學科交叉背景下的《發酵過程智能控制技術》課程建設

丁健，史仲平

(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122)

伴隨工業生物技術及其周邊學科的發展，工業化發酵生產呈現出部門分工細化、組織規模擴大、產品多樣化和發酵過程參數多樣化的特點[1]。工業發酵過程的上述特點，使得發酵數據的數量及復雜程度劇增,每個發酵批次本身具有特定的批次信息，如操作部門、操作人員、產品等；每個發酵批次內又包含在線數據、離線數據、菌體形態、人員操作記錄等生產信息。技術人員需要通過分析歷史數據指導發酵生產，優化發酵工藝。隨著發酵數據數量及復雜程度的增加，發酵企業對于技術人員自身的專業素質也提出了更高的要求。然而，各高校生物工程類相關專業的課程設置中，僅在《發酵工程原理與技術》這門課程中對于發酵工藝控制與優化有所涉獵，且教學內容過于陳舊，沒有與當前工業生產中的最新技術緊密結合[2]。很明顯，在此模式下培養出的技術人員，難以滿足發酵企業對于技術人員的要求。

工業化發酵過程在數據管理、數據分析、數據驅動的工藝控制與優化方面遇到技術瓶頸，與此同時，由新一代信息技術催生出的第四次工業革命正在悄然到來。以工業互聯網、物聯網、大數據和人工智能為代表的新一代信息技術正在以“潤物細無聲”的姿態改變著傳統制造業[3]。我國工業和信息化部于2021年11月印發的《“十四五”信息化和工業化深度融合發展規劃》中明確指出：信息世界和物理世界的深度融合是未來世界發展的總趨勢，信息化和工業化深度融合順應這一趨勢，正在全面加速數字化轉型、推動制造業企業形態、生產方式、業務模式和就業方式的根本性變革[4]。新一代信息技術的快速發展，為工業發酵過程突破技術瓶頸提供了強有力的工具。信息技術可有效提高發酵數據管理和分析的效率，利用大數據和人工智能技術構建的數字化模型，能夠理性指導發酵工藝的優化控制，擺脫關鍵工藝操作環節對于人工經驗的過度依賴，提高工藝控制的精度和自動化水平，在穩定發酵生產性能的同時實現節能降耗。因此，與信息技術的深度融合，是發酵工業轉型升級、提高自身競爭力的必由之路。

想要實現信息化與發酵工業的深度融合，需要大量具有交叉學科背景的工程技術人才。眾所周知，生物工程與信息技術之間的專業跨度較大。比較江南大學生物工程專業和計算機科學與技術專業的培養方案，可以發現，這兩個專業的基礎課設置差異較大，并且其他高校類似專業的課程設置也有這一特點，最終導致具有信息技術和生物工程交叉背景的人才稀缺，無法滿足信息化與發酵工業的深度融合。在這一背景下，江南大學生物工程學院嘗試在生物工程類本科專業中開設《發酵過程智能控制技術》課程，旨在培養學生利用信息技術解決發酵數據管理、數據分析、工藝控制與優化問題的能力，為發酵行業輸送具有交叉學科背景的工程技術人才。

1 教學內容

1.1 python虛擬環境搭建和常用工具包

在學習本課程之前，學院已開設《python語言程序設計》，側重對于python編程語言本身的學習和應用。一定的計算機編程能力，是發酵過程智能控制所必須的。在先修課程的基礎上，重點講授virtualenv虛擬環境、pip包管理工具，使學生快速掌握搭建應用型工程項目框架的方法。最后，基于virtualenv虛擬環境和pip包管理工具，介紹在發酵過程智能控制中常用工具包，具體內容如表1所示。利用這些成熟的工具包，能夠快速高效地實現發酵過程中所需的數據采集、科學計算、數據可視化以及數據通信等功能。將這些工具包中的功能函數靈活組合，能夠快速搭建發酵過程智能控制系統。因此，熟練使用這些工具包，是發酵過程智能控制的基礎。由于課堂教學時間有限，授課過程中重點講述工具包主要功能、用途、安裝方法以及最基本的使用方式，同時給出各工具包所對應的詳細官方文檔，供學生課后學習。同時，針對每一個工具包在發酵過程控制中的應用場景，布置難度適宜的課后作業，培養學生自主閱讀文檔、獨立解決問題的能力。

表1 發酵過程智能控制常用python工具包Table 1 Commonly used tools for fermentation process intelligent control

1.2 發酵數據采集與管理

如今，在各行各業中，數據已被看作巨大的寶藏。本章節授課內容，主要關注在發酵過程中的數據來源問題，目的在于教會學生從不同的發酵設備中獲取第一手數據，并對其進行科學地管理。首先介紹目前市售發酵罐的硬件及軟件架構模式，使學生初步了解小試、中試以及生產規模的發酵罐架構模式。之后，介紹在不同的硬件及軟件架構模式下，如何與設備通信，從設備中獲取數據。例如，如圖1所示的發酵罐架構中，主要可以采用3種方式從發酵罐的主控PLC上獲取數據：(1)通過KepServer軟件中轉，再利用多種軟件接口從KepServer中讀取數據；(2)使用python中的snap7-python工具包直接讀取主控PLC中的寄存器或者數據塊；(3)若主控PLC開啟了OPC-UA通信的功能，則可以利用python中的python-opcua工具包，通過OPC-UA接口讀取PLC中的數據。在不同的設備架構模式下，可以使用不同的方法讀取設備數據，常用的方法還包括，動態數據鏈接、OPC-DA以及http協議等，在本章節中都會一一向學生講授。

圖1 發酵設備架構示例Fig.1 Example of fermenter equipment architecture

從發酵設備中獲取到的大量數據，如何進行有效管理是本章節關注的第二個問題。在授課過程中，首先以MySQL數據庫管理軟件為例，向學生講授關系型數據庫的相關基礎知識。在此基礎上，更重要的教學內容是教會學生如何根據發酵過程數據的類型和特點，有針對性地設計數據庫結構，實現發酵數據的高效管理。利用結構合理的關系型數據庫，可以幫助發酵技術人員對數據進行快速的保存、刪除、修改以及查詢。最后，教會學生如何利用python中的pymysql工具包操作MySQL數據庫，這也是未來發酵技術人員的重要技能之一。

1.3 嵌入式開發與發酵設備控制

嵌入式開發就是指在嵌入式操作系統下進行開發，一般常用的系統有linux， WinCE，android等。嵌入式操作系統具有內核小、極度精簡、控制性強、適應性強的特點，在嵌入式操作系統中開發的計算機程序，被廣泛用于各行各業的工業控制過程當中[5]。本章節將以安裝有嵌入式Linux操作系統的單板控制機——樹莓派為實例，為學生講授嵌入式開發在發酵設備控制中的應用[6]。首先，以實際操作為學生展示嵌入式Linux操作系統的簡易使用方法，并教會學生如何在嵌入式Linux操作系統上搭建python開發環境。在此基礎上，一一為學生介紹樹莓派上集成的多種通信接口，如數字IO、Uart、I2C以及SPI等，并介紹這些通信接口在發酵過程控制中的應用范圍。最后，以具體的python代碼為例，展示如何利用樹莓派上的通信接口對發酵罐及周邊設備進行控制，例如：利用數字IO接口控制電器閥的開啟和閉合，利用Uart接口控制流加泵的轉速，利用I2C上外界的AD/DA模塊采集壓力傳感器數據，調節保壓閥的開度，進而將發酵罐內的壓力控制在穩定水平。

課程講授至此，學生已經學會如何利用python編程的方式從各類發酵罐以及周邊設備中采集數據、管理數據，并對各類設備實施控制，已經初步具備了對發酵過程進行智能控制的相關硬件知識。在以下章節的教學中，將繼續對相關軟件開發知識和技能進行強化學習。

1.4 數據與控制指令傳輸

掌握了對單臺發酵設備數據采集、數據管理和設備控制的相關知識后，需要對學生的知識體系進行進一步擴展，繼續講授多臺發酵設備集中控制和數據統一管理的方法。在實際的發酵生產過程中，發酵設備并不一定集中在一起，可能位于不同車間、不同廠區、甚至不同城市。因此，設備的集中控制和數據的統一管理，必然涉及數據和控制指令的遠程傳輸。目前，互聯網相關的基礎設施建設已經十分完善，其穩定性和瞬時傳輸速度已經完全能夠滿足發酵數據和設備控制指令傳輸的需求。因此，本章節主要向學生講授利用互聯網傳輸發酵數據和設備控制指令的相關知識。

授課的內容主要包括：TCP協議，http協議，mqtt協議，阿里云物聯網平臺。幾種網絡通信協議的關系如圖2所示，其中，TCP協議是最基本的網絡傳輸協議，利用它傳輸數據，軟件開發的工作量較大。http協議和mqtt協議均是在TCP協議的基礎上，經過進一步封裝而獲得。前者主要用于由客戶端向服務器的請求發送，是單向的；后者在物聯網設備的通信中具有廣泛應用，利用“訂閱-推送”機制實現數據流在“客戶端-客戶端”和“客戶端-服務器”之間的自由傳輸。阿里云物聯網平臺則是在標準mqtt協議的基礎之上進行更進一步的封裝，提供更加簡單易用的接口函數，且有專門的團隊負責平臺的維護，穩定性高。本章節要求學生重點掌握通過標準http協議和阿里云物聯網平臺傳輸發酵數據和指令的方法。

圖2 網絡通信協議之間的關系Fig.2 Relationships between network communication protocols

1.5 綜合應用實例

如前所述，信息化與發酵工程的深度融合，需要技術人員同時具備信息技術和發酵工程相關的背景知識。本課程進行至此，在發酵工程中能夠用到的信息技術知識已經基本講授完畢。由于課堂教學學時有限，講授過程更加偏重于知識結構體系的構建和實際操作的訓練，過于細致的技術細節涉及較少。為了彌補這一缺陷，上述的所有內容都會給學生提供權威的課后學習資料，供學生擴展學習。發酵工程相關知識，學生已經在先修課程《發酵工程原理與技術》中學習過[7]，本課程中就不再詳細講述。

前面幾個章節中，對于信息技術相關知識的介紹都是零散的，即便學生已經熟練掌握了每一個知識點，也很難綜合運用各個章節所學到的內容解決發酵工程中遇到的實際問題。想要提高學生運用書本知識解決實際問題的能力，具有針對性的、典型的綜合案例教學必不可少。因此，在本課程的最后一個章節中，授課教師將精心選擇2～3個綜合性的項目案例，這些案例全部來源于實際的科研或工程項目。例如，圖3所示的項目實例，該實例在樹莓派上利用python語言編寫數據接口與設備通信，通過本地web服務器為現場操作人員提供上位機操作接口，通過內嵌的阿里云物聯網平臺客戶端實現數據的上報和控制指令的轉發。在課堂上詳細剖析這些綜合案例中每個功能模塊內部實現的功能，以及各功能模塊之間系統作用的機制，并依靠實物展示、分組討論等方式引導學生主動思考，在課后完成授課教師布置的開放性系統開發作業。通過綜合案例的講解和課后的開放性系統開發作業，使學生將前面幾個章節中所學到的基礎知識融會貫通，真正具備查閱資料、閱讀操作手冊以及利用信息技術解決發酵過程智能控制實際問題的能力。

圖3 發酵數據管理系統框架Fig.3 Framework of fermentation data management system

2 教學難點及解決方案

2.1 信息技術基礎知識薄弱

本課程的授課對象是生物工程類專業大學三年級的學生，經過兩年半的學習，絕大多數的學生已經扎實地掌握了生物類以及發酵工程方向的基礎知識。由于教學計劃中與計算機相關的基礎課和專業課較少，導致學生對于信息技術類基礎知識掌握較為薄弱。如何在有限的32學時的課堂教學中，讓學生掌握大量的非本專業基礎知識，是本課程教學的最大難點。針對這一難點問題，提出以下解決方案：

(1)梳理知識體系，將信息技術類相關的知識體系按照發酵過程智能控制的需求重新組合，有利于學生根據自身現有的知識體系去發散理解新的知識體系。現舉例說明，1.2中所述的教學內容，主要包含兩個方面：第一個方面是通過硬件接口技術采集數據，第二個方面是利用數據庫技術管理數據。根據江南大學計算機科學與技術專業最新的培養方案，上述兩個方面的教學內容分別屬于硬件和軟件兩個不同的知識體系，前者按照“電路與電子技術”→“計算機組成與系統結構”→“硬件結構設計”→“匯編語言與接口設計”這一知識體系進行講授，后者按照“C語言程序設計”→“數據結構”→“數據庫系統原理”這一知識體系進行講授。而在本課程的講授過程中，將硬件和軟件兩個方面的基礎知識組合在一起，以發酵數據為引領，按照“發酵數據獲取”→“發酵數據管理”的知識體系傳授給生物工程類專業的學生，更有利于學生對知識的理解和運用。

(2)合理選擇授課內容，授課時盡量選擇與發酵工程實際應用聯系密切的內容，著重講授信息技術在發酵工程領域的應用，避免講授晦澀難懂的計算機理論知識?，F舉例說明，仍然以1.2的教學內容為例。在計算機科學與技術的《數據庫系統原理》教學中，會系統全面地講授數據模型、關系數據、數據的安全性和完整性等通用理論知識以及復雜的數據查詢語言，這些內容對于生物工程類專業的學生過深過難。在本課程的授課過程中，會盡量避免講授晦澀的理論知識，而重點講授發酵數據的特點，例如發酵批次數據信息、在線數據以及離線數據的特性等，并為學生演示如何根據發酵數據的這些特點設計數據庫系統。

(3)緊扣先修課程《發酵工程原理與技術》的教學內容，將該課程中涉及到的教學案例，進一步延伸，以案例演示的方式加深學生對于信息技術相關基礎知識的理解?，F舉例說明，《發酵工程原理與技術》中講授碳源濃度對于產物合成的影響時提到：碳源濃度過高或過低都不利于產物的高效合成，需要通過調節碳源流加速率的方式將碳源濃度控制在適宜的水平。然而，絕大多數碳源濃度都需要通過人工取樣和離線測量才可以得到，因此需要操作人員根據離線測定的碳源濃度手工調節流加速率來控制碳源濃度。在本課程中，可以對上述知識內容做進一步的強化和延伸，告訴學生如果碳源濃度可以在線測量，那么就可以利用計算機程序自動調節碳源的流加速率，從而將碳源濃度控制在適宜水平。即便缺乏測定碳源濃度的在線傳感器，也可以通過軟測量的方式，從在線可測的參數出發，實時推算碳源濃度，并依據推算得到的碳源濃度實施碳源濃度的在線控制。最終，通過一個具體的實例(如乳酸發酵過程)為學生現場演示碳源濃度實時推算和在線控制的操作過程。

2.2 學科交叉思維方式的建立

在學習過先修課程《發酵工程原理與技術》后，學生已經具備了扎實的發酵工程基礎知識。同時，上述方案的實施，也能夠有效解決學生信息技術基礎知識薄弱的難題。至此，學生已經具備了將發酵工程與信息技術融合的基礎知識。然而，想要實現不同學科的深度融合，僅有各個學科的基礎知識是遠遠不夠的。不同學科解決問題都有各自的思維方式，信息技術與生物工程解決問題的思路各不相同。信息化與發酵工業的深度融合，歸根結底是思維方式的融合。如何令學生同時具備不同學科的思維模式，同時使二者相互融合，是本課程教學的重點和難點之一。為幫助學生建立學科交叉思維方式，提出以下措施：

(1)培養學生的工程學思維，在授課和輔導課后作業過程中，提倡學生利用數學工具解決發酵工程領域的實際問題，使學生的思維方式逐步向信息技術領域過渡?，F舉例說明，按照《發酵工程原理與技術》中講授的思維方式，若要考察溶解氧濃度對于發酵性能的影響，則需要在不同溶解氧濃度(如10%、30%和50%)下實施發酵實驗，直接比較每個批次的發酵性能，確定上述3個溶解氧水平對發酵性能的影響。在本課程的授課過程中，則需要引導學生利用工程學思維考慮此類問題，將發酵過程看作一個數學模型，在忽略其他條件影響的前提下，以溶解氧濃度作為模型的輸入，以發酵性能(如細胞濃度、產物濃度等)作為模型輸出。將不同溶解氧濃度下的發酵批次數據作為建模數據，進而確定模型參數。最終，利用這一數學模型考察溶解氧濃度對于發酵性能的影響規律。

(2)將信息技術解決問題的思維方式滲透在教學過程中，針對學生耳熟能詳的發酵工程領域的實際問題，引導學生利用兩個學科不同的思維方式和解決方案解決相同問題，體會不同學科思維方式的差異以及優劣，最終將兩個學科的思維方式相互融合，發揮各自的優勢，提出解決問題的最優方案?，F舉例說明，仍然以上述溶解氧濃度和發酵性能之間的關系為例。如果想要優化溶解氧濃度，按照《發酵工程原理與技術》中講授的解決方案，仍然是直接比較不同溶解氧水平下的發酵性能，從多批發酵中找出一個性能最好的批次，將它所對應的溶解氧濃度作為最優的溶解氧濃度。而在本課程中，則需要引導學生利用信息技術解決這類優化問題。如前所述，可以建立數學模型描述溶解氧濃度對發酵性能的影響。那么，只需要利用全局優化算法對已有模型進行尋優，求得模型輸出(發酵性能)的最大值以及該最大值所對應的溶解氧濃度，這一溶解氧濃度即可看作是最優的溶解氧濃度。

2.3 自主學習能力的培養

想要實現信息化與發酵工業的深度融合，需要技術人員具備大量的知識儲備，同時需要技術人員具備兩個專業的思維方式，并將兩種思維方式相互融合。想要在32學時的課堂教學中讓學生完成上述具有交叉學科屬性的知識儲備和思維方式融合，幾乎是不可能實現的。因此，必須在授課過程中培養學生持續學習的動力和自主學習的能力，提出以下解決方案：(1)在授課過程中，融入發酵工業中實際的技術需求。使學生充分了解到，自己在課堂上學到的知識能夠真正解決發酵生產中遇到的問題，在將來的工作中是有用武之地的。只有這樣，才能充分激發學生持續學習的動力。(2)在有限的時間內，不要求學生掌握全部的知識內容，但要求學生構建完整的知識體系。具備了完整的知識體系，在以后的工作中學生才可以有的放矢地自主查抄資料、自主學習知識，使學習的過程從漫無目的的“論述題”變成目標明確的“填空題”。

3 教學成效

經過先修課程《python語言程序設計》、《發酵工程原理與技術》以及本課程的學習，預計達到以下幾點教學成效：(1)強化利用信息技術解決發酵工程實際問題的意識，能夠初步判斷利用信息技術解決特定問題的必要性和可行性。(2)針對在發酵過程中遇到的具體問題，能夠獨立提出信息化和智能化改造方案，初步完成硬件配置和軟件架構的設計。(3)通過資料查閱和自主學習，能夠獨立完成研發、中試規模發酵設備的小型信息化改造項目，包括硬件系統的搭建和軟件系統的開發。(4)初步具備作為項目負責人，組織實施工業生產規模發酵設備的大型信息化改造項目的能力。

4 總結

與信息化的深度融合，是發酵工業發展的大勢所趨，培養具有交叉學科背景的高級技術人才勢在必行。為培養具有信息技術和生物工程交叉學科背景的專業技術人才，江南大學生物工程學院嘗試將信息技術與發酵工程相關的教學內容相互融合，在生物工程類本科專業的第三學年(第六學期)開設《發酵過程智能控制技術》課程。本課程以發酵過程智能控制的需求為導向，循序漸進地向生物工程類專業的學生講授信息技術類的基礎知識，授課內容注重信息技術在發酵工程領域中的應用，通過大量的案例和實際操作，引導學生完成知識體系的融合，在信息技術和生物工程的交叉領域培養學生持續學習的動力和興趣，賦予學生自主學習的能力。通過本課程的學習，將使學生初步具備獨立實施發酵設備信息化和智能化改造的能力。