智能制造背景下工程訓練中心建設探究

張 戈, 張學軍,2, 朱玉平, 葉曉勤

(1. 南京郵電大學 工程訓練中心, 江蘇 南京 210023；2. 南京郵電大學 通達學院, 江蘇 揚州 225127)

智能制造背景下工程訓練中心建設探究

張 戈1, 張學軍1,2, 朱玉平1, 葉曉勤1

(1. 南京郵電大學 工程訓練中心, 江蘇 南京 210023；2. 南京郵電大學 通達學院, 江蘇 揚州 225127)

分析了智能制造發展背景,闡述了智能制造對高素質人才的需求,在分析當前工程訓練中心現狀與不足的基礎上,提出了在智能制造的背景下更新高校工程訓練中心建設理念、順應制造大國向智能制造強國轉變的趨勢,并對工程訓練中心建設提出幾點思考建議。

智能制造； 工程訓練中心； 工程訓練中心建設

美國、歐洲、日本都將智能制造視為21世紀最重要的先進制造技術,認為是國際制造業科技競爭的制高點。我國也于2015年正式發布“中國制造2025”戰略規劃,它是加速推進國家創新驅動發展戰略,實現中國由“制造大國”向“制造強國”轉變的重要戰略綱領?！叭瞬艦楸尽弊鳛椤爸袊圃?025”20字戰略指導基本5條方針之一,創新驅動、質量保障、綠色發展、結構優化，歸根到底都在于人才,要堅持把人才作為建設制造強國的根本,走人才引領的發展道路[1]。十三五規劃綱要中則明確提出推動戰略前沿領域創新突破,加快突破新一代信息通信、新能源、新材料、航空航天、生物醫藥、智能制造等領域核心技術,并把智能制造和機器人作為九大重點工程之一，列為科技創新2030重大項目[2]。

1 智能制造概念及內涵

智能制造是基于新一代信息技術,將制造技術與數字技術、智能技術、網絡技術的集成應用于設計、生產、管理和服務的全生命周期,在制造過程中進行感知、分析、推理、決策與控制,具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱,旨在高效、優質、柔性、清潔、安全、敏捷地制造產品、服務用戶。

智能制造是信息化與工業化深度融合的大趨勢,它以數字技術、智能技術為基礎,在互聯網、物聯網、云計算、大數據的支持下,制造模式、商業模式、產業形態將發生重大變化。它大大增強制造價值鏈上下游各環節之間的互動,從而深刻優化、重塑制造業的現有流程并重組產業鏈。這種價值鏈和產業鏈的優化重塑將帶來生產效率的大幅提升并催生新的商業模式和商業形態,是推動國民經濟轉型升級的重要動力來源之一。

智能制造主要包括:制造裝備的智能化；設計過程的智能化；加工工藝的優化；管理的信息化；服務的敏捷化、遠程化。當今世界制造業智能化發展呈現5大趨勢[3]:制造全系統、全過程應用建模與仿真技術；重視使用機器人和柔性生產線；物聯網和務(服務)聯網在制造業中作用日益突出；普遍關注供應鏈動態管理、整合與優化；增材制造技術及作用發展迅速。

《國家智能制造標準體系建設指南(2015年版)》通過研究各類智能制造應用系統,提取其共性抽象特征,構建由生命周期、系統層級和智能功能組成的三維智能制造系統架構[4],如圖1所示,從而極好地展示了智能制造的全貌,并為實現數字化管理提供良好的基礎平臺。

圖1 智能制造系統架構

2 智能制造對高素質人才的需求

由于創新驅動發展、產業轉型升級而帶來的人才需求,特別是當前中國智能制造行業高端人才及復合型人才需求的缺口較大,加強智能制造人才隊伍建設、培養高素質人才是推進智能制造的基礎和關鍵,也是智能制造軟環境亟須改善的一環。

發展智能制造必須要有一支熟悉制造、精通信息、具備很強的實戰能力、能做系統集成的復合型人才隊伍,需要建立全新的人才培訓體系。因此強調科學構建產業和科研學術相結合的人才培養體系、推動人才培養的國際化、根據行業特點打造智能制造人才培養工程，將是快速發展的智力基礎。高校應根據技術和社會發展的需求,明確滿足智能制造產業發展的人才培養目標,針對信息、網絡技術與制造業深度融合的特點,制定全新的教學計劃和課程、實施先進制造卓越工程師培養計劃和專業技術人才知識更新工程、設置配套的實踐教學設施、建設工程創新訓練中心、訓練新型產業發展需要的工作技能,并構建“以市場為導向、智造企業參與”的大學、培訓機構和企業結合的產業技能培訓體系,培養大批滿足智能制造需求的技術人才。

3 智能制造背景下工程訓練中心建設

3.1 工程訓練中心現狀概述

我國內地高校的工程訓練中心一般是由金工實習工廠、機械加工廠(車間)等發展而來,通過“世界銀行貸款”“質量工程”等項目建設以及一些學校的新校區建設,已有很大的發展,為學校的教育改革和學生的培養起到重要的作用,也獲得了一定的認可。工程訓練中心已成為工科類高校中教學規模最大、學生受眾人數最多的實踐教學基地,也是國家有史以來在高校實驗教學建設方面單項資金投入最大的項目[5]。

但是,如果把工程訓練置于新一代信息技術與制造業深度融合,以制造業數字化、網絡化、智能化為核心,建立在物聯網和務聯網基礎上,結合新能源、新材料等方面的突破而引發的新一輪產業變革時代浪潮的要求下來看,現行的工程訓練教學對學生的工程能力訓練還不夠,難以滿足工業界對人才的工程素養要求,具體表現在以下幾個方面[6-8]:

(1) 學科知識、教學內容、訓練模式較為單一,從形式到內容存在趨同性傾向。目前大多數工程訓練中心仍以機械類和電子類2大學科的衍生技術為主,局限于單學科及技能訓練的傳統制造觀念,各教學環節之間關聯性不夠,不同類型的高校工程訓練從形式到內容存在趨同性傾向,尚未形成現代工業制造背景下的機械、電子、信息、網絡、材料、化工、控制、管理和人文等學科有機對接的“大工程”集成訓練體系,無法滿足現代工程發展對人才知識全面、技能創新的需要。

(2) 真實生產環境與氛圍缺乏,面向工程實踐欠缺,適應社會產業發展需求不足,社會認可度不高。長期普遍存在的重理論輕實踐、重知識輕能力的傾向,以及沒有實際產品供訓練、環境也多沿襲傳統金工實習習慣建設、同質化發展等,所以工程訓練現場與真實生產現場差別較大,師資隊伍知識老化、工程能力欠缺,“雙師型”教師比例不足，致使高校培養出的本科生缺乏應用能力,與社會實際需要脫節,畢業生進入用人單位后難以較快地勝任崗位工作。

(3) 傳統訓練與先進制造技術訓練,由于受總訓練時間的制約,分配時間、訓練內容及訓練質量的矛盾日益明顯。隨著高校擴招和學時的壓縮,場地、設備及師資配備等難以跟得上學生人數增長所帶來的訓練需要,學生動手實踐訓練不足、創新設計訓練嚴重不足。同時,當前的制造業面臨比以前更為復雜的加工對象、更為苛刻的交付要求和瞬息萬變的市場,企業普遍采用了數字化設計與制造技術,大多實施了信息化管理,協同生產能力達到較高水平。而在現行的工程訓練課程中,傳統訓練內容占比較多,雖然增加了一些新技術和新工藝內容,但改觀不大,離數字化、網絡化、智能化的智能制造要求相差甚遠。

3.2 新時期工程訓練中心建設理念

3.2.1 “大工程”訓練的理念

現代科技工程是機械、電子、信息、材料、化工、管理、環境和人文等多學科的交叉與融合，多行業產業協同與共生。因此,工程訓練已經遠非傳統意義上的純機械制造與加工訓練或單學科及技能訓練,而是由常規的金工實習和電子工藝實習向現代工程實踐教學的轉化,由單機技能培訓向局域網絡條件下技術集成培訓的轉化,由操作技能培訓向技能與綜合實踐、創新實踐相結合的轉化[8],是以大工程為背景,以學生為中心,以工程技能訓練為基礎,以培養工程能力為目標,以創新思維訓練為核心,多元化、開放型的工程實踐創新訓練。

3.2.2 產品全生命周期訓練的理念

針對產品制造過程全周期的訓練,樊慶文等[9]提出，在對學生學習和工程素質培養過程中,應加強產品設計與制造的全過程,如市場調查、設計、材料選擇、試制、工藝(含設備)、批量制造、市場宣傳、促銷、維修及回收等產品生命周期全過程的全面了解和訓練,從而突破狹義的工程訓練只是對產品工藝和制造技術進行培訓,局限于僅僅獲得有關工藝知識和加工技能,變離散、間斷、局部的訓練培訓為連續、全面、系統的產品全生命周期制造培訓,力求讓學生在一個完整而逼真的工程活動系統中,進行產品全生命周期的運作體驗,建立全面的工業生產意識,鍛煉在準企業和工業環境下的構思—設計—實施—運行[10]。

現代工程是融工程設計、工程制造和工程管理等環節于一體，并將工程創新貫穿始終的工程鏈。由于新一代信息技術、互聯網技術和先進制造技術的廣泛應用,使上述工程鏈連接運行和管理變得空前便捷、高效,也為產品制造真正實現全生命周期管理新趨勢提供技術基礎,使工程訓練更加滿足教育的連續性、順序性和整合性,從而推動人才培養鏈與產業鏈、創新鏈有機銜接。

3.2.3 數字化、網絡化、智能化訓練的理念

數字化、網絡化、智能化是實現我國新型工業化,進而實現工業由大變強的必經之途。其中,數字化制造是實現智能化制造的基礎,也是發展智能制造不可或缺的一步,應在制造企業大力推廣數字化制造,在各類制造裝備上推廣應用數控技術,集成創新數控設備,為實現數字化制造提供裝備保障,并進而由“數控一代”裝備創新向“智能一代”裝備創新進化。

構建基于模型的企業(model-based enterprise,MBE)是企業邁向數字化智能化的戰略途徑,已成為當代先進制造體系的具體體現,代表了數字化制造的未來[3]。因此,高校工程訓練應順應發展趨勢,融入數字化、網絡化、智能化訓練的理念,密切關注射頻識別、物聯網、傳感器、機器視覺、智能機床、云計算、3D打印、可穿戴設備、汽車電子等9大未來中國制造的關鍵行業,重點建設3D打印機實訓室、高端數控設備實訓室、物聯網實訓室、云計算平臺實訓室、工業機器人實訓室等[11],為培養專業型高素質人才積極服務。

3.2.4 加強創新和動手實踐能力訓練的理念

“十三五”規劃綱要指出,創新是引領發展的第一動力。當今時代,全球新一輪科技革命和產業變革正在孕育興起,知識更新和技術創新速度明顯加快,各國紛紛調整發展戰略,更加注重創新驅動和教育的作用。從國內看,隨著經濟發展進入新常態,迫切需要全面提升創新水平,以創新激發發展潛力、培育新的核心競爭力,推動經濟中高速增長、邁向中高端水平,實施創新驅動發展戰略,建設創新型國家意義重大。

傅水根教授提出“實踐是實現創新最重要的源泉”,工程訓練在實現高等教育作為科技第一生產力和人才第一資源的重要結合點方面,應努力適應時代需要,合理解決人才培養與經濟社會發展需求結合不夠緊密的突出問題,大力增強學生的社會責任感、創新精神、實踐能力、就業能力,補齊補強人才培養短板,走好“內涵發展、質量提升”關鍵步伐。

3.3 智能制造背景下工程訓練中心建設思考

3.3.1 頂層設計,標準先行

自國際金融危機以來, 經濟發達國家紛紛制定以重振制造業為核心的制造業發展戰略,而新興國家也先后出臺加快制造業發展的規劃和戰略,作為促進各國制造業發展和產業轉型升級的頂層設計,其中最具代表性且影響性最顯著地莫過于德國提出的基于信息物理系統(cyber-physical system,CPS)的“工業4.0”計劃、美國提出的“工業互聯網”和中國出臺的《中國制造2025》《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》。這些頂層設計無一例外體現了未來制造業將建立在以互聯網和信息技術為基礎的網絡平臺之上,將更多的生產要素更為科學地進行整合,變得更加自動化、網絡化、智能化,從而使生產制造定制化、國際分工全球化成為新常態,充分展現當今國際制造業7大發展趨勢:全球化、智能化、虛擬化、集群化、服務化、綠色化、敏捷化[12]。

標準作為頂層設計的具體規范體現,是制造業實行科學管理的基礎,是實現現代化大生產的必要條件,是衡量制造業技術水平的主要標志,同時標準也是影響制造業市場競爭力的必要條件。隨著世界經濟一體化的進展,國際標準對各國產業的國際競爭的影響越來越大。誰先在標準上占據優勢,誰就能在國際市場上占有一席之地。標準先行是“工業4.0”戰略的突出特點,為了保障“工業4.0”順利實施,德國將標準化排在8項行動中的首位,成立專門工作組,并發布德國“工業4.0”標準化路線圖?！爸悄苤圃?、標準先行”同樣適用于中國。為落實國務院《中國制造2025》的戰略部署,加快推進智能制造發展,發揮標準的規范和引領作用,指導智能制造標準化工作的開展,工業和信息化部、國家標準化管理委員會共同組織制定了《國家智能制造標準體系建設指南(2015年版)》,從生命周期、系統層級、智能功能等3個維度建立了智能制造標準體系參考模型,并由此提出了覆蓋5大類基礎共性標準、5大類關鍵技術標準及10大領域重點行業應用標準的“5+5+10”智能制造標準體系框架,即基礎、安全、管理、檢測評價、可靠性等5類基礎共性標準,智能裝備、智能工廠、智能服務、工業軟件和大數據、工業互聯網等5類關鍵技術標準,以及《中國制造2025》中10大應用領域在內的不同行業的應用標準[2]。

作為智能制造背景下工程訓練中心建設,首先應該遵循國家戰略規劃等頂層設計,從標準出發,合理布局規劃訓練項目、內容,強化工程實踐能力、工程設計能力與工程創新能力,重構訓練課程體系和教學內容,加強跨專業、跨學科的復合型人才培養。

3.3.2 政產學研,合力推進

盡管中國高校培養的工程類人才數量全球第一,然而其中滿足國際標準且兼具創新意識的高端技術專家和復合型工程人才相對較少。究其原因是以學校為主體的教育體系、教學內容和課程設置往往較為滯后,人才培養脫離產業實際,產學合作不夠主動深入,深度互動、實質性參與投入較為缺乏。

隨著新一代信息通信技術發展,互聯網和傳統工業的相互融合,政產學研互聯互通的“網絡物理鏈”空前暢通,如果能通過各方富有創新性地合力推進,構建優勢互補、互惠共贏根本原則下的合理“價值鏈”,則能促進各方的主動參與意愿,從而實現深度合作和可持續性合作發展。工程訓練中心應該順勢而為,積極利用互聯網、大數據、云計算技術,促進工程訓練項目的數字化、網絡化、智能化發展,通過引入企業真實產品訓練、“雙師制”“二元制”等,構筑起新型的產學合作、工學共進的創新實踐平臺。

3.3.3 傳統為基,強化先進

高校工程訓練課程通常是從傳統的金工實習、電裝實習等單一學科及技能訓練發展而來,這些學科知識和技能對于培養學生的工程認知能力、感性認識、工程文化歷史以及基本的工程實踐動手能力無疑是必不可少。隨著世界科學技術迅猛發展,制造技術日新月異,新的工程領域也層出不窮,在兼顧傳統訓練的基礎上,堅持與時俱進,補充先進技術訓練內容、構建數字化智能化實訓平臺,是保持工程訓練持續深入發展的不懈動力。例如學習代表現代先進制造加工技術的數控車床之前,如果先安排普通車床的實習,會使學生對車床的基本構造、車削加工的基本原理以及車床的基本操作有一定了解,在此基礎上講解數控機床、比較其與普通車床的異同,進而講授數控編程、上床實習,對于感興趣、接受力強的學生,還可進一步進行CAD/CAM/CAE培訓學習,這將大大提高實訓效果。

3.3.4 重視數據,加強仿真

仿真技術是重要的戰略技術, 因為仿真技術提供了一個在可控條件下對客觀對象進行模擬的虛擬實驗室, 具有經濟、安全、可重復和不受氣候、場地、時間限制的優勢,被認為是繼理論研究和實驗研究之后的第3種認識世界和改造世界的重要手段[13]。仿真思維有5個關鍵步驟[14],見圖2。在工程訓練中應用數控仿真軟件,使學生提前熟悉機床操作規程和操作方法,減少了誤操作帶來的人身傷害和機床損壞,提高了操作安全性,一定程度上節省了材料和工具的消耗,并且使學生的實操實踐時間更為靈活機動,極大緩解了目前數控實訓中存在“生多機少”“講多練少”的現狀。當然重視加強仿真并不等于完全依賴,要明確仿真軟件無法替代實際機床,也無法替代學生在實際加工中的真實感受。

圖2 仿真思維的5個關鍵步驟

無論是流程仿真、實體仿真還是場景仿真,都是建立在數據基礎之上。數據本身并不重要,只有通過分析、挖掘數據的可見與不可見,把數據變為信息,信息變為價值,才能發揮數據連接原子和比特、跨接物理世界和數字世界的紐帶橋梁作用,進而實現利用數據創造價值的根本目的。因此,在工程訓練中應充分重視數據,強化建模、計算方面訓練,順應工業互聯網、工業大數據的工業智能轉型趨勢,為培養智能設計、智能分析、智能決策、智能制造的創新型人才服務。

3.3.5 構設施操,全期訓練

CDIO是構思(conceive)、設計(design)、實施(inplement)、操作(operate)4個英文單詞的縮寫,它是“做中學”原則和“基于項目教育和學習”(project based education and learning)的集中概括和抽象表達?！白鲋袑W”是約翰?杜威首先提出的學習方法論,主要采用基于項目的學習、基于經驗和環境的學習、主動學習、研究性學習等行之有效的能力本位的學習方法[15],從而能有效地營造產品、流程、系統生命周期發展的工程教育的環境。

以往進行產品制造過程全周期的訓練,由于受產品工藝、技術、設備等條件限制,無法實現真實工程環境,很難在高校的工程訓練中實質性開展,而作為新工業革命引領者智能制造的代表性技術——3D打印技術的出現,從根本上解決了這一難題,也逐漸加入到高校工程訓練課程中。3D打印是增材制造(additive manufacturing,AM)的俗稱,與傳統的切削等去除式加工及變形加工方式不同,增材制造技術按照創意設計好的數字模型,通過將粉末、液體或片狀、絲狀等離散材料逐層堆積,“自然生長”成三維實體,因此被通俗地稱為“3D打印”。

增材制造技術極大地縮短了產品的研制周期,提高生產率和降低生產成本,尤其是將傳統的復雜制造系統縮小到一臺制造裝備中,實現“所見即所造”“所想即所得”,使得每個家庭、每個個人都有可能成為創造的主人,是制造技術的革命性進步。隨著3D打印在高精度復雜金屬成型、大尺寸高效制造、多加工單元的集成技術、多學科技術融通以及復合材料零件增材制造技術等的大突破后,將會給社會的生產和生活方式帶來新的變革,同時對制造業的產品設計、制造工藝、制造裝備及生產線、材料制備、相關工業標準、制造企業形態乃至整個傳統制造體系產生全面、深刻的變革[16-17]。如果與云制造技術融合,將是實現個性化、社會化制造的有效制造模式與手段。

在工程訓練中設置“3D 打印”實訓模塊,符合大工程、大制造、產品制造過程全周期的工程教育要求,使工程訓練課程設置與當前工業主流技術相銜接,是CDIO教育方法應用的良好實例,也為高校在智能制造背景下,深入開展創新創業實踐活動,全面推進人才培養工作提供了良好利器和途徑。

4 結語

智能制造作為當前和今后一個時期推進兩化深度融合的集中體現、主攻方向和突破口,對應對國際巨大挑戰、實施創新驅動戰略,解決資源、能源和環境約束問題,提高產業和企業競爭力、建設制造強國,具有重要而深遠的意義。高校工程訓練中心應始終保持與時俱進的步伐,順應制造大國向智造強國轉變的趨勢,搭建現代化的工程實踐教育平臺,訓練培養出在國內外得到更廣泛認可的工程人才。

References)

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Exploration on construction of engineering training center under background of intelligent manufacturing

Zhang Ge1, Zhang Xuejun1,2, Zhu Yuping1, Ye Xiaoqin1

(1. Engineering Training Center,Nanjing University of Posts and Telecommunications ,Nanjing 210023,China； 2. Tongda College, Nanjing University of Posts and Telecommunications ,Yangzhou 225127, China)

This paper analyses the background of intelligent manufacturing, and discusses the demands for high quality talents in new era of intelligent manufacturing. Based on the analysis of the current situation and problems, it is put forward that updating the construction idea of engineering training center of colleges and universities under background of intelligent manufacturing, as well as transforming from a big nation in manufacturing to a strong one in intelligent manufacturing. Accordingly some suggestions on the construction of engineering training center are proposed.

intelligent manufacturing； engineering training center； construction of engineering training center

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.054

2016-08-24

南京郵電大學實驗室工作研究課題(2015XSG03)；南京郵電大學教改項目(JG02611JX07)；南京郵電大學通達學院教改項目(JG00209JX03)

張戈(1974—),男,江蘇無錫,碩士,助理研究員,主要研究方向為實驗實踐教育管理.

E-mail：zhangge@njupt.edu.cn

G482

B

1002-4956(2017)2-0209-05