多元集成的智能生产实验教学平台建设

严京滨， 成 晔

（清华大学工业工程系，北京 100084）

0 引 言

随着我国“中国制造2025”“互联网＋”“数字化转型”等重大战略的提出与实施，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，在这个过程中需要大量具有创新意识和创新能力、高素质的复合型人才。基于国家战略发展新需求，以及培养多元化、创新型卓越工程人才的需求，有必要建设与人才培养相应的实验教学平台。

1 原有教学平台基础

工业工程是研究复杂系统有效运作的科学，将工程技术与管理科学相结合，从系统的角度对制造业、服务业等企业或组织中的实际工程与管理问题进行定量分析、优化与设计，是一门以系统效率和效益为目标的、独立的工程学科。实验教学平台的建设需要符合专业实践特色以及人才培养目标的需求。

我校工业工程系物流系统实验室建立于2004年，以培养肩负使命、追求卓越、既懂工程技术又掌握管理科学知识的高素质人才为目标，创建了一系列具有开放性、创新性的教学实践平台。图1所示的实验平台是2012年所研制开发的，应用于生产运作管理的实验教学已多年，虽然已被其他近20所高校采用，但是只着重于装配生产运作与管理实验教学，应用场景单一；人工部署费力、费时；自动化程度低。所采用的技术已经缺乏当今科技的前沿性，已不具备先进性。为了适应当前行业和先进技术的发展，满足新技术应用下行业及企业高素质人才的需求，引领工业工程实践教学的智能、高端变革，完全有必要加快新一代智能制造技术的研究及应用，实现实验教学平台的升级改造。

图1 2012年研制的装配生产运作与管理实验系统

2 生产与物流实践教学平台建设

智能制造涉及与生产、物流环节相关的上下游全流程，涉及内容广。多种技术的应用，多个环节的集成创新，以提高制造的智能化、数字化。国内外高校都围绕自身基础进行了智能工厂、智能制造教学平台的实践。例如我校工业工程系与麦肯锡公司合作建立的占地200 m2的模范工厂实验室，设计有离散生产线、机加工生产线和连续流生产线，分别体现出模拟装配类、重投资类及流程类行业各自生产工艺特色，还可演示诸如生产排产、物流管理等延伸类型运营主题。同济大学工业4.0实验室［1］，设计了自动流水线，每个工件配电子标签，内置定制的加工任务，可自行与机器人、机床等加工设备进行通信，完成加工，并进行质量检测，实现了大规模定制。杭州电子科技大学智能工厂实验系统［2］与西门子公司合作，开发了基于工业4.0的轴承智能装配实验系统，可实现混装。山东财经大学的物联网与智能物流实验室模拟第三方物流公司配送中心的包装、装卸、仓储、配送等环节，实现全过程智能控制［3］。德国的达姆施塔特应用科学大学建立了全自动的工业4.0学习工厂，称为AutFab，该生产线采用射频识别RFID技术［4］。奥地利格拉茨理工大学智能制造工厂实验室采用自动导引车和机械臂实现齿轮装配［5］。

以数字化和智能化为主导的制造业和物流行业的的生产、运作与管理模式必将发生变化，但是目前高校的实训基地多采用工业设备，体积庞大，占地面积广，系统复杂，流程固化，更多开展的是演示型或验证型实验，学生实践参与度不高。不利于满足当前行业对高端综合性、高素质人才的培养需求。

结合实验教学需求和科研应用的需求以及人才培养的目标，基于实验室原有实验教学系统建设的基础与经验［6-7］，采用工业级应用的自动输送机器人为教学平台的应用基础载体，采用（物联网、自动化、网络、智能、自动识别等）先进技术，引入工程技术、信息技术、运营技术和工业工程方法，实现教学实验平台的互联互通，可产可控，可测可控，达到“随需而至，随需而制”的目标。以自动输送机器人为平台基础构建单元，全程高度自动化，部署敏捷，也可实现智能驱动，可形成动态的装配生产流水线和动态的物料拣选线，涉及应用场景比之前更丰富，布局多样，自动化程度高。装配车间与物料库之间可通过自动输送机器人完成联接，实现物料输出及成品入库自动化（见图2）。 此实验教学平台的设计与建设采用“积木搭建”思想，提供多种类别的“技术及应用积木”，针对不同课程的需求，不同的应用场景，可迅速敏捷地构成多类别、异构的应用系统，使探索运作模式和管理模式的创新成为可能。它的特点在于：

图2 基于自动输送机器人的智能生产实验教学平台

（1）平台开发的主导思想突出先进性、系统性、工程性、综合性及实践性等特点，提高学生的工程技术应用能力和工程实践能力，增强学校人才培养与企业人才需求的适应性。在现代企业生产中应用机器人技术及智能制造技术已成为企业提升核心竞争力的关键。所构建实验平台具备信息化和工业化融合的特点，科技含量高，应用众多先进技术，将工业工程学科与企业应用两方面在该系统中进行有机融合，理论教学与实践教学相结合，学生通过贴近企业实际应用的场景，掌握当前先进的技术及管理方法，而且能够了解并掌握该领域的前沿发展动态。

（2）突显应用型的特色，将企业实际应用、能力培养和知识传授融为一体。基于平台可以实现产学研互动。基于先进的设备，构建智能生产环境，贴近企业应用。使学校的人才培养与用人企业形成良性互动。基于该平台探究的新方法或新模式可以向企业推广。

（3）所构建实验平台具备自主性、实战性、挑战性、开放性、创新性等特点，将生产环节与物联、互联网、人机交互技术等有机地结合起来，形成一个“包容、开放、共享”的平台。平台架构是开放的、模块化的、易构的，能够最大限度地整合实验室软硬件资源，让平台充满活力。

（4）学生利用不同效能的“工厂积木”，可自主构建“智慧梦工厂”，并对其运行与管理。平台能够最大限度发挥学生的创造性，探索新技术下的生产组织、物流运行、管理模式以及信息技术的应用。依托此实验平台，可以探索并实践“教、学、做、用、研、创”六位一体创新实验教学模式。

3 实验教学体系设计及教学实践

基于国家战略发展新需求，针对新技术、新产业、新业态发展，2017年教育部正式推出新工科计划，新工科的内涵是：以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才［8］。基于ABET（Accreditation Board for Engineering and Technology，工程技术评审委员会）结构认证视角［9］，在新工科的背景下，结合我校以价值塑造、能力培养、知识传授“三位一体”为核心的教育理念［10］以及工业工程为交叉学科的特点进行了实验教学体系设计与建设。

实验教学体系建设目标为以新生产实验教学平台为主体，理实贯通，多元集成，以人为本，推进学科融合、科教协同，培养面向未来的工业工程创新人才，符合行业及社会需求的高素质人才。采用项目驱动，以问题为导向，体验沉浸式学习方式，采用企业实际应用案例场景，真实地展示和反映工业生产中的技术应用和运作管理流程。实验教学将以学生为主体，结合装配、拣选配送等应用场景，通过自主设计、自主构建、自主组织、自主运营、自主优化、自主维护等实践形式，体验有关“设计、规划、生产／构建、运营／实施”等环节流程，对系统的运作模式或管理流程进行设计和优化，做到理论知识与实际应用的贯通。

多元集成的智能生产实验教学平台由设备层、运行层、管理层、数据服务层构成，融入了工程技术、信息技术、运营技术、智能技术、仿真技术、数字工程技术等多项技术，结合工业工程方法，实验教学类型设计为基础型、综合型、挑战型和研究型（见图3）。

图3 实验教学平台构成与实验教学

工业工程是实践性极强的学科，许多理论、技术和方法都来源于实践，必然要求实践教学要贴近生产实际、工程教育要贴近工程实践、实践教学要符合企业人才培养需求［11-13］。基于智能生产教学平台的实验教学环节以学生为主体，着重产品／系统全生命周期，围绕分析、设计、构建、验证四大实验要素，结合工程技术、信息技术、运营技术和工业工程方法等实验技术及方法应用，提升学生“学、做、用、研、创”等多维度能力，从能力、方法、意识、创新、素养、协作等6个方面着重对学生的培养（见图4）。通过实景沉浸式教学发挥学生独立思考解决问题的能力，强调自主学习，统筹资源，团队协作，对新技术和新方法的应用与探究持有好奇心、想象力和创新，贴近工业实际应用的系统的设计、构建、运作与管理的绩效评估也增强了学生的社会责任感与使命感。

图4 实验教学与IE人才培养

此实验教学平台建设与教学应用相交并进，通过专业课程实验教学、课程设计、生产实践、学生自主研究等方式，不断对此实验教学平台进行建设与完善，并丰富实验教学平台内容。在2019（70人，7组）、2020年（74人，7组）基于此平台进行了课程“生产计划与控制”的生产计划与生产运作专题教学实验（见图5）。通过课程实验环节，让学生能够理解市场的多样性需求，学习并运用先进的数字化技术，构建敏捷应变的生产系统，并实现高效率运行。在此实验环节中，突破了传统工业生产流水线传送带的概念，运用自动输送机器人承载装配工作台，构建自由移动式的装配生产系统，能根据产品与市场订单变化的情况，自动重构生产线。通过实验活动，一方面能够把课堂知识用在实际系统中，实现了从“听懂”到“会用”的转换。另一方面是由于系统提供了高度的灵活性，能够允许学生们自由地设计自己理想中的生产系统，每组学生的生产体系结构布局、人员分工、作业流程都各不相同，充分发挥了学生们的积极主动性，真正地实现了“以学生为中心”的教学方式。此外，高度数字化、智能化的生产设施与管控体系，让学生们体会到了未来的智能生产系统所具有的主要特征，对于培养学生的创新思维与能力也颇有裨益。

图5 学生在流动生产线上进行装配

4 结 语

集成了多元技术与方法、多元设备协同、多元实践环节的智能生产实验教学平台以先进技术、系统理念为引领，推进教学实验平台的升级，学研融合、创教融合，提供自主型、研究型、创新型三维一体的多模式实践教学。此实验教学平台当前已完成了应用基础平台建设，并开展了专题实验教学，受到了学生们的肯定与欢迎。采用企业实际应用案例场景，真实地展示和反映工业生产中的技术应用和运作管理流程，学生可以自主构建应用系统，并对运作模式或管理流程进行设计和优化。基于问题导向、项目驱动的实景沉浸式教学实验，不仅加深和巩固了学生的理论基础，也培养并提升了学生较强的实践能力、管理能力、沟通能力、创新能力。

此实验教学平台引入当前最新技术及热点技术（数字化、智能化技术、物联网、大数据分析、增强现实等），推动技术创新。选取工业应用中最为代表性的自动输送机器人为基础应用载体，选择典型的工业应用场景，设计相应的专业课程实验环节，能够实现各个环节的互联互通，多方集成，能够快速构建多种体系，提供创新平台，具有开放性、易构性、创新性、易扩展性等特点。此平台建设过程中获得了2项发明专利授权：一种装配生产系统及方法（专利号：ZL-2019-1-0745227.1）［14］；一种工位架（专利号：201910744636.X）［15］。

今后将继续进行此实验教学平台的数字化建设与智能化提升的建设，继续优化和完善。基于此平台可开展对生产系统进行设施规划、设计、过程优化以及流程管理等实践，让学生深入体验和理解系统中物料流、服务流、信息流互相影响、互相制约的关系，体验并实践互联网、物联网、VR／AR、数字孪生等先进技术的应用，为系统有效运行能够提出改善措施和选择最优方案，以培养学生工程实践分析和设计能力，提升分析、规划、设计、管理和运行系统的能力。学生也可探索关于生产系统的创新技术和运行模式。希望通过智能生产实验教学平台的建设，实验教学环节的开展，不断探索符合新时代行业发展需要的新工科创新型复合人才培养的实验教学模式。