工業(yè)互聯網技術體系實訓裝備及教學設計

廖永紅 楊銘 宋瑞

摘? 要 簡述IT+CT與OT的融合發(fā)展及工業(yè)互聯網的融合創(chuàng)新，從OT、IT技術邊界演變，分析工業(yè)互聯網創(chuàng)新型人才的技能要求，提出利用院校已有智慧化設施、OT實訓裝置、IT云平臺資源等，學院間跨專業(yè)協同，構建工業(yè)互聯網技術實訓體系。按照工業(yè)互聯網技術架構，以“無線鼠標智能制造縮簡版組裝生產線”為例，設計工業(yè)互聯網實訓裝備，并給出教學設計示例。

關鍵詞 IT;CT;OT;工業(yè)4.0;智能制造;實訓裝備;實訓室;工業(yè)互聯網

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）06-0123-04

1 OT、IT技術融合發(fā)展及人才需求

智能制造、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯網? 工業(yè)4.0、智能制造，其精髓是精益生產和信息互聯，具有生產高度數字化、網絡化、機器自組織等特征。工業(yè)4.0體系將信息技術（IT）及通信技術（CT）的數字世界、運行技術（OT）的物理世界連接起來，實現IT+CT（ICT）與OT的融合發(fā)展。

工業(yè)互聯網實現ICT與OT的融合，通過人、機、物的全面互聯，全要素、全產業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，對各類數據進行采集、傳輸、分析并形成智能反饋，推動形成全新的生產制造和服務體系，優(yōu)化資源要素配置效率，充分發(fā)揮制造裝備、工藝和材料的潛能，提高企業(yè)生產效率，創(chuàng)造差異化的產品并提供增值服務[1]。智能制造、工業(yè)互聯網關鍵要素如圖1所示。

傳統IT、OT專業(yè)人才的技術邊界? 傳統意義上，IT、OT有邊界，崗位是分離的，分屬于兩個不同的專業(yè)大類：IT屬于電子信息技術專業(yè)大類，核心是計算機相關的專業(yè)，面向數字世界，代表信息與計算機技術的發(fā)展，包括軟件、互聯網、云計算、大數據、人工智能等;OT屬于機電技術專業(yè)大類，核心是機電一體化等相關專業(yè)，代表運行與自動化技術的發(fā)展，包括PLC機器人、自動化協議、以太網、傳感器、電動氣動液壓等。

為適應生產制造業(yè)、信息技術業(yè)的明顯分工，傳統上，IT、OT人才的定位也是割裂的，IT與OT人才定位有交集，但沒有明顯的跨界融合。在工業(yè)領域，IT崗位主要面向上層業(yè)務，如企業(yè)資源規(guī)劃系統（ERP）、供應鏈管理系統（SCM）、客戶關系管理系統（CRM）、產品生命周期管理系統（PLM）、辦公室自動化系統（OA）等，特別是基于互聯網的信息系統技術等崗位;OT崗位主要面向自動化、機電設計、生產線裝備安裝調試、生產線故障檢測等。

由于產業(yè)數字化轉型升級、新興技術的應用，IT、OT技術在工業(yè)領域已出現明顯的融合：IT人員需要了解OT的需求、接口、設備技術、設備運行、生產過程等，OT人員需要了解編程技術、網絡通信、數據處理等?，F實中，制造行業(yè)的企業(yè)內部為實現更高級的自動化、智能化，有大量OT人員向IT領域滲透，學習信息技術，開發(fā)實用的、混合技術的控制系統、業(yè)務應用系統等。

IT、OT的融合發(fā)展與工業(yè)互聯網? 進入工業(yè)4.0時代，隨著云計算、大數據、人工智能、5G技術、物聯網等新興技術的發(fā)展，引發(fā)了工藝參數上云等典型的技術變革需求，由OT領域的傳感器獲取數據，上傳IT領域的云端中心執(zhí)行大數據分析，繁衍出各種創(chuàng)新應用。IT、OT融合發(fā)展，不僅是技術邊界的模糊、相互滲透，更是技術體系的交叉、一體化融合，進一步演化為工業(yè)互聯網技術體系，如圖2所示。

面向工業(yè)互聯網技術體系建設，2019年工信部國家標準化管理委員會印發(fā)《工業(yè)互聯網綜合標準化體系建設指南》，中國信息通信研究院、中國工業(yè)互聯網研究院發(fā)布一系列關于工業(yè)互聯網、工業(yè)大數據的技術框架、實施規(guī)范白皮書，有力推動了工業(yè)互聯網產業(yè)快速發(fā)展。根據白皮書規(guī)范的工業(yè)互聯網技術體系，阿里云、華為云、航天云、樹根互聯，這些云服務運營商提供符合標準規(guī)范的工業(yè)互聯網公共平臺服務、工業(yè)大數據技術服務，其技術服務包含信息物理系統（CPS，Cyber-Physical Systems）、邊緣計算（EC，Edge Computing）技術、工業(yè)數據上云、數字孿生（DT，Digital Twin）虛擬工廠、工業(yè)大數據分析等。技術服務成熟穩(wěn)定，在政府的政策扶持及大力推動下，“工業(yè)互聯網+”的產業(yè)升級、智能化改造已形成以點帶面的發(fā)展趨勢。

工業(yè)互聯網融合創(chuàng)新型人才? 隨著工業(yè)互聯網的應用發(fā)展，IT、OT人才不再獨善其身，固守邊界。一方面，業(yè)務已融合，IT必須了解生產過程、系統目標、工藝數據、信息物理系統等，掌握一定的OT技術;OT人員也要知道大數據、人工智能、物聯網等IT領域技術，基于新興技術進行思維創(chuàng)新。另一方面，IT、OT融合成新的工業(yè)互聯網體系，OT、IT的技術內涵也發(fā)生變化，工業(yè)互聯網的融合創(chuàng)新、新技術應用特點，決定了工業(yè)互聯網相關專業(yè)技能人才必須突破原有的IT、OT專業(yè)大類邊界，掌握融合創(chuàng)新技術。工業(yè)互聯網人才培養(yǎng)的課程教材設計包括信息物理系統、工業(yè)云平臺與安全、工業(yè)互聯網平臺、工業(yè)大數據技術、工業(yè)組態(tài)及VR/AR技術、智能制造執(zhí)行系統、云制造技術、工業(yè)應用APP等。

2 工業(yè)互聯網技術實訓裝備

多專業(yè)的實訓室協同建設路徑? 工業(yè)互聯網具有鮮明的跨界融合特點，培養(yǎng)工業(yè)互聯網融合創(chuàng)新型人才，工業(yè)互聯網技術體系相關的實訓教學裝備也要跨界融合，兼有OT及IT的功能設施。OT功能設施是基礎、重資產，可以選擇采用多專業(yè)的實訓室協同建設路徑，即智能化改造已有的各類生產、實驗設備，融入工業(yè)互聯網技術體系。以廣東輕工職業(yè)技術學院為例，為了建設工業(yè)互聯網專業(yè)群，成立由信息技術學院與機電技術學院組成的“智能制造—工業(yè)互聯網協同創(chuàng)新中心”，主要任務之一是智能化改造機電技術學院的生產性實訓設施，安裝傳感器，設置邊緣網關，采集設備數據，數據上云，將信息技術學院的云計算、系統資源與機電技術學院的生產裝備設施進行技術融合、創(chuàng)新應用，實現工業(yè)互聯網技術體系的實訓教學功能。另外，將學校的智慧課室、智能門禁、人臉識別閘機、智慧后勤各類傳感器看成OT層的基礎生產設施，按工業(yè)互聯網技術體系進行邊緣計算改造，數據規(guī)范化并上云，實現工業(yè)互聯網技術體系的實訓教學功能。

生產線示范性工業(yè)互聯網實訓裝備? 選擇典型的企業(yè)生產案例，以智能化企業(yè)產品生產線為原型場景，設計簡化版的生產線實訓裝備，設計設備傳感層、信息物理層，選擇阿里云、華為云、航天云或其他公司的工業(yè)互聯網云平臺，數據上云，聚焦工業(yè)互聯網技術體系，設計實踐教學內容，教學內容覆蓋自動化設備層、數據采集層、生產信息處理層、工業(yè)云平臺層、應用層等工業(yè)互聯網五層架構技術，涉及工業(yè)感知技術、智能控制技術、互聯通信網技術、視覺檢測技術、機器人應用技術、運動控制技術、PLC控制技術、物聯網技術、邊緣計算、軟件開發(fā)技術、大數據及云計算技術、云組態(tài)與創(chuàng)新開發(fā)技術等。

這里以一個“無線鼠標智能制造縮簡版組裝生產線”為案例設備，它集成了產品的部件傳送、組裝、檢測、包裝、倉儲等典型生產工序，同時具備智能化排產管理、倉庫物料管理等智能制造執(zhí)行系統（MES）的生產調度模塊，實現客戶下單、虛擬仿真設計、產品生產、質量監(jiān)控、產品配送等各環(huán)節(jié)信息化與智能化。

在實訓指導書的幫助下，學生從組裝模塊化的示范性生產線開始，首先了解生產線工作原理，了解OT及IT需求，重點關注工業(yè)互聯網平臺與邊緣計算技術，實現工業(yè)互聯網平臺接入生產線，采集生產線設備組態(tài)數據，工業(yè)數據上云，數據建模與分析，通過工業(yè)互聯網平臺，由智能制造執(zhí)行系統控制生產線運行，實施產品工藝，實現生產智能化。工業(yè)互聯網生產線示范與實訓平臺應由多個典型應用案例設備支撐系列應用實訓。

3 實訓教學內容設計示例

場景設計1：工業(yè)數據建模與數據上云? 以惠普無線鼠標智能制組裝生產線為例，閱讀產品生產線裝備的生產功能說明書及系統設計說明書，了解生產流程、機件運作、組件狀態(tài)等，了解PLC、倉儲及生產環(huán)節(jié)各傳感器、條碼讀取器、運動系統、視覺系統、產品（鼠標）性能檢測組件、能耗檢測組件的接入及傳輸方法，按任務的特定要求（出題時具體選擇給出），在工業(yè)互聯網平臺上創(chuàng)建項目，設計生產線數據組態(tài)格式，并實施工業(yè)數據模型，根據生產線各器件配置它們的數據采集參數、數據清洗規(guī)則、數據生命周期管理，并調通數據采集上云，在工業(yè)互聯網平臺按要求分析、處理，設置數據策略，按要求提取數據分發(fā)到工業(yè)互聯網應用系統，按要求進行數據可視化、數據雙胞胎同步配置，如圖3所示。

任務1：工業(yè)互聯網云平臺與設備通信設置。進行用戶端SaaS軟件配置、工業(yè)APP配置;創(chuàng)建項目，設置工業(yè)互聯網云平臺用戶;閱讀設備的設計說明書，設置云平臺通信參數，測試通信情況。

任務2：工業(yè)數據建模。按給定數據格式要求實施工業(yè)數據模型，包括信息模型、數據組態(tài)、數字孿生模型。

任務3：數據采集與清洗、數據規(guī)則。在用戶端SaaS軟件進行配置，從各PLC、倉儲及生產環(huán)節(jié)各傳感器、條碼讀取器、運動系統、能耗檢測組件采集數據，拖入或創(chuàng)建系統提供的各類標準數據交互組件，按數據組態(tài)的要求配置數據預處理規(guī)劃，如閾值、合并、時隙、語義解釋轉譯、函數處理等，匹配信息模型的要求，并開始采集數據上云。

任務4：數據策略執(zhí)行與分發(fā)。在云平臺上按類型要求進行數據生命周期管理，按要求提取關鍵數據、組態(tài)解釋，設置數據策略，AI/BI大數據存儲，配置分發(fā)信息到工業(yè)互聯網應用系統。

任務5：數據可視化與數據孿生。按要求進行數據可視化，展示報表，對接系統已準備好、提供給選手調用的設備3D虛擬模型，完成數據雙胞胎同步配置，同步模型組態(tài)與設備組態(tài)。

任務6：生產線故障自動診斷。人為在生產線上統一設置故障，數據可視化或設備3D虛擬模型，能跟蹤故障，提示診斷結果。程序自動查詢系統提供的設備制造商零件庫發(fā)出遠程運維服務申請，指明損壞器件的型號、廠家、價格、供貨期。

任務7：工業(yè)大數據分析。系統提前準備好統一的工業(yè)大數據（惠普無線鼠標生產數據，特別是性能測試數據），按要求進行AI/BI大數據計算及分析，報表格式提交分析結果。

場景設計2：開放設計、邊緣計算開發(fā)? 生產線所組裝產品（鼠標）無線通信性能檢測、計算機視覺檢測，數據量大、有實時要求、邏輯較復雜，不宜云端實現，應該采用邊緣計算技術。邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數字化在敏捷連接、實時業(yè)務、數據優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求，如圖4所示。本場景任務要求：在開放邊緣計算架構上，編程實現產品（鼠標）通信性能檢測或某一品牌的PLC接入邊緣組件。

任務1：工業(yè)邊緣計算服務開發(fā)、配置、調試。編寫并調試目標對象（產品通信USE接口或非主流PLC），在邊緣計算架構約束下，調用平臺提供的模型化開放接口，編寫邏輯控制程序;編寫管控一體化系統界面程序與調試、測試，在云端布置管控一體化邊緣計算程序，上云配置、運行。完成工業(yè)邊緣計算網關及網絡通信配置、綜合調試。

任務2：文檔能力的相關考核。根據項目需求和實施成果，編寫系統的設計、編程規(guī)范和項目文檔，重點在工業(yè)邊緣計算服務開發(fā)、配置、調試，編寫實訓報告，闡述工業(yè)邊緣計算服務的功能和結構、設計要點、實施過程、測試計劃等。

4 結束語

工業(yè)互聯網應用是新一代信息技術、先進制造技術的融合發(fā)展，是物聯網及5G、云計算、大數據、人工智能等新興技術推動的新熱點技術領域，也是高等職業(yè)教育的前沿領域，應加緊探索，將其融入教育教學，培養(yǎng)學生掌握前沿科技，提高綜合素養(yǎng)。本文按照工業(yè)互聯網技術架構，以“無線鼠標智能制造縮簡版組裝生產線”為例，設計工業(yè)互聯網實訓裝備，并給出教學設計示例，希望對相關教學探索有所幫助。

參考文獻

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*項目來源：廣東省教育科學創(chuàng)新類項目“電路單元噴印制造及工藝設計軟件”（項目編號：2018GKTSCX108）。

作者：廖永紅，廣東輕工職業(yè)技術學院，教授，研究方向為計算機應用技術、智能制造;楊銘，廣東輕工職業(yè)技術學院，高級工程師，研究方向為輕化工程技術（510300）;宋瑞，佛山市智慧電子科技有限公司，工程師，研究方向為電子信息工程、智能制造（528251）。