面向“工業(yè)4.0”的工程教育創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

姜晨

摘 要 以德國(guó)近年來(lái)提出的“工業(yè)4.0”技術(shù)發(fā)展框架，探索“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專業(yè)的工程教育創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)思路，重點(diǎn)探討“工業(yè)4.0”的發(fā)展趨勢(shì)，以及如何結(jié)合“工業(yè)4.0”開展“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化”專業(yè)課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，滿足機(jī)械行業(yè)對(duì)高素質(zhì)的工程技術(shù)人才的需求。

關(guān)鍵詞 工業(yè)4.0 工程教育 機(jī)械工程

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2011年在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，德國(guó)人工智能研究中心負(fù)責(zé)人Wolfgang Wahlster教授首次提出“工業(yè)4.0”的概念。2013年，德國(guó)成立了“工業(yè)4.0”工作組，并于同年4月在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上發(fā)布了最終報(bào)告《保障德國(guó)制造業(yè)的未來(lái)：關(guān)于實(shí)施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的建議》。①可以說(shuō)“工業(yè)4.0”已經(jīng)正式成為德國(guó)工業(yè)未來(lái)發(fā)展的方向標(biāo)?！肮I(yè)4.0”強(qiáng)調(diào)將傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，將基本模式由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制進(jìn)行轉(zhuǎn)變，并最終實(shí)現(xiàn)工廠智能化、生產(chǎn)智能化。②

1 工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢(shì)

“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”是“工業(yè)4.0”的兩個(gè)主要組成部分，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)，相關(guān)研究工作在德國(guó)已經(jīng)廣泛開展。③德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)（Fraunhofer-Gesellschaft）引入“工業(yè)4.0”概念，開展針對(duì)“智能工廠”的全方位智能自動(dòng)化技術(shù)研究；西門子公司將這一概念引入其工業(yè)軟件開發(fā)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，研究開發(fā)針對(duì)“智能工廠”相關(guān)的系列產(chǎn)品；恩德斯豪斯（Endree-Hauss）公司按照“工業(yè)4.0”要求開發(fā)過程工業(yè)自動(dòng)化解決方案，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、不同客戶生產(chǎn)資料的信息共享；庫(kù)卡（Kuka）公司結(jié)合其在機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)研究面向智能制造的協(xié)作機(jī)器人和遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)；德國(guó)電信（Deutsche Telekom）、博世（Bosch）以及薩普（SAP）等公司在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理等方面開展了卓有成效的研究，為“智能工廠”提供軟件支持結(jié)構(gòu)或服務(wù)；作為工業(yè)用戶代表，德國(guó)大眾（VW）和巴斯夫（BASF）等公司通過使用快速成型和能源智能建筑技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)過程，參與到“智能工廠”的研究中；德國(guó)費(fèi)斯托（Festo）公司研究了一種分散式智能機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，即智能閥島，實(shí)現(xiàn)面向“工業(yè)4.0”的新型控制系統(tǒng)。上述研究工作為實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的集中式工廠控制系統(tǒng)向分散式智能工廠控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變提供了基本思路與手段。

中國(guó)素有制造業(yè)大國(guó)之稱，同時(shí)也是自動(dòng)化技術(shù)需求大國(guó)。中國(guó)政府非常重視“智能工廠”領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究。為全面開展智能制造技術(shù)研究，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《智能制造十二五規(guī)劃》，鼓勵(lì)企業(yè)構(gòu)建工業(yè)智能化工廠，而其中重點(diǎn)任務(wù)之一就是解決未來(lái)智能制造所需的理論框架和共性技術(shù)。眾多國(guó)內(nèi)企業(yè)和大專院校等研究機(jī)構(gòu)也開展相關(guān)研究。浙江大學(xué)方紅飛以動(dòng)態(tài)模擬為基礎(chǔ)，研究了動(dòng)態(tài)模擬在智能工廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，齊瑞超進(jìn)一步提出用于工廠建模和仿真的四層框架，運(yùn)用這種對(duì)工廠拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象的建模與仿真方法構(gòu)建可擴(kuò)展和易配置的仿真模型，為“智能工廠”建模和仿真提供了指導(dǎo)；上海工業(yè)自動(dòng)化儀表繆學(xué)勤根據(jù)“工業(yè)4.0”理念，探討了面向服務(wù)的“智能工廠”體系架構(gòu)，為加快中國(guó)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供思路；中石化夏茂森從易工程化和技術(shù)成熟度兩個(gè)維度，對(duì)流程制造工業(yè)智能工廠體系架構(gòu)和基礎(chǔ)實(shí)施技術(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為基于知識(shí)發(fā)現(xiàn)和基于模型的兩類技術(shù)應(yīng)該是目前智能工廠建設(shè)的首選技術(shù)；江南大學(xué)王聰面向物料智能配送體系，對(duì)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)、RFID智慧生產(chǎn)車間應(yīng)用流程及應(yīng)用可靠性等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究；武漢理工大學(xué)何寧輝提出網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下的數(shù)字化制造車間集成管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建智能分布式人機(jī)協(xié)同工作模式。

2012年，工信部批復(fù)同意在順德建立無(wú)人化工廠，支持廣東創(chuàng)匯等多家企業(yè)采用智能化成套裝備建設(shè)數(shù)字化車間和智能化工廠管理軟件。在政府的支持下，中國(guó)企業(yè)開展了各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。中國(guó)石化提出了用信息化支撐傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型，推進(jìn)“智能工廠”建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)，通過應(yīng)用信息技術(shù)改造石油石化傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝、提高資源利用率，從而實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)；煙臺(tái)萬(wàn)華以MES應(yīng)用為基礎(chǔ)，建立穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、工廠應(yīng)用快速?gòu)?fù)制的綜合數(shù)據(jù)整合平臺(tái)，向建設(shè)智能化工廠的目標(biāo)邁進(jìn)；燕山石化投用了ERP企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)、MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，自主開發(fā)了盈虧平衡分析系統(tǒng)、設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，大幅度提升了工廠的信息管理智能化水平。研華公司研發(fā)的WebAccess平臺(tái)將工廠里每個(gè)系統(tǒng)的信息采集到云端實(shí)現(xiàn)信息共享，工廠用戶能夠及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的狀況并通過云端功能實(shí)時(shí)地將信息傳遞，進(jìn)而達(dá)到提升工廠智能化信息處理能力；2012年西門子在中國(guó)成都建立西門子工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品成都生產(chǎn)及研發(fā)基地（SEWC），它是西門子面向“工業(yè)4.0”，在中國(guó)設(shè)立的最大的現(xiàn)代化數(shù)字工廠。

2 面向“工業(yè)4.0”的工程教育創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

針對(duì)“工業(yè)4.0”新形勢(shì)以及機(jī)械學(xué)科的自身工程教育特點(diǎn)，新形勢(shì)下的工程教育創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)重點(diǎn)應(yīng)該包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

2.1 平臺(tái)以培養(yǎng)學(xué)生科研的思維方法、科學(xué)研究能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械工程類課程，以創(chuàng)新和探索為目的，著重培養(yǎng)學(xué)生的基本的工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)能力。課程以工程項(xiàng)目的形式進(jìn)行， 使學(xué)生在技術(shù)難題解決、文獻(xiàn)查閱、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)操作、案例分析、撰寫技術(shù)文檔等各個(gè)環(huán)節(jié)得到較全面的工程技術(shù)思維和方法的訓(xùn)練。安排一些具有創(chuàng)新性、探索性的工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生查閱、分析及概括文獻(xiàn)的能力，設(shè)計(jì)及計(jì)劃安排實(shí)驗(yàn)的能力以及分析問題、解決問題的能力，為學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生提供了進(jìn)一步發(fā)展的空間。學(xué)生可根據(jù)導(dǎo)師的實(shí)際課題或者合作企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目為對(duì)象，設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并可以由學(xué)生和企業(yè)導(dǎo)師或者學(xué)校教師直接進(jìn)行討論，確定實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)與時(shí)間，針對(duì)智能化程度較高的企業(yè)，重點(diǎn)開展實(shí)驗(yàn)平臺(tái)合作建設(shè)工作，安排具體老師，負(fù)責(zé)長(zhǎng)期聯(lián)絡(luò)與合作，為面向“工業(yè)4.0”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地建設(shè)提供支持。

2.2 面向大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，建設(shè)“工業(yè)4.0”的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室

通過實(shí)施創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)，讓基地成為國(guó)內(nèi)先進(jìn)的具有輻射示范作用的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)實(shí)踐基地，使基地成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力，提高學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦等實(shí)踐能力為重點(diǎn)的創(chuàng)新實(shí)踐教育基地，使之成為創(chuàng)新教育與實(shí)踐系列課程體系、內(nèi)容、方法、手段改革研究的實(shí)踐基地，大學(xué)生創(chuàng)業(yè)教育與訓(xùn)練基地、大學(xué)生科技活動(dòng)研發(fā)實(shí)踐基地。逐步實(shí)現(xiàn)“創(chuàng)業(yè)政策比較完善、創(chuàng)業(yè)教育基本普及、創(chuàng)業(yè)平臺(tái)較為健全、創(chuàng)業(yè)氛圍更為濃厚、創(chuàng)業(yè)成果更加豐富”的高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作目標(biāo)。主要包括：（1）大幅度提高實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)的學(xué)生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的比例；（2）建立和完善包括校級(jí)機(jī)械創(chuàng)新實(shí)踐基地、校級(jí)工程實(shí)訓(xùn)中心、院級(jí)創(chuàng)新實(shí)踐基地、創(chuàng)新工作室、專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心等在內(nèi)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐平臺(tái)；（3）優(yōu)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程體系，確立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式，完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練體系建設(shè)，滿足上海高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實(shí)驗(yàn)基地對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)要求。（4）建設(shè)周期內(nèi)學(xué)生獲得國(guó)家、上海市等國(guó)家及省部級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果不少于80項(xiàng)。此外，“工業(yè)4.0”以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，緊密結(jié)合通信技術(shù)發(fā)展方向和高校教學(xué)改革方向，以面向提升學(xué)生能力和培養(yǎng)師資力量為目標(biāo)，打破專業(yè)界限，改革過去實(shí)驗(yàn)依附于理論課程的舊體系，設(shè)置開放性實(shí)驗(yàn)、物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。

在原有建設(shè)基礎(chǔ)上，建立工程設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)、工程分析實(shí)踐平臺(tái)、先進(jìn)制造實(shí)踐平臺(tái)、工程試驗(yàn)實(shí)踐平臺(tái)等創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)；將上述各實(shí)踐平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化集成，構(gòu)建代表國(guó)內(nèi)外主流先進(jìn)制造企業(yè)生產(chǎn)過程的“卓越工程師工程實(shí)踐與創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)”，建立面向“工業(yè)4.0”的“卓越工程師工程實(shí)踐與創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系”，在此基礎(chǔ)上工廠教育創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。建設(shè)實(shí)現(xiàn)基于該平臺(tái)進(jìn)行典型機(jī)電產(chǎn)品案例驅(qū)動(dòng)的學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，自主分析、自主制造、自主試驗(yàn)的目標(biāo)。實(shí)施全程質(zhì)量監(jiān)督與過程控制，按照建設(shè)目標(biāo)，進(jìn)行定期檢查，保證平臺(tái)建設(shè)的順利進(jìn)行；完成平臺(tái)的師資隊(duì)伍建設(shè)、專業(yè)建設(shè)、教學(xué)條件建設(shè)、教學(xué)管理建設(shè)等任務(wù)，構(gòu)建與時(shí)俱進(jìn)的新型工程教育創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架。

2.3 專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的師資隊(duì)伍培養(yǎng)與建設(shè)

加強(qiáng)師資隊(duì)伍的人才培訓(xùn)和再教育。有計(jì)劃地支持教師到企業(yè)掛職鍛煉，鼓勵(lì)教師參與社會(huì)行業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐。積極從社會(huì)各界聘請(qǐng)企業(yè)家、創(chuàng)業(yè)成功人士、專家學(xué)者等作為兼職教師，建立一支專兼結(jié)合的高素質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教師隊(duì)伍。建立中外創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育交流機(jī)制，加強(qiáng)和國(guó)外大學(xué)的交流，聘請(qǐng)國(guó)外大學(xué)教授、企業(yè)專家來(lái)學(xué)院授課。吸納先進(jìn)的國(guó)際化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)體系與教學(xué)內(nèi)容，與國(guó)際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育人才標(biāo)準(zhǔn)接軌。在建設(shè)中培養(yǎng)和鍛煉一批能勝任國(guó)際化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的高水平教師。與學(xué)校教務(wù)處、人事處等相關(guān)職能部處配合，從教學(xué)考核、職稱評(píng)定、培訓(xùn)培養(yǎng)、經(jīng)費(fèi)支持等方面給予傾斜支持，定期組織教師培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)和交流，不斷提高教師教學(xué)研究與指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐的水平。培養(yǎng)團(tuán)結(jié)合作的團(tuán)隊(duì)精神，為培養(yǎng)面向“工業(yè)4.0”的高素質(zhì)工程技術(shù)人才提供重要保障，建立一支創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)強(qiáng)、結(jié)構(gòu)合理、具有國(guó)際視野和工程實(shí)踐能力的“雙師型”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育師資隊(duì)伍。

3 結(jié)束語(yǔ)

總體來(lái)看，“工業(yè)4.0”描繪出未來(lái)制造業(yè)的工廠生產(chǎn)景象，處在全球智能工業(yè)領(lǐng)域領(lǐng)先地位的德國(guó)，已敏銳地覺察到工業(yè)進(jìn)程發(fā)展趨勢(shì)，并全力推廣“工業(yè)4.0”，進(jìn)一步提升其在工業(yè)自動(dòng)化制造業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的地位。這一點(diǎn)對(duì)于制造業(yè)正快速發(fā)展的中國(guó)具有非常強(qiáng)的啟迪意義。當(dāng)前，工業(yè)技術(shù)水平、運(yùn)行模式等方面，都處于日新月異的發(fā)展階段。擔(dān)負(fù)著自主創(chuàng)新重任的企業(yè)對(duì)教育提出了更高更新的要求，對(duì)于高等工程教育來(lái)說(shuō)，建設(shè)一個(gè)與“工業(yè)4.0”相適應(yīng)的工程教育創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)極為重要。

教育部專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目（2N14304101）資助

注釋

① Drath Rainer， Horch Alexander. Industrie 4.0： Hit or hype[J].IEEE Industrial Electronics Magazine，2014.8（2）：56-58.

② 齊瑞超，榮岡，馮毅萍，胡云蘋.智能工廠可配置的多層次建模方法[J].化工學(xué)報(bào)，2013.64（12）：4354-4365.

③ 郭政.標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)德國(guó)工業(yè)升級(jí)[J].上海質(zhì)量，2013（10）：22-26.