智慧工厂实践教学平台的建设

谢 勇， 陈 曦， 刘振元， 吴计生

（华中科技大学人工智能与自动化学院，武汉430074）

0 引 言

随着德国工业4.0 战略、美国工业互联网战略的提出，我国政府于2015 年提出“中国制造2025”的国家发展战略。该战略以促进制造业创新发展为主题，以推进智能制造为主攻方向，促进传统制造业向智能化制造的转型升级，实现我国由制造大国向制造强国转变的历史性跨越［1-2］。科技强国，人才先行。为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等国家战略，教育部积极推进新工科建设，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，开启了新时代培养创新型、高素质、复合型“新工科”人才的新征程［2-3］。

“新工科”对应的是新兴产业，首先是指针对新兴产业的专业，如人工智能、智能制造、机器人、云计算等，也包括传统工科专业的升级改造。“新工科”更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重物联网、云计算、人工智能等新技术与传统工业技术的紧密结合［4］。相对于传统的工科人才，“中国制造2025”需要的是实践能力强、创新能力强、具备国际视野的高端复合型人才。自动化、信息化、网络化和智能化是未来制造业发展的趋势，智能制造的发展对高校自动化专业人才的培养提出了严峻的挑战和更高要求［3，5］。

智慧工厂作为制造业智能化的重要体现，它也是“中国制造2025”第一阶段要实现的重要目标。智慧工厂深度融合了自动化、物联网、机器人、网络与通信和人工智能等多种技术，对技术和管理人才知识的广度和深度提出了更高的要求［6］。高校承载着为我国智能制造战略提供人才支撑的重大使命，因此，高校的人才培养模式和体系应与时俱进，特别是在工程教育和实践教学方面必须紧密跟随目前的国家战略和产业发展进行升级。

本文在“中国制造2025”背景下，结合新工科建设的人才需求特点，以学校人工智能与自动化学院智慧工厂实验室为例，探讨了智慧工厂实验室的特点和建设方案，提出以产品生产制造为核心，将原材料供应、生产过程管理、产品自动化仓储、拆零拣选及安全溯源管理等业务功能有机结合的智慧工厂总体框架，并综合运用三维建模与仿真软件建立起智慧工厂数字孪生，为探索“中国制造2025”背景下“新工科”人才培养的新路径、新方向提供良好的实践支撑和借鉴。

1 智慧工厂实践教学平台的设计理念和原则

智慧工厂是在制造业一系列科学管理实践的基础上，深度融合自动化技术、信息通信技术和智能科学技术，结合数据、信息和知识建立核心竞争力的新一代制造企业及其生态系统［7］。综合分析传统机电一体化、工业工程、物流工程、物联网类专业实验室建设方案，可以看出高校对于智能制造相关实验室建设非常重视，也投入大量人力、物力进行建设，如清华大学工业工程系的模范工厂实验室、北京物资学院的北京市物流系统与技术重点实验室、山东大学云基智能机器人实验室、后勤指挥学院的军事物流工程实验室等。但是，随着物联网、云计算、大数据及人工智能等技术的发展，传统实验室在适应新工科人才培养、对接“中国制造2025”的制造强国战略方面显得有些力不从心，主要表现为系统性、先进性及智能性不足，难以承载培养实践能力强、创新能力强的高端复合型人才的重任［8-9］。因此，智慧工厂实践教学平台的建设应体现如下的理念和原则：

（1）先进性。智慧工厂的建设要具有一定的前瞻性，使用的技术和装备也要尽可能代表未来的发展趋势和主流。如智慧工厂建设过程中硬件设备应考虑支持OPC UA 标准或者是符合边缘计算框架，未来能结合增强现实技术，能扩展建立智慧工厂数字孪生系统等［10］。

（2）智能性。智慧工厂之所以“智慧”，其核心就是智能性，具体包含几个层次：设备、管理系统和大数据分析智能性。设备智能性主要是指智慧工厂的主要硬件设备应是智能设备，如码垛机器人、AGV 智能车等；管理系统智能性是指智能工厂的各种管理系统软件应具有一定智能算法，如智能调度、智能导航及智能分拣等算法；大数据分析智能性是指智慧工厂的运营数据可以通过智能化的分析工具和算法进行分析、评估和优化。3 个层面的智能性最终可实现智慧工厂的执行智能化、管理智能化和决策智能化。

（3）系统性。智慧工厂是一个复杂的综合系统，需要通过物联网技术、自动化技术、网络与通信技术和人工智能技术等，把人、机、物、环境有机联系起来，实现生产与管理的统一集成［6］。因此，智慧工厂的建设是一个复杂的系统工程，它是由相互联系的、具有不同功能的子系统组成，而不是各单元技术的零散堆砌。

（4）实用性。智慧工厂虽然是一个实践教学平台，但是其功能定位和技术水准应瞄准真实的工业应用场景，甚至在条件允许情况下直接建成工业应用级的智慧工厂。这样做，一方面可以推进产学合作协同育人机制的实施，另一方面，也可以在创新实践教学中更好地培养学生的创新精神和工匠精神。

2 智慧工厂实践教学平台的建设方案

2.1 平台目标和功能定位

智慧工厂实践教学平台的建设目标是建成国内一流的智慧工厂实践教学软硬件平台，对接“中国制造2025”的国家战略，为培养“新工科”实践能力强、创新水平高的复合型人才提供支撑。智慧工厂实践教学平台秉承产学合作协同育人理念，面向本科生、研究生教育和国际智能制造研究前沿，坚持教学与科研并重、硬件与软件并重、实训与创新并重，并开放服务于社会业界。

2.2 平台建设内容

智慧工厂实践教学平台的建设以“一横一纵”为主线，横向以企业生产为核心，前端包括原材料采购与仓储，后端包括成品仓储与分销，构成产品生命周期及溯源管理系统；纵向以物联网技术层次，即透彻感知、全面互联、智能信息处理为依托，面向生产企业产供销的不同业务环节，构建不同的业务功能子系统，即原材料仓储管理系统、生产管理与控制系统、自动化立库系统、基于DPS的拆零拣选系统和产品质量安全溯源系统。这5 个子系统以产品生产制造为核心，将原材料供应、生产过程管理、产品自动化仓储、拆零拣选及安全溯源管理等业务功能有机结合，同时在每一环节也综合考虑各种物联网技术的应用，从而构建一个基于制造物联网的智慧工厂，其整体功能布局采用“U”型布局模式，如图1 所示。

图1 智慧工厂总体结构布局

另一方面，为使智慧工厂能在虚拟空间中完全实时在线运行，还运用三维仿真软件建立起智慧工厂的虚拟模型，并通过数据接口将智慧工厂的物理模型和虚拟模型连接起来并进行实时通信，从而建立智慧工厂数字孪生体，使智慧工厂实现“在信息空间开创制造和管理未来”，体现新的制造和管理模式［11-12］。

（1）原材料仓储管理系统。原材料仓储管理系统主要对生产所需的原材料进行分类管理，并按类别赋予唯一的条码标识，并与DPS 存储货架的货位对应，在生产线前端进行可视化的原料仓储管理，为产品质量安全溯源奠定基础。原材料仓储管理系统的主要硬件设备包括DPS存储货架、条码打印机和条码识别器。

（2）生产管理与控制系统。生产管理与控制系统（见图2）是智慧工厂的核心子系统，主要对生产过程进行管理和控制，如生产计划制定、产品生产及赋码、质量检测、机械手组盘、托盘RFID 识别等，特别是机械手组盘环节，需将单个产品上的条码和托盘上的RFID 标签进行信息关联，为后续的溯源管理打下基础。生产管理与控制系统的主要设备有：生产线、激光打码机、OCR识别器、码盘机械手、RFID识读器等。

图2 生产管理与控制系统

（3）自动化立库系统。自动化立库系统（见图3）对生产出来的产品进行自动化入库与出库管理，并通过智能货位分配算法对出入库托盘进行最优货物分配，并通过优化调度算法对堆垛机进行合理的作业调度，同时辅以可视化的电子货位图进行可视化操作管理。

图3 自动化立库系统

自动化立库系统主要由环形分拣线、立体货架和堆垛机组成，由PLC 控制并和生产线控制系统、码盘机械手进行实时通信和联动。自动化立库系统前端和生产管理与控制系统对接，接受生产系统组好的托盘进行托盘入库；后端完成托盘出库后，和DPS 拆零拣选系统的散件出库合流，实现“整托＋散件”的混流出库模式，以更贴近实际工业应用的真实场景完成出库操作。

（4）基于DPS 的拆零拣选系统。将LED 电子标签安装于货架储位上，通过LED 电子标签指示，辅助拣货人员进行摘果式拣货操作，大大提高拣货效率，减少拣货差错。基于DPS 的拆零拣选系统（见图4）的主要设备包括：流利式货架、作业报警三色指示灯和LED电子标签、LED电子标签控制器。

图4 基于DPS的拆零拣选系统

（5）产品质量安全溯源系统。在生产制造环节的末端，考虑产品在流通环节的质量与安全追溯需求，设计开发了产品质量安全溯源系统，通过手机APP自动识别产品条码，查询产品的生产批次、原材料批次、生产环境及物流路径等信息，实现不同条件下产品溯源查询和安全追溯。

在建立了智慧工厂5 个子系统物理模型的基础上，为顺应“中国制造2025”和工业4.0 的时代潮流和发展趋势，运用西门子三维建模与仿真软件建立了智慧工厂的虚拟模型，并将智慧工厂物理模型和虚拟模型实时连接起来，从而构建了智慧工厂的数字孪生，以实现虚实协同、精准掌控，如图5 所示。

图5 智慧工厂数字孪生系统

3 智慧工厂实践教学平台的建设效果

智慧工厂实践教学平台建成以后，在促进和加强实践教学、科学研究、产学合作及社会服务等多方面发挥了重要作用，取得了良好的效果。

（1）实践教学。智慧工厂实践教学平台不但成为我校人工智能与自动化学院自动化和物流管理专业本科生课程的实验平台，同时也成为学院专业型研究生的创新实践课程平台。自平台建成以来，已为本科生智能装备与自动化系统、物流信息技术、现代物流配送等诸多课程开设配套实验，同时，也为课程设计和毕业设计提供了一个良好的研究对象和实践场所。另一方面，智慧工厂在创新实践教学方面也发挥了重要作用，已成为大学生参加“西门子杯”中国智能制造挑战赛、全国高校物联网应用创新大赛、全国大学生物流设计大赛等诸多创新设计大赛的重要实践基地。近几年，学院大学生依托该平台已在上述大赛中多次取得一、二等奖好成绩。先进技术的运用和真实场景的展现不但极大地丰富了实践教学的内容，同时也大大激发了学生们探究科学的兴趣。

（2）科学研究。智慧工厂作为实践教学平台的同时，也为开展科学研究提供了一个良好的平台。依托该智慧工厂平台，学院多个课题组在生产调度与优化、物流系统建模与仿真、人机共生协作建模与优化等诸多领域开展科学研究，并承担和完成了多项纵向和横向科研课题，取得了一系列科研成果；同时，这些项目和成果也进一步充实和丰富了实践教学的内容，为培养学生的实践能力和创新能力提供了新的机会和途径。

（3）产学合作。智慧工厂实践教学平台建设伊始就坚持开放的办学理念，平台的建成也极大地促进了产学合作，已吸引西门子、华工科技产业股份有限公司等知名企业参与共建并建立长期合作关系，他们的技术和产品也使得智慧工厂在设计理念和技术方面保持一定的先进性；另一方面，智慧工厂平台及研究成果也引起乳制品、酒品及烟草等行业龙头企业的极大兴趣和合作意向，他们积极提供现实需求和典型场景来引领智慧工厂研究成果的应用和推广，从而保证智慧工厂具有较强的实用性。事实证明，智慧工厂实践教学平台极大地推动和促进了产学合作，成为一个“顶天立地”的科研教学综合实践平台。

（4）社会服务。智慧工厂也是对外交流和展示的一个重要平台。智慧工厂建成以来，每年接待兄弟院校、社会企业及国外专家友人的参观交流多达几十次。这种交流不但大大促进了“中国制造2025”背景下智能制造理念的传播和应用，而且也对促进产学研深度合作起到了积极的推动作用。

4 结 语

“中国制造2025”背景下所打造的智慧工厂实践教学平台是一种面向智能制造的实践教学平台。该平台以产品生产制造为核心，将原材料供应、生产过程管理、产品自动化仓储、拆零拣选及安全溯源管理等业务功能有机结合，并综合运用三维建模与仿真软件建立起智慧工厂数字孪生。该平台秉承产学合作协同育人理念，以前沿的技术和丰富的实践教学内容，为“中国制造2025”背景下“新工科”人才培养提供良好的实践支撑环境，为培养和增强学生的实践能力和创新水平，提高学生的综合素质提供帮助。