5G時(shí)代下智慧實(shí)訓(xùn)工廠建設(shè)的創(chuàng)新探究

張俊哲 王駿哲 許亮 張正

關(guān)鍵詞：5G；智慧實(shí)訓(xùn)工廠；運(yùn)行與管理

5G，即第五代移動(dòng)通信技術(shù)，目前在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)部署等方面均取得了階段性進(jìn)展，依據(jù)其所具備的大帶寬、大連接和低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)能力，與諸如云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等基礎(chǔ)共性能力，以及VR/AR等行業(yè)共性能力等構(gòu)成新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，成為推動(dòng)傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)與數(shù)字經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基石。隨著2020年5G在我國正式開始商用，5G的應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)化探索逐步顯現(xiàn)，其中以推動(dòng)制造業(yè)的發(fā)展較為顯著。

隨著《中國制造2025》文件的發(fā)布，制造業(yè)開始經(jīng)歷數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化的變革，推動(dòng)制造業(yè)精準(zhǔn)營銷、個(gè)性定制、智能服務(wù)、協(xié)同創(chuàng)造、協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同制造等方向發(fā)展，智能制造的概念應(yīng)運(yùn)而生。由智能制造延伸到具體的工廠而言，就是智能工廠，也被稱為智慧工廠。智慧工廠依托5G技術(shù)，利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能和AR等技術(shù)的融合，與生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理等系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除生產(chǎn)故障，提高了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度和效率[1]，提升系統(tǒng)的處理能力和安全性，是我國實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0 的一個(gè)非常重要的特征。

目前，職業(yè)教育中工科類課程的實(shí)訓(xùn)過程大多數(shù)以工廠作為實(shí)訓(xùn)基地，實(shí)訓(xùn)過程較為依賴傳統(tǒng)工具和思維，缺乏高效的人機(jī)互動(dòng)和師生互動(dòng)。智慧工廠的出現(xiàn)給職業(yè)教育帶來了啟發(fā)，利用先進(jìn)的5G技術(shù)，建立一個(gè)將學(xué)生實(shí)訓(xùn)和工廠生產(chǎn)過程接軌的智慧工廠實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從教學(xué)資源、教學(xué)實(shí)施條件及環(huán)境的全數(shù)字化，構(gòu)建全新的數(shù)字化教學(xué)模式，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生、教師和設(shè)備之間的高效互動(dòng)，培養(yǎng)具備較強(qiáng)理論知識(shí)、良好的實(shí)操能力和自主學(xué)習(xí)能力的新技能復(fù)合型人才。

1 5G 時(shí)代智慧工廠的發(fā)展

5G時(shí)代下，智慧工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用5G技術(shù)和各類技術(shù)的融合，深度融合智能科學(xué)技術(shù)，加強(qiáng)信息管理和服務(wù)、及時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)、合理地編排生產(chǎn)計(jì)劃并掌握生產(chǎn)進(jìn)度，減少了生產(chǎn)線上的人工干預(yù)，構(gòu)建了新一代節(jié)能高效、綠色環(huán)保的智能工廠。它的發(fā)展首先是全流程數(shù)字化，而數(shù)字化發(fā)展強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)對(duì)于工廠的重要性，依托5G技術(shù)，智慧工廠在不同階段進(jìn)行了不斷的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了從以傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為主體到以5G應(yīng)用“網(wǎng)”為主體的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)變。

隨著5G在我國的正式商用，國家發(fā)改委強(qiáng)調(diào)“加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)”，通過采用自動(dòng)化“裝備+系統(tǒng)”替換人工，實(shí)現(xiàn)降本增效，同時(shí)采用5G代替工業(yè)總線，助力柔性工業(yè)制造，將終端算法置于云端，加速設(shè)備迭代。目前，基于5G技術(shù)的智慧工廠可以幫助企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、提高生產(chǎn)環(huán)境的安全性，有效降低次品率、人力成本與庫存，實(shí)現(xiàn)人力、物料和設(shè)備的數(shù)據(jù)融合、綜合運(yùn)營和管理。實(shí)現(xiàn)無人駕駛、遠(yuǎn)程監(jiān)控等部署，滿足不同工業(yè)制造應(yīng)用場(chǎng)景需求。

2 智慧實(shí)訓(xùn)工廠業(yè)務(wù)需求分析

傳統(tǒng)職業(yè)教育中工科類課程的實(shí)訓(xùn)過程往往注重培養(yǎng)學(xué)生精湛的操作技能，故實(shí)訓(xùn)模式較為標(biāo)準(zhǔn)化和單一化，缺乏對(duì)學(xué)生高度理解和運(yùn)用智能網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)急處理故障能力的培養(yǎng)，而實(shí)訓(xùn)過程中所使用的工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、零部件繁多，一旦發(fā)生故障需要及時(shí)維修。當(dāng)實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)人員無法解決復(fù)雜故障時(shí)，通常需要等待設(shè)備原廠專家赴實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障排查和維修，影響產(chǎn)線正常生產(chǎn)。

2.1 實(shí)訓(xùn)工廠需要新型信息基礎(chǔ)設(shè)施

目前職業(yè)教育中工科類課程的實(shí)訓(xùn)過程普遍在工廠完成，而傳統(tǒng)工廠的信息系統(tǒng)所采用的無線通信協(xié)議眾多、各有不足且相對(duì)封閉，設(shè)備互聯(lián)互通難且制約設(shè)備上云端。在教師及管理員不在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)時(shí)無法實(shí)時(shí)監(jiān)控和維護(hù)工廠設(shè)備，設(shè)備和控制中心之間缺乏可靠有效的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 實(shí)訓(xùn)工廠需要新型平臺(tái)架構(gòu)

實(shí)訓(xùn)工廠大多對(duì)其工業(yè)生產(chǎn)工藝、核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)等極其敏感，因此大多數(shù)教師在開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中希望在本地進(jìn)行閉環(huán)管理。數(shù)據(jù)的本地化部署、遠(yuǎn)程控制和核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集處理等需求較為明確，因此，構(gòu)建數(shù)據(jù)閉環(huán)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)教學(xué)計(jì)劃、實(shí)訓(xùn)安全、質(zhì)量等系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)緊密相連，能夠有效解決工業(yè)行業(yè)數(shù)據(jù)安全保障的痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)過程的自動(dòng)化控制，有效管理安全生產(chǎn)，同時(shí)提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。

2.3 實(shí)訓(xùn)工廠需要新型運(yùn)行管理模式

目前，實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)需要教師將工廠現(xiàn)場(chǎng)采集的教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和管理，同時(shí)需要校方領(lǐng)導(dǎo)對(duì)教學(xué)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)教學(xué)質(zhì)量的評(píng)判提供數(shù)據(jù)支撐。因此，通過搭建系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)、教學(xué)管理系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)等，構(gòu)建和實(shí)訓(xùn)教學(xué)業(yè)務(wù)相關(guān)的全流程管理模式，有效提升人機(jī)互動(dòng)和師生互動(dòng)，使學(xué)生快速熟悉工業(yè)生產(chǎn)制造流程，提升實(shí)訓(xùn)成效[2]。

由于5G技術(shù)具備更低的時(shí)延、更高的效率和更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，同時(shí)有感知泛在、連接泛在和智能泛在的特點(diǎn)，使其具備成為工業(yè)4.0發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)基石的能力。結(jié)合上述實(shí)訓(xùn)工廠業(yè)務(wù)需求，有必要探討構(gòu)建以5G技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合職業(yè)院?，F(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源，重構(gòu)專業(yè)體系，建立將智慧工廠與工科類實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)過程相接軌的“智慧實(shí)訓(xùn)工廠”。

3 智慧實(shí)訓(xùn)工廠的架構(gòu)與設(shè)計(jì)

依托現(xiàn)有的智慧工廠的核心技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、終端和管理，結(jié)合新一代5G技術(shù)，智慧實(shí)訓(xùn)工廠可以將實(shí)訓(xùn)計(jì)劃、生產(chǎn)質(zhì)量、實(shí)訓(xùn)安全和生產(chǎn)管理相關(guān)的系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)緊密相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中軟硬件的升級(jí)、有效提升實(shí)訓(xùn)過程的自動(dòng)化生產(chǎn)控制，具體架構(gòu)見圖1。

3.1 建立可靠的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

智慧實(shí)訓(xùn)工廠需要有智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高速和可靠的數(shù)據(jù)傳輸。因此，利用5G傳輸網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力更強(qiáng)、能夠滿足高并發(fā)數(shù)據(jù)量承載需求、低時(shí)延以及更廣覆蓋和實(shí)現(xiàn)快速切換等優(yōu)勢(shì)，通過部署MEC，將UPF下沉的方式，保證實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸與本地分流，具體通信網(wǎng)絡(luò)見圖2。

3.2 搭建安全的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

通過在工廠邊緣側(cè)部署邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，依托邊緣計(jì)算，為工廠提供智能生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、實(shí)時(shí)調(diào)度等，降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心對(duì)流量的沖擊，可獲取實(shí)訓(xùn)過程中設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將實(shí)訓(xùn)過程可視化、精準(zhǔn)化和透明化，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備對(duì)接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)采集和分析等功能，保障教師在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中的對(duì)于指令的運(yùn)行和數(shù)據(jù)操作的流暢化[3]。通過將數(shù)據(jù)直連云平臺(tái)后，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全快速上云。

3.3 落地滿足需求的具體應(yīng)用和終端

智慧實(shí)訓(xùn)工廠基于5G技術(shù)，利用云計(jì)算、集成數(shù)據(jù)可視化與實(shí)時(shí)交互等前沿技術(shù)，強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生的概念，通過將傳統(tǒng)傳感器升級(jí)為智能傳感器，以及將手動(dòng)設(shè)備更新為智能設(shè)備，比如自動(dòng)化品檢設(shè)備、電子圍欄以及AR終端等，實(shí)現(xiàn)學(xué)生、物料、設(shè)備實(shí)時(shí)定位，助力實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)過程的高效巡檢和生產(chǎn)輔助，保障實(shí)訓(xùn)作業(yè)的安全性和規(guī)范性，形成實(shí)訓(xùn)過程的監(jiān)控、管理、展示、交互的新一代教學(xué)模式。

4 智慧實(shí)訓(xùn)工廠的運(yùn)行管理

智慧實(shí)訓(xùn)工廠立足于5G技術(shù)，以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，搭建軟硬件平臺(tái)和系統(tǒng)，構(gòu)建與實(shí)訓(xùn)教學(xué)相關(guān)的新運(yùn)行管理模式。其運(yùn)行管理主要分為以下四個(gè)部分。

4.1 系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理

智慧實(shí)訓(xùn)工廠構(gòu)建了以5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和終端應(yīng)用“三位一體”的業(yè)務(wù)體系，通過在工廠內(nèi)部覆蓋5G網(wǎng)絡(luò)、部署上層數(shù)據(jù)平臺(tái)、結(jié)合終端設(shè)備開發(fā)功能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的全流程管理。因此，需要專門的系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理人員，為網(wǎng)絡(luò)的流暢運(yùn)行、設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和人員的操作規(guī)范等進(jìn)行日常維護(hù)和管理，排除實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所的安全隱患[4]，確保實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程管理

由于實(shí)訓(xùn)過程主要是在工廠現(xiàn)場(chǎng)，大多數(shù)的教學(xué)成果來源于工廠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)。因此，通過構(gòu)建基于5G技術(shù)的智慧實(shí)訓(xùn)工廠，結(jié)合日常實(shí)訓(xùn)教學(xué)業(yè)務(wù)，教師可以實(shí)現(xiàn)智慧排課、實(shí)訓(xùn)過程監(jiān)控、設(shè)備巡檢、學(xué)生管理、遠(yuǎn)程指導(dǎo)等，學(xué)生能夠完成智能約課、問題反饋、警報(bào)推送和實(shí)訓(xùn)作品互動(dòng)展示等功能，有效實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)和人機(jī)互動(dòng)，助力學(xué)生盡早熟悉生產(chǎn)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，提升學(xué)生環(huán)境適應(yīng)能力。實(shí)訓(xùn)工廠應(yīng)配備專職管理員負(fù)責(zé)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的過程管理，輔助實(shí)訓(xùn)教學(xué)，提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)的效率。

4.3 實(shí)訓(xùn)安全管理

實(shí)訓(xùn)安全管理主要包括師生人員安全、物料安全、設(shè)備安全等。根據(jù)智慧實(shí)訓(xùn)工廠的構(gòu)建體系和實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)施過程的特點(diǎn)，應(yīng)制定詳細(xì)的實(shí)訓(xùn)安全管理制度，包括人員安全管理?xiàng)l例、安全操作規(guī)程、物料安全管理措施、設(shè)備安全管理?xiàng)l例、應(yīng)急管理預(yù)案等，由專人擔(dān)當(dāng)安全管理員角色，負(fù)責(zé)實(shí)訓(xùn)安全管理工作，牢固樹立師生的實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)理念，提升智慧實(shí)訓(xùn)工廠的安全系數(shù)。

4.4 教學(xué)效果測(cè)評(píng)管理

實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量的提升有賴于實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)的獲取和分析，教師通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，輔助實(shí)訓(xùn)課堂教學(xué)管理、提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)的管理效率和教學(xué)質(zhì)量。學(xué)校通過實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行管理，通過對(duì)實(shí)訓(xùn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而判斷師生教與學(xué)的質(zhì)量，對(duì)有效管理實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了數(shù)據(jù)支撐[5]。通過對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)數(shù)據(jù)的測(cè)評(píng)管理，加快職業(yè)教育智慧化落地的進(jìn)程，拓展實(shí)訓(xùn)工廠的功能，優(yōu)化實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式，有效提升教務(wù)工作效率。

5 結(jié)論

5G智慧實(shí)訓(xùn)工廠的發(fā)展和職業(yè)院校工科類課程實(shí)訓(xùn)過程的創(chuàng)新探究一直是業(yè)內(nèi)人士高度關(guān)注的熱點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)模式以教師為中心和主體，使學(xué)生日漸減弱動(dòng)手的主動(dòng)性和發(fā)掘探索解決故障問題的積極性。構(gòu)建基于5G技術(shù)的智慧實(shí)訓(xùn)工廠，以5G作為基礎(chǔ)，云平臺(tái)作為核心，實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)融合，結(jié)合邊緣計(jì)算，不僅實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下工廠智能制造的功能演示與教學(xué)培訓(xùn)，方便了業(yè)務(wù)展示及學(xué)生學(xué)習(xí)理解整個(gè)過程，同時(shí)便于學(xué)生與廠商專家之間的溝通，提升排故效率。智慧實(shí)訓(xùn)工廠結(jié)合職業(yè)教育適應(yīng)工業(yè)4.0的教學(xué)改革需求，既可以減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān)，又可以有效提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。未來，計(jì)劃通過將云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等概念融入智慧實(shí)訓(xùn)工廠，達(dá)到沉浸式教學(xué)的目的，進(jìn)一步提升職業(yè)院校教育適應(yīng)工業(yè)4.0的教學(xué)改革需要的能力。