張貴軍, 陳 安, 王 文, 吳 浪, 李章維

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 浙江 杭州 310014)

模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

張貴軍, 陳 安, 王 文, 吳 浪, 李章維

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 浙江 杭州 310014)

在模塊化柔性制造實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了一種模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)包括教師、學(xué)生和實(shí)時(shí)監(jiān)控等3個(gè)模塊,滿足教師和學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)操作的需求,實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集功能。測(cè)試和運(yùn)行結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠有效地推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革。

模塊化柔性制造； 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 信息管理系統(tǒng)

教學(xué)管理系統(tǒng)是高校管理系統(tǒng)的重要組成部分[1]。教學(xué)管理系統(tǒng)極大地提高了管理的便捷性并降低人為因素對(duì)信息管理的影響[2]。柔性制造技術(shù)是一種可以迅速響應(yīng)需求并調(diào)整產(chǎn)品的制造技術(shù),模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),它具有綜合性、系統(tǒng)性以及模塊化等特點(diǎn)。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng),能夠讓學(xué)生了解機(jī)械制造系統(tǒng)的基本組成和基本原理,為學(xué)生提供一個(gè)開(kāi)放、創(chuàng)新和易參與的實(shí)踐平臺(tái),幫助學(xué)生掌握機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用[3-6]。筆者為模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的教學(xué)管理系統(tǒng)主要包括教師模塊、學(xué)生模塊和實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。該教學(xué)管理系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中任務(wù)布置、作業(yè)批改等比較繁瑣的事項(xiàng)[7],解決了教學(xué)管理中數(shù)據(jù)命令傳輸滯后、效率低和擴(kuò)展性差的問(wèn)題[8-9],能夠針對(duì)不同的實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)要求制定相應(yīng)的教學(xué)任務(wù),有效地提高了教學(xué)管理效率并使教學(xué)資源得到充分利用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)采用3層架構(gòu)設(shè)計(jì),3層架構(gòu)將前端Web頁(yè)面與數(shù)據(jù)分開(kāi)處理,均衡了系統(tǒng)前端和后臺(tái)邏輯業(yè)務(wù)處理的壓力,保證了系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)框架分為表現(xiàn)層、邏輯服務(wù)層和數(shù)據(jù)層(見(jiàn)圖1)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)層基于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)。當(dāng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)OPC采集數(shù)據(jù)后,通過(guò)socket傳輸?shù)胶蠖朔?wù)器中,在邏輯服務(wù)層和表現(xiàn)層之間通過(guò)HTML5提供的全雙工通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議WebSocket完成Web端的即時(shí)通信,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控頁(yè)面的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新[10]。系統(tǒng)通過(guò)PostgreSQL存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù),如教師上傳的資料信息、學(xué)生上傳作業(yè)信息、發(fā)布教學(xué)大綱信息等。

邏輯服務(wù)層主要用來(lái)連接數(shù)據(jù)層和前臺(tái)表現(xiàn)層。它封裝了實(shí)際的業(yè)務(wù)邏輯,包括數(shù)據(jù)驗(yàn)證、事務(wù)處理、權(quán)限處理等業(yè)務(wù)操作。

表現(xiàn)層由UI和UI控制邏輯組成,主要用來(lái)與用戶(hù)進(jìn)行交互。其中UI負(fù)責(zé)從Web瀏覽器向服務(wù)器提出服務(wù)請(qǐng)求,通過(guò)UI控制邏輯來(lái)處理用戶(hù)界面和業(yè)務(wù)層之間的數(shù)據(jù)交換。表現(xiàn)層主要由教學(xué)大綱、教學(xué)管理、作業(yè)批改、實(shí)時(shí)監(jiān)控等構(gòu)成。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用PostgreSQL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。與PostgreSQL配合的開(kāi)源軟件有很多。比起MySQL,PostgreSQL更容易實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)分離、負(fù)載平衡、數(shù)據(jù)水平拆分等功能[11-12]。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表包括教師數(shù)據(jù)表、學(xué)生數(shù)據(jù)表、教學(xué)日歷表、文獻(xiàn)資料表、作業(yè)信息表等，表與表之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 關(guān)系表

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)和教學(xué)管理的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了教師模塊、學(xué)生模塊和實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。

2.1 教師模塊

教師模塊是整個(gè)教學(xué)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵,從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始到實(shí)驗(yàn)結(jié)束都起到至關(guān)重要的作用。教師模塊包括教學(xué)大綱、作業(yè)管理、作業(yè)批改、文獻(xiàn)資料和教學(xué)日歷5個(gè)子模塊。

教學(xué)安排關(guān)系著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度,教師在教學(xué)日歷一欄中需要選擇相應(yīng)的課程來(lái)查看教學(xué)計(jì)劃,能夠很好地將不同的課程區(qū)分開(kāi)。教學(xué)大綱子模塊能夠很好地幫助教師發(fā)布任務(wù),方便學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、提高實(shí)驗(yàn)效率。作業(yè)管理子模塊和作業(yè)批改子模塊的作用是促進(jìn)教師與學(xué)生之間的交流。作業(yè)管理子模塊包括作業(yè)布置、內(nèi)容備注和時(shí)間提醒；作業(yè)批改子模塊包括在線批改和作業(yè)點(diǎn)評(píng)。在作業(yè)批改子模塊,教師能了解學(xué)生上交作業(yè)的情況,能夠下載學(xué)生所上傳的作業(yè),可以及時(shí)把學(xué)生作業(yè)批改情況和評(píng)分結(jié)果反饋給學(xué)生。文獻(xiàn)資料子模塊可以為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)所需資料的下載和資源鏈接,在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)還能擴(kuò)展學(xué)生的課外知識(shí)。

2.2 學(xué)生模塊

學(xué)生模塊是模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)的重要組成部分。學(xué)生模塊中包括教學(xué)大綱、作業(yè)上傳、文獻(xiàn)資料3個(gè)子模塊。在教學(xué)大綱模塊中,學(xué)生可以下載教師上傳的教學(xué)任務(wù),了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,做好預(yù)習(xí)工作,有助于提高實(shí)驗(yàn)效率；作業(yè)上傳模塊允許學(xué)生在做完實(shí)驗(yàn)后上傳教師布置的作業(yè),查看教師對(duì)自己作業(yè)的批改和評(píng)分情況；文獻(xiàn)資料模塊能夠讓學(xué)生下載實(shí)驗(yàn)中用到的資料,及時(shí)補(bǔ)充所需的知識(shí)。

2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生通過(guò)操作面板或觸摸屏操作設(shè)備,設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)則會(huì)被OPC采集并通過(guò)WebSocket實(shí)時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)中,學(xué)生便可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)判斷實(shí)驗(yàn)操作是否正確,這樣能夠更好地提高實(shí)驗(yàn)效率。教師也可查看學(xué)生操作設(shè)備后的數(shù)據(jù)信息,及時(shí)糾正學(xué)生的不當(dāng)操作。圖3所示為運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程,學(xué)生可以通過(guò)顯示的進(jìn)程了解實(shí)驗(yàn)操作時(shí)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)進(jìn)程信息圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)基于B/S模式和AngularJS+SSH+PostgreSQL開(kāi)源框架開(kāi)發(fā),采用Java開(kāi)發(fā)語(yǔ)言編程并結(jié)合Apache Tomcat7.0和Nginx的Web服務(wù)平臺(tái)。另外,采用C++語(yǔ)言,基于OPC通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。圖4為系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖4 系統(tǒng)流程

在實(shí)訓(xùn)教學(xué)開(kāi)課前,教師需要制訂教學(xué)計(jì)劃,內(nèi)容包括教學(xué)時(shí)間、教學(xué)地點(diǎn)等；在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,教師需要登錄系統(tǒng),并且在教學(xué)大綱一欄中上傳教學(xué)資料；學(xué)生登錄系統(tǒng)后可以查看教學(xué)大綱,可以下載相關(guān)文獻(xiàn)資料；實(shí)驗(yàn)時(shí),教師可以通過(guò)系統(tǒng)顯示的設(shè)備信息對(duì)學(xué)生實(shí)訓(xùn)過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,教師可以通過(guò)作業(yè)管理模塊布置課后作業(yè)；學(xué)生可通過(guò)系統(tǒng)上傳完成的作業(yè)。

模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)使教師和學(xué)生能夠很好地溝通和交流,提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。教師能夠清晰地了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、作業(yè)情況和資料下載情況,學(xué)生也能夠第一時(shí)間得到教師的反饋,

4 結(jié)語(yǔ)

模塊化柔性制造綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng),采用了AngularJS和SSH框架技術(shù)。AngularJS中的指令、路由等功能讓整個(gè)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、更具層次性；SSH框架的使用可以有效提高系統(tǒng)的可伸縮性和穩(wěn)定性；OPC數(shù)據(jù)采集技術(shù)讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程變得高效、系統(tǒng)更加靈活。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能讓整個(gè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程具有整體性,從實(shí)訓(xùn)任務(wù)的發(fā)布到實(shí)施再到實(shí)訓(xùn)作業(yè)的提交和批改,不僅教師可以更好地了解學(xué)生的實(shí)訓(xùn)狀況,學(xué)生與教師的互動(dòng)交流也進(jìn)一步提高了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的質(zhì)量。

References)

[1] 魏偉,胡瑋.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)的創(chuàng)新與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(11):130-132.

[2] 王巖,徐金榮,高珍,等.實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(2):82-85.

[3] 孫玉華,賈殿濤.模塊化柔性制造在現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)教育中的應(yīng)用[J].職業(yè)技術(shù)教育,2003,24(10):35-37.

[4] 孫赫雄.柔性制造系統(tǒng)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師,2005(5):41-42.

[5] 顧佳超,程茗,徐恒斌.制造系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法和研究[J].機(jī)械工程師,2015(15):160-161.

[6] 王偉,王殿君,申愛(ài)明,等.柔性制造系統(tǒng)在機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)綜合訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(6):554-557.

[7] 馬志誠(chéng),陳敏,李光輝.在教學(xué)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中引入柔性制造系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2008,6(增刊1):253-254,260.

[8] 王文成,牛秦洲.基于OPC技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,26(2):291-294.

[9] 劉承倩.基于OPC技術(shù)的工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2012(7):49-51.

[10] 李代立,陳榕.WebSocket在Web實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域的研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2010,6(28):7923-7925,7935.

[11] 劉鑫.MySQL與PostgreSQL的對(duì)比選擇[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,7(2):171-173.

[12] 薩師煊,王珊.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論[M].北京:高等教育出版社,1991.

Development on comprehensive practical teaching management system for modular flexible manufacturing

Zhang Guijun, Chen An, Wang Wen, Wu Lang, Li Zhangwei

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

On the basis of the practical training platform for the modular flexible manufacturing, a comprehensive practical teaching management system for the modular flexible manufacturing is developed. This system includes three modules of the teachers, students and real-time monitoring, which meets the needs of the teachers and students for the operation of the practical training platform, and realizes the function of the real-time data acquisition for the platform equipment. The test and operation results show that this system can effectively promote the reform of the experimental teaching contents and methods.

modular flexible manufacturing; practical training platform; experimental teaching; information management system

2017-06-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61573317)；浙江工業(yè)大學(xué)研究生核心課程建設(shè)項(xiàng)目(2015015)；浙江工業(yè)大學(xué)研究生教學(xué)改革項(xiàng)目(2016115)；國(guó)際化專(zhuān)業(yè)建設(shè)項(xiàng)目(電氣工程及其自動(dòng)化)

張貴軍(1974—),男,山西陽(yáng)泉,博士,教授,主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼⒅圃靾?zhí)行系統(tǒng).

E-mail：zgj@zjut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.038

G434

A

1002-4956(2017)12-0161-03