1+X證書制度下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與課證融通實(shí)踐

摘" 要" 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)模擬汽車流水線的裝配作為工業(yè)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目融合信息通信技術(shù)與生產(chǎn)控制技術(shù)，既涵蓋工業(yè)機(jī)器人、傳感器、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、可編程邏輯控制器等多種工業(yè)控制技術(shù)，也包含網(wǎng)絡(luò)部署、邊緣計(jì)算和云平臺(tái)算法建模等內(nèi)容。依托該平臺(tái)開展的課證融通教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生的綜合實(shí)踐能力得到有效的提升。

關(guān)鍵詞" 1+X；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；課證融通；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G712" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）21-0-06

0" 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是滿足工業(yè)智能化發(fā)展需求，具有低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋特點(diǎn)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，是新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)與應(yīng)用模式[1]。2020年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng)工作組發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》指出，要加快工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化改造，推動(dòng)信息技術(shù)（IT）與生產(chǎn)控制（OT）網(wǎng)絡(luò)融合[2]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器連接起來，是全球工業(yè)系統(tǒng)與高級(jí)計(jì)算、分析、傳感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的高度融合?？梢灶A(yù)見，未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對(duì)OT與IT復(fù)合型人才會(huì)有更高的要求[3]。

本文以行業(yè)對(duì)人才的能力需求為切入點(diǎn)，探索先進(jìn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的構(gòu)建，將企業(yè)先進(jìn)的技術(shù)引入教學(xué)，以期培養(yǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用型技術(shù)技能型人才。同時(shí)，依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)基地，積極開展1+X工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維職業(yè)技能等級(jí)認(rèn)證，促進(jìn)課證融通[4]，以人才評(píng)價(jià)模式改革帶動(dòng)職業(yè)教育質(zhì)量提升。

1" 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以真實(shí)工業(yè)設(shè)備裝配為教學(xué)場(chǎng)景，通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)上云，進(jìn)行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用，硬件平臺(tái)完成原材料出庫(kù)、加工、裝配、組裝檢測(cè)、成品入庫(kù)過程。通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，學(xué)生可完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用、工業(yè)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)、云平臺(tái)算法建模工具、工業(yè)數(shù)據(jù)邊緣處理等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維（中級(jí)）崗位四大工作領(lǐng)域的工作任務(wù)[5]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維的工作任務(wù)內(nèi)容以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為實(shí)訓(xùn)載體，如圖1所示。

每一個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包含：SCARA工業(yè)機(jī)器人一臺(tái)，西門子可編程邏輯控制器（PLC）一套，數(shù)字控制機(jī)床（CNC）一臺(tái)，人機(jī)界面（HMI）一臺(tái)，PC機(jī)三臺(tái)（用于網(wǎng)關(guān)配置、腳本編寫等），交換機(jī)兩臺(tái)（一臺(tái)用于工業(yè)設(shè)備內(nèi)部連接，一臺(tái)用于與私有云服務(wù)器連接），傳感器若干，一套模擬汽車生產(chǎn)的原料庫(kù)。其中，PLC通過底層傳感器采集各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)控機(jī)床仿真模擬汽車零件加工的過程，工業(yè)機(jī)器人用于仿真汽車生產(chǎn)線中的自動(dòng)化裝配過程。整個(gè)硬件平臺(tái)仿真模擬汽車生產(chǎn)過程中原材料出庫(kù)、加工、裝配、組裝檢測(cè)、成品入庫(kù)過程。

數(shù)據(jù)采集是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)[6]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，首先要完成工業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的部署與連接，然后根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行工業(yè)數(shù)據(jù)采集方案的規(guī)劃和采集數(shù)據(jù)的配置、測(cè)試與驗(yàn)證。采集的數(shù)據(jù)一方面可以通過邊緣處理后上傳到云平臺(tái)，也可以直接上傳到云平臺(tái)，在云平臺(tái)上通過算法建模工具，對(duì)上云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終通過工業(yè)App實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維過程如圖2所示。

1.1" 數(shù)據(jù)采集方案規(guī)劃

汽車生產(chǎn)線改造項(xiàng)目的目標(biāo)是采集機(jī)床X軸、Y軸、Z軸坐標(biāo)位置，運(yùn)行環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并能夠在云平臺(tái)上展示溫度、濕度、設(shè)備運(yùn)行效率等相關(guān)信息。

設(shè)備運(yùn)行效率=合格率×開機(jī)率×性能率

合格率=（良品數(shù)÷總產(chǎn)量）×100%

開機(jī)率=（開機(jī)時(shí)長(zhǎng)÷計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)）×100%

性能率=（生產(chǎn)線運(yùn)行速度÷生產(chǎn)線理論速度）×100%

設(shè)備運(yùn)行效率由合格率、開機(jī)率、性能率結(jié)果相乘得出，計(jì)算合格率、開機(jī)率、性能率涉及六個(gè)變量：良品數(shù)、總產(chǎn)量、開機(jī)時(shí)長(zhǎng)、計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)、生產(chǎn)線運(yùn)行速度、生產(chǎn)線理論速度。其中，生產(chǎn)線理論速度為60輛/小時(shí)，生產(chǎn)線的計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)為三小時(shí)。因此，待采集的數(shù)據(jù)變量為：溫度，濕度，已合格產(chǎn)品數(shù)量（即良品數(shù)），總生產(chǎn)數(shù)量（即總產(chǎn)量），開機(jī)時(shí)長(zhǎng)，生產(chǎn)線運(yùn)行速度，機(jī)床X軸、Y軸、Z軸位置。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)備層、控制層、監(jiān)控層如圖3所示。

觸摸屏的數(shù)據(jù)來源于PLC（可編程邏輯控制器），溫度、濕度可以直接通過PLC采集溫度、濕度傳感器數(shù)據(jù)獲取，也可以通過觸摸屏獲??；已合格產(chǎn)品數(shù)量和總數(shù)量可以通過PLC采集物料檢測(cè)傳感器獲取；開機(jī)時(shí)長(zhǎng)和生產(chǎn)線運(yùn)行速度通過PLC獲?。籆NC（數(shù)控機(jī)床）X軸、Y軸、Z軸坐標(biāo)位置可以通過采集CNC數(shù)據(jù)獲取。

根據(jù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的情況，結(jié)合項(xiàng)目需求，接下來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集方案規(guī)劃。

首先，通過PLC和CNC獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定可靠，本項(xiàng)目采用三個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)分別采集PLC、CNC、觸摸屏的相關(guān)數(shù)據(jù)。PLC支持S7協(xié)議，CNC支持Modbus協(xié)議[7]，觸摸屏支持OPC協(xié)議[8]，因此在網(wǎng)關(guān)設(shè)備選型時(shí)，采用分別支持S7協(xié)議、Modbus協(xié)議、OPC協(xié)議的漢云Box系列網(wǎng)關(guān)，可以方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程下載和遠(yuǎn)程維護(hù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖4所示。

采集的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)服務(wù)器，可以在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和展示。

1.2" 網(wǎng)絡(luò)部署

本項(xiàng)目中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過有線以太網(wǎng)傳輸方式與其他上層設(shè)備通信，根據(jù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集規(guī)劃的架構(gòu)，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5所示。

1.3" 云平臺(tái)和數(shù)據(jù)上云

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的本質(zhì)是工業(yè)云平臺(tái)，它基于應(yīng)用需求，搭建對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用的模塊體系，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)輔助的生產(chǎn)功能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基本架構(gòu)包括邊緣層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、云基礎(chǔ)設(shè)施[9]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣層主要由平臺(tái)包含的硬件設(shè)備構(gòu)成，采用企業(yè)真實(shí)工業(yè)設(shè)備；云基礎(chǔ)設(shè)施主要由平臺(tái)中服務(wù)器、操作系統(tǒng)、CPU存儲(chǔ)單元、網(wǎng)絡(luò)等部分構(gòu)成；應(yīng)用層對(duì)應(yīng)整體系統(tǒng)硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)App設(shè)計(jì)、發(fā)布、管理和設(shè)備運(yùn)行分析等功能。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)層對(duì)應(yīng)平臺(tái)中的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用開發(fā)軟件系統(tǒng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)部署部分，完成設(shè)備管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)建模等操作，平臺(tái)層是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的核心[10]。云平臺(tái)部署模式分為私有云、公有云和混合云三類，本項(xiàng)目從安全性、自主可控等方面考慮，選擇了私有云，部署了獨(dú)立的服務(wù)器。

在采集工業(yè)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)的過程中，網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)間通過指定通信協(xié)議、建立相同網(wǎng)關(guān)、配置數(shù)據(jù)三大步驟實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云。常用通信協(xié)議有MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）和HTTP（超文本傳輸協(xié)議）[11]，MQTT支持?jǐn)?shù)百萬個(gè)連接客戶，輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)，這些特點(diǎn)使其適用范圍非常廣泛。本項(xiàng)目中使用MQTT作為數(shù)據(jù)上云通信協(xié)議。

1.4" 邊緣計(jì)算

云計(jì)算適用于非實(shí)時(shí)、長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)、全局決策的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，邊緣計(jì)算適用于實(shí)時(shí)性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策的業(yè)務(wù)場(chǎng)景[12]，邊緣計(jì)算是云計(jì)算的補(bǔ)充和延伸。在本項(xiàng)目中用智能網(wǎng)關(guān)端的邊緣計(jì)算來進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，比如根據(jù)采集到的產(chǎn)線環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)，通過編寫腳本判斷溫度、濕度數(shù)據(jù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

以濕度的數(shù)據(jù)過濾為例：濕度在35%～75%之間，代表產(chǎn)線狀態(tài)正常；不在35%～75%之間代表產(chǎn)線狀態(tài)異常。數(shù)據(jù)過濾需求如表1所示。

使用JavaScript編寫數(shù)據(jù)過濾腳本如下：

function main（） {

var humidity=getFloat（“Humidity”， 0）;

var state=0;

if（humiditylt;35）{

state=2;

}

else if（humiditylt;=75）{

state=1;

}

else{

state=2;

}

setU16（“HumidityJudge”， 0， state）;

}

main（）;

2" 1+X課證融通

課證融通，深入研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將職業(yè)技能證書培訓(xùn)內(nèi)容和要求融入專業(yè)人才培養(yǎng)方案，優(yōu)化課程設(shè)置，改革教學(xué)方法，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的模塊化教學(xué)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為三個(gè)等級(jí)：初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)。高職層次對(duì)應(yīng)其中級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維職業(yè)技能等級(jí)（中級(jí)）涵蓋了四大工作領(lǐng)域：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用、工業(yè)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)、云平臺(tái)算法建模工具、工業(yè)數(shù)據(jù)邊緣處理。需要的知識(shí)技能涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感技術(shù)、Java、PLC可編程控制技術(shù)與應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人等相關(guān)課程。

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院自2021年開始在電子信息工程技術(shù)專業(yè)開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維1+X證書試點(diǎn)工作，根據(jù)該證書要求，將人才培養(yǎng)方案中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感、Java、PLC可編程控制技術(shù)與應(yīng)用、機(jī)器人等相關(guān)課程內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，將證書培訓(xùn)內(nèi)容和考核要求融入課程的常規(guī)教學(xué)。根據(jù)1+X證書（中級(jí)）職業(yè)技能等級(jí)要求，校企合作開發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維課程，對(duì)標(biāo)1+X 職業(yè)技能等級(jí)證書考核標(biāo)準(zhǔn)，制定工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維課程標(biāo)準(zhǔn)、教案與授課計(jì)劃。在該課程中，學(xué)生的工作任務(wù)是實(shí)現(xiàn)某汽車生產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)上云，并通過邊緣計(jì)算或算法建模對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。教學(xué)內(nèi)容被分為六個(gè)模塊：第一個(gè)模塊是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，內(nèi)容包括CNC（數(shù)控機(jī)床）、機(jī)器人、HMI（人機(jī)界面）使用和自動(dòng)產(chǎn)線運(yùn)行；第二個(gè)模塊是PLC網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集和PLC數(shù)據(jù)上云；第三個(gè)模塊是CNC網(wǎng)關(guān)配置和CNC數(shù)據(jù)上云；第四個(gè)模塊是觸摸屏OPC網(wǎng)關(guān)配置和OPC數(shù)據(jù)上云；第五個(gè)模塊是邊緣計(jì)算；第六個(gè)模塊是云平臺(tái)算法建模應(yīng)用。模塊之間形成遞進(jìn)式能力目標(biāo)，能力要求由低到高。基于工作任務(wù)組織教學(xué)，教學(xué)過程對(duì)接企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)過程，學(xué)生接受任務(wù)后自主思考、討論、主動(dòng)完成任務(wù)，教師只是引導(dǎo)和協(xié)助，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教與學(xué)。

課程的考核由教育部確定的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維1+X證書第三方職業(yè)技能培訓(xùn)評(píng)價(jià)組織江蘇徐工信息技術(shù)股份有限公司來完成，學(xué)生考核合格才能獲得1+X證書。學(xué)生考核的成績(jī)同時(shí)也作為其該課程的成績(jī)，實(shí)施教育與考試相分離、培訓(xùn)與考核相分離。

打造校企雙主體育人平臺(tái)，與北京華晟經(jīng)世信息技術(shù)股份有限公司共同進(jìn)行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維實(shí)訓(xùn)基地項(xiàng)目設(shè)計(jì)、課程開發(fā)與課程教學(xué)實(shí)施。組建模塊化課程教學(xué)小組，由課程負(fù)責(zé)人擔(dān)任組長(zhǎng)，在組長(zhǎng)主持下集體備課，按分工協(xié)同教學(xué)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維課程的六個(gè)工作任務(wù)模塊由六位各具專長(zhǎng)的教師分別授課。

自2021年起，武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院在電子信息工程技術(shù)專業(yè)實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維中級(jí)證書的課證融通教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生參加第三方組織的考核，2021年的考核通過率為86.7%，2022年的考核通過率為95.4%，2023年的考核通過率為97.2%。數(shù)據(jù)表明，實(shí)施1+X課證融通以來，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣極大提升，綜合實(shí)踐能力不斷提高。

3" 結(jié)束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)施與運(yùn)維平臺(tái)建設(shè)的總體思路是以“任務(wù)引領(lǐng)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、教學(xué)創(chuàng)新、服務(wù)社會(huì)”為宗旨，建設(shè)集教學(xué)、培訓(xùn)、體驗(yàn)、科研于一體的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)基地，突出智能化制造能力，搭建與工業(yè)制造環(huán)境相適應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。同時(shí)，課證融通，按照崗位需求設(shè)計(jì)開發(fā)課程[13]，把職業(yè)技能等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所體現(xiàn)的新技術(shù)、新工藝、新規(guī)范、典型生產(chǎn)案例納入教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的崗位適應(yīng)能力。

4" 參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來源：教育部高等學(xué)校科學(xué)研究發(fā)展中心專項(xiàng)課題“虛擬仿真技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用”（課題編號(hào)：ZJXF2022082）；2019年武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目“基于WebGL的光接入網(wǎng)虛擬勘測(cè)平臺(tái)開發(fā)”（項(xiàng)目編號(hào)：2019YK023）。

作者簡(jiǎn)介：黃艷華，教授。