面向智能制造系统级人才培养的实训平台建设

王 亮， 唐 堂， 于 颖， 陈 云

（1.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804；2.上海犀浦智能系统有限公司，上海 201306）

0 引言

智能制造是基于新一代信息技术与先进制造技术深度融合，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称［1-4］。人才是实施智能制造的关键，工业模式的调整也需要与之配套的员工以及管理措施。因此，如何供应足量且适宜的人才，满足大量人才“刚需”，是智能制造急需解决的问题。调查数据显示，近7 成受访企业担心现有的基础设施特别是现有人才无法适应新的技术、系统及制造模式的转变［5-7］。一方面企业需要能够适应数字化、网络化、智能化生产方式的人才，但更重要的是人在智能制造过程中的角色将由服务者、操作者转变为规划者、协调者、评估者及决策者，不仅需要专业技术人员承担起智能设备及系统的设计、安装以及改装工作，还需要对相关信息物理系统、新型网络组件进行维护。此外，智能生产还要对生产系统模式与框架、工作流程、系统参数不断进行优化，相应对管理水平的要求要比以往高许多。为了更好地引进智能设备提高生产效率，企业需要储备和培养更多数据科学、软件开发、硬件工程、测试、运营及营销等方面的高技能人才和管理人才。因此智能制造急需跨学科和具有全局观，能够针对智能制造系统进行多学科交叉集成并创新的系统级人才［8-11］。但是当前，我国智能制造人才培养与培训存在以下问题：①产业行业间互动性弱、培养体系规格单一、学生或学员可持续发展能力较弱；②制造业人才结构性过剩与结构性短缺并存，交叉学科、跨学科人才紧缺；③现有培训知识结构老化，人才培养与实际需求脱节，工程教育实践环节薄弱［12-13］。

因此，研究适合智能制造人才，尤其是系统级人才的培养需求并开发相应的实训平台，是推动我国智能制造发展以及智能制造工程专业急需解决的问题［14］。

1 智能制造系统级人才模型

智能制造常规人才的培养与教育只针对智能制造系统架构中的某个环节或某些环节，体现在智能制造标准体系上则为面向点、线或面的教育。而智能制造系统级人才需要从整体上把控智能制造所有环节，从而智能制造系统级人才是面向“体”的教育。

本文构建了智能制造人才立方体，其参考国家智能制造标准体系，包含生命周期、智能范围和人才类型三个维度，从而实现制造过程中各类人才的定位［15］。其具体描述如下：

第一维生命周期维度，参照国家智能制造标准架构生命周期维度，主要用于定位各类人才需要了解与参与生命周期中的哪一阶段。

第二维智能范围，范围从小到大，由部件组成设备，设备组成单元组成系统，系统组成系统的系统，即智能工厂。

第三维人才类型，最基本的操作工人，定义为技能人才；具有某专业知识，能够处理分析生产中遇到的问题，定义为具有多专业知识结构的人才，能够处理更加复杂的问题；如机电一体化人才，定义为复合人才；跨专业人才若具有管理知识结构，定义为系统人才。

对于智能制造所需要的系统级人才需要对产品全生命周期均有所了解，不必过分关注单个部件或设备的智能性，而是需要从整体上把握具有较高复杂程度的单元或系统，因而需要了解从智能单元到智能工厂范围的架构、集成等内容。因此，智能制造所需要的系统级人才处于人才立方体中红色部分，如图1 所示。

图1 智能制造人才立方体及系统级人才定位

2 智能制造系统级人才培养实训平台建设

2.1 实训平台建设要求

面向智能制造系统级人才培养的实训平台应该具有以下三大要素：①体现工业4.0 的特征；②真实的设备生产真实的产品；③与制造企业类似的相互协作的工作流程。

2.2 实训平台建设的产品示例

我校机械与能源工程学院联合上海犀浦智能系统有限公司开发了面向智能制造系统级人才培养的实训平台。首先实训平台所生产的产品要具有一定的工业背景，本实训平台的工业背景是一家生产智能巡航检测小车的生产厂家，其产品智能小车可自主巡航，代替人进入危险或未知环境进行检测，可检测的项目包括温度、湿度、压力、烟雾和有害气体等，这些不同的检测项目是通过小车上安装不同的传感器与检测模块实现。随着客户的增多以及行业用途的不同，对小车的检测功能的要求也越来越多样化，例如某些客户只需要温度检测，某些客户只需要压力与烟雾检测等，并且对检测的精度要求也不同。而厂家原有的以人工装配为主的方式难以适应客户需求的个性化。因此需要建设一条智能生产线，可根据客户订单进行个性化定制。

完整功能的自动巡航小车模型示意图如图2 所示，小车由上、中、下3 层组成。下层布置动力模块及行驶检测模块；中间层为小车控制中心；上层为可选传感器模块。各电气元件主要通过插针方式相互连接及固定，隔离柱及玻纤板搭建主要机械结构。

图2 智能巡航检测小车3D模型示意图

为使生产线便于教学以及降低教学产生的材料消耗费用，可对真实的小车及功能模块进行了两方面的模型化处理，降低装配精度要求，并降低教学过程中运维及消耗成本。

（1）功能模块的抽象化。原小车可以装配8 个种类，共32 个不同型号的功能模块，现简化成3 个类型的功能模块：温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器，每个类型包含3 种不同精度的细分型号，共9 种模块；原功能模块形状、尺寸不同，且以插针方式插接，现统一以30 mm×30 mm×30 mm的立方块代替。每个类型的模块以一种颜色代表，每个细分型号以立方块上的编号标识，温度传感器为R1、R2、R3，湿度传感器为Y1、Y2、Y3，烟雾传感器为B1、B2、B3。

（2）车身及模块装配位置的抽象化。由于功能模块只安装在小车上部PCB板上，所以将小车抽象为一块底板，底板上9 个凹槽为功能模块装配位置，每个位置装配对应的具体型号模块，如图3 所示。

图3 模拟小车底板及模块装配位置图

2.3 实训平台工作流程及系统架构

实训平台模拟智能巡航检测小车厂家接收个性化定制订单，按照订单进行功能模块装配，并进行质量检测的过程。整体工作流程如下：①个性化定制下单，包括选择功能模块，选择细分型号，并输入购买数量；②生产计划与排产，包括生成工单与工单下达；③原料出库，包括车身底板出库，所需功能模块出库；④功能模块装配，包括从原料托盘中取出所需功能模块，将功能模块放入车身底板对应位置；⑤视觉检测，包括检测是否与订单相符，扫描二维码，记录原料来源，形成产品追溯；⑥成品入库，包括原料返回仓库，成品入库；⑦订单完成，包括更新订单状态，通知客户订单完成。

基于以上的简化和工作流程，实训平台的建设下一步应进行整个系统的架构设计，并对其支持的课程作详细规划。实训平台以国家智能制造系统标准架构为参考，包含智能制造产线和数字双胞胎两部分，涵盖了网络层、设备层、控制层、运营管理层以及智能应用层等核心功能。系统架构图以及对应的实验课程体系如图4 所示，实验课程体系可支撑同济大学机械与能源工程学院智能制造工程专业培养方案［16］。

图4 实训平台系统架构与课程体系

同时，在课程思政方面，该产线还便于互动式教学模式开展，以组为团队进行问题互动与讨论。教师在项目指导过程中，不仅可以从理论讲述，还能够从实践操作，如编程能力、代码排错等均表现出自身的专业性与严谨性。从而体现出言传身教的教学特点，表现出对项目中运用到知识的探索与学习热情。以实训平台为媒介，通过教与学的互动过程，潜移默化地培养学生追求卓越的意识和精神。在项目式实验教学推进中，让学生以团队的形式查阅资料、讨论，并在每次课汇报结果，很大程度上培养了学生的学习兴趣，发挥个人、集体的特长潜能。

2.4 实训平台组成

实训平台由3 个基础工站：智能仓储工站、模块装配工站、视觉检测工站以及配套的中央控制台、平移输送单元构成。各工站可独立运行，也可组合成产线协同工作。总体构成图如图5 所示。

图5 工站产线总体构成

（1）智能仓储工站。自动化立体仓库是在制造企业中广泛应用，并具有较高技术水平的一种仓储作业形式。智能仓储工站配备仓储管理软件，可对立体库进行管理和出入库操作，并通过仓储管理系统与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）集成，实现仓储管理指令的下达执行及执行结果的反馈。

智能仓储工站是由立体货架、堆垛机、出入库托盘输送机系统、通信系统、自动控制系统、计算机监控系统，以及其他如电线电缆桥架、托盘、钢结构平台等辅助设备组成的复杂的自动化系统，并运用集成化物流理念，通过以上设备的协调动作进行出入库作业。其适用的实践教学内容有：伺服驱动与控制，PLC组态与编程，仓储管理系统设计，自动化立体仓库系统集成与调试。

（2）模块装配工站。工业机器人是现代制造业转型升级，实现智能制造的关键设备之一。模块装配工站以工业机器人装配功能为示范，综合了工业机器人、PLC控制系统、RFID数据通信系统、物料输送线、定位机构等系统，能够开展机器人编程调试，特别是各系统间的集成应用。适用实践教学内容有：工业机器人编程与调试，PLC组态与编程，工业机器人综合应用与系统集成调试。

（3）视觉检测工站。机器视觉是工业人工智能正在快速发展的一个分支，是智能制造过程中提高生产效率和生产的自动化程度的一项关键技术。视觉检测工站由自动化控制系统、工业相机、镜头、光源、图像数字化模块、数字图像处理模块、视觉判断决策模块、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）通信模块、工业网络和机械控制执行机构等组成，通过机器视觉与图像识别，判断装配完成的小车模块是否与订单一致，并读取各模块原料二维码溯源信息，返回给上层控制系统。适用实践教学内容有：数字图像处理与图像识别，PLC 组态与编程，机器视觉，机器视觉系统的安装与集成调试。

（4）平移输送单元。该单元用于连接机器人装配工站与视觉检测工站，以气动方式驱动移载机在两个工站间传输物料托盘。

（5）中央控制单元。中央控制单元是管理、操作实训平台的人机交互枢纽，由控制台、PC 电脑及生产管理软件构成。其中生产管理软件包括以下几个系统：

①订单管理系统。订单管理系统面向用户和生产管理者，小车用户可以通过电脑、手机在线订购，订购过程中可以按需求定制所需功能模块、技术参数。下单后可追踪生产进度、订单状态等信息；管理者可查看、审核用户订单，审核通过的订单将进入生产；管理者也可取消某个订单，或改变订单生产顺序。

②制造执行系统。订单审核通过后，将自动发送给制造执行系统，制造执行系统具有生产排产、生产过程状态参数监控、质量跟踪与产品溯源、产品基本信息、物料、生产工艺、用户等基础数据管理等功能。

③仓储管理系统（WMS）。WMS负责对立体仓库库位进行管理，包括立体仓库的初始原料入库，生产过程中的原料出库以及成品入库等信息的记录与控制。

④产线数字双胞胎与虚拟调试。数字化双胞胎是一种利用数据连接和模拟技术，将物理实体或过程的数字化表达与虚拟实体的数字化表达互联互通的技术。实训平台数字双胞胎系统具有与物理产线相一致的3D模型、动作序列、I／O 信号等，并可进行PLC、机器人的编程与仿真，实现了虚实结合及虚拟调试教学，学生可在数字化模型上进行编程、调试，最后再将程序下发至物理产线验证，达到在少量物理设备的情况下，以班级为单位同时开展实验教学的目的，同时还可为数字双胞胎开发技术提供实训环境，如图6 所示。

图6 平台数字双胞胎系统

3 结语

本文对智能制造人才需求进行研究，构建了系统级智能制造人才模型。通过以同济大学巡航小车生产系统作为案例，阐述了面向系统级智能制造人才培训的实训平台建设需求、建设步骤与组成。该实训平台真实再现“工业4.0”的理念、特征和关键技术，体现了完整的智能制造体系架构，并实现个性化定制、系统横向、纵向及端到端的集成，同时满足智能制造工程专业实践与实验教学要求。平台集成了PLC、RFID、数控加工、工业机器人、检测与传感技术、现场总线、工业组态软件、现代物流技术等先进技术。它弥补了传统实训设备的不足，采用实际的工业现场元器件，贴近现代化工业生产环境，并通过数字孪生技术实现虚实融合，可以使学生全面认识工业现场设备的组织形式和控制方式。模块化的设计结构有利于开展面向以工站、产线的系统集成与应用调试为主的实践教学，学生学习可以从简单到复杂，由浅入深，循序渐进。

实践证明，以智能制造系统级人才模型指导开发的实训系统对学生在智能制造系统级理念与技术上的全面发展有着很大帮并且学生基于该实训平台，还可进行“中国大学生机械工程创新创意大赛-智能制造赛”中工业组网与网络安全、生产系统集成与调试、数字孪生与仿真以及生产系统分析与优化等赛项训练，以及开展“第46 届世界技能大赛工业4.0 项目中国机械行业选拔赛”赛事训练。此外，基于项目式的实践教学同时还培养了学生的团队意识，实现课程思政的目的。

·名人名言·

目标既定，在学习和实践过程中无论遇到什么困难、曲折都不灰心丧气，不轻易改变自己决定的目标，而努力不懈地去学习和奋斗，如此才会有所成就，而达到自己的目的。

——吴玉章