面向“工业4.0”的工程教育创新实验平台建设

姜晨

摘 要 以德国近年来提出的“工业4.0”技术发展框架，探索“机械设计制造及其自动化”专业的工程教育创新实验平台建设思路，重点探讨“工业4.0”的发展趋势，以及如何结合“工业4.0”开展“机械设计制造及其自动化”专业课程创新实验平台建设，满足机械行业对高素质的工程技术人才的需求。

关键词 工业4.0 工程教育 机械工程

中图分类号：G640 文献标识码：A

2011年在汉诺威工业博览会上，德国人工智能研究中心负责人Wolfgang Wahlster教授首次提出“工业4.0”的概念。2013年，德国成立了“工业4.0”工作组，并于同年4月在汉诺威工业博览会上发布了最终报告《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》。①可以说“工业4.0”已经正式成为德国工业未来发展的方向标。“工业4.0”强调将传统工业生产与现代信息技术相结合，将基本模式由集中式控制向分散式增强型控制进行转变，并最终实现工厂智能化、生产智能化。②

1 工业4.0的发展趋势

“智能工厂”和“智能生产”是“工业4.0”的两个主要组成部分，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现，相关研究工作在德国已经广泛开展。③德国弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer-Gesellschaft）引入“工业4.0”概念，开展针对“智能工厂”的全方位智能自动化技术研究；西门子公司将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统中，研究开发针对“智能工厂”相关的系列产品；恩德斯豪斯（Endree-Hauss）公司按照“工业4.0”要求开发过程工业自动化解决方案，实现不同区域、不同客户生产资料的信息共享；库卡（Kuka）公司结合其在机器人领域的技术优势，重点研究面向智能制造的协作机器人和远程维护系统；德国电信（Deutsche Telekom）、博世（Bosch）以及萨普（SAP）等公司在云计算、大数据存储和处理等方面开展了卓有成效的研究，为“智能工厂”提供软件支持结构或服务；作为工业用户代表，德国大众（VW）和巴斯夫（BASF）等公司通过使用快速成型和能源智能建筑技术优化生产过程，参与到“智能工厂”的研究中；德国费斯托（Festo）公司研究了一种分散式智能机电一体化控制系统，即智能阀岛，实现面向“工业4.0”的新型控制系统。上述研究工作为实现从传统的集中式工厂控制系统向分散式智能工厂控制系统转变提供了基本思路与手段。

中国素有制造业大国之称，同时也是自动化技术需求大国。中国政府非常重视“智能工厂”领域的基础理论研究。为全面开展智能制造技术研究，国务院发布了《智能制造十二五规划》，鼓励企业构建工业智能化工厂，而其中重点任务之一就是解决未来智能制造所需的理论框架和共性技术。众多国内企业和大专院校等研究机构也开展相关研究。浙江大学方红飞以动态模拟为基础，研究了动态模拟在智能工厂实验系统中的应用，齐瑞超进一步提出用于工厂建模和仿真的四层框架，运用这种对工厂拓扑网络进行抽象的建模与仿真方法构建可扩展和易配置的仿真模型，为“智能工厂”建模和仿真提供了指导；上海工业自动化仪表缪学勤根据“工业4.0”理念，探讨了面向服务的“智能工厂”体系架构，为加快中国装备制造业转型升级提供思路；中石化夏茂森从易工程化和技术成熟度两个维度，对流程制造工业智能工厂体系架构和基础实施技术进行了研究，认为基于知识发现和基于模型的两类技术应该是目前智能工厂建设的首选技术；江南大学王聪面向物料智能配送体系，对生产执行系统的架构、RFID智慧生产车间应用流程及应用可靠性等关键问题进行了研究；武汉理工大学何宁辉提出网络化制造环境下的数字化制造车间集成管理系统结构，创建智能分布式人机协同工作模式。

2012年，工信部批复同意在顺德建立无人化工厂，支持广东创汇等多家企业采用智能化成套装备建设数字化车间和智能化工厂管理软件。在政府的支持下，中国企业开展了各项相关技术的研发及应用。中国石化提出了用信息化支撑传统产业升级转型，推进“智能工厂”建设的战略目标，通过应用信息技术改造石油石化传统生产工艺、提高资源利用率，从而实现智能生产；烟台万华以MES应用为基础，建立稳标准统一、工厂应用快速复制的综合数据整合平台，向建设智能化工厂的目标迈进；燕山石化投用了ERP企业资源计划系统、MES生产执行系统，自主开发了盈亏平衡分析系统、设备实时监控系统，大幅度提升了工厂的信息管理智能化水平。研华公司研发的WebAccess平台将工厂里每个系统的信息采集到云端实现信息共享，工厂用户能够及时掌握现场的状况并通过云端功能实时地将信息传递，进而达到提升工厂智能化信息处理能力；2012年西门子在中国成都建立西门子工业自动化产品成都生产及研发基地（SEWC），它是西门子面向“工业4.0”，在中国设立的最大的现代化数字工厂。

2 面向“工业4.0”的工程教育创新实验平台建设

针对“工业4.0”新形势以及机械学科的自身工程教育特点，新形势下的工程教育创新实验平台建设重点应该包括以下几个内容：

2.1 平台以培养学生科研的思维方法、科学研究能力和创新能力为目标

针对传统机械工程类课程，以创新和探索为目的，着重培养学生的基本的工程技术实现能力。课程以工程项目的形式进行， 使学生在技术难题解决、文献查阅、方案设计、技术操作、案例分析、撰写技术文档等各个环节得到较全面的工程技术思维和方法的训练。安排一些具有创新性、探索性的工程技术实验，培养学生查阅、分析及概括文献的能力，设计及计划安排实验的能力以及分析问题、解决问题的能力，为学习能力较强的学生提供了进一步发展的空间。学生可根据导师的实际课题或者合作企业的实际项目为对象，设计相关实验，并可以由学生和企业导师或者学校教师直接进行讨论，确定实验地点与时间，针对智能化程度较高的企业，重点开展实验平台合作建设工作，安排具体老师，负责长期联络与合作，为面向“工业4.0”的创新实验场地建设提供支持。

2.2 面向大学生创新创业，建设“工业4.0”的专业实验室

通过实施创新创业教育实验基地建设，让基地成为国内先进的具有辐射示范作用的创新创业教学实践基地，使基地成为培养学生创新精神、创新能力，提高学生动手、动脑等实践能力为重点的创新实践教育基地，使之成为创新教育与实践系列课程体系、内容、方法、手段改革研究的实践基地，大学生创业教育与训练基地、大学生科技活动研发实践基地。逐步实现“创业政策比较完善、创业教育基本普及、创业平台较为健全、创业氛围更为浓厚、创业成果更加丰富”的高校创新创业工作目标。主要包括：（1）大幅度提高实验基地内的学生参与创新创业项目的比例；（2）建立和完善包括校级机械创新实践基地、校级工程实训中心、院级创新实践基地、创新工作室、专业实验中心、基础实验中心等在内的大学生创新创业实践平台；（3）优化创新创业课程体系，确立创新创业人才培养模式，完成创新创业训练体系建设，满足上海高校创新创业教育实验基地对创新创业人才的培养要求。（4）建设周期内学生获得国家、上海市等国家及省部级创新创业成果不少于80项。此外，“工业4.0”以物联网为基础，构建物联网创新实验平台，紧密结合通信技术发展方向和高校教学改革方向，以面向提升学生能力和培养师资力量为目标，打破专业界限，改革过去实验依附于理论课程的旧体系，设置开放性实验、物联网通信系统实验等。

在原有建设基础上，建立工程设计实践平台、工程分析实践平台、先进制造实践平台、工程试验实践平台等创新实践平台；将上述各实践平台进行优化集成，构建代表国内外主流先进制造企业生产过程的“卓越工程师工程实践与创新实践平台”，建立面向“工业4.0”的“卓越工程师工程实践与创新人才培养体系”，在此基础上工厂教育创新实验平台。建设实现基于该平台进行典型机电产品案例驱动的学生自主创新设计，自主分析、自主制造、自主试验的目标。实施全程质量监督与过程控制，按照建设目标，进行定期检查，保证平台建设的顺利进行；完成平台的师资队伍建设、专业建设、教学条件建设、教学管理建设等任务，构建与时俱进的新型工程教育创新实验平台框架。

2.3 专业实验室的师资队伍培养与建设

加强师资队伍的人才培训和再教育。有计划地支持教师到企业挂职锻炼，鼓励教师参与社会行业的创新创业实践。积极从社会各界聘请企业家、创业成功人士、专家学者等作为兼职教师，建立一支专兼结合的高素质创新创业教育教师队伍。建立中外创新创业教育交流机制，加强和国外大学的交流，聘请国外大学教授、企业专家来学院授课。吸纳先进的国际化创新创业教学体系与教学内容，与国际创新创业教育人才标准接轨。在建设中培养和锻炼一批能胜任国际化创新创业教育的高水平教师。与学校教务处、人事处等相关职能部处配合，从教学考核、职称评定、培训培养、经费支持等方面给予倾斜支持，定期组织教师培训、实训和交流，不断提高教师教学研究与指导学生创新创业实践的水平。培养团结合作的团队精神，为培养面向“工业4.0”的高素质工程技术人才提供重要保障，建立一支创新创业意识强、结构合理、具有国际视野和工程实践能力的“双师型”创新创业教育师资队伍。

3 结束语

总体来看，“工业4.0”描绘出未来制造业的工厂生产景象，处在全球智能工业领域领先地位的德国，已敏锐地觉察到工业进程发展趋势，并全力推广“工业4.0”，进一步提升其在工业自动化制造业生产领域的地位。这一点对于制造业正快速发展的中国具有非常强的启迪意义。当前，工业技术水平、运行模式等方面，都处于日新月异的发展阶段。担负着自主创新重任的企业对教育提出了更高更新的要求，对于高等工程教育来说，建设一个与“工业4.0”相适应的工程教育创新实验平台极为重要。

教育部专业综合改革试点项目（2N14304101）资助

注释

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

② 齐瑞超，荣冈，冯毅萍，胡云苹.智能工厂可配置的多层次建模方法[J].化工学报，2013.64（12）：4354-4365.

③ 郭政.标准引领德国工业升级[J].上海质量，2013（10）：22-26.