智慧工廠實踐教學平臺的建設

謝 勇， 陳 曦， 劉振元， 吳計生

（華中科技大學人工智能與自動化學院，武漢430074）

0 引 言

隨著德國工業4.0 戰略、美國工業互聯網戰略的提出，我國政府于2015 年提出“中國制造2025”的國家發展戰略。該戰略以促進制造業創新發展為主題，以推進智能制造為主攻方向，促進傳統制造業向智能化制造的轉型升級，實現我國由制造大國向制造強國轉變的歷史性跨越［1-2］。科技強國，人才先行。為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等國家戰略，教育部積極推進新工科建設，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，開啟了新時代培養創新型、高素質、復合型“新工科”人才的新征程［2-3］。

“新工科”對應的是新興產業，首先是指針對新興產業的專業，如人工智能、智能制造、機器人、云計算等，也包括傳統工科專業的升級改造。“新工科”更強調學科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重物聯網、云計算、人工智能等新技術與傳統工業技術的緊密結合［4］。相對于傳統的工科人才，“中國制造2025”需要的是實踐能力強、創新能力強、具備國際視野的高端復合型人才。自動化、信息化、網絡化和智能化是未來制造業發展的趨勢，智能制造的發展對高校自動化專業人才的培養提出了嚴峻的挑戰和更高要求［3，5］。

智慧工廠作為制造業智能化的重要體現，它也是“中國制造2025”第一階段要實現的重要目標。智慧工廠深度融合了自動化、物聯網、機器人、網絡與通信和人工智能等多種技術，對技術和管理人才知識的廣度和深度提出了更高的要求［6］。高校承載著為我國智能制造戰略提供人才支撐的重大使命，因此，高校的人才培養模式和體系應與時俱進，特別是在工程教育和實踐教學方面必須緊密跟隨目前的國家戰略和產業發展進行升級。

本文在“中國制造2025”背景下，結合新工科建設的人才需求特點，以學校人工智能與自動化學院智慧工廠實驗室為例，探討了智慧工廠實驗室的特點和建設方案，提出以產品生產制造為核心，將原材料供應、生產過程管理、產品自動化倉儲、拆零揀選及安全溯源管理等業務功能有機結合的智慧工廠總體框架，并綜合運用三維建模與仿真軟件建立起智慧工廠數字孿生，為探索“中國制造2025”背景下“新工科”人才培養的新路徑、新方向提供良好的實踐支撐和借鑒。

1 智慧工廠實踐教學平臺的設計理念和原則

智慧工廠是在制造業一系列科學管理實踐的基礎上，深度融合自動化技術、信息通信技術和智能科學技術，結合數據、信息和知識建立核心競爭力的新一代制造企業及其生態系統［7］。綜合分析傳統機電一體化、工業工程、物流工程、物聯網類專業實驗室建設方案，可以看出高校對于智能制造相關實驗室建設非常重視，也投入大量人力、物力進行建設，如清華大學工業工程系的模范工廠實驗室、北京物資學院的北京市物流系統與技術重點實驗室、山東大學云基智能機器人實驗室、后勤指揮學院的軍事物流工程實驗室等。但是，隨著物聯網、云計算、大數據及人工智能等技術的發展，傳統實驗室在適應新工科人才培養、對接“中國制造2025”的制造強國戰略方面顯得有些力不從心，主要表現為系統性、先進性及智能性不足，難以承載培養實踐能力強、創新能力強的高端復合型人才的重任［8-9］。因此，智慧工廠實踐教學平臺的建設應體現如下的理念和原則：

（1）先進性。智慧工廠的建設要具有一定的前瞻性，使用的技術和裝備也要盡可能代表未來的發展趨勢和主流。如智慧工廠建設過程中硬件設備應考慮支持OPC UA 標準或者是符合邊緣計算框架，未來能結合增強現實技術，能擴展建立智慧工廠數字孿生系統等［10］。

（2）智能性。智慧工廠之所以“智慧”，其核心就是智能性，具體包含幾個層次：設備、管理系統和大數據分析智能性。設備智能性主要是指智慧工廠的主要硬件設備應是智能設備，如碼垛機器人、AGV 智能車等；管理系統智能性是指智能工廠的各種管理系統軟件應具有一定智能算法，如智能調度、智能導航及智能分揀等算法；大數據分析智能性是指智慧工廠的運營數據可以通過智能化的分析工具和算法進行分析、評估和優化。3 個層面的智能性最終可實現智慧工廠的執行智能化、管理智能化和決策智能化。

（3）系統性。智慧工廠是一個復雜的綜合系統，需要通過物聯網技術、自動化技術、網絡與通信技術和人工智能技術等，把人、機、物、環境有機聯系起來，實現生產與管理的統一集成［6］。因此，智慧工廠的建設是一個復雜的系統工程，它是由相互聯系的、具有不同功能的子系統組成，而不是各單元技術的零散堆砌。

（4）實用性。智慧工廠雖然是一個實踐教學平臺，但是其功能定位和技術水準應瞄準真實的工業應用場景，甚至在條件允許情況下直接建成工業應用級的智慧工廠。這樣做，一方面可以推進產學合作協同育人機制的實施，另一方面，也可以在創新實踐教學中更好地培養學生的創新精神和工匠精神。

2 智慧工廠實踐教學平臺的建設方案

2.1 平臺目標和功能定位

智慧工廠實踐教學平臺的建設目標是建成國內一流的智慧工廠實踐教學軟硬件平臺，對接“中國制造2025”的國家戰略，為培養“新工科”實踐能力強、創新水平高的復合型人才提供支撐。智慧工廠實踐教學平臺秉承產學合作協同育人理念，面向本科生、研究生教育和國際智能制造研究前沿，堅持教學與科研并重、硬件與軟件并重、實訓與創新并重，并開放服務于社會業界。

2.2 平臺建設內容

智慧工廠實踐教學平臺的建設以“一橫一縱”為主線，橫向以企業生產為核心，前端包括原材料采購與倉儲，后端包括成品倉儲與分銷，構成產品生命周期及溯源管理系統；縱向以物聯網技術層次，即透徹感知、全面互聯、智能信息處理為依托，面向生產企業產供銷的不同業務環節，構建不同的業務功能子系統，即原材料倉儲管理系統、生產管理與控制系統、自動化立庫系統、基于DPS的拆零揀選系統和產品質量安全溯源系統。這5 個子系統以產品生產制造為核心，將原材料供應、生產過程管理、產品自動化倉儲、拆零揀選及安全溯源管理等業務功能有機結合，同時在每一環節也綜合考慮各種物聯網技術的應用，從而構建一個基于制造物聯網的智慧工廠，其整體功能布局采用“U”型布局模式，如圖1 所示。

圖1 智慧工廠總體結構布局

另一方面，為使智慧工廠能在虛擬空間中完全實時在線運行，還運用三維仿真軟件建立起智慧工廠的虛擬模型，并通過數據接口將智慧工廠的物理模型和虛擬模型連接起來并進行實時通信，從而建立智慧工廠數字孿生體，使智慧工廠實現“在信息空間開創制造和管理未來”，體現新的制造和管理模式［11-12］。

（1）原材料倉儲管理系統。原材料倉儲管理系統主要對生產所需的原材料進行分類管理，并按類別賦予唯一的條碼標識，并與DPS 存儲貨架的貨位對應，在生產線前端進行可視化的原料倉儲管理，為產品質量安全溯源奠定基礎。原材料倉儲管理系統的主要硬件設備包括DPS存儲貨架、條碼打印機和條碼識別器。

（2）生產管理與控制系統。生產管理與控制系統（見圖2）是智慧工廠的核心子系統，主要對生產過程進行管理和控制，如生產計劃制定、產品生產及賦碼、質量檢測、機械手組盤、托盤RFID 識別等，特別是機械手組盤環節，需將單個產品上的條碼和托盤上的RFID 標簽進行信息關聯，為后續的溯源管理打下基礎。生產管理與控制系統的主要設備有：生產線、激光打碼機、OCR識別器、碼盤機械手、RFID識讀器等。

圖2 生產管理與控制系統

（3）自動化立庫系統。自動化立庫系統（見圖3）對生產出來的產品進行自動化入庫與出庫管理，并通過智能貨位分配算法對出入庫托盤進行最優貨物分配，并通過優化調度算法對堆垛機進行合理的作業調度，同時輔以可視化的電子貨位圖進行可視化操作管理。

圖3 自動化立庫系統

自動化立庫系統主要由環形分揀線、立體貨架和堆垛機組成，由PLC 控制并和生產線控制系統、碼盤機械手進行實時通信和聯動。自動化立庫系統前端和生產管理與控制系統對接，接受生產系統組好的托盤進行托盤入庫；后端完成托盤出庫后，和DPS 拆零揀選系統的散件出庫合流，實現“整托＋散件”的混流出庫模式，以更貼近實際工業應用的真實場景完成出庫操作。

（4）基于DPS 的拆零揀選系統。將LED 電子標簽安裝于貨架儲位上，通過LED 電子標簽指示，輔助揀貨人員進行摘果式揀貨操作，大大提高揀貨效率，減少揀貨差錯。基于DPS 的拆零揀選系統（見圖4）的主要設備包括：流利式貨架、作業報警三色指示燈和LED電子標簽、LED電子標簽控制器。

圖4 基于DPS的拆零揀選系統

（5）產品質量安全溯源系統。在生產制造環節的末端，考慮產品在流通環節的質量與安全追溯需求，設計開發了產品質量安全溯源系統，通過手機APP自動識別產品條碼，查詢產品的生產批次、原材料批次、生產環境及物流路徑等信息，實現不同條件下產品溯源查詢和安全追溯。

在建立了智慧工廠5 個子系統物理模型的基礎上，為順應“中國制造2025”和工業4.0 的時代潮流和發展趨勢，運用西門子三維建模與仿真軟件建立了智慧工廠的虛擬模型，并將智慧工廠物理模型和虛擬模型實時連接起來，從而構建了智慧工廠的數字孿生，以實現虛實協同、精準掌控，如圖5 所示。

圖5 智慧工廠數字孿生系統

3 智慧工廠實踐教學平臺的建設效果

智慧工廠實踐教學平臺建成以后，在促進和加強實踐教學、科學研究、產學合作及社會服務等多方面發揮了重要作用，取得了良好的效果。

（1）實踐教學。智慧工廠實踐教學平臺不但成為我校人工智能與自動化學院自動化和物流管理專業本科生課程的實驗平臺，同時也成為學院專業型研究生的創新實踐課程平臺。自平臺建成以來，已為本科生智能裝備與自動化系統、物流信息技術、現代物流配送等諸多課程開設配套實驗，同時，也為課程設計和畢業設計提供了一個良好的研究對象和實踐場所。另一方面，智慧工廠在創新實踐教學方面也發揮了重要作用，已成為大學生參加“西門子杯”中國智能制造挑戰賽、全國高校物聯網應用創新大賽、全國大學生物流設計大賽等諸多創新設計大賽的重要實踐基地。近幾年，學院大學生依托該平臺已在上述大賽中多次取得一、二等獎好成績。先進技術的運用和真實場景的展現不但極大地豐富了實踐教學的內容，同時也大大激發了學生們探究科學的興趣。

（2）科學研究。智慧工廠作為實踐教學平臺的同時，也為開展科學研究提供了一個良好的平臺。依托該智慧工廠平臺，學院多個課題組在生產調度與優化、物流系統建模與仿真、人機共生協作建模與優化等諸多領域開展科學研究，并承擔和完成了多項縱向和橫向科研課題，取得了一系列科研成果；同時，這些項目和成果也進一步充實和豐富了實踐教學的內容，為培養學生的實踐能力和創新能力提供了新的機會和途徑。

（3）產學合作。智慧工廠實踐教學平臺建設伊始就堅持開放的辦學理念，平臺的建成也極大地促進了產學合作，已吸引西門子、華工科技產業股份有限公司等知名企業參與共建并建立長期合作關系，他們的技術和產品也使得智慧工廠在設計理念和技術方面保持一定的先進性；另一方面，智慧工廠平臺及研究成果也引起乳制品、酒品及煙草等行業龍頭企業的極大興趣和合作意向，他們積極提供現實需求和典型場景來引領智慧工廠研究成果的應用和推廣，從而保證智慧工廠具有較強的實用性。事實證明，智慧工廠實踐教學平臺極大地推動和促進了產學合作，成為一個“頂天立地”的科研教學綜合實踐平臺。

（4）社會服務。智慧工廠也是對外交流和展示的一個重要平臺。智慧工廠建成以來，每年接待兄弟院校、社會企業及國外專家友人的參觀交流多達幾十次。這種交流不但大大促進了“中國制造2025”背景下智能制造理念的傳播和應用，而且也對促進產學研深度合作起到了積極的推動作用。

4 結 語

“中國制造2025”背景下所打造的智慧工廠實踐教學平臺是一種面向智能制造的實踐教學平臺。該平臺以產品生產制造為核心，將原材料供應、生產過程管理、產品自動化倉儲、拆零揀選及安全溯源管理等業務功能有機結合，并綜合運用三維建模與仿真軟件建立起智慧工廠數字孿生。該平臺秉承產學合作協同育人理念，以前沿的技術和豐富的實踐教學內容，為“中國制造2025”背景下“新工科”人才培養提供良好的實踐支撐環境，為培養和增強學生的實踐能力和創新水平，提高學生的綜合素質提供幫助。