嚴(yán)京濱， 成 曄

（清華大學(xué)工業(yè)工程系，北京 100084）

0 引 言

隨著我國(guó)“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)＋”“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”等重大戰(zhàn)略的提出與實(shí)施，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，在這個(gè)過程中需要大量具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力、高素質(zhì)的復(fù)合型人才?；趪?guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，以及培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的需求，有必要建設(shè)與人才培養(yǎng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 原有教學(xué)平臺(tái)基礎(chǔ)

工業(yè)工程是研究復(fù)雜系統(tǒng)有效運(yùn)作的科學(xué)，將工程技術(shù)與管理科學(xué)相結(jié)合，從系統(tǒng)的角度對(duì)制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等企業(yè)或組織中的實(shí)際工程與管理問題進(jìn)行定量分析、優(yōu)化與設(shè)計(jì)，是一門以系統(tǒng)效率和效益為目標(biāo)的、獨(dú)立的工程學(xué)科。實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)需要符合專業(yè)實(shí)踐特色以及人才培養(yǎng)目標(biāo)的需求。

我校工業(yè)工程系物流系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建立于2004年，以培養(yǎng)肩負(fù)使命、追求卓越、既懂工程技術(shù)又掌握管理科學(xué)知識(shí)的高素質(zhì)人才為目標(biāo)，創(chuàng)建了一系列具有開放性、創(chuàng)新性的教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)。圖1所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是2012年所研制開發(fā)的，應(yīng)用于生產(chǎn)運(yùn)作管理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已多年，雖然已被其他近20所高校采用，但是只著重于裝配生產(chǎn)運(yùn)作與管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)用場(chǎng)景單一；人工部署費(fèi)力、費(fèi)時(shí)；自動(dòng)化程度低。所采用的技術(shù)已經(jīng)缺乏當(dāng)今科技的前沿性，已不具備先進(jìn)性。為了適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)和先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，滿足新技術(shù)應(yīng)用下行業(yè)及企業(yè)高素質(zhì)人才的需求，引領(lǐng)工業(yè)工程實(shí)踐教學(xué)的智能、高端變革，完全有必要加快新一代智能制造技術(shù)的研究及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的升級(jí)改造。

圖1 2012年研制的裝配生產(chǎn)運(yùn)作與管理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 生產(chǎn)與物流實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

智能制造涉及與生產(chǎn)、物流環(huán)節(jié)相關(guān)的上下游全流程，涉及內(nèi)容廣。多種技術(shù)的應(yīng)用，多個(gè)環(huán)節(jié)的集成創(chuàng)新，以提高制造的智能化、數(shù)字化。國(guó)內(nèi)外高校都圍繞自身基礎(chǔ)進(jìn)行了智能工廠、智能制造教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐。例如我校工業(yè)工程系與麥肯錫公司合作建立的占地200 m2的模范工廠實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)有離散生產(chǎn)線、機(jī)加工生產(chǎn)線和連續(xù)流生產(chǎn)線，分別體現(xiàn)出模擬裝配類、重投資類及流程類行業(yè)各自生產(chǎn)工藝特色，還可演示諸如生產(chǎn)排產(chǎn)、物流管理等延伸類型運(yùn)營(yíng)主題。同濟(jì)大學(xué)工業(yè)4.0實(shí)驗(yàn)室［1］，設(shè)計(jì)了自動(dòng)流水線，每個(gè)工件配電子標(biāo)簽，內(nèi)置定制的加工任務(wù)，可自行與機(jī)器人、機(jī)床等加工設(shè)備進(jìn)行通信，完成加工，并進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模定制。杭州電子科技大學(xué)智能工廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［2］與西門子公司合作，開發(fā)了基于工業(yè)4.0的軸承智能裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)混裝。山東財(cái)經(jīng)大學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)與智能物流實(shí)驗(yàn)室模擬第三方物流公司配送中心的包裝、裝卸、倉(cāng)儲(chǔ)、配送等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全過程智能控制［3］。德國(guó)的達(dá)姆施塔特應(yīng)用科學(xué)大學(xué)建立了全自動(dòng)的工業(yè)4.0學(xué)習(xí)工廠，稱為AutFab，該生產(chǎn)線采用射頻識(shí)別RFID技術(shù)［4］。奧地利格拉茨理工大學(xué)智能制造工廠實(shí)驗(yàn)室采用自動(dòng)導(dǎo)引車和機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)齒輪裝配［5］。

以數(shù)字化和智能化為主導(dǎo)的制造業(yè)和物流行業(yè)的的生產(chǎn)、運(yùn)作與管理模式必將發(fā)生變化，但是目前高校的實(shí)訓(xùn)基地多采用工業(yè)設(shè)備，體積龐大，占地面積廣，系統(tǒng)復(fù)雜，流程固化，更多開展的是演示型或驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)踐參與度不高。不利于滿足當(dāng)前行業(yè)對(duì)高端綜合性、高素質(zhì)人才的培養(yǎng)需求。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求和科研應(yīng)用的需求以及人才培養(yǎng)的目標(biāo)，基于實(shí)驗(yàn)室原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)與經(jīng)驗(yàn)［6-7］，采用工業(yè)級(jí)應(yīng)用的自動(dòng)輸送機(jī)器人為教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用基礎(chǔ)載體，采用（物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)、智能、自動(dòng)識(shí)別等）先進(jìn)技術(shù)，引入工程技術(shù)、信息技術(shù)、運(yùn)營(yíng)技術(shù)和工業(yè)工程方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的互聯(lián)互通，可產(chǎn)可控，可測(cè)可控，達(dá)到“隨需而至，隨需而制”的目標(biāo)。以自動(dòng)輸送機(jī)器人為平臺(tái)基礎(chǔ)構(gòu)建單元，全程高度自動(dòng)化，部署敏捷，也可實(shí)現(xiàn)智能驅(qū)動(dòng)，可形成動(dòng)態(tài)的裝配生產(chǎn)流水線和動(dòng)態(tài)的物料揀選線，涉及應(yīng)用場(chǎng)景比之前更豐富，布局多樣，自動(dòng)化程度高。裝配車間與物料庫(kù)之間可通過自動(dòng)輸送機(jī)器人完成聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)物料輸出及成品入庫(kù)自動(dòng)化（見圖2）。 此實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與建設(shè)采用“積木搭建”思想，提供多種類別的“技術(shù)及應(yīng)用積木”，針對(duì)不同課程的需求，不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可迅速敏捷地構(gòu)成多類別、異構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)，使探索運(yùn)作模式和管理模式的創(chuàng)新成為可能。它的特點(diǎn)在于：

圖2 基于自動(dòng)輸送機(jī)器人的智能生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

（1）平臺(tái)開發(fā)的主導(dǎo)思想突出先進(jìn)性、系統(tǒng)性、工程性、綜合性及實(shí)踐性等特點(diǎn)，提高學(xué)生的工程技術(shù)應(yīng)用能力和工程實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)校人才培養(yǎng)與企業(yè)人才需求的適應(yīng)性。在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)及智能制造技術(shù)已成為企業(yè)提升核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。所構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備信息化和工業(yè)化融合的特點(diǎn)，科技含量高，應(yīng)用眾多先進(jìn)技術(shù)，將工業(yè)工程學(xué)科與企業(yè)應(yīng)用兩方面在該系統(tǒng)中進(jìn)行有機(jī)融合，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，學(xué)生通過貼近企業(yè)實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景，掌握當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)及管理方法，而且能夠了解并掌握該領(lǐng)域的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)。

（2）突顯應(yīng)用型的特色，將企業(yè)實(shí)際應(yīng)用、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授融為一體?；谄脚_(tái)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研互動(dòng)。基于先進(jìn)的設(shè)備，構(gòu)建智能生產(chǎn)環(huán)境，貼近企業(yè)應(yīng)用。使學(xué)校的人才培養(yǎng)與用人企業(yè)形成良性互動(dòng)?；谠撈脚_(tái)探究的新方法或新模式可以向企業(yè)推廣。

（3）所構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備自主性、實(shí)戰(zhàn)性、挑戰(zhàn)性、開放性、創(chuàng)新性等特點(diǎn)，將生產(chǎn)環(huán)節(jié)與物聯(lián)、互聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)“包容、開放、共享”的平臺(tái)。平臺(tái)架構(gòu)是開放的、模塊化的、易構(gòu)的，能夠最大限度地整合實(shí)驗(yàn)室軟硬件資源，讓平臺(tái)充滿活力。

（4）學(xué)生利用不同效能的“工廠積木”，可自主構(gòu)建“智慧夢(mèng)工廠”，并對(duì)其運(yùn)行與管理。平臺(tái)能夠最大限度發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，探索新技術(shù)下的生產(chǎn)組織、物流運(yùn)行、管理模式以及信息技術(shù)的應(yīng)用。依托此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以探索并實(shí)踐“教、學(xué)、做、用、研、創(chuàng)”六位一體創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)踐

基于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，針對(duì)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)發(fā)展，2017年教育部正式推出新工科計(jì)劃，新工科的內(nèi)涵是：以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才［8］?；贏BET（Accreditation Board for Engineering and Technology，工程技術(shù)評(píng)審委員會(huì)）結(jié)構(gòu)認(rèn)證視角［9］，在新工科的背景下，結(jié)合我校以價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)、知識(shí)傳授“三位一體”為核心的教育理念［10］以及工業(yè)工程為交叉學(xué)科的特點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)與建設(shè)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)目標(biāo)為以新生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為主體，理實(shí)貫通，多元集成，以人為本，推進(jìn)學(xué)科融合、科教協(xié)同，培養(yǎng)面向未來(lái)的工業(yè)工程創(chuàng)新人才，符合行業(yè)及社會(huì)需求的高素質(zhì)人才。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，以問題為導(dǎo)向，體驗(yàn)沉浸式學(xué)習(xí)方式，采用企業(yè)實(shí)際應(yīng)用案例場(chǎng)景，真實(shí)地展示和反映工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)應(yīng)用和運(yùn)作管理流程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)將以學(xué)生為主體，結(jié)合裝配、揀選配送等應(yīng)用場(chǎng)景，通過自主設(shè)計(jì)、自主構(gòu)建、自主組織、自主運(yùn)營(yíng)、自主優(yōu)化、自主維護(hù)等實(shí)踐形式，體驗(yàn)有關(guān)“設(shè)計(jì)、規(guī)劃、生產(chǎn)／構(gòu)建、運(yùn)營(yíng)／實(shí)施”等環(huán)節(jié)流程，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)作模式或管理流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，做到理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的貫通。

多元集成的智能生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由設(shè)備層、運(yùn)行層、管理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層構(gòu)成，融入了工程技術(shù)、信息技術(shù)、運(yùn)營(yíng)技術(shù)、智能技術(shù)、仿真技術(shù)、數(shù)字工程技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，結(jié)合工業(yè)工程方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)類型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)型、綜合型、挑戰(zhàn)型和研究型（見圖3）。

圖3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成與實(shí)驗(yàn)教學(xué)

工業(yè)工程是實(shí)踐性極強(qiáng)的學(xué)科，許多理論、技術(shù)和方法都來(lái)源于實(shí)踐，必然要求實(shí)踐教學(xué)要貼近生產(chǎn)實(shí)際、工程教育要貼近工程實(shí)踐、實(shí)踐教學(xué)要符合企業(yè)人才培養(yǎng)需求［11-13］?；谥悄苌a(chǎn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)以學(xué)生為主體，著重產(chǎn)品／系統(tǒng)全生命周期，圍繞分析、設(shè)計(jì)、構(gòu)建、驗(yàn)證四大實(shí)驗(yàn)要素，結(jié)合工程技術(shù)、信息技術(shù)、運(yùn)營(yíng)技術(shù)和工業(yè)工程方法等實(shí)驗(yàn)技術(shù)及方法應(yīng)用，提升學(xué)生“學(xué)、做、用、研、創(chuàng)”等多維度能力，從能力、方法、意識(shí)、創(chuàng)新、素養(yǎng)、協(xié)作等6個(gè)方面著重對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)（見圖4）。通過實(shí)景沉浸式教學(xué)發(fā)揮學(xué)生獨(dú)立思考解決問題的能力，強(qiáng)調(diào)自主學(xué)習(xí)，統(tǒng)籌資源，團(tuán)隊(duì)協(xié)作，對(duì)新技術(shù)和新方法的應(yīng)用與探究持有好奇心、想象力和創(chuàng)新，貼近工業(yè)實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、運(yùn)作與管理的績(jī)效評(píng)估也增強(qiáng)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感與使命感。

圖4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與IE人才培養(yǎng)

此實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與教學(xué)應(yīng)用相交并進(jìn)，通過專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)踐、學(xué)生自主研究等方式，不斷對(duì)此實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行建設(shè)與完善，并豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)內(nèi)容。在2019（70人，7組）、2020年（74人，7組）基于此平臺(tái)進(jìn)行了課程“生產(chǎn)計(jì)劃與控制”的生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)運(yùn)作專題教學(xué)實(shí)驗(yàn)（見圖5）。通過課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生能夠理解市場(chǎng)的多樣性需求，學(xué)習(xí)并運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，構(gòu)建敏捷應(yīng)變的生產(chǎn)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。在此實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，突破了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)流水線傳送帶的概念，運(yùn)用自動(dòng)輸送機(jī)器人承載裝配工作臺(tái)，構(gòu)建自由移動(dòng)式的裝配生產(chǎn)系統(tǒng)，能根據(jù)產(chǎn)品與市場(chǎng)訂單變化的情況，自動(dòng)重構(gòu)生產(chǎn)線。通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，一方面能夠把課堂知識(shí)用在實(shí)際系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了從“聽懂”到“會(huì)用”的轉(zhuǎn)換。另一方面是由于系統(tǒng)提供了高度的靈活性，能夠允許學(xué)生們自由地設(shè)計(jì)自己理想中的生產(chǎn)系統(tǒng)，每組學(xué)生的生產(chǎn)體系結(jié)構(gòu)布局、人員分工、作業(yè)流程都各不相同，充分發(fā)揮了學(xué)生們的積極主動(dòng)性，真正地實(shí)現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)方式。此外，高度數(shù)字化、智能化的生產(chǎn)設(shè)施與管控體系，讓學(xué)生們體會(huì)到了未來(lái)的智能生產(chǎn)系統(tǒng)所具有的主要特征，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力也頗有裨益。

圖5 學(xué)生在流動(dòng)生產(chǎn)線上進(jìn)行裝配

4 結(jié) 語(yǔ)

集成了多元技術(shù)與方法、多元設(shè)備協(xié)同、多元實(shí)踐環(huán)節(jié)的智能生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以先進(jìn)技術(shù)、系統(tǒng)理念為引領(lǐng)，推進(jìn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的升級(jí)，學(xué)研融合、創(chuàng)教融合，提供自主型、研究型、創(chuàng)新型三維一體的多模式實(shí)踐教學(xué)。此實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)當(dāng)前已完成了應(yīng)用基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)，并開展了專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)，受到了學(xué)生們的肯定與歡迎。采用企業(yè)實(shí)際應(yīng)用案例場(chǎng)景，真實(shí)地展示和反映工業(yè)生產(chǎn)中的技術(shù)應(yīng)用和運(yùn)作管理流程，學(xué)生可以自主構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，并對(duì)運(yùn)作模式或管理流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化?；趩栴}導(dǎo)向、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)景沉浸式教學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅加深和鞏固了學(xué)生的理論基礎(chǔ)，也培養(yǎng)并提升了學(xué)生較強(qiáng)的實(shí)踐能力、管理能力、溝通能力、創(chuàng)新能力。

此實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)引入當(dāng)前最新技術(shù)及熱點(diǎn)技術(shù)（數(shù)字化、智能化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等），推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。選取工業(yè)應(yīng)用中最為代表性的自動(dòng)輸送機(jī)器人為基礎(chǔ)應(yīng)用載體，選擇典型的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)相應(yīng)的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，多方集成，能夠快速構(gòu)建多種體系，提供創(chuàng)新平臺(tái)，具有開放性、易構(gòu)性、創(chuàng)新性、易擴(kuò)展性等特點(diǎn)。此平臺(tái)建設(shè)過程中獲得了2項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)：一種裝配生產(chǎn)系統(tǒng)及方法（專利號(hào)：ZL-2019-1-0745227.1）［14］；一種工位架（專利號(hào)：201910744636.X）［15］。

今后將繼續(xù)進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的數(shù)字化建設(shè)與智能化提升的建設(shè)，繼續(xù)優(yōu)化和完善?；诖似脚_(tái)可開展對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計(jì)、過程優(yōu)化以及流程管理等實(shí)踐，讓學(xué)生深入體驗(yàn)和理解系統(tǒng)中物料流、服務(wù)流、信息流互相影響、互相制約的關(guān)系，體驗(yàn)并實(shí)踐互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、VR／AR、數(shù)字孿生等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，為系統(tǒng)有效運(yùn)行能夠提出改善措施和選擇最優(yōu)方案，以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐分析和設(shè)計(jì)能力，提升分析、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和運(yùn)行系統(tǒng)的能力。學(xué)生也可探索關(guān)于生產(chǎn)系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)和運(yùn)行模式。希望通過智能生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的開展，不斷探索符合新時(shí)代行業(yè)發(fā)展需要的新工科創(chuàng)新型復(fù)合人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。