張紅亮，李劼，陽(yáng)春華，陳曉方，謝永芳，陳愛良

(1.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

一、背景

有色金屬冶煉是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位，并為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈提供基礎(chǔ)原材料。當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上品類最齊全、規(guī)模最大的有色金屬工業(yè)國(guó)家，其產(chǎn)業(yè)集中化程度和產(chǎn)業(yè)規(guī)模世界罕見，其中主要的有色金屬，如鋁和銅等，產(chǎn)量和消費(fèi)量均占世界一半以上，且國(guó)內(nèi)對(duì)有色金屬材料的需求在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)將持續(xù)增長(zhǎng)[1]。

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，我國(guó)有色金屬生產(chǎn)技術(shù)、工藝和生產(chǎn)裝備水平已得到大幅提升，但受到資源、能源、環(huán)境等方面的嚴(yán)重制約，其可持續(xù)健康發(fā)展已受到挑戰(zhàn)。以下將以鋁電解為例進(jìn)行詳細(xì)闡述。

我國(guó)鋁電解工業(yè)正受到以下挑戰(zhàn)：① 資源挑戰(zhàn)：國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)鋁土礦接近消耗殆盡，各類型低品位鋁土礦已被大量開采，其雜質(zhì)已進(jìn)入鋁電解流程，對(duì)生產(chǎn)形成極大沖擊；② 能源挑戰(zhàn)：我國(guó)鋁電解工業(yè)規(guī)模巨大，年耗電量占全國(guó)年總發(fā)電量的 5%以上，且能源價(jià)格居高不下(為國(guó)際水平的兩倍)，導(dǎo)致我國(guó)原鋁的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力嚴(yán)重不足；③ 環(huán)保挑戰(zhàn)：鋁電解污染物的排放量比鋼鐵行業(yè)還要高 7～9倍，而隨著《新環(huán)保法》的實(shí)施，鋁電解的廢氣、廢渣排放要求勢(shì)必更為嚴(yán)格；④ 產(chǎn)業(yè)人力資源挑戰(zhàn)：在西北部的新疆、內(nèi)蒙古等地(我國(guó)鋁電解工業(yè)發(fā)展的龍頭所在地)，熟練的鋁電解工人供不應(yīng)求，且我國(guó)鋁電解勞動(dòng)效率也較低(為國(guó)際水平的一半)，因此高素質(zhì)的技術(shù)人員與產(chǎn)業(yè)工人的不足已成為鋁電解行業(yè)日漸嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

盡管在鋁電解領(lǐng)域，本團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近 30年的積累，已成功開發(fā)并廣泛推廣應(yīng)用了鋁電解自適應(yīng)控制[2-3]、智能模糊控制[4]以及低電壓高效節(jié)能新工藝與控制技術(shù)[5]等系列技術(shù)，有利促進(jìn)了鋁冶煉技術(shù)的發(fā)展，但距離完全智能化尚有很大的差距。管窺一豹，對(duì)于我國(guó)有色金屬這一典型的傳統(tǒng)行業(yè)來(lái)說(shuō)，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣(高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)腐蝕、高粉塵等)，再加之當(dāng)前有色金屬冶煉過(guò)程檢測(cè)裝置和手段較為缺乏，現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)與信息獲取量不足，同時(shí)在企業(yè)內(nèi)部還存在各種信息孤島，造成了當(dāng)前大型冶煉企業(yè)或集團(tuán)化冶煉企業(yè)內(nèi)工序之間信息傳遞不通暢、企業(yè)內(nèi)部各層級(jí)調(diào)度與優(yōu)化手段落后、企業(yè)信息化水平較其他行業(yè)(如汽車行業(yè))普遍偏低，這已經(jīng)成為有色金屬這一傳統(tǒng)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的巨大障礙。因此，對(duì)于我國(guó)有色金屬工業(yè)來(lái)說(shuō)，急需推進(jìn)全流程整體智能優(yōu)化制造，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高效化和綠色化，換而言之亟須實(shí)施有色金屬工業(yè)的智能優(yōu)化制造[6-7]。

當(dāng)前，智能制造是世界公認(rèn)的提升制造業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力的核心高技術(shù)，智能優(yōu)化制造是以企業(yè)全局及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)全過(guò)程的高效化與綠色化為目標(biāo)，形成以生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化為特征的制造模式。世界各國(guó)相繼出臺(tái)相關(guān)支持計(jì)劃，我國(guó)在黨的十九大也做出了關(guān)于信息化和工業(yè)化深度融合的戰(zhàn)略部署，提出了走中國(guó)特色新型工業(yè)化道路的策略。而培養(yǎng)以有色冶金為專業(yè)背景的智能制造交叉學(xué)科人才，對(duì)推動(dòng)有色金屬工業(yè)的智能制造與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)有極大的意義，可極大提升行業(yè)技術(shù)水平和關(guān)鍵有色金屬原材料的自主保障能力[8]。

目前，主流冶金過(guò)程的生產(chǎn)工藝均已大體成熟，面對(duì)冶煉工藝的開發(fā)多為現(xiàn)有工藝的小幅優(yōu)化，而以“互聯(lián)網(wǎng)+”和“智能制造”為主要技術(shù)手段的傳統(tǒng)行業(yè)升級(jí)改造正如火如荼地進(jìn)行，故僅掌握冶金類基礎(chǔ)知識(shí)已不足以充當(dāng)現(xiàn)代冶金工業(yè)的中堅(jiān)技術(shù)人才，即當(dāng)前對(duì)冶金類高端人才的培養(yǎng)應(yīng)注重多學(xué)科交叉人才的培養(yǎng)。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，當(dāng)前的高端人才培養(yǎng)模式已經(jīng)與實(shí)際需求存在不少差距，因此亟須對(duì)這一領(lǐng)域的人才培養(yǎng)方式進(jìn)行創(chuàng)新與改革。這一工作既契合國(guó)家與有色金屬行業(yè)發(fā)展的重大需求，對(duì)冶金類高端信息化人才的培養(yǎng)具有重要的意義，同時(shí)，通過(guò)“以教促研”“以研哺教”等方法能提升我校在冶金工程領(lǐng)域信息化方向上的科研水平[9]。

面向智能制造的冶金信息交叉領(lǐng)域創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式以已經(jīng)具備一定專業(yè)素養(yǎng)的冶金-信息類研究生為主要對(duì)象(亦可適用于高年級(jí)本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)域)，以國(guó)家級(jí)重大課題為支撐，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及冶金基礎(chǔ)技術(shù)為手段，在研究生學(xué)位論文的選題、科學(xué)研究素養(yǎng)的培養(yǎng)上創(chuàng)新，以具體問(wèn)題具體對(duì)象為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生解決冶金過(guò)程智能制造的相關(guān)問(wèn)題，逐步樹立智能制造與互聯(lián)網(wǎng)+冶金的創(chuàng)新思維模式。

二、冶金信息類交叉領(lǐng)域人才培養(yǎng)體系建設(shè)初探

(一) 建設(shè)規(guī)劃

1.培養(yǎng)模式與目標(biāo)定位

由于智能制造為近幾年新出現(xiàn)的一個(gè)新概念，并已逐步在有色金屬工業(yè)領(lǐng)域全面滲透，但現(xiàn)有人才培養(yǎng)模式基本局限于單一學(xué)科的培養(yǎng)，僅僅從冶金或信息學(xué)科的角度來(lái)培養(yǎng)，很顯然無(wú)法匹配國(guó)家整體政策布局及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的布局，導(dǎo)致企業(yè)招不到高素質(zhì)交叉學(xué)科人才。因此，在進(jìn)行冶金-信息交叉領(lǐng)域人才培養(yǎng)時(shí)，應(yīng)全面了解目前冶金工業(yè)智能制造對(duì)高端交叉領(lǐng)域研究生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的需求，掌握冶金與信息專業(yè)教學(xué)中的改革方向及其研究成果，將培養(yǎng)模式和培養(yǎng)目標(biāo)定位在具備獨(dú)立科研能力的新型交叉學(xué)科人才，既擁有冶金的專業(yè)背景，又能夠應(yīng)用新一代信息技術(shù)解決傳統(tǒng)冶金工業(yè)中出現(xiàn)的問(wèn)題。

2.冶金-信息類交叉人才創(chuàng)新培養(yǎng)體系建設(shè)規(guī)劃

鑒于冶金-信息交叉學(xué)科人才培養(yǎng)體系不規(guī)范，且未能緊跟智能制造高速發(fā)展的步伐，故在具體交叉學(xué)科研究生的培養(yǎng)過(guò)程中，首先以當(dāng)前冶金行業(yè)智能制造的前沿方向作為研究生的選題方向；進(jìn)而在已有的交叉領(lǐng)域創(chuàng)新科研基地讓研究生融入具體冶金流程中，掌握冶金類專業(yè)基礎(chǔ)及與選題相關(guān)的背景知識(shí)；同時(shí)通過(guò)新一代信息類專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)踐使用，確定冶金類實(shí)際問(wèn)題用新信息技術(shù)的創(chuàng)新解決方案；最后在已建設(shè)的交叉領(lǐng)域創(chuàng)新科研基地完成課題的研究。換而言之，可從理論體系學(xué)習(xí)、課題選題、冶金信息交叉專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)、基地與平臺(tái)建設(shè)等方面進(jìn)行改革與創(chuàng)新，建成冶金-信息交叉學(xué)科人才培養(yǎng)體系。

3.高水平的導(dǎo)師隊(duì)伍建設(shè)規(guī)劃

對(duì)交叉學(xué)科領(lǐng)域高水平導(dǎo)師的要求較高，需要其既洞悉冶金過(guò)程機(jī)理，又掌握新一代信息技術(shù)。而這一要求也造成了該領(lǐng)域合格的導(dǎo)師十分缺乏。因此，為了培養(yǎng)冶金-信息交叉領(lǐng)域人才，首先需要培養(yǎng)不僅掌握冶金專業(yè)理論知識(shí)，而且能熟練應(yīng)用新一代信息技術(shù)并指導(dǎo)工程實(shí)踐的專任教師。具體的培養(yǎng)方法可以通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)同指導(dǎo)的模式，即通過(guò)集體教研、以老帶新、崗位練兵等方式迅速提高青年教師的冶金工廠智能制造上的科研與教學(xué)業(yè)務(wù)水平，制定科學(xué)可行的中青年教師培養(yǎng)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，形成知識(shí)和學(xué)歷結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)和科研方向布局合理的實(shí)踐教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

4.冶金智能制造培養(yǎng)基地的軟、硬件建設(shè)規(guī)劃

對(duì)于冶金-信息交叉領(lǐng)域高水平人才的培養(yǎng)，還必須以實(shí)踐為基礎(chǔ)，故需要基于我校在冶金工程與控制工程學(xué)科上的優(yōu)勢(shì)，以相關(guān)國(guó)家級(jí)與省部級(jí)平臺(tái)(如難冶有色金屬資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、有色冶金自動(dòng)化教育部工程研究中心和鋁電解大數(shù)據(jù)中心等)為支撐，建設(shè)冶金智能制造高端研究生人才培養(yǎng)基地。一方面，需要立足于平臺(tái)硬件的建設(shè)，如建設(shè)冶金大數(shù)據(jù)中心、冶金-信息交叉實(shí)踐平臺(tái)等；另一方面，還必須重視軟件建設(shè)，包括撰寫冶金過(guò)程建模與控制相關(guān)教材與著作、建設(shè)冶金過(guò)程虛擬仿真軟件等。

(二) 建設(shè)內(nèi)容

通過(guò)上述建設(shè)，可獲得了一套冶金-信息交叉領(lǐng)域高端人才培養(yǎng)體系，如圖1所示，基于現(xiàn)行的冶金-信息學(xué)科研究生培養(yǎng)模式，著重培養(yǎng)學(xué)生在冶金與信息領(lǐng)域的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，培養(yǎng)具有中南大學(xué)特色的面向智能制造的高層次研究生。實(shí)施的總體原則是冶金與信息類高層次專業(yè)人才培養(yǎng)的多元化和交叉化，大力深入改進(jìn)研究生的理論與實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，使學(xué)生建立強(qiáng)烈的信息工程意識(shí)，具備應(yīng)用新一代信息技術(shù)解決冶金工程相關(guān)實(shí)際問(wèn)題的能力。

具體的實(shí)施步驟如下：

第一步：在基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)階段，初步確定培養(yǎng)模式與目標(biāo)。

在現(xiàn)有研究生培養(yǎng)方案上，適當(dāng)增加了交叉學(xué)科領(lǐng)域研究的培養(yǎng)內(nèi)容，以冶金類學(xué)生為例，增加了系列信息類相關(guān)的基礎(chǔ)必修課程、選修課課程的學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)擁有冶金背景的研究生掌握信息理論知識(shí)與實(shí)用工具。鑒于信息學(xué)科內(nèi)容龐大，我們確定了幾個(gè)主要的領(lǐng)域，如自動(dòng)化、大數(shù)據(jù)、軟件工程等，在具體實(shí)踐中，強(qiáng)化“互聯(lián)網(wǎng)+”思維、“大數(shù)據(jù)”理論與方法、智能制造理論與方法等方面的基礎(chǔ)知識(shí)及其在冶金中的應(yīng)用案例解析教學(xué)。

第二步：在選題階段，以實(shí)際項(xiàng)目為導(dǎo)向，選定交叉學(xué)科反向的課題。

在研究生選題或本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的選題階段，以省部級(jí)以上冶金類智能制造項(xiàng)目為支撐，從工程實(shí)踐與基礎(chǔ)應(yīng)用的角度確定具體課題研究?jī)?nèi)容，既可選擇這類項(xiàng)目研究的部分內(nèi)容，亦可為這類項(xiàng)目的適當(dāng)延伸與擴(kuò)展，可視具體情況而定。

圖1 冶金信息類交叉領(lǐng)域高端人才培養(yǎng)體系

實(shí)施案例：以我們團(tuán)隊(duì)所主持承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的鋁電解生產(chǎn)知識(shí)自動(dòng)化決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用驗(yàn)證》(項(xiàng)目編號(hào)：61533020)、《流程工業(yè)過(guò)程操作優(yōu)化決策的知識(shí)自動(dòng)化方法及應(yīng)用》(項(xiàng)目編號(hào)：61751312)為契機(jī)，結(jié)合我校冶金-信息類研究生具體情況，對(duì)冶金類的研究生，其選題定位于應(yīng)用信息技術(shù)解決冶金的基礎(chǔ)問(wèn)題，其研究?jī)?nèi)容仍為與冶金相關(guān)；而對(duì)于信息類的研究生，則結(jié)合鋁電解的特征，以某個(gè)具體的工藝上的知識(shí)自動(dòng)化作為選題。以中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院李劼教授團(tuán)隊(duì)及中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院桂衛(wèi)華教授團(tuán)隊(duì)的部分研究生為例，詳細(xì)的論文選題如表1所示。

表1 冶金-信息交叉領(lǐng)域研究生選題實(shí)踐

第三步：在研究生課題研究階段，由交叉學(xué)科領(lǐng)域教師為課題指導(dǎo)老師，在共建的領(lǐng)域平臺(tái)上完成課題的研究。

在研究生課題的具體研究過(guò)程中，首先需要有相關(guān)交叉領(lǐng)域教師指導(dǎo)，其次需要跨學(xué)科的平臺(tái)支撐，這樣才能夠最大限度地提升研究生的培養(yǎng)效果。在具體實(shí)踐過(guò)程中，結(jié)合我校在冶金與控制工程學(xué)科優(yōu)勢(shì)，立足于智能化、節(jié)能與資源高效利用，以難冶有色金屬資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、有色冶金自動(dòng)化教育部工程研究中心等平臺(tái)為核心，搭建和完善以鋁電解為代表的冶金信息交叉學(xué)科人才培養(yǎng)基地，擁有數(shù)十位冶金-信息交叉領(lǐng)域的高級(jí)職稱教師。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)主要包括：中國(guó)工程院院士1人(桂衛(wèi)華教授)、教育部長(zhǎng)江學(xué)者1人(李劼教授)、國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金獲得者2人(陽(yáng)春華教授、謝永芳教授)、其他高級(jí)職稱人員超過(guò)20人，均為長(zhǎng)期從事有色金屬冶煉及其自動(dòng)化控制相關(guān)領(lǐng)域研究的專家，擁有豐富的理論和實(shí)踐積累。

在平臺(tái)硬件搭建上，配置包括“冶金工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)、控制與優(yōu)化”研究平臺(tái)、智能信息處理和數(shù)據(jù)挖掘平臺(tái)、3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺(tái)、流程仿真IBM高性能并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)及其開發(fā)平臺(tái)、自主研發(fā)的鋁電解槽多相多場(chǎng)耦合仿真和智能控制實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)、基于多現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。特別是本團(tuán)隊(duì)于 2016年搭建了國(guó)內(nèi)首家鋁電解工業(yè)大數(shù)據(jù)中心，通過(guò) VPN方式連接鋁電解企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)獲取工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并配置數(shù)據(jù)服務(wù)器和HADOOP集群實(shí)時(shí)處理鋁電解生產(chǎn)數(shù)據(jù)，形成鋁電解過(guò)程工況實(shí)時(shí)分析與監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

此外，還優(yōu)化平臺(tái)的軟實(shí)力建設(shè)，開發(fā)了《鋁電解虛擬仿真教學(xué)軟件》，可為冶金-信息交叉領(lǐng)域的學(xué)生提供基礎(chǔ)理論的支撐，同時(shí)，還在相關(guān)課程設(shè)置上進(jìn)行了大量探索，如優(yōu)化研究生課程“冶金過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬與程序設(shè)計(jì)”等，通過(guò)面向全校開發(fā)的模式，為學(xué)生灌輸交叉學(xué)科的思想。

在上述教學(xué)團(tuán)隊(duì)與平臺(tái)支撐下，可實(shí)現(xiàn)在研究生選題、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)、課題完成等環(huán)節(jié)的精細(xì)化培養(yǎng)。

第四步：在總結(jié)和答辯階段，由交叉領(lǐng)域的教師把關(guān)，對(duì)學(xué)生的成果及相關(guān)寫作能力予以指導(dǎo)。

此環(huán)節(jié)主要為總結(jié)和歸納研究生在研究生期間的研究成果，學(xué)生一方面完成課題的總結(jié)報(bào)告，另一方面完成碩士學(xué)位論文和學(xué)術(shù)論文的撰寫。同時(shí)，在交叉領(lǐng)域的教師指導(dǎo)下，規(guī)范論文或報(bào)告的文字表述、圖表處理等，培養(yǎng)學(xué)生的文字表述能力。

(三) 達(dá)到效果

經(jīng)歷以上四步的培養(yǎng)，可以讓一個(gè)純冶金專業(yè)或信息專業(yè)的研究生，初步具備獨(dú)立從事冶金-信息交叉領(lǐng)域科學(xué)研究的能力，實(shí)現(xiàn)高端人才培養(yǎng)目標(biāo)。本團(tuán)隊(duì)組經(jīng)過(guò)這一改革過(guò)程， 已成功培養(yǎng)冶金信息交叉領(lǐng)域高端人才多人，獲得用人單位的一致好評(píng)。其中，已畢業(yè)的有色金屬冶金專業(yè)的碩士生湯卓，在校期間，通過(guò)我們這一創(chuàng)新體系的培養(yǎng)，同時(shí)兼具了有色金屬冶煉的專業(yè)背景及信息化相關(guān)的知識(shí)，他畢業(yè)后簽約華為技術(shù)有限公司，精準(zhǔn)定位于該公司在非洲相關(guān)冶煉項(xiàng)目的研發(fā)與服務(wù)上，只需在特定的專業(yè)信息技術(shù)上簡(jiǎn)單培訓(xùn)便直接上崗，為企業(yè)節(jié)約大量的培訓(xùn)時(shí)間，學(xué)生本人對(duì)我們的培養(yǎng)模式十分認(rèn)可，真正實(shí)現(xiàn)了學(xué)校與企業(yè)的直線對(duì)接。

三、結(jié)論

面向智能制造是當(dāng)前有色金屬發(fā)展的大趨勢(shì)，而冶金與信息類交叉領(lǐng)域高端人才是有色金屬智能制造變革的基本支撐。針對(duì)冶金-信息類交叉領(lǐng)域人才的缺乏，論文探索了人才的培養(yǎng)體系及相關(guān)實(shí)踐，主要結(jié)論如下：

(1) 對(duì)冶金-信息交叉領(lǐng)域人才培養(yǎng)模式與定位、培養(yǎng)體系、師資與平臺(tái)建設(shè)進(jìn)行設(shè)計(jì)與規(guī)劃，基本確定了一套人才培養(yǎng)的原型系統(tǒng)。

(2) 在研究生理論體系學(xué)習(xí)、課題選題、課題研究與答辯等階段，針對(duì)基礎(chǔ)課程設(shè)置、選題范圍及課題研究模式等方面進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，探索形成一套系統(tǒng)的冶金-信息交叉學(xué)科人才培養(yǎng)體系，為學(xué)生畢業(yè)后獨(dú)立從事冶金信息類交叉領(lǐng)域?qū)I(yè)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。