智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

謝 勇， 陳 曦， 劉振元， 吳計(jì)生

（華中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，武漢430074）

0 引 言

隨著德國工業(yè)4.0 戰(zhàn)略、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的提出，我國政府于2015 年提出“中國制造2025”的國家發(fā)展戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略以促進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展為主題，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能化制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)我國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的歷史性跨越［1-2］?？萍紡?qiáng)國，人才先行。為主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，開啟了新時(shí)代培養(yǎng)創(chuàng)新型、高素質(zhì)、復(fù)合型“新工科”人才的新征程［2-3］。

“新工科”對應(yīng)的是新興產(chǎn)業(yè)，首先是指針對新興產(chǎn)業(yè)的專業(yè)，如人工智能、智能制造、機(jī)器人、云計(jì)算等，也包括傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造?！靶鹿た啤备鼜?qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性，尤其注重物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合［4］。相對于傳統(tǒng)的工科人才，“中國制造2025”需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際視野的高端復(fù)合型人才。自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化是未來制造業(yè)發(fā)展的趨勢，智能制造的發(fā)展對高校自動(dòng)化專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和更高要求［3，5］。

智慧工廠作為制造業(yè)智能化的重要體現(xiàn)，它也是“中國制造2025”第一階段要實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)。智慧工廠深度融合了自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)與通信和人工智能等多種技術(shù)，對技術(shù)和管理人才知識(shí)的廣度和深度提出了更高的要求［6］。高校承載著為我國智能制造戰(zhàn)略提供人才支撐的重大使命，因此，高校的人才培養(yǎng)模式和體系應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，特別是在工程教育和實(shí)踐教學(xué)方面必須緊密跟隨目前的國家戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行升級(jí)。

本文在“中國制造2025”背景下，結(jié)合新工科建設(shè)的人才需求特點(diǎn)，以學(xué)校人工智能與自動(dòng)化學(xué)院智慧工廠實(shí)驗(yàn)室為例，探討了智慧工廠實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)和建設(shè)方案，提出以產(chǎn)品生產(chǎn)制造為核心，將原材料供應(yīng)、生產(chǎn)過程管理、產(chǎn)品自動(dòng)化倉儲(chǔ)、拆零揀選及安全溯源管理等業(yè)務(wù)功能有機(jī)結(jié)合的智慧工廠總體框架，并綜合運(yùn)用三維建模與仿真軟件建立起智慧工廠數(shù)字孿生，為探索“中國制造2025”背景下“新工科”人才培養(yǎng)的新路徑、新方向提供良好的實(shí)踐支撐和借鑒。

1 智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念和原則

智慧工廠是在制造業(yè)一系列科學(xué)管理實(shí)踐的基礎(chǔ)上，深度融合自動(dòng)化技術(shù)、信息通信技術(shù)和智能科學(xué)技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)建立核心競爭力的新一代制造企業(yè)及其生態(tài)系統(tǒng)［7］。綜合分析傳統(tǒng)機(jī)電一體化、工業(yè)工程、物流工程、物聯(lián)網(wǎng)類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，可以看出高校對于智能制造相關(guān)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)非常重視，也投入大量人力、物力進(jìn)行建設(shè)，如清華大學(xué)工業(yè)工程系的模范工廠實(shí)驗(yàn)室、北京物資學(xué)院的北京市物流系統(tǒng)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、山東大學(xué)云基智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室、后勤指揮學(xué)院的軍事物流工程實(shí)驗(yàn)室等。但是，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及人工智能等技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)、對接“中國制造2025”的制造強(qiáng)國戰(zhàn)略方面顯得有些力不從心，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)性、先進(jìn)性及智能性不足，難以承載培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的高端復(fù)合型人才的重任［8-9］。因此，智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)應(yīng)體現(xiàn)如下的理念和原則：

（1）先進(jìn)性。智慧工廠的建設(shè)要具有一定的前瞻性，使用的技術(shù)和裝備也要盡可能代表未來的發(fā)展趨勢和主流。如智慧工廠建設(shè)過程中硬件設(shè)備應(yīng)考慮支持OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)或者是符合邊緣計(jì)算框架，未來能結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能擴(kuò)展建立智慧工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)等［10］。

（2）智能性。智慧工廠之所以“智慧”，其核心就是智能性，具體包含幾個(gè)層次：設(shè)備、管理系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析智能性。設(shè)備智能性主要是指智慧工廠的主要硬件設(shè)備應(yīng)是智能設(shè)備，如碼垛機(jī)器人、AGV 智能車等；管理系統(tǒng)智能性是指智能工廠的各種管理系統(tǒng)軟件應(yīng)具有一定智能算法，如智能調(diào)度、智能導(dǎo)航及智能分揀等算法；大數(shù)據(jù)分析智能性是指智慧工廠的運(yùn)營數(shù)據(jù)可以通過智能化的分析工具和算法進(jìn)行分析、評(píng)估和優(yōu)化。3 個(gè)層面的智能性最終可實(shí)現(xiàn)智慧工廠的執(zhí)行智能化、管理智能化和決策智能化。

（3）系統(tǒng)性。智慧工廠是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，需要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)和人工智能技術(shù)等，把人、機(jī)、物、環(huán)境有機(jī)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與管理的統(tǒng)一集成［6］。因此，智慧工廠的建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它是由相互聯(lián)系的、具有不同功能的子系統(tǒng)組成，而不是各單元技術(shù)的零散堆砌。

（4）實(shí)用性。智慧工廠雖然是一個(gè)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，但是其功能定位和技術(shù)水準(zhǔn)應(yīng)瞄準(zhǔn)真實(shí)的工業(yè)應(yīng)用場景，甚至在條件允許情況下直接建成工業(yè)應(yīng)用級(jí)的智慧工廠。這樣做，一方面可以推進(jìn)產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人機(jī)制的實(shí)施，另一方面，也可以在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工匠精神。

2 智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)方案

2.1 平臺(tái)目標(biāo)和功能定位

智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是建成國內(nèi)一流的智慧工廠實(shí)踐教學(xué)軟硬件平臺(tái)，對接“中國制造2025”的國家戰(zhàn)略，為培養(yǎng)“新工科”實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新水平高的復(fù)合型人才提供支撐。智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)秉承產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人理念，面向本科生、研究生教育和國際智能制造研究前沿，堅(jiān)持教學(xué)與科研并重、硬件與軟件并重、實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新并重，并開放服務(wù)于社會(huì)業(yè)界。

2.2 平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)以“一橫一縱”為主線，橫向以企業(yè)生產(chǎn)為核心，前端包括原材料采購與倉儲(chǔ)，后端包括成品倉儲(chǔ)與分銷，構(gòu)成產(chǎn)品生命周期及溯源管理系統(tǒng)；縱向以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次，即透徹感知、全面互聯(lián)、智能信息處理為依托，面向生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)供銷的不同業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，構(gòu)建不同的業(yè)務(wù)功能子系統(tǒng)，即原材料倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理與控制系統(tǒng)、自動(dòng)化立庫系統(tǒng)、基于DPS的拆零揀選系統(tǒng)和產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)。這5 個(gè)子系統(tǒng)以產(chǎn)品生產(chǎn)制造為核心，將原材料供應(yīng)、生產(chǎn)過程管理、產(chǎn)品自動(dòng)化倉儲(chǔ)、拆零揀選及安全溯源管理等業(yè)務(wù)功能有機(jī)結(jié)合，同時(shí)在每一環(huán)節(jié)也綜合考慮各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，從而構(gòu)建一個(gè)基于制造物聯(lián)網(wǎng)的智慧工廠，其整體功能布局采用“U”型布局模式，如圖1 所示。

圖1 智慧工廠總體結(jié)構(gòu)布局

另一方面，為使智慧工廠能在虛擬空間中完全實(shí)時(shí)在線運(yùn)行，還運(yùn)用三維仿真軟件建立起智慧工廠的虛擬模型，并通過數(shù)據(jù)接口將智慧工廠的物理模型和虛擬模型連接起來并進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，從而建立智慧工廠數(shù)字孿生體，使智慧工廠實(shí)現(xiàn)“在信息空間開創(chuàng)制造和管理未來”，體現(xiàn)新的制造和管理模式［11-12］。

（1）原材料倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)。原材料倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)主要對生產(chǎn)所需的原材料進(jìn)行分類管理，并按類別賦予唯一的條碼標(biāo)識(shí)，并與DPS 存儲(chǔ)貨架的貨位對應(yīng)，在生產(chǎn)線前端進(jìn)行可視化的原料倉儲(chǔ)管理，為產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源奠定基礎(chǔ)。原材料倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備包括DPS存儲(chǔ)貨架、條碼打印機(jī)和條碼識(shí)別器。

（2）生產(chǎn)管理與控制系統(tǒng)。生產(chǎn)管理與控制系統(tǒng)（見圖2）是智慧工廠的核心子系統(tǒng)，主要對生產(chǎn)過程進(jìn)行管理和控制，如生產(chǎn)計(jì)劃制定、產(chǎn)品生產(chǎn)及賦碼、質(zhì)量檢測、機(jī)械手組盤、托盤RFID 識(shí)別等，特別是機(jī)械手組盤環(huán)節(jié)，需將單個(gè)產(chǎn)品上的條碼和托盤上的RFID 標(biāo)簽進(jìn)行信息關(guān)聯(lián)，為后續(xù)的溯源管理打下基礎(chǔ)。生產(chǎn)管理與控制系統(tǒng)的主要設(shè)備有：生產(chǎn)線、激光打碼機(jī)、OCR識(shí)別器、碼盤機(jī)械手、RFID識(shí)讀器等。

圖2 生產(chǎn)管理與控制系統(tǒng)

（3）自動(dòng)化立庫系統(tǒng)。自動(dòng)化立庫系統(tǒng)（見圖3）對生產(chǎn)出來的產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)化入庫與出庫管理，并通過智能貨位分配算法對出入庫托盤進(jìn)行最優(yōu)貨物分配，并通過優(yōu)化調(diào)度算法對堆垛機(jī)進(jìn)行合理的作業(yè)調(diào)度，同時(shí)輔以可視化的電子貨位圖進(jìn)行可視化操作管理。

圖3 自動(dòng)化立庫系統(tǒng)

自動(dòng)化立庫系統(tǒng)主要由環(huán)形分揀線、立體貨架和堆垛機(jī)組成，由PLC 控制并和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)、碼盤機(jī)械手進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和聯(lián)動(dòng)。自動(dòng)化立庫系統(tǒng)前端和生產(chǎn)管理與控制系統(tǒng)對接，接受生產(chǎn)系統(tǒng)組好的托盤進(jìn)行托盤入庫；后端完成托盤出庫后，和DPS 拆零揀選系統(tǒng)的散件出庫合流，實(shí)現(xiàn)“整托＋散件”的混流出庫模式，以更貼近實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的真實(shí)場景完成出庫操作。

（4）基于DPS 的拆零揀選系統(tǒng)。將LED 電子標(biāo)簽安裝于貨架儲(chǔ)位上，通過LED 電子標(biāo)簽指示，輔助揀貨人員進(jìn)行摘果式揀貨操作，大大提高揀貨效率，減少揀貨差錯(cuò)。基于DPS 的拆零揀選系統(tǒng)（見圖4）的主要設(shè)備包括：流利式貨架、作業(yè)報(bào)警三色指示燈和LED電子標(biāo)簽、LED電子標(biāo)簽控制器。

圖4 基于DPS的拆零揀選系統(tǒng)

（5）產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)。在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的末端，考慮產(chǎn)品在流通環(huán)節(jié)的質(zhì)量與安全追溯需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)，通過手機(jī)APP自動(dòng)識(shí)別產(chǎn)品條碼，查詢產(chǎn)品的生產(chǎn)批次、原材料批次、生產(chǎn)環(huán)境及物流路徑等信息，實(shí)現(xiàn)不同條件下產(chǎn)品溯源查詢和安全追溯。

在建立了智慧工廠5 個(gè)子系統(tǒng)物理模型的基礎(chǔ)上，為順應(yīng)“中國制造2025”和工業(yè)4.0 的時(shí)代潮流和發(fā)展趨勢，運(yùn)用西門子三維建模與仿真軟件建立了智慧工廠的虛擬模型，并將智慧工廠物理模型和虛擬模型實(shí)時(shí)連接起來，從而構(gòu)建了智慧工廠的數(shù)字孿生，以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)協(xié)同、精準(zhǔn)掌控，如圖5 所示。

圖5 智慧工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)

3 智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)效果

智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建成以后，在促進(jìn)和加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、科學(xué)研究、產(chǎn)學(xué)合作及社會(huì)服務(wù)等多方面發(fā)揮了重要作用，取得了良好的效果。

（1）實(shí)踐教學(xué)。智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)不但成為我校人工智能與自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化和物流管理專業(yè)本科生課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)也成為學(xué)院專業(yè)型研究生的創(chuàng)新實(shí)踐課程平臺(tái)。自平臺(tái)建成以來，已為本科生智能裝備與自動(dòng)化系統(tǒng)、物流信息技術(shù)、現(xiàn)代物流配送等諸多課程開設(shè)配套實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，也為課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的研究對象和實(shí)踐場所。另一方面，智慧工廠在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方面也發(fā)揮了重要作用，已成為大學(xué)生參加“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽、全國高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新大賽、全國大學(xué)生物流設(shè)計(jì)大賽等諸多創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的重要實(shí)踐基地。近幾年，學(xué)院大學(xué)生依托該平臺(tái)已在上述大賽中多次取得一、二等獎(jiǎng)好成績。先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用和真實(shí)場景的展現(xiàn)不但極大地豐富了實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，同時(shí)也大大激發(fā)了學(xué)生們探究科學(xué)的興趣。

（2）科學(xué)研究。智慧工廠作為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的同時(shí)，也為開展科學(xué)研究提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。依托該智慧工廠平臺(tái)，學(xué)院多個(gè)課題組在生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化、物流系統(tǒng)建模與仿真、人機(jī)共生協(xié)作建模與優(yōu)化等諸多領(lǐng)域開展科學(xué)研究，并承擔(dān)和完成了多項(xiàng)縱向和橫向科研課題，取得了一系列科研成果；同時(shí)，這些項(xiàng)目和成果也進(jìn)一步充實(shí)和豐富了實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提供了新的機(jī)會(huì)和途徑。

（3）產(chǎn)學(xué)合作。智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)伊始就堅(jiān)持開放的辦學(xué)理念，平臺(tái)的建成也極大地促進(jìn)了產(chǎn)學(xué)合作，已吸引西門子、華工科技產(chǎn)業(yè)股份有限公司等知名企業(yè)參與共建并建立長期合作關(guān)系，他們的技術(shù)和產(chǎn)品也使得智慧工廠在設(shè)計(jì)理念和技術(shù)方面保持一定的先進(jìn)性；另一方面，智慧工廠平臺(tái)及研究成果也引起乳制品、酒品及煙草等行業(yè)龍頭企業(yè)的極大興趣和合作意向，他們積極提供現(xiàn)實(shí)需求和典型場景來引領(lǐng)智慧工廠研究成果的應(yīng)用和推廣，從而保證智慧工廠具有較強(qiáng)的實(shí)用性。事實(shí)證明，智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)極大地推動(dòng)和促進(jìn)了產(chǎn)學(xué)合作，成為一個(gè)“頂天立地”的科研教學(xué)綜合實(shí)踐平臺(tái)。

（4）社會(huì)服務(wù)。智慧工廠也是對外交流和展示的一個(gè)重要平臺(tái)。智慧工廠建成以來，每年接待兄弟院校、社會(huì)企業(yè)及國外專家友人的參觀交流多達(dá)幾十次。這種交流不但大大促進(jìn)了“中國制造2025”背景下智能制造理念的傳播和應(yīng)用，而且也對促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度合作起到了積極的推動(dòng)作用。

4 結(jié) 語

“中國制造2025”背景下所打造的智慧工廠實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)是一種面向智能制造的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)以產(chǎn)品生產(chǎn)制造為核心，將原材料供應(yīng)、生產(chǎn)過程管理、產(chǎn)品自動(dòng)化倉儲(chǔ)、拆零揀選及安全溯源管理等業(yè)務(wù)功能有機(jī)結(jié)合，并綜合運(yùn)用三維建模與仿真軟件建立起智慧工廠數(shù)字孿生。該平臺(tái)秉承產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人理念，以前沿的技術(shù)和豐富的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，為“中國制造2025”背景下“新工科”人才培養(yǎng)提供良好的實(shí)踐支撐環(huán)境，為培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新水平，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)提供幫助。