多元集成的智能生產(chǎn)實驗教學(xué)平臺建設(shè)

嚴(yán)京濱， 成 曄

（清華大學(xué)工業(yè)工程系，北京 100084）

0 引 言

隨著我國“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)＋”“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”等重大戰(zhàn)略的提出與實施，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，在這個過程中需要大量具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力、高素質(zhì)的復(fù)合型人才。基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，以及培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的需求，有必要建設(shè)與人才培養(yǎng)相應(yīng)的實驗教學(xué)平臺。

1 原有教學(xué)平臺基礎(chǔ)

工業(yè)工程是研究復(fù)雜系統(tǒng)有效運作的科學(xué)，將工程技術(shù)與管理科學(xué)相結(jié)合，從系統(tǒng)的角度對制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等企業(yè)或組織中的實際工程與管理問題進(jìn)行定量分析、優(yōu)化與設(shè)計，是一門以系統(tǒng)效率和效益為目標(biāo)的、獨立的工程學(xué)科。實驗教學(xué)平臺的建設(shè)需要符合專業(yè)實踐特色以及人才培養(yǎng)目標(biāo)的需求。

我校工業(yè)工程系物流系統(tǒng)實驗室建立于2004年，以培養(yǎng)肩負(fù)使命、追求卓越、既懂工程技術(shù)又掌握管理科學(xué)知識的高素質(zhì)人才為目標(biāo)，創(chuàng)建了一系列具有開放性、創(chuàng)新性的教學(xué)實踐平臺。圖1所示的實驗平臺是2012年所研制開發(fā)的，應(yīng)用于生產(chǎn)運作管理的實驗教學(xué)已多年，雖然已被其他近20所高校采用，但是只著重于裝配生產(chǎn)運作與管理實驗教學(xué)，應(yīng)用場景單一；人工部署費力、費時；自動化程度低。所采用的技術(shù)已經(jīng)缺乏當(dāng)今科技的前沿性，已不具備先進(jìn)性。為了適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)和先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，滿足新技術(shù)應(yīng)用下行業(yè)及企業(yè)高素質(zhì)人才的需求，引領(lǐng)工業(yè)工程實踐教學(xué)的智能、高端變革，完全有必要加快新一代智能制造技術(shù)的研究及應(yīng)用，實現(xiàn)實驗教學(xué)平臺的升級改造。

圖1 2012年研制的裝配生產(chǎn)運作與管理實驗系統(tǒng)

2 生產(chǎn)與物流實踐教學(xué)平臺建設(shè)

智能制造涉及與生產(chǎn)、物流環(huán)節(jié)相關(guān)的上下游全流程，涉及內(nèi)容廣。多種技術(shù)的應(yīng)用，多個環(huán)節(jié)的集成創(chuàng)新，以提高制造的智能化、數(shù)字化。國內(nèi)外高校都圍繞自身基礎(chǔ)進(jìn)行了智能工廠、智能制造教學(xué)平臺的實踐。例如我校工業(yè)工程系與麥肯錫公司合作建立的占地200 m2的模范工廠實驗室，設(shè)計有離散生產(chǎn)線、機加工生產(chǎn)線和連續(xù)流生產(chǎn)線，分別體現(xiàn)出模擬裝配類、重投資類及流程類行業(yè)各自生產(chǎn)工藝特色，還可演示諸如生產(chǎn)排產(chǎn)、物流管理等延伸類型運營主題。同濟大學(xué)工業(yè)4.0實驗室［1］，設(shè)計了自動流水線，每個工件配電子標(biāo)簽，內(nèi)置定制的加工任務(wù)，可自行與機器人、機床等加工設(shè)備進(jìn)行通信，完成加工，并進(jìn)行質(zhì)量檢測，實現(xiàn)了大規(guī)模定制。杭州電子科技大學(xué)智能工廠實驗系統(tǒng)［2］與西門子公司合作，開發(fā)了基于工業(yè)4.0的軸承智能裝配實驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)混裝。山東財經(jīng)大學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)與智能物流實驗室模擬第三方物流公司配送中心的包裝、裝卸、倉儲、配送等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)全過程智能控制［3］。德國的達(dá)姆施塔特應(yīng)用科學(xué)大學(xué)建立了全自動的工業(yè)4.0學(xué)習(xí)工廠，稱為AutFab，該生產(chǎn)線采用射頻識別RFID技術(shù)［4］。奧地利格拉茨理工大學(xué)智能制造工廠實驗室采用自動導(dǎo)引車和機械臂實現(xiàn)齒輪裝配［5］。

以數(shù)字化和智能化為主導(dǎo)的制造業(yè)和物流行業(yè)的的生產(chǎn)、運作與管理模式必將發(fā)生變化，但是目前高校的實訓(xùn)基地多采用工業(yè)設(shè)備，體積龐大，占地面積廣，系統(tǒng)復(fù)雜，流程固化，更多開展的是演示型或驗證型實驗，學(xué)生實踐參與度不高。不利于滿足當(dāng)前行業(yè)對高端綜合性、高素質(zhì)人才的培養(yǎng)需求。

結(jié)合實驗教學(xué)需求和科研應(yīng)用的需求以及人才培養(yǎng)的目標(biāo)，基于實驗室原有實驗教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)與經(jīng)驗［6-7］，采用工業(yè)級應(yīng)用的自動輸送機器人為教學(xué)平臺的應(yīng)用基礎(chǔ)載體，采用（物聯(lián)網(wǎng)、自動化、網(wǎng)絡(luò)、智能、自動識別等）先進(jìn)技術(shù)，引入工程技術(shù)、信息技術(shù)、運營技術(shù)和工業(yè)工程方法，實現(xiàn)教學(xué)實驗平臺的互聯(lián)互通，可產(chǎn)可控，可測可控，達(dá)到“隨需而至，隨需而制”的目標(biāo)。以自動輸送機器人為平臺基礎(chǔ)構(gòu)建單元，全程高度自動化，部署敏捷，也可實現(xiàn)智能驅(qū)動，可形成動態(tài)的裝配生產(chǎn)流水線和動態(tài)的物料揀選線，涉及應(yīng)用場景比之前更豐富，布局多樣，自動化程度高。裝配車間與物料庫之間可通過自動輸送機器人完成聯(lián)接，實現(xiàn)物料輸出及成品入庫自動化（見圖2）。 此實驗教學(xué)平臺的設(shè)計與建設(shè)采用“積木搭建”思想，提供多種類別的“技術(shù)及應(yīng)用積木”，針對不同課程的需求，不同的應(yīng)用場景，可迅速敏捷地構(gòu)成多類別、異構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)，使探索運作模式和管理模式的創(chuàng)新成為可能。它的特點在于：

圖2 基于自動輸送機器人的智能生產(chǎn)實驗教學(xué)平臺

（1）平臺開發(fā)的主導(dǎo)思想突出先進(jìn)性、系統(tǒng)性、工程性、綜合性及實踐性等特點，提高學(xué)生的工程技術(shù)應(yīng)用能力和工程實踐能力，增強學(xué)校人才培養(yǎng)與企業(yè)人才需求的適應(yīng)性。在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用機器人技術(shù)及智能制造技術(shù)已成為企業(yè)提升核心競爭力的關(guān)鍵。所構(gòu)建實驗平臺具備信息化和工業(yè)化融合的特點，科技含量高，應(yīng)用眾多先進(jìn)技術(shù)，將工業(yè)工程學(xué)科與企業(yè)應(yīng)用兩方面在該系統(tǒng)中進(jìn)行有機融合，理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，學(xué)生通過貼近企業(yè)實際應(yīng)用的場景，掌握當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)及管理方法，而且能夠了解并掌握該領(lǐng)域的前沿發(fā)展動態(tài)。

（2）突顯應(yīng)用型的特色，將企業(yè)實際應(yīng)用、能力培養(yǎng)和知識傳授融為一體。基于平臺可以實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研互動。基于先進(jìn)的設(shè)備，構(gòu)建智能生產(chǎn)環(huán)境，貼近企業(yè)應(yīng)用。使學(xué)校的人才培養(yǎng)與用人企業(yè)形成良性互動。基于該平臺探究的新方法或新模式可以向企業(yè)推廣。

（3）所構(gòu)建實驗平臺具備自主性、實戰(zhàn)性、挑戰(zhàn)性、開放性、創(chuàng)新性等特點，將生產(chǎn)環(huán)節(jié)與物聯(lián)、互聯(lián)網(wǎng)、人機交互技術(shù)等有機地結(jié)合起來，形成一個“包容、開放、共享”的平臺。平臺架構(gòu)是開放的、模塊化的、易構(gòu)的，能夠最大限度地整合實驗室軟硬件資源，讓平臺充滿活力。

（4）學(xué)生利用不同效能的“工廠積木”，可自主構(gòu)建“智慧夢工廠”，并對其運行與管理。平臺能夠最大限度發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，探索新技術(shù)下的生產(chǎn)組織、物流運行、管理模式以及信息技術(shù)的應(yīng)用。依托此實驗平臺，可以探索并實踐“教、學(xué)、做、用、研、創(chuàng)”六位一體創(chuàng)新實驗教學(xué)模式。

3 實驗教學(xué)體系設(shè)計及教學(xué)實踐

基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，針對新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)發(fā)展，2017年教育部正式推出新工科計劃，新工科的內(nèi)涵是：以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才［8］。基于ABET（Accreditation Board for Engineering and Technology，工程技術(shù)評審委員會）結(jié)構(gòu)認(rèn)證視角［9］，在新工科的背景下，結(jié)合我校以價值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授“三位一體”為核心的教育理念［10］以及工業(yè)工程為交叉學(xué)科的特點進(jìn)行了實驗教學(xué)體系設(shè)計與建設(shè)。

實驗教學(xué)體系建設(shè)目標(biāo)為以新生產(chǎn)實驗教學(xué)平臺為主體，理實貫通，多元集成，以人為本，推進(jìn)學(xué)科融合、科教協(xié)同，培養(yǎng)面向未來的工業(yè)工程創(chuàng)新人才，符合行業(yè)及社會需求的高素質(zhì)人才。采用項目驅(qū)動，以問題為導(dǎo)向，體驗沉浸式學(xué)習(xí)方式，采用企業(yè)實際應(yīng)用案例場景，真實地展示和反映工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)應(yīng)用和運作管理流程。實驗教學(xué)將以學(xué)生為主體，結(jié)合裝配、揀選配送等應(yīng)用場景，通過自主設(shè)計、自主構(gòu)建、自主組織、自主運營、自主優(yōu)化、自主維護(hù)等實踐形式，體驗有關(guān)“設(shè)計、規(guī)劃、生產(chǎn)／構(gòu)建、運營／實施”等環(huán)節(jié)流程，對系統(tǒng)的運作模式或管理流程進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，做到理論知識與實際應(yīng)用的貫通。

多元集成的智能生產(chǎn)實驗教學(xué)平臺由設(shè)備層、運行層、管理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層構(gòu)成，融入了工程技術(shù)、信息技術(shù)、運營技術(shù)、智能技術(shù)、仿真技術(shù)、數(shù)字工程技術(shù)等多項技術(shù)，結(jié)合工業(yè)工程方法，實驗教學(xué)類型設(shè)計為基礎(chǔ)型、綜合型、挑戰(zhàn)型和研究型（見圖3）。

圖3 實驗教學(xué)平臺構(gòu)成與實驗教學(xué)

工業(yè)工程是實踐性極強的學(xué)科，許多理論、技術(shù)和方法都來源于實踐，必然要求實踐教學(xué)要貼近生產(chǎn)實際、工程教育要貼近工程實踐、實踐教學(xué)要符合企業(yè)人才培養(yǎng)需求［11-13］。基于智能生產(chǎn)教學(xué)平臺的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)以學(xué)生為主體，著重產(chǎn)品／系統(tǒng)全生命周期，圍繞分析、設(shè)計、構(gòu)建、驗證四大實驗要素，結(jié)合工程技術(shù)、信息技術(shù)、運營技術(shù)和工業(yè)工程方法等實驗技術(shù)及方法應(yīng)用，提升學(xué)生“學(xué)、做、用、研、創(chuàng)”等多維度能力，從能力、方法、意識、創(chuàng)新、素養(yǎng)、協(xié)作等6個方面著重對學(xué)生的培養(yǎng)（見圖4）。通過實景沉浸式教學(xué)發(fā)揮學(xué)生獨立思考解決問題的能力，強調(diào)自主學(xué)習(xí)，統(tǒng)籌資源，團隊協(xié)作，對新技術(shù)和新方法的應(yīng)用與探究持有好奇心、想象力和創(chuàng)新，貼近工業(yè)實際應(yīng)用的系統(tǒng)的設(shè)計、構(gòu)建、運作與管理的績效評估也增強了學(xué)生的社會責(zé)任感與使命感。

圖4 實驗教學(xué)與IE人才培養(yǎng)

此實驗教學(xué)平臺建設(shè)與教學(xué)應(yīng)用相交并進(jìn)，通過專業(yè)課程實驗教學(xué)、課程設(shè)計、生產(chǎn)實踐、學(xué)生自主研究等方式，不斷對此實驗教學(xué)平臺進(jìn)行建設(shè)與完善，并豐富實驗教學(xué)平臺內(nèi)容。在2019（70人，7組）、2020年（74人，7組）基于此平臺進(jìn)行了課程“生產(chǎn)計劃與控制”的生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)運作專題教學(xué)實驗（見圖5）。通過課程實驗環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能夠理解市場的多樣性需求，學(xué)習(xí)并運用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，構(gòu)建敏捷應(yīng)變的生產(chǎn)系統(tǒng)，并實現(xiàn)高效率運行。在此實驗環(huán)節(jié)中，突破了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)流水線傳送帶的概念，運用自動輸送機器人承載裝配工作臺，構(gòu)建自由移動式的裝配生產(chǎn)系統(tǒng)，能根據(jù)產(chǎn)品與市場訂單變化的情況，自動重構(gòu)生產(chǎn)線。通過實驗活動，一方面能夠把課堂知識用在實際系統(tǒng)中，實現(xiàn)了從“聽懂”到“會用”的轉(zhuǎn)換。另一方面是由于系統(tǒng)提供了高度的靈活性，能夠允許學(xué)生們自由地設(shè)計自己理想中的生產(chǎn)系統(tǒng)，每組學(xué)生的生產(chǎn)體系結(jié)構(gòu)布局、人員分工、作業(yè)流程都各不相同，充分發(fā)揮了學(xué)生們的積極主動性，真正地實現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)方式。此外，高度數(shù)字化、智能化的生產(chǎn)設(shè)施與管控體系，讓學(xué)生們體會到了未來的智能生產(chǎn)系統(tǒng)所具有的主要特征，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力也頗有裨益。

圖5 學(xué)生在流動生產(chǎn)線上進(jìn)行裝配

4 結(jié) 語

集成了多元技術(shù)與方法、多元設(shè)備協(xié)同、多元實踐環(huán)節(jié)的智能生產(chǎn)實驗教學(xué)平臺以先進(jìn)技術(shù)、系統(tǒng)理念為引領(lǐng)，推進(jìn)教學(xué)實驗平臺的升級，學(xué)研融合、創(chuàng)教融合，提供自主型、研究型、創(chuàng)新型三維一體的多模式實踐教學(xué)。此實驗教學(xué)平臺當(dāng)前已完成了應(yīng)用基礎(chǔ)平臺建設(shè)，并開展了專題實驗教學(xué)，受到了學(xué)生們的肯定與歡迎。采用企業(yè)實際應(yīng)用案例場景，真實地展示和反映工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)應(yīng)用和運作管理流程，學(xué)生可以自主構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，并對運作模式或管理流程進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。基于問題導(dǎo)向、項目驅(qū)動的實景沉浸式教學(xué)實驗，不僅加深和鞏固了學(xué)生的理論基礎(chǔ)，也培養(yǎng)并提升了學(xué)生較強的實踐能力、管理能力、溝通能力、創(chuàng)新能力。

此實驗教學(xué)平臺引入當(dāng)前最新技術(shù)及熱點技術(shù)（數(shù)字化、智能化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、增強現(xiàn)實等），推動技術(shù)創(chuàng)新。選取工業(yè)應(yīng)用中最為代表性的自動輸送機器人為基礎(chǔ)應(yīng)用載體，選擇典型的工業(yè)應(yīng)用場景，設(shè)計相應(yīng)的專業(yè)課程實驗環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，多方集成，能夠快速構(gòu)建多種體系，提供創(chuàng)新平臺，具有開放性、易構(gòu)性、創(chuàng)新性、易擴展性等特點。此平臺建設(shè)過程中獲得了2項發(fā)明專利授權(quán)：一種裝配生產(chǎn)系統(tǒng)及方法（專利號：ZL-2019-1-0745227.1）［14］；一種工位架（專利號：201910744636.X）［15］。

今后將繼續(xù)進(jìn)行此實驗教學(xué)平臺的數(shù)字化建設(shè)與智能化提升的建設(shè)，繼續(xù)優(yōu)化和完善。基于此平臺可開展對生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計、過程優(yōu)化以及流程管理等實踐，讓學(xué)生深入體驗和理解系統(tǒng)中物料流、服務(wù)流、信息流互相影響、互相制約的關(guān)系，體驗并實踐互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、VR／AR、數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，為系統(tǒng)有效運行能夠提出改善措施和選擇最優(yōu)方案，以培養(yǎng)學(xué)生工程實踐分析和設(shè)計能力，提升分析、規(guī)劃、設(shè)計、管理和運行系統(tǒng)的能力。學(xué)生也可探索關(guān)于生產(chǎn)系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)和運行模式。希望通過智能生產(chǎn)實驗教學(xué)平臺的建設(shè)，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的開展，不斷探索符合新時代行業(yè)發(fā)展需要的新工科創(chuàng)新型復(fù)合人才培養(yǎng)的實驗教學(xué)模式。