5G時代下智慧實訓工廠建設的創新探究

張俊哲 王駿哲 許亮 張正

關鍵詞：5G；智慧實訓工廠；運行與管理

5G，即第五代移動通信技術，目前在技術標準、網絡部署等方面均取得了階段性進展，依據其所具備的大帶寬、大連接和低時延的網絡能力，與諸如云計算、物聯網和人工智能等基礎共性能力，以及VR/AR等行業共性能力等構成新一代信息基礎設施，成為推動傳統行業數字化轉型升級與數字經濟社會發展的重要基石。隨著2020年5G在我國正式開始商用，5G的應用場景和市場化探索逐步顯現，其中以推動制造業的發展較為顯著。

隨著《中國制造2025》文件的發布，制造業開始經歷數字化、網聯化、智能化的變革，推動制造業精準營銷、個性定制、智能服務、協同創造、協同設計和協同制造等方向發展，智能制造的概念應運而生。由智能制造延伸到具體的工廠而言，就是智能工廠，也被稱為智慧工廠。智慧工廠依托5G技術，利用工業物聯網、云計算、工業大數據、人工智能和AR等技術的融合，與生產管理和經營管理等系統相結合，可以實時采集生產數據、及時發現和排除生產故障，提高了工業生產的自動化程度和效率[1]，提升系統的處理能力和安全性，是我國實現工業4.0 的一個非常重要的特征。

目前，職業教育中工科類課程的實訓過程大多數以工廠作為實訓基地，實訓過程較為依賴傳統工具和思維，缺乏高效的人機互動和師生互動。智慧工廠的出現給職業教育帶來了啟發，利用先進的5G技術，建立一個將學生實訓和工廠生產過程接軌的智慧工廠實訓平臺，實現從教學資源、教學實施條件及環境的全數字化，構建全新的數字化教學模式，以實現學生、教師和設備之間的高效互動，培養具備較強理論知識、良好的實操能力和自主學習能力的新技能復合型人才。

1 5G 時代智慧工廠的發展

5G時代下，智慧工廠是在數字化工廠的基礎上，利用5G技術和各類技術的融合，深度融合智能科學技術，加強信息管理和服務、及時正確地采集生產線數據、合理地編排生產計劃并掌握生產進度，減少了生產線上的人工干預，構建了新一代節能高效、綠色環保的智能工廠。它的發展首先是全流程數字化，而數字化發展強調數據對于工廠的重要性，依托5G技術，智慧工廠在不同階段進行了不斷的升級改造，實現了從以傳統網絡架構為主體到以5G應用“網”為主體的工業互聯網的轉變。

隨著5G在我國的正式商用，國家發改委強調“加強新型基礎設施建設，推進人工智能、工業互聯網、物聯網建設”，通過采用自動化“裝備+系統”替換人工，實現降本增效，同時采用5G代替工業總線，助力柔性工業制造，將終端算法置于云端，加速設備迭代。目前，基于5G技術的智慧工廠可以幫助企業提高產品質量、提升生產效率、提高生產環境的安全性，有效降低次品率、人力成本與庫存，實現人力、物料和設備的數據融合、綜合運營和管理。實現無人駕駛、遠程監控等部署，滿足不同工業制造應用場景需求。

2 智慧實訓工廠業務需求分析

傳統職業教育中工科類課程的實訓過程往往注重培養學生精湛的操作技能，故實訓模式較為標準化和單一化，缺乏對學生高度理解和運用智能網絡以及應急處理故障能力的培養，而實訓過程中所使用的工業設備系統構成復雜、零部件繁多，一旦發生故障需要及時維修。當實訓現場人員無法解決復雜故障時，通常需要等待設備原廠專家赴實訓現場進行故障排查和維修，影響產線正常生產。

2.1 實訓工廠需要新型信息基礎設施

目前職業教育中工科類課程的實訓過程普遍在工廠完成，而傳統工廠的信息系統所采用的無線通信協議眾多、各有不足且相對封閉，設備互聯互通難且制約設備上云端。在教師及管理員不在設備現場時無法實時監控和維護工廠設備，設備和控制中心之間缺乏可靠有效的網絡基礎設施來實現實時的數據傳輸。

2.2 實訓工廠需要新型平臺架構

實訓工廠大多對其工業生產工藝、核心生產數據等極其敏感，因此大多數教師在開展實訓教學過程中希望在本地進行閉環管理。數據的本地化部署、遠程控制和核心生產數據采集處理等需求較為明確，因此，構建數據閉環管理平臺，實現生產教學計劃、實訓安全、質量等系統與互聯網緊密相連，能夠有效解決工業行業數據安全保障的痛點，實現實訓過程的自動化控制，有效管理安全生產，同時提升實訓教學效果。

2.3 實訓工廠需要新型運行管理模式

目前，實訓課程教學需要教師將工廠現場采集的教學數據進行收集和管理，同時需要校方領導對教學過程中產生的數據進行統計分析，對教學質量的評判提供數據支撐。因此，通過搭建系統運行維護系統、設備維護管理系統、教學管理系統和安全管理系統等，構建和實訓教學業務相關的全流程管理模式，有效提升人機互動和師生互動，使學生快速熟悉工業生產制造流程，提升實訓成效[2]。

由于5G技術具備更低的時延、更高的效率和更好的業務體驗，同時有感知泛在、連接泛在和智能泛在的特點，使其具備成為工業4.0發展的網絡基石的能力。結合上述實訓工廠業務需求，有必要探討構建以5G技術為基礎，結合職業院校現有的實訓教學資源，重構專業體系，建立將智慧工廠與工科類實訓課程教學過程相接軌的“智慧實訓工廠”。

3 智慧實訓工廠的架構與設計

依托現有的智慧工廠的核心技術：網絡、數據、終端和管理，結合新一代5G技術，智慧實訓工廠可以將實訓計劃、生產質量、實訓安全和生產管理相關的系統與物聯網緊密相連，實現實訓教學中軟硬件的升級、有效提升實訓過程的自動化生產控制，具體架構見圖1。

3.1 建立可靠的網絡系統

智慧實訓工廠需要有智能網絡系統來實現實時、高速和可靠的數據傳輸。因此，利用5G傳輸網絡抗干擾能力更強、能夠滿足高并發數據量承載需求、低時延以及更廣覆蓋和實現快速切換等優勢，通過部署MEC，將UPF下沉的方式，保證實訓生產數據的傳輸與本地分流，具體通信網絡見圖2。

3.2 搭建安全的數據管理系統

通過在工廠邊緣側部署邊緣計算網關，依托邊緣計算，為工廠提供智能生產、網絡協同、實時調度等，降低對網絡傳輸和遠端數據中心對流量的沖擊，可獲取實訓過程中設備的實時數據，將實訓過程可視化、精準化和透明化，實現異構設備對接、協議適配、數據采集和分析等功能，保障教師在實訓教學過程中的對于指令的運行和數據操作的流暢化[3]。通過將數據直連云平臺后，實現數據安全快速上云。

3.3 落地滿足需求的具體應用和終端

智慧實訓工廠基于5G技術，利用云計算、集成數據可視化與實時交互等前沿技術，強調數字孿生的概念，通過將傳統傳感器升級為智能傳感器，以及將手動設備更新為智能設備，比如自動化品檢設備、電子圍欄以及AR終端等，實現學生、物料、設備實時定位，助力實訓生產過程的高效巡檢和生產輔助，保障實訓作業的安全性和規范性，形成實訓過程的監控、管理、展示、交互的新一代教學模式。

4 智慧實訓工廠的運行管理

智慧實訓工廠立足于5G技術，以數據采集為基礎，搭建軟硬件平臺和系統，構建與實訓教學相關的新運行管理模式。其運行管理主要分為以下四個部分。

4.1 系統及設備的運行維護管理

智慧實訓工廠構建了以5G網絡、數據管理系統和終端應用“三位一體”的業務體系，通過在工廠內部覆蓋5G網絡、部署上層數據平臺、結合終端設備開發功能應用，實現實訓教學的全流程管理。因此，需要專門的系統及設備的運行維護管理人員，為網絡的流暢運行、設備的狀態監控和人員的操作規范等進行日常維護和管理，排除實訓場所的安全隱患[4]，確保實訓系統的穩定運行。

4.2 實訓教學過程管理

由于實訓過程主要是在工廠現場，大多數的教學成果來源于工廠現場設備的數據。因此，通過構建基于5G技術的智慧實訓工廠，結合日常實訓教學業務，教師可以實現智慧排課、實訓過程監控、設備巡檢、學生管理、遠程指導等，學生能夠完成智能約課、問題反饋、警報推送和實訓作品互動展示等功能，有效實現師生互動和人機互動，助力學生盡早熟悉生產的業務場景，提升學生環境適應能力。實訓工廠應配備專職管理員負責實訓教學的過程管理，輔助實訓教學，提升實訓教學的效率。

4.3 實訓安全管理

實訓安全管理主要包括師生人員安全、物料安全、設備安全等。根據智慧實訓工廠的構建體系和實訓教學實施過程的特點，應制定詳細的實訓安全管理制度，包括人員安全管理條例、安全操作規程、物料安全管理措施、設備安全管理條例、應急管理預案等，由專人擔當安全管理員角色，負責實訓安全管理工作，牢固樹立師生的實訓生產理念，提升智慧實訓工廠的安全系數。

4.4 教學效果測評管理

實訓教學質量的提升有賴于實訓數據的獲取和分析，教師通過實訓系統獲取相關數據，輔助實訓課堂教學管理、提高實訓教學的管理效率和教學質量。學校通過實訓系統對實訓教學質量進行管理，通過對實訓過程中產生的數據進行統計分析，從而判斷師生教與學的質量，對有效管理實訓教學提供了數據支撐[5]。通過對實訓教學數據的測評管理，加快職業教育智慧化落地的進程，拓展實訓工廠的功能，優化實訓教學模式，有效提升教務工作效率。

5 結論

5G智慧實訓工廠的發展和職業院校工科類課程實訓過程的創新探究一直是業內人士高度關注的熱點問題。傳統的實訓課程的教學模式以教師為中心和主體，使學生日漸減弱動手的主動性和發掘探索解決故障問題的積極性。構建基于5G技術的智慧實訓工廠，以5G作為基礎，云平臺作為核心，實現云網融合，結合邊緣計算，不僅實現了增強現實場景下工廠智能制造的功能演示與教學培訓，方便了業務展示及學生學習理解整個過程，同時便于學生與廠商專家之間的溝通，提升排故效率。智慧實訓工廠結合職業教育適應工業4.0的教學改革需求，既可以減輕學生的負擔，又可以有效提升實訓教學質量。未來，計劃通過將云計算和大數據等概念融入智慧實訓工廠，達到沉浸式教學的目的，進一步提升職業院校教育適應工業4.0的教學改革需要的能力。