面向智能制造系統級人才培養的實訓平臺建設

王 亮， 唐 堂， 于 穎， 陳 云

（1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804；2.上海犀浦智能系統有限公司，上海 201306）

0 引言

智能制造是基于新一代信息技術與先進制造技術深度融合，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱［1-4］。人才是實施智能制造的關鍵，工業模式的調整也需要與之配套的員工以及管理措施。因此，如何供應足量且適宜的人才，滿足大量人才“剛需”，是智能制造急需解決的問題。調查數據顯示，近7 成受訪企業擔心現有的基礎設施特別是現有人才無法適應新的技術、系統及制造模式的轉變［5-7］。一方面企業需要能夠適應數字化、網絡化、智能化生產方式的人才，但更重要的是人在智能制造過程中的角色將由服務者、操作者轉變為規劃者、協調者、評估者及決策者，不僅需要專業技術人員承擔起智能設備及系統的設計、安裝以及改裝工作，還需要對相關信息物理系統、新型網絡組件進行維護。此外，智能生產還要對生產系統模式與框架、工作流程、系統參數不斷進行優化，相應對管理水平的要求要比以往高許多。為了更好地引進智能設備提高生產效率，企業需要儲備和培養更多數據科學、軟件開發、硬件工程、測試、運營及營銷等方面的高技能人才和管理人才。因此智能制造急需跨學科和具有全局觀，能夠針對智能制造系統進行多學科交叉集成并創新的系統級人才［8-11］。但是當前，我國智能制造人才培養與培訓存在以下問題：①產業行業間互動性弱、培養體系規格單一、學生或學員可持續發展能力較弱；②制造業人才結構性過剩與結構性短缺并存，交叉學科、跨學科人才緊缺；③現有培訓知識結構老化，人才培養與實際需求脫節，工程教育實踐環節薄弱［12-13］。

因此，研究適合智能制造人才，尤其是系統級人才的培養需求并開發相應的實訓平臺，是推動我國智能制造發展以及智能制造工程專業急需解決的問題［14］。

1 智能制造系統級人才模型

智能制造常規人才的培養與教育只針對智能制造系統架構中的某個環節或某些環節，體現在智能制造標準體系上則為面向點、線或面的教育。而智能制造系統級人才需要從整體上把控智能制造所有環節，從而智能制造系統級人才是面向“體”的教育。

本文構建了智能制造人才立方體，其參考國家智能制造標準體系，包含生命周期、智能范圍和人才類型三個維度，從而實現制造過程中各類人才的定位［15］。其具體描述如下：

第一維生命周期維度，參照國家智能制造標準架構生命周期維度，主要用于定位各類人才需要了解與參與生命周期中的哪一階段。

第二維智能范圍，范圍從小到大，由部件組成設備，設備組成單元組成系統，系統組成系統的系統，即智能工廠。

第三維人才類型，最基本的操作工人，定義為技能人才；具有某專業知識，能夠處理分析生產中遇到的問題，定義為具有多專業知識結構的人才，能夠處理更加復雜的問題；如機電一體化人才，定義為復合人才；跨專業人才若具有管理知識結構，定義為系統人才。

對于智能制造所需要的系統級人才需要對產品全生命周期均有所了解，不必過分關注單個部件或設備的智能性，而是需要從整體上把握具有較高復雜程度的單元或系統，因而需要了解從智能單元到智能工廠范圍的架構、集成等內容。因此，智能制造所需要的系統級人才處于人才立方體中紅色部分，如圖1 所示。

圖1 智能制造人才立方體及系統級人才定位

2 智能制造系統級人才培養實訓平臺建設

2.1 實訓平臺建設要求

面向智能制造系統級人才培養的實訓平臺應該具有以下三大要素：①體現工業4.0 的特征；②真實的設備生產真實的產品；③與制造企業類似的相互協作的工作流程。

2.2 實訓平臺建設的產品示例

我校機械與能源工程學院聯合上海犀浦智能系統有限公司開發了面向智能制造系統級人才培養的實訓平臺。首先實訓平臺所生產的產品要具有一定的工業背景，本實訓平臺的工業背景是一家生產智能巡航檢測小車的生產廠家，其產品智能小車可自主巡航，代替人進入危險或未知環境進行檢測，可檢測的項目包括溫度、濕度、壓力、煙霧和有害氣體等，這些不同的檢測項目是通過小車上安裝不同的傳感器與檢測模塊實現。隨著客戶的增多以及行業用途的不同，對小車的檢測功能的要求也越來越多樣化，例如某些客戶只需要溫度檢測，某些客戶只需要壓力與煙霧檢測等，并且對檢測的精度要求也不同。而廠家原有的以人工裝配為主的方式難以適應客戶需求的個性化。因此需要建設一條智能生產線，可根據客戶訂單進行個性化定制。

完整功能的自動巡航小車模型示意圖如圖2 所示，小車由上、中、下3 層組成。下層布置動力模塊及行駛檢測模塊；中間層為小車控制中心；上層為可選傳感器模塊。各電氣元件主要通過插針方式相互連接及固定，隔離柱及玻纖板搭建主要機械結構。

圖2 智能巡航檢測小車3D模型示意圖

為使生產線便于教學以及降低教學產生的材料消耗費用，可對真實的小車及功能模塊進行了兩方面的模型化處理，降低裝配精度要求，并降低教學過程中運維及消耗成本。

（1）功能模塊的抽象化。原小車可以裝配8 個種類，共32 個不同型號的功能模塊，現簡化成3 個類型的功能模塊：溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器，每個類型包含3 種不同精度的細分型號，共9 種模塊；原功能模塊形狀、尺寸不同，且以插針方式插接，現統一以30 mm×30 mm×30 mm的立方塊代替。每個類型的模塊以一種顏色代表，每個細分型號以立方塊上的編號標識，溫度傳感器為R1、R2、R3，濕度傳感器為Y1、Y2、Y3，煙霧傳感器為B1、B2、B3。

（2）車身及模塊裝配位置的抽象化。由于功能模塊只安裝在小車上部PCB板上，所以將小車抽象為一塊底板，底板上9 個凹槽為功能模塊裝配位置，每個位置裝配對應的具體型號模塊，如圖3 所示。

圖3 模擬小車底板及模塊裝配位置圖

2.3 實訓平臺工作流程及系統架構

實訓平臺模擬智能巡航檢測小車廠家接收個性化定制訂單，按照訂單進行功能模塊裝配，并進行質量檢測的過程。整體工作流程如下：①個性化定制下單，包括選擇功能模塊，選擇細分型號，并輸入購買數量；②生產計劃與排產，包括生成工單與工單下達；③原料出庫，包括車身底板出庫，所需功能模塊出庫；④功能模塊裝配，包括從原料托盤中取出所需功能模塊，將功能模塊放入車身底板對應位置；⑤視覺檢測，包括檢測是否與訂單相符，掃描二維碼，記錄原料來源，形成產品追溯；⑥成品入庫，包括原料返回倉庫，成品入庫；⑦訂單完成，包括更新訂單狀態，通知客戶訂單完成。

基于以上的簡化和工作流程，實訓平臺的建設下一步應進行整個系統的架構設計，并對其支持的課程作詳細規劃。實訓平臺以國家智能制造系統標準架構為參考，包含智能制造產線和數字雙胞胎兩部分，涵蓋了網絡層、設備層、控制層、運營管理層以及智能應用層等核心功能。系統架構圖以及對應的實驗課程體系如圖4 所示，實驗課程體系可支撐同濟大學機械與能源工程學院智能制造工程專業培養方案［16］。

圖4 實訓平臺系統架構與課程體系

同時，在課程思政方面，該產線還便于互動式教學模式開展，以組為團隊進行問題互動與討論。教師在項目指導過程中，不僅可以從理論講述，還能夠從實踐操作，如編程能力、代碼排錯等均表現出自身的專業性與嚴謹性。從而體現出言傳身教的教學特點，表現出對項目中運用到知識的探索與學習熱情。以實訓平臺為媒介，通過教與學的互動過程，潛移默化地培養學生追求卓越的意識和精神。在項目式實驗教學推進中，讓學生以團隊的形式查閱資料、討論，并在每次課匯報結果，很大程度上培養了學生的學習興趣，發揮個人、集體的特長潛能。

2.4 實訓平臺組成

實訓平臺由3 個基礎工站：智能倉儲工站、模塊裝配工站、視覺檢測工站以及配套的中央控制臺、平移輸送單元構成。各工站可獨立運行，也可組合成產線協同工作?？傮w構成圖如圖5 所示。

圖5 工站產線總體構成

（1）智能倉儲工站。自動化立體倉庫是在制造企業中廣泛應用，并具有較高技術水平的一種倉儲作業形式。智能倉儲工站配備倉儲管理軟件，可對立體庫進行管理和出入庫操作，并通過倉儲管理系統與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）集成，實現倉儲管理指令的下達執行及執行結果的反饋。

智能倉儲工站是由立體貨架、堆垛機、出入庫托盤輸送機系統、通信系統、自動控制系統、計算機監控系統，以及其他如電線電纜橋架、托盤、鋼結構平臺等輔助設備組成的復雜的自動化系統，并運用集成化物流理念，通過以上設備的協調動作進行出入庫作業。其適用的實踐教學內容有：伺服驅動與控制，PLC組態與編程，倉儲管理系統設計，自動化立體倉庫系統集成與調試。

（2）模塊裝配工站。工業機器人是現代制造業轉型升級，實現智能制造的關鍵設備之一。模塊裝配工站以工業機器人裝配功能為示范，綜合了工業機器人、PLC控制系統、RFID數據通信系統、物料輸送線、定位機構等系統，能夠開展機器人編程調試，特別是各系統間的集成應用。適用實踐教學內容有：工業機器人編程與調試，PLC組態與編程，工業機器人綜合應用與系統集成調試。

（3）視覺檢測工站。機器視覺是工業人工智能正在快速發展的一個分支，是智能制造過程中提高生產效率和生產的自動化程度的一項關鍵技術。視覺檢測工站由自動化控制系統、工業相機、鏡頭、光源、圖像數字化模塊、數字圖像處理模塊、視覺判斷決策模塊、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）通信模塊、工業網絡和機械控制執行機構等組成，通過機器視覺與圖像識別，判斷裝配完成的小車模塊是否與訂單一致，并讀取各模塊原料二維碼溯源信息，返回給上層控制系統。適用實踐教學內容有：數字圖像處理與圖像識別，PLC 組態與編程，機器視覺，機器視覺系統的安裝與集成調試。

（4）平移輸送單元。該單元用于連接機器人裝配工站與視覺檢測工站，以氣動方式驅動移載機在兩個工站間傳輸物料托盤。

（5）中央控制單元。中央控制單元是管理、操作實訓平臺的人機交互樞紐，由控制臺、PC 電腦及生產管理軟件構成。其中生產管理軟件包括以下幾個系統：

①訂單管理系統。訂單管理系統面向用戶和生產管理者，小車用戶可以通過電腦、手機在線訂購，訂購過程中可以按需求定制所需功能模塊、技術參數。下單后可追蹤生產進度、訂單狀態等信息；管理者可查看、審核用戶訂單，審核通過的訂單將進入生產；管理者也可取消某個訂單，或改變訂單生產順序。

②制造執行系統。訂單審核通過后，將自動發送給制造執行系統，制造執行系統具有生產排產、生產過程狀態參數監控、質量跟蹤與產品溯源、產品基本信息、物料、生產工藝、用戶等基礎數據管理等功能。

③倉儲管理系統（WMS）。WMS負責對立體倉庫庫位進行管理，包括立體倉庫的初始原料入庫，生產過程中的原料出庫以及成品入庫等信息的記錄與控制。

④產線數字雙胞胎與虛擬調試。數字化雙胞胎是一種利用數據連接和模擬技術，將物理實體或過程的數字化表達與虛擬實體的數字化表達互聯互通的技術。實訓平臺數字雙胞胎系統具有與物理產線相一致的3D模型、動作序列、I／O 信號等，并可進行PLC、機器人的編程與仿真，實現了虛實結合及虛擬調試教學，學生可在數字化模型上進行編程、調試，最后再將程序下發至物理產線驗證，達到在少量物理設備的情況下，以班級為單位同時開展實驗教學的目的，同時還可為數字雙胞胎開發技術提供實訓環境，如圖6 所示。

圖6 平臺數字雙胞胎系統

3 結語

本文對智能制造人才需求進行研究，構建了系統級智能制造人才模型。通過以同濟大學巡航小車生產系統作為案例，闡述了面向系統級智能制造人才培訓的實訓平臺建設需求、建設步驟與組成。該實訓平臺真實再現“工業4.0”的理念、特征和關鍵技術，體現了完整的智能制造體系架構，并實現個性化定制、系統橫向、縱向及端到端的集成，同時滿足智能制造工程專業實踐與實驗教學要求。平臺集成了PLC、RFID、數控加工、工業機器人、檢測與傳感技術、現場總線、工業組態軟件、現代物流技術等先進技術。它彌補了傳統實訓設備的不足，采用實際的工業現場元器件，貼近現代化工業生產環境，并通過數字孿生技術實現虛實融合，可以使學生全面認識工業現場設備的組織形式和控制方式。模塊化的設計結構有利于開展面向以工站、產線的系統集成與應用調試為主的實踐教學，學生學習可以從簡單到復雜，由淺入深，循序漸進。

實踐證明，以智能制造系統級人才模型指導開發的實訓系統對學生在智能制造系統級理念與技術上的全面發展有著很大幫并且學生基于該實訓平臺，還可進行“中國大學生機械工程創新創意大賽-智能制造賽”中工業組網與網絡安全、生產系統集成與調試、數字孿生與仿真以及生產系統分析與優化等賽項訓練，以及開展“第46 屆世界技能大賽工業4.0 項目中國機械行業選拔賽”賽事訓練。此外，基于項目式的實踐教學同時還培養了學生的團隊意識，實現課程思政的目的。

·名人名言·

目標既定，在學習和實踐過程中無論遇到什么困難、曲折都不灰心喪氣，不輕易改變自己決定的目標，而努力不懈地去學習和奮斗，如此才會有所成就，而達到自己的目的。

——吳玉章