于ZigBee網關的設備控制過程(工件裝卸、設備啟停)等；倉儲數據包括工具、刀具、耗材的分類編碼存儲，出入庫狀態、使用人員身份識別、視頻采集等；環境數據是指工程訓練中心教學和工業生態環境的總和，包括通過各種傳感器采集的溫度、濕度、煙霧、火情、噪聲、PM2.5、化學氣體等實時環境數據。

2.2 數據存儲與運算

將采集到的教室、設備、倉儲和環境數據匯集到一起，并隨著時間軸的變化，逐漸積累起智能化工程訓練中心運行狀態大數據，中心建立數據存儲服務器，對大數據進行存儲。運用智能算法對各種運行狀態大數據進行智能分析、運算處理，分類呈現。

2.3 數據應用

數據的應用包括信息推送和數據運算控制，通過數據采集獲取的大數據信息，經過服務器智能控制系統的運算后，將部分數據信息向用戶終端推送，如推送至PC端、移動端、中心LED液晶大屏、觸摸屏一體機，實現運行數據面向用戶的動態可視化。在用戶對運行數據實時掌控的基礎上，融入管理者的主觀干預，通過PC端和移動端的人機交互控制，使數據在用戶和工業互聯網系統之間實現雙向傳輸，從而實現對教室、設備、倉儲的遠程調控[8]。

3 智能化管理與服務平臺建設

工程訓練中心智能化管理與服務平臺是在工業互聯網系統基礎上建立起來的實現對內智能化管理和對外智能化服務的軟件平臺，對內的智能化管理即中心數字化管理平臺，對外的智能化服務即支撐在線學習的實名制網絡學習空間和創新創業管理平臺。工程訓練中心智能化管理與服務平臺結構框架如圖3所示。

圖1 智能化工程訓練中心體系框架

圖2 工程訓練中心工業互聯網系統

3.1 數字化管理平臺

中心智能化管理層面上，全面提升信息技術在管理層的基礎支撐，實現中心全網絡覆蓋和全數據傳輸，保證學生、設備、教學與中心的管理、控制、服務的信息化對接。積極運用云計算、大數據等新技術創新中心管理平臺的建設。打造中心網站，教學信息管理平臺，實時監控系統，智能門禁系統，中心環境監測系統等系統平臺，并實現各平臺的互通、銜接與開放，提升信息化服務教育教學與管理能力[9]。

(1) 門戶網站建設。中心門戶網站是工程訓練實

圖3 智能化管理與服務平臺

踐教學平臺通過互聯網面向公眾進行信息互動的窗口，通過網站使學生及時關注工程教育動態、教學計劃、學習計劃、考核結果等教學信息；并發布對外通知公告、教學成果展示、獎罰公示、中心建設規劃等信息；以及通過特定的模塊實現在線選課、在線考試、創新創業活動組織等[10]。

(2) 實踐教學管理。實踐教學管理平臺用于管理教學活動相關的教師分配、學生管理、教學計劃制定與發布、在線選課與排課、課表的生成與發布、教學過程跟蹤、教學質量評價、考核方案組織、成績的生成與發布、教學調度等信息，充分保障工程教育教學活動的順利開展。

(3) 學生成長過程管理。 學生成長過程管理平臺實現對工程教育教學活動中學生檔案的建立、學習過程跟蹤與記錄、學習成績評定與管理、學生作品展示和獲獎信息統計，并給出有針對性的學習計劃建議，從而為創新創業能力的培養提供基礎參考數據。

(4) 考核與評價管理。考核與評價管理平臺實現了對教師個人的綜合評價、對學生學習過程的評價和對實踐教學效果的評價。通過定期對教師技術水平進行考核以提升教師的教學水平和業務能力；利用在線考核實現對學生學習效果的考評；通過學生對教師教學過程進行評價，幫助教師改進教學方法，提升教師教學水平和教學效果[6]。

(5) 師資隊伍管理。 師資隊伍管理平臺實現對師資隊伍建設的管理，包括管理師資隊伍個人基本信息、個人成長經歷、年齡、工齡、職稱、職務、技能、學歷、培訓經歷、學習經歷、獎罰情況、科研及教研成果等信息的數字化管理，課時和工作量的管理與統計，并發布師資隊伍建設信息，制訂師資隊伍成長計劃等。

(6) 數字化倉儲管理。數字化倉儲管理平臺實現對工具、刀具、物料的數字化管理，通過人臉或指紋識別系統識別倉儲管理員和使用用戶，通過條形碼或二維碼對工具、刀具、物料等物品進行分類編碼統計和立體存儲，通過網絡預約實現出入庫的管理。使需求、成本、數量、出入庫狀況、庫存情況、負責人、使用狀況等倉儲管理信息透明化，使倉儲管理更及時、高效[11]。

(7) 教學設備管理。教學設備管理平臺實現對每一臺教學設備在生命周期內的開關機狀況統計、使用記錄、故障維修記錄等信息的管理。通過設備的聯網管控，自動記錄識別每一臺設備的使用者，設備的開關機記錄，以及對設備故障的報修、修理等相關信息的管理。并使中心設備管理人員和學校設備管理部門實時動態了解設備的狀態和使用狀況，從而提升實驗設備的管理水平和管理效率[6]。

(8) 物聯網安全管理。物聯網安全管理平臺實現對工程訓練實踐教學平臺和工業環境物聯網實時動態監測和管控。通過物聯網系統的建立以控制教室的通斷電、使用人員身份識別、門禁權限分配、用電量智能控制、通知信息推送等；控制設備開關機及通斷電、使用者身份識別、故障智能診斷及故障代碼推送等；實現實時監測溫度、濕度、煙霧、火情、噪聲、PM2.5、用水、用電、化學氣體等環境安全數據，經過智能分析后能夠及時發布警報信息，以實現對工程訓練中心的全面安全管理。

(9) 門禁與考勤管理。門禁與考勤管理平臺建設通過人臉識別或指紋識別，對教師和學生進行身份識別和權限分配，建立起出入中心大門、教室、倉庫和設備使用等的數據憑證。并實現對中心運行的多級管理，對出勤狀況、教室使用、設備使用、物料流通、教學數據的統計和報表的生成。

(10) 選排課系統建設。工程訓練課程在本科生培養計劃中處于教務排課優先級較低的位置，教務處在優先安排完本學期專業課程后隨機給工程訓練課程每周預留8課時，工程訓練中心再根據隨機的8課時安排來自不同專業的學生到指定教學模塊學習，從而導致學生的工程教育處于固定課時的被動接收狀態。選排課系統在工程教育平臺的應用使每一位學生根據自己的時間，選擇自己感興趣的工程訓練教學模塊，同時工程訓練的每個教學模塊根據自身最大容納量自動開閉課程選擇權限，從而實現教學資源和學生興趣培養的最佳優化配置[12]。

(11) 黨務管理。黨務管理平臺的應用實現了工程訓練中心基層黨組織黨務工作的數字化管理，包括黨員基本信息、黨費、考評、考勤、獎懲、簡歷、考察、政審、慰問、轉出、幫扶、培訓、組織生活、專題教育管理和在線組織“三會一課”等。

3.2 實名制網絡學習空間

中心信息化教學層面上，全面提升教育信息化基礎支撐，實現設備、教學模塊、數字化在線教學資源與中心的管理、服務的信息化對接，積極利用信息技術打造中心網絡教學服務平臺，建立豐富的工程教育數字化教學資源，創新個性化的網絡學習空間，集成網絡教學、資源推送、學籍管理、學習生涯紀錄等功能，創新工程教育教學模式、學習模式、考核模式和全國工程教育教學資源的共建共享機制，通過線上與線下的輔助結合，拓展工程教育教學面，為工程教育平臺提供更智能化的服務，充分發揮信息化面向未來高素質工程人才的支撐引領作用[13]。

3.3 創新創業管理平臺

創新創業管理平臺用是智能化工程訓練中心提供智能化服務的另一重要體現，通過數字化創新服務平臺的建設，實現通過數字化和互聯網對學生的創新創業教育、創新創業訓練和創客培養的數字化管理。學生通過網絡平臺組建創新團隊，提交創新創業訓練項目計劃申請，創新創業教學平臺通過網絡對學生提交的項目申請進行審核、評估與確認，對確認可行的項目通過網絡平臺為學生配備創客導師、所需材料、工具、設備、場地，以及以MOOC在線學習的方式為學生創客提供相關的技能提升課程，輔助學生進行創新創業項目的實施。并提供在線交流平臺輔助學生創客群體進行在線交流和經驗、優秀成果分享[14]。

4 現代化工程訓練教學體系建設

以智能制造技術時代工程訓練中心的總體定位和教學理念為指導，建設模塊化的、綜合性的工程訓練理論、實踐課程，補充和修訂工程訓練實踐教學體系和教學大綱。現代化工程教育教學體系的完善必須以智能化的工業互聯網系統建設為基礎，以硬件教學條件支撐課程的建設和教學活動的開展。集工程教育和創新創業教育于一體，以智能化管理與服務為宗旨，構建起現代化工程訓練教學體系如圖4所示，并通過工程教育背景下的創新創業實踐探索不斷豐富和完善現代化工程訓練教學體系[15]。

圖4 現代化工程訓練教學體系

5 結 語

工程訓練中心對智能化建設進行了研究與探索，智能化工程訓練中心建設包括以工程教育實踐教學平臺為基礎的工業互聯網、數字化智能管理平臺和智能化服務平臺三部分。工業互聯網系統的建設是實現云制造、智能制造的基礎，數字化、智能化管理平臺的建設為云制造、智能化制造提供保障和支撐，融合了工業互聯網系統和數字化智能管理的智能化工程訓練中心為高等工程教育和創新創業教育提供智能化的服務平臺，即現代化工程教育平臺和創新創業教育平臺，并通過創新創業教育的實踐探索不斷補充和完善現代化工程教育教學體系。智能化工程訓練中心的建設將大力推動我校工程教育和創新創業教育的發展，進一步營造工程背景下的創新、創業氛圍，使工程教育、創新創業教育在校園中獲得更廣泛的受益面。