工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周達(dá)左

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

人才培養(yǎng)質(zhì)量是職業(yè)院校強(qiáng)化內(nèi)涵建設(shè)、提高辦學(xué)質(zhì)量的生命線。人才培養(yǎng)方案是保證人才培養(yǎng)質(zhì)量的基石，是打通“專業(yè)培養(yǎng)什么人才？”和“怎么培養(yǎng)專業(yè)人才？”之間的一座橋梁。機(jī)電學(xué)院的機(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)以培養(yǎng)“懂?dāng)?shù)據(jù)、會(huì)收集、能運(yùn)維”的技能人才為目標(biāo)。人才的培養(yǎng)離不開(kāi)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的支撐，科學(xué)建設(shè)優(yōu)質(zhì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)至關(guān)重要。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍無(wú)限廣博，所謂“萬(wàn)物互聯(lián)”，應(yīng)用場(chǎng)所無(wú)處不在，控制對(duì)象包羅萬(wàn)象[1]。隨著紡織行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)步伐的加快，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在紡織行業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)紡織設(shè)備與設(shè)備、紡織設(shè)備與人以及與管理執(zhí)行系統(tǒng)的互聯(lián)，以及其間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的感知、傳輸、處理與應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了在化纖、紡紗、織造、染整、服裝、家紡等生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的應(yīng)用，還在紡織品的物流倉(cāng)儲(chǔ)、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、終端應(yīng)用等方面大顯身手，成為企業(yè)降低運(yùn)營(yíng)成本，提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而提升綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)重點(diǎn)在于對(duì)紡織企業(yè)進(jìn)行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究，從對(duì)紡織企業(yè)的傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)、傳感節(jié)點(diǎn)信息采集、傳輸，最后進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，極大可能地體現(xiàn)了“萬(wàn)物互聯(lián)、智慧互聯(lián)”的整個(gè)流程的應(yīng)用；不僅為機(jī)電學(xué)院各專業(yè)提供現(xiàn)實(shí)的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，同時(shí)能夠解決現(xiàn)有紡織企業(yè)在應(yīng)用互聯(lián)、大數(shù)據(jù)處理方面提供一套可行的解決方案。

1 常見(jiàn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)分析與比較

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，存在許多常見(jiàn)的平臺(tái)，它們提供了各種功能和特點(diǎn)。以下是對(duì)幾個(gè)常見(jiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的分析與比較：

GE 數(shù)字工廠：GE 數(shù)字工廠[2]是由通用電氣(GE)開(kāi)發(fā)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。它提供了從設(shè)備連接和數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)維護(hù)等一系列功能。GE數(shù)字工廠注重?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精確性，并提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和可視化功能。此外，它還支持與第三方系統(tǒng)的集成和開(kāi)發(fā)者平臺(tái)的開(kāi)放性。

Siemens Mindsphere： 西門(mén)子的Mindsphere 平臺(tái)[3]是一個(gè)開(kāi)放的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，它支持設(shè)備連接、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用開(kāi)發(fā)等功能。Mindsphere 平臺(tái)強(qiáng)調(diào)安全性和可靠性，并提供了各種API和工具，幫助開(kāi)發(fā)者構(gòu)建自定義的工業(yè)應(yīng)用程序。此外，Mindsphere 還具備強(qiáng)大的邊緣計(jì)算能力和云端部署選項(xiàng)。

IBM Watson IOT：IBM Watson IoT 平臺(tái)[4]是一個(gè)強(qiáng)大的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案，它結(jié)合了人工智能和分析技術(shù)。該平臺(tái)提供了設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)性維護(hù)和故障診斷等功能。IBM Watson IoT注重?cái)?shù)據(jù)的智能分析和洞察力，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和認(rèn)知計(jì)算提供高級(jí)分析和決策支持。

微軟Azure IOT：Azure IOT 是微軟提供的綜合性工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。它提供了設(shè)備連接、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用開(kāi)發(fā)等一系列功能。Azure IOT 具有高度可擴(kuò)展性和靈活性，并且與微軟的云服務(wù)和開(kāi)發(fā)工具緊密集成。平臺(tái)還提供了豐富的開(kāi)發(fā)資源和預(yù)構(gòu)建的解決方案，使開(kāi)發(fā)者能夠快速構(gòu)建和部署工業(yè)應(yīng)用。

Amazon AWS IOT：亞馬遜AWS IOT[5]是一個(gè)全面的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提供了從設(shè)備連接和管理到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析的全套解決方案。AWS IOT 強(qiáng)調(diào)可靠性和安全性，支持海量設(shè)備連接和大規(guī)模數(shù)據(jù)處理。平臺(tái)還集成了其他AWS 云服務(wù)，提供了豐富的擴(kuò)展和定制選項(xiàng)。

2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)思路

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)思路分為兩部分：一是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[6-7]，二是應(yīng)用研究[8-9]。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是一項(xiàng)從調(diào)研工作開(kāi)始的，基于行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步地優(yōu)化方案，不斷完善方案的一個(gè)動(dòng)態(tài)研究過(guò)程。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)過(guò)程包括了理念和原則的確定、技術(shù)路線和實(shí)踐應(yīng)用的反復(fù)環(huán)節(jié)，理念是以無(wú)線傳感網(wǎng)鋪設(shè)通信平臺(tái)、采用傳感器布設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)、終端數(shù)據(jù)庫(kù)采集作為大數(shù)據(jù)樣本源，設(shè)計(jì)出能夠嵌入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識(shí)、大數(shù)據(jù)專業(yè)知識(shí)的硬件組成單元模塊。開(kāi)發(fā)遵循以下原則：基于大數(shù)據(jù)原則、仿真性原則、先進(jìn)性原則、適用性原則、開(kāi)放性原則。開(kāi)發(fā)采用的技術(shù)路線是校企合作方式。

應(yīng)用研究是指本系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)研究，借助企業(yè)的工作環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)任務(wù)及職業(yè)情境創(chuàng)設(shè)研究，依據(jù)職業(yè)學(xué)校學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和教學(xué)規(guī)律，拓展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工作模式，研究建構(gòu)模式課程體系的配套教學(xué)資源。應(yīng)用更是一個(gè)動(dòng)態(tài)研究過(guò)程，不斷豐富系統(tǒng)的應(yīng)用功能，以提高學(xué)生的認(rèn)知能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。通過(guò)強(qiáng)大的應(yīng)用功能體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)值。

3 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是學(xué)生接觸專業(yè)實(shí)訓(xùn)的第一場(chǎng)所，最大的特色就是最大可能地貼近生產(chǎn)、技術(shù)、管理、服務(wù)第一線，可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)“真實(shí)”的職業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)按照未來(lái)專業(yè)崗位群對(duì)技術(shù)技能進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練的要求。主要從以下7個(gè)方面考慮：

1) 提供實(shí)踐機(jī)會(huì)：綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為學(xué)生提供了實(shí)踐機(jī)會(huì)，使他們能夠親自操作和應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。通過(guò)實(shí)際操作，學(xué)生能夠加深對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的理解，培養(yǎng)實(shí)際應(yīng)用能力。

2) 模擬真實(shí)場(chǎng)景：綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以模擬真實(shí)的工業(yè)場(chǎng)景和環(huán)境，使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)室或虛擬環(huán)境中進(jìn)行真實(shí)的工業(yè)應(yīng)用，有助于學(xué)生更好地理解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際工作中的應(yīng)用和影響。

3) 多學(xué)科交叉：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信技術(shù)、控制工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的使用可以促進(jìn)不同學(xué)科之間的交叉學(xué)習(xí)和合作，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

4) 培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力：綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)注重實(shí)際問(wèn)題的解決，學(xué)生需要運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能，通過(guò)分析和解決實(shí)際問(wèn)題來(lái)完成任務(wù)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力和創(chuàng)新思維。

5) 產(chǎn)業(yè)對(duì)接和就業(yè)需求：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)于有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景的人才需求日益增長(zhǎng)。綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以與工業(yè)界對(duì)接，將學(xué)生培養(yǎng)成符合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)崗位需求的專業(yè)人才。

6) 激發(fā)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)意識(shí)：通過(guò)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，學(xué)生有機(jī)會(huì)實(shí)踐創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)理念。他們可以提出自己的創(chuàng)新想法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

7) 長(zhǎng)期發(fā)展與前景：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，將在智能制造、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為學(xué)生提供了追隨這一趨勢(shì)、參與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的機(jī)會(huì)，并為他們未來(lái)的職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件與軟件建設(shè)兩方面，硬件是指與紡織企業(yè)合作創(chuàng)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，包含傳感器布設(shè)、網(wǎng)絡(luò)布設(shè)、集中采集系統(tǒng)等；軟件是上位機(jī)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)的組建。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)研發(fā)的硬件與軟件資源將為學(xué)校開(kāi)設(shè)實(shí)踐類操作課程以及孵化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等工作提供保障。通過(guò)應(yīng)用軟件系統(tǒng)開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，將會(huì)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理論的深刻理解和融會(huì)貫通，有助于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作素養(yǎng)，有利于激發(fā)學(xué)生主動(dòng)創(chuàng)新的潛質(zhì)，進(jìn)而全面提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

3.1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件部分包括匯川PLC實(shí)訓(xùn)室、三菱PLC 實(shí)訓(xùn)室和MCGS 聯(lián)網(wǎng)觸摸屏3 部分，如圖1 所示，其中匯川PLC 實(shí)訓(xùn)室和三菱PLC 實(shí)訓(xùn)室先前已經(jīng)建好了，通過(guò)MCGS 聯(lián)網(wǎng)觸摸屏替換原有實(shí)訓(xùn)室的不能聯(lián)網(wǎng)MCGS 觸摸屏實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，學(xué)生所有的實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)可以傳入阿里云平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。

圖1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

3.2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件部分主要包括：阿里云平臺(tái)、MCGS聯(lián)網(wǎng)觸摸屏程序、PLC程序，阿里云平臺(tái)主要通過(guò)阿里云自帶的IoT Studio 平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)界面設(shè)計(jì)，MCGS聯(lián)網(wǎng)觸摸屏程序主要在MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)編程，具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。通過(guò)與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便地開(kāi)發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。用戶只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)紙記錄儀、無(wú)人值守的現(xiàn)場(chǎng)采集站、人機(jī)界面等專用設(shè)備。PLC程序根據(jù)不同的實(shí)訓(xùn)室，采用相應(yīng)實(shí)訓(xùn)室的PLC編程軟件實(shí)現(xiàn)。

其中阿里云平臺(tái)如圖2 所示，其中包括應(yīng)用開(kāi)發(fā)、項(xiàng)目管理、解決方案、資源用量4 個(gè)模塊。主要功能是在應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域打造的一站式、低成本、高穩(wěn)定、易定制的物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)力工具，可幫助用戶經(jīng)濟(jì)高效地完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，可以面向各個(gè)行業(yè)提供場(chǎng)景化解決方案模板，企業(yè)可以直接利用現(xiàn)有的解決方案模板來(lái)開(kāi)發(fā)自己的業(yè)務(wù)，將原有需要幾周的開(kāi)發(fā)過(guò)程縮短到幾天。同時(shí)，IoT Studio 提供了可視化應(yīng)用開(kāi)發(fā)的功能。用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的可視化拖拽的方式，即可將各種組件、圖表與設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)源進(jìn)行關(guān)聯(lián)，幾乎無(wú)須任何編程經(jīng)驗(yàn)。另外，IoT Studio提供了服務(wù)開(kāi)發(fā)的功能，通過(guò)低代碼開(kāi)發(fā)方式，用戶可以很方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)、設(shè)備與服務(wù)之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。其采用簡(jiǎn)單的拖拽式設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了編程。

圖2 阿里云平臺(tái)

MCGS 聯(lián)網(wǎng)觸摸屏程序功能如下：實(shí)訓(xùn)室根據(jù)課程安排，原有觸摸屏課程按照原計(jì)劃學(xué)習(xí)，只是原有學(xué)習(xí)內(nèi)容信息管理不再局限于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地進(jìn)行分析和顯示，而是應(yīng)該通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)上傳到云端并能夠?qū)崟r(shí)地人性化顯示，數(shù)據(jù)融入阿里云，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)及規(guī)范學(xué)生學(xué)習(xí)管理、提高學(xué)習(xí)效率、實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)可視化、為教學(xué)提供決策參考等能力。

4 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)預(yù)期功能

4.1 教學(xué)功能

培養(yǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括課程以培養(yǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型、技術(shù)技能型或操作型的高技能人才為目的，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特性、數(shù)據(jù)上云、云服務(wù)開(kāi)發(fā)與部署等內(nèi)容進(jìn)行了較詳細(xì)的講解，在原理性知識(shí)及工程技術(shù)環(huán)節(jié)都安排了大量的實(shí)驗(yàn)，做到了“教、學(xué)、做”為一體。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系和數(shù)據(jù)融合，讓學(xué)生在設(shè)備層、邊緣層、云平臺(tái)3個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要層次上對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)乃至整個(gè)制造業(yè)體系架構(gòu)有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)和了解，并能在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架下進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

培養(yǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)創(chuàng)新運(yùn)用能力，主要服務(wù)傳感器技術(shù)與應(yīng)用、智能工廠設(shè)備接入技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)云技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)、工業(yè)微服務(wù)應(yīng)用、工業(yè) App 開(kāi)發(fā)與運(yùn)維等專業(yè)課程。

4.2 社會(huì)培訓(xùn)

通過(guò)開(kāi)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維1+X 職業(yè)技能等級(jí)認(rèn)證的相關(guān)培訓(xùn)考核工 作，為在校師生以及本地區(qū)行業(yè)企業(yè)職工開(kāi)展技能等級(jí)認(rèn)證、再教育等項(xiàng)目。預(yù)計(jì)培訓(xùn)人數(shù)在每年 150 人次左右。

4.3 技術(shù)服務(wù)

依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)室，建立一支工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用科研團(tuán)隊(duì)，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造為主要研究方向，開(kāi)展制造業(yè)企業(yè)中工業(yè)數(shù)據(jù)上云、云平臺(tái)的組建和云服務(wù)開(kāi)發(fā)等技術(shù)服務(wù)與社會(huì)培訓(xùn)。預(yù)計(jì)每年完成教科研項(xiàng)目1個(gè)，專利和軟件著作權(quán)1～2個(gè)，技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目2個(gè)，到賬經(jīng)費(fèi)20萬(wàn)元左右。