廖永紅 楊銘 宋瑞

摘? 要 簡述IT+CT與OT的融合發(fā)展及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合創(chuàng)新，從OT、IT技術(shù)邊界演變，分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新型人才的技能要求，提出利用院校已有智慧化設施、OT實訓裝置、IT云平臺資源等，學院間跨專業(yè)協(xié)同，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實訓體系。按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，以“無線鼠標智能制造縮簡版組裝生產(chǎn)線”為例，設計工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓裝備，并給出教學設計示例。

關(guān)鍵詞 IT;CT;OT;工業(yè)4.0;智能制造;實訓裝備;實訓室;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）06-0123-04

1 OT、IT技術(shù)融合發(fā)展及人才需求

智能制造、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)? 工業(yè)4.0、智能制造，其精髓是精益生產(chǎn)和信息互聯(lián)，具有生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡化、機器自組織等特征。工業(yè)4.0體系將信息技術(shù)（IT）及通信技術(shù)（CT）的數(shù)字世界、運行技術(shù)（OT）的物理世界連接起來，實現(xiàn)IT+CT（ICT）與OT的融合發(fā)展。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)ICT與OT的融合，通過人、機、物的全面互聯(lián)，全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，對各類數(shù)據(jù)進行采集、傳輸、分析并形成智能反饋，推動形成全新的生產(chǎn)制造和服務體系，優(yōu)化資源要素配置效率，充分發(fā)揮制造裝備、工藝和材料的潛能，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，創(chuàng)造差異化的產(chǎn)品并提供增值服務[1]。智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵要素如圖1所示。

傳統(tǒng)IT、OT專業(yè)人才的技術(shù)邊界? 傳統(tǒng)意義上，IT、OT有邊界，崗位是分離的，分屬于兩個不同的專業(yè)大類：IT屬于電子信息技術(shù)專業(yè)大類，核心是計算機相關(guān)的專業(yè)，面向數(shù)字世界，代表信息與計算機技術(shù)的發(fā)展，包括軟件、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等;OT屬于機電技術(shù)專業(yè)大類，核心是機電一體化等相關(guān)專業(yè)，代表運行與自動化技術(shù)的發(fā)展，包括PLC機器人、自動化協(xié)議、以太網(wǎng)、傳感器、電動氣動液壓等。

為適應生產(chǎn)制造業(yè)、信息技術(shù)業(yè)的明顯分工，傳統(tǒng)上，IT、OT人才的定位也是割裂的，IT與OT人才定位有交集，但沒有明顯的跨界融合。在工業(yè)領(lǐng)域，IT崗位主要面向上層業(yè)務，如企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)（ERP）、供應鏈管理系統(tǒng)（SCM）、客戶關(guān)系管理系統(tǒng)（CRM）、產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）、辦公室自動化系統(tǒng)（OA）等，特別是基于互聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)技術(shù)等崗位;OT崗位主要面向自動化、機電設計、生產(chǎn)線裝備安裝調(diào)試、生產(chǎn)線故障檢測等。

由于產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級、新興技術(shù)的應用，IT、OT技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已出現(xiàn)明顯的融合：IT人員需要了解OT的需求、接口、設備技術(shù)、設備運行、生產(chǎn)過程等，OT人員需要了解編程技術(shù)、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)處理等?，F(xiàn)實中，制造行業(yè)的企業(yè)內(nèi)部為實現(xiàn)更高級的自動化、智能化，有大量OT人員向IT領(lǐng)域滲透，學習信息技術(shù)，開發(fā)實用的、混合技術(shù)的控制系統(tǒng)、業(yè)務應用系統(tǒng)等。

IT、OT的融合發(fā)展與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)? 進入工業(yè)4.0時代，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了工藝參數(shù)上云等典型的技術(shù)變革需求，由OT領(lǐng)域的傳感器獲取數(shù)據(jù)，上傳IT領(lǐng)域的云端中心執(zhí)行大數(shù)據(jù)分析，繁衍出各種創(chuàng)新應用。IT、OT融合發(fā)展，不僅是技術(shù)邊界的模糊、相互滲透，更是技術(shù)體系的交叉、一體化融合，進一步演化為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，如圖2所示。

面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系建設，2019年工信部國家標準化管理委員會印發(fā)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合標準化體系建設指南》，中國信息通信研究院、中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院發(fā)布一系列關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)的技術(shù)框架、實施規(guī)范白皮書，有力推動了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。根據(jù)白皮書規(guī)范的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，阿里云、華為云、航天云、樹根互聯(lián)，這些云服務運營商提供符合標準規(guī)范的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)公共平臺服務、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)服務，其技術(shù)服務包含信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）、邊緣計算（EC，Edge Computing）技術(shù)、工業(yè)數(shù)據(jù)上云、數(shù)字孿生（DT，Digital Twin）虛擬工廠、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等。技術(shù)服務成熟穩(wěn)定，在政府的政策扶持及大力推動下，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+”的產(chǎn)業(yè)升級、智能化改造已形成以點帶面的發(fā)展趨勢。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新型人才? 隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用發(fā)展，IT、OT人才不再獨善其身，固守邊界。一方面，業(yè)務已融合，IT必須了解生產(chǎn)過程、系統(tǒng)目標、工藝數(shù)據(jù)、信息物理系統(tǒng)等，掌握一定的OT技術(shù);OT人員也要知道大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等IT領(lǐng)域技術(shù)，基于新興技術(shù)進行思維創(chuàng)新。另一方面，IT、OT融合成新的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，OT、IT的技術(shù)內(nèi)涵也發(fā)生變化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合創(chuàng)新、新技術(shù)應用特點，決定了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)技能人才必須突破原有的IT、OT專業(yè)大類邊界，掌握融合創(chuàng)新技術(shù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)的課程教材設計包括信息物理系統(tǒng)、工業(yè)云平臺與安全、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)、工業(yè)組態(tài)及VR/AR技術(shù)、智能制造執(zhí)行系統(tǒng)、云制造技術(shù)、工業(yè)應用APP等。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實訓裝備

多專業(yè)的實訓室協(xié)同建設路徑? 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具有鮮明的跨界融合特點，培養(yǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新型人才，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系相關(guān)的實訓教學裝備也要跨界融合，兼有OT及IT的功能設施。OT功能設施是基礎(chǔ)、重資產(chǎn)，可以選擇采用多專業(yè)的實訓室協(xié)同建設路徑，即智能化改造已有的各類生產(chǎn)、實驗設備，融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系。以廣東輕工職業(yè)技術(shù)學院為例，為了建設工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)群，成立由信息技術(shù)學院與機電技術(shù)學院組成的“智能制造—工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心”，主要任務之一是智能化改造機電技術(shù)學院的生產(chǎn)性實訓設施，安裝傳感器，設置邊緣網(wǎng)關(guān)，采集設備數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上云，將信息技術(shù)學院的云計算、系統(tǒng)資源與機電技術(shù)學院的生產(chǎn)裝備設施進行技術(shù)融合、創(chuàng)新應用，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的實訓教學功能。另外，將學校的智慧課室、智能門禁、人臉識別閘機、智慧后勤各類傳感器看成OT層的基礎(chǔ)生產(chǎn)設施，按工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系進行邊緣計算改造，數(shù)據(jù)規(guī)范化并上云，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的實訓教學功能。

生產(chǎn)線示范性工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓裝備? 選擇典型的企業(yè)生產(chǎn)案例，以智能化企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)線為原型場景，設計簡化版的生產(chǎn)線實訓裝備，設計設備傳感層、信息物理層，選擇阿里云、華為云、航天云或其他公司的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，數(shù)據(jù)上云，聚焦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，設計實踐教學內(nèi)容，教學內(nèi)容覆蓋自動化設備層、數(shù)據(jù)采集層、生產(chǎn)信息處理層、工業(yè)云平臺層、應用層等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)五層架構(gòu)技術(shù)，涉及工業(yè)感知技術(shù)、智能控制技術(shù)、互聯(lián)通信網(wǎng)技術(shù)、視覺檢測技術(shù)、機器人應用技術(shù)、運動控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、邊緣計算、軟件開發(fā)技術(shù)、大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)、云組態(tài)與創(chuàng)新開發(fā)技術(shù)等。

這里以一個“無線鼠標智能制造縮簡版組裝生產(chǎn)線”為案例設備，它集成了產(chǎn)品的部件傳送、組裝、檢測、包裝、倉儲等典型生產(chǎn)工序，同時具備智能化排產(chǎn)管理、倉庫物料管理等智能制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的生產(chǎn)調(diào)度模塊，實現(xiàn)客戶下單、虛擬仿真設計、產(chǎn)品生產(chǎn)、質(zhì)量監(jiān)控、產(chǎn)品配送等各環(huán)節(jié)信息化與智能化。

在實訓指導書的幫助下，學生從組裝模塊化的示范性生產(chǎn)線開始，首先了解生產(chǎn)線工作原理，了解OT及IT需求，重點關(guān)注工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與邊緣計算技術(shù)，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺接入生產(chǎn)線，采集生產(chǎn)線設備組態(tài)數(shù)據(jù)，工業(yè)數(shù)據(jù)上云，數(shù)據(jù)建模與分析，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，由智能制造執(zhí)行系統(tǒng)控制生產(chǎn)線運行，實施產(chǎn)品工藝，實現(xiàn)生產(chǎn)智能化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)線示范與實訓平臺應由多個典型應用案例設備支撐系列應用實訓。

3 實訓教學內(nèi)容設計示例

場景設計1：工業(yè)數(shù)據(jù)建模與數(shù)據(jù)上云? 以惠普無線鼠標智能制組裝生產(chǎn)線為例，閱讀產(chǎn)品生產(chǎn)線裝備的生產(chǎn)功能說明書及系統(tǒng)設計說明書，了解生產(chǎn)流程、機件運作、組件狀態(tài)等，了解PLC、倉儲及生產(chǎn)環(huán)節(jié)各傳感器、條碼讀取器、運動系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、產(chǎn)品（鼠標）性能檢測組件、能耗檢測組件的接入及傳輸方法，按任務的特定要求（出題時具體選擇給出），在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上創(chuàng)建項目，設計生產(chǎn)線數(shù)據(jù)組態(tài)格式，并實施工業(yè)數(shù)據(jù)模型，根據(jù)生產(chǎn)線各器件配置它們的數(shù)據(jù)采集參數(shù)、數(shù)據(jù)清洗規(guī)則、數(shù)據(jù)生命周期管理，并調(diào)通數(shù)據(jù)采集上云，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺按要求分析、處理，設置數(shù)據(jù)策略，按要求提取數(shù)據(jù)分發(fā)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，按要求進行數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)雙胞胎同步配置，如圖3所示。

任務1：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺與設備通信設置。進行用戶端SaaS軟件配置、工業(yè)APP配置;創(chuàng)建項目，設置工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺用戶;閱讀設備的設計說明書，設置云平臺通信參數(shù)，測試通信情況。

任務2：工業(yè)數(shù)據(jù)建模。按給定數(shù)據(jù)格式要求實施工業(yè)數(shù)據(jù)模型，包括信息模型、數(shù)據(jù)組態(tài)、數(shù)字孿生模型。

任務3：數(shù)據(jù)采集與清洗、數(shù)據(jù)規(guī)則。在用戶端SaaS軟件進行配置，從各PLC、倉儲及生產(chǎn)環(huán)節(jié)各傳感器、條碼讀取器、運動系統(tǒng)、能耗檢測組件采集數(shù)據(jù)，拖入或創(chuàng)建系統(tǒng)提供的各類標準數(shù)據(jù)交互組件，按數(shù)據(jù)組態(tài)的要求配置數(shù)據(jù)預處理規(guī)劃，如閾值、合并、時隙、語義解釋轉(zhuǎn)譯、函數(shù)處理等，匹配信息模型的要求，并開始采集數(shù)據(jù)上云。

任務4：數(shù)據(jù)策略執(zhí)行與分發(fā)。在云平臺上按類型要求進行數(shù)據(jù)生命周期管理，按要求提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)、組態(tài)解釋，設置數(shù)據(jù)策略，AI/BI大數(shù)據(jù)存儲，配置分發(fā)信息到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)。

任務5：數(shù)據(jù)可視化與數(shù)據(jù)孿生。按要求進行數(shù)據(jù)可視化，展示報表，對接系統(tǒng)已準備好、提供給選手調(diào)用的設備3D虛擬模型，完成數(shù)據(jù)雙胞胎同步配置，同步模型組態(tài)與設備組態(tài)。

任務6：生產(chǎn)線故障自動診斷。人為在生產(chǎn)線上統(tǒng)一設置故障，數(shù)據(jù)可視化或設備3D虛擬模型，能跟蹤故障，提示診斷結(jié)果。程序自動查詢系統(tǒng)提供的設備制造商零件庫發(fā)出遠程運維服務申請，指明損壞器件的型號、廠家、價格、供貨期。

任務7：工業(yè)大數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)提前準備好統(tǒng)一的工業(yè)大數(shù)據(jù)（惠普無線鼠標生產(chǎn)數(shù)據(jù)，特別是性能測試數(shù)據(jù)），按要求進行AI/BI大數(shù)據(jù)計算及分析，報表格式提交分析結(jié)果。

場景設計2：開放設計、邊緣計算開發(fā)? 生產(chǎn)線所組裝產(chǎn)品（鼠標）無線通信性能檢測、計算機視覺檢測，數(shù)據(jù)量大、有實時要求、邏輯較復雜，不宜云端實現(xiàn)，應該采用邊緣計算技術(shù)。邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求，如圖4所示。本場景任務要求：在開放邊緣計算架構(gòu)上，編程實現(xiàn)產(chǎn)品（鼠標）通信性能檢測或某一品牌的PLC接入邊緣組件。

任務1：工業(yè)邊緣計算服務開發(fā)、配置、調(diào)試。編寫并調(diào)試目標對象（產(chǎn)品通信USE接口或非主流PLC），在邊緣計算架構(gòu)約束下，調(diào)用平臺提供的模型化開放接口，編寫邏輯控制程序;編寫管控一體化系統(tǒng)界面程序與調(diào)試、測試，在云端布置管控一體化邊緣計算程序，上云配置、運行。完成工業(yè)邊緣計算網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)絡通信配置、綜合調(diào)試。

任務2：文檔能力的相關(guān)考核。根據(jù)項目需求和實施成果，編寫系統(tǒng)的設計、編程規(guī)范和項目文檔，重點在工業(yè)邊緣計算服務開發(fā)、配置、調(diào)試，編寫實訓報告，闡述工業(yè)邊緣計算服務的功能和結(jié)構(gòu)、設計要點、實施過程、測試計劃等。

4 結(jié)束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用是新一代信息技術(shù)、先進制造技術(shù)的融合發(fā)展，是物聯(lián)網(wǎng)及5G、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)推動的新熱點技術(shù)領(lǐng)域，也是高等職業(yè)教育的前沿領(lǐng)域，應加緊探索，將其融入教育教學，培養(yǎng)學生掌握前沿科技，提高綜合素養(yǎng)。本文按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)，以“無線鼠標智能制造縮簡版組裝生產(chǎn)線”為例，設計工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實訓裝備，并給出教學設計示例，希望對相關(guān)教學探索有所幫助。

參考文獻

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*項目來源：廣東省教育科學創(chuàng)新類項目“電路單元噴印制造及工藝設計軟件”（項目編號：2018GKTSCX108）。

作者：廖永紅，廣東輕工職業(yè)技術(shù)學院，教授，研究方向為計算機應用技術(shù)、智能制造;楊銘，廣東輕工職業(yè)技術(shù)學院，高級工程師，研究方向為輕化工程技術(shù)（510300）;宋瑞，佛山市智慧電子科技有限公司，工程師，研究方向為電子信息工程、智能制造（528251）。