摘要：通過探索校企深度合作機制，基于渦北選煤廠等工礦企業(yè)一線數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬智慧實驗室，實現(xiàn)對煤炭分選流程的場景模擬、對分選設(shè)備運維問題的智能識別以及對煤炭分選效果的優(yōu)化。實踐證明，實驗室的構(gòu)建不僅提升了工業(yè)生產(chǎn)一線數(shù)據(jù)的教學(xué)價值，還豐富了校企聯(lián)動和產(chǎn)學(xué)研合作的實踐內(nèi)涵。

關(guān)鍵詞：工業(yè)智能；高校；智慧實驗室

中圖分類號：G642.2文獻標識碼：A文章編號：1009-3583（2024）-0144-05

Construction of Virtual Smart Laboratories In UniversitiesUnder the Background of Industrial Intelligence

——Taking Anhui University of Science and Technology as an Example

LIU Hai-zeng，ZHENG Gang-feng，QIU Yi-bing，WANG Chuan-zhen，LYU Wen-bao

（School of Materials Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232000，China）

Abstract：Through exploring the mechanism of deep cooperation between schools and enterprises，a virtual smart laboratory based on the frontline data of industrial and mining enterprises such as the Guo Bei Coal Preparation Plant has been constructed.This laboratory achieves scene simulation of coal sorting process，intelligent identification of operation and maintenance issues of sorting equipment，and optimization of coal sorting effects.Practice has proven that the construction of the laboratory not only enhances the teaching value of frontline data in industrial production but also enriches the practical connotation of school-enterprise linkage and industry-university research cooperation.

keywords：industrialintelligence;universities;smart laboratory

當前，工業(yè)智能化通過信息技術(shù)與自動化技術(shù)的融合，引領(lǐng)工業(yè)生產(chǎn)邁向一個智能化、自動化和信息化的新時代。在此背景下，一線工廠積累了大量的數(shù)據(jù)資源，這些多維度、高頻率、長時序的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，詳細記錄了產(chǎn)品屬性、生產(chǎn)階段和設(shè)備狀態(tài)等關(guān)鍵信息，但由于目前缺乏成熟的數(shù)據(jù)合作體系，這些數(shù)據(jù)的潛在價值在工科教研活動中尚未得到充分發(fā)揮。它們往往僅被用于滿足規(guī)范性審查的格式化存儲，或在生產(chǎn)過程中不斷更新覆蓋，未能充分轉(zhuǎn)化為教育和科研的寶貴資源。針對這一挑戰(zhàn)，安徽理工大學(xué)的礦物分選智能測控科技創(chuàng)新團隊攜手渦北選煤廠以及安徽容知日新科技股份有限公司，共同打造了“全生命周期智能診斷虛擬智慧實驗室”。該實驗室不僅成功模擬了煤炭分選流程，實現(xiàn)了設(shè)備運維問題的智能識別和分選效果的優(yōu)化，更探索出一條創(chuàng)新路徑，將生產(chǎn)實踐與教研活動相互賦能，相互促進，為新工科建設(shè)提供了有力的實踐案例和推廣價值。

一、國內(nèi)外虛擬實驗室研究狀況

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，推動了工業(yè)智能化的發(fā)展，使生產(chǎn)過程更加智能、高效和靈活，虛擬實驗室也應(yīng)運而生。虛擬實驗室被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域，為研究者提供了無需實際操作硬件設(shè)備的實驗平臺，降低了成本并提高了研究效率。2021年，我國發(fā)布了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，明確了智能制造的發(fā)展目標和任務(wù)，推動制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化轉(zhuǎn)型[1]。2022年發(fā)布了《“十四五”信息化和工業(yè)化深度融合發(fā)展規(guī)劃》，進一步深化了信息化與工業(yè)化在更廣范圍、更深程度、更高水平上實現(xiàn)融合發(fā)展的具體措施，推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型[2]。

國內(nèi)關(guān)于虛擬實驗室的研究主要分為兩大類：一是關(guān)于虛擬實驗室的類型、構(gòu)建、設(shè)計、教學(xué)應(yīng)用及發(fā)展趨勢等理論方面的研究。如劉筱蘭等介紹了虛擬實驗室的不同類型、功能及特點，并對虛擬實驗室的未來發(fā)展趨勢作出設(shè)想[3]；劉蘋蘋等梳理了我國虛擬實驗室的發(fā)展歷程，分析了虛擬實驗室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，并對其評價指標提出建議[4]；二是關(guān)于虛擬實驗室在工業(yè)、教育、醫(yī)學(xué)、科學(xué)、國防軍事、企業(yè)及國家重點實驗室等實踐應(yīng)用。在工業(yè)輔助設(shè)計和產(chǎn)品測試中，虛擬實驗室通過模擬實驗優(yōu)化設(shè)計流程，減少實體原型的需求，從而降低生產(chǎn)成本。在教育領(lǐng)域方面的應(yīng)用，有nobook虛擬實驗室為初高中課程提供所需的實驗，北京大學(xué)地球科學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心提供多層次、多方法的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺以及中南大學(xué)虛擬實驗平臺對計算機、通信、信息安全等專業(yè)課程設(shè)計虛擬實驗室系統(tǒng)，為課程設(shè)計和教學(xué)改革提供新的路徑[5]；在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域的研究應(yīng)用，如北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實新技術(shù)國家重點實驗室重點研究虛擬人合成和虛擬環(huán)境交互技術(shù)；騰訊AI Lab實驗室專注于人臉識別、語音識別等領(lǐng)域的研究，華為聯(lián)合徠卡建立的麥克斯·別雷克創(chuàng)新實驗室在光學(xué)系統(tǒng)、計算成像、VR和AR領(lǐng)域的研發(fā)等等?？梢哉f，虛擬實驗室為不同學(xué)科的教學(xué)和研究提供了創(chuàng)新的工具和方法，增強了學(xué)習(xí)的互動性和實踐性，同時也為實踐應(yīng)用提供了更安全、經(jīng)濟和高效的解決方案。

美國虛擬實驗室在不同領(lǐng)域里的應(yīng)用也比較廣泛，如斯坦福大學(xué)布局金融投資虛擬仿真實驗室，設(shè)置行業(yè)標準應(yīng)用程序，配備了先進的工作站，模擬交易大廳實況，增強學(xué)生的沉浸感；加州大學(xué)伯克利分校建立了用于信息物理系統(tǒng)教學(xué)的虛擬仿真實驗室，支持學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行機器人仿真、編程開發(fā)和硬件控制，同時實現(xiàn)了自動評分功能[6]。此外，許多國際實驗室致力于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與創(chuàng)新，例如谷歌的Daydream Labs專注于VR體驗的提升，探索硬件和應(yīng)用領(lǐng)域；德國波鴻魯爾大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，提供控制工程的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬實驗場景。

二、建設(shè)虛擬智慧實驗室面臨的困境

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，與云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿技術(shù)的融合，虛擬實驗室向更真實、更精準的模擬效果、智能化發(fā)展，促進不同學(xué)科領(lǐng)域之間的融合與創(chuàng)新，尤其是在教育領(lǐng)域方面，為傳統(tǒng)教育模式帶來創(chuàng)新和變革。建設(shè)虛擬智慧實驗室在推動教育信息化和提升實踐教學(xué)質(zhì)量方面具有重要意義，但在實際建設(shè)和應(yīng)用過程中也面臨一些困境和挑戰(zhàn)。

首先，資金和資源投入不足是制約高校虛擬智慧實驗室發(fā)展的主要瓶頸。虛擬智慧實驗室不僅需要昂貴的硬件設(shè)備，如高性能計算機、虛擬現(xiàn)實頭盔和交互設(shè)備，還需要不斷更新的軟件系統(tǒng)和技術(shù)支持，這些都需要大量的資金投入。另外，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)備的更新?lián)Q代和軟件的升級也變得日益頻繁，進一步增加了資金的需求。但在實際過程中，許多高校在資金分配上往往優(yōu)先考慮傳統(tǒng)的教學(xué)和科研領(lǐng)域，導(dǎo)致虛擬智慧實驗室的建設(shè)得不到足夠的重視和支持。這種資金和資源的不足不僅限制了實驗室的硬件設(shè)施建設(shè)，也影響了實驗室的軟件資源和教學(xué)內(nèi)容的更新，進而影響了虛擬智慧實驗室的教學(xué)效果和科研能力。

其次，技術(shù)更新和維護也是高校虛擬智慧實驗室面臨的一個重要挑戰(zhàn)。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬實驗室的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)需要不斷升級以保持其先進性和有效性。然而，持續(xù)的技術(shù)更新需要大量的資金和人力資源，這對于許多高校來說是一個不小的負擔(dān)。一方面，高端的虛擬現(xiàn)實設(shè)備、高性能計算機和先進的傳感器等硬件設(shè)備價格昂貴，且更新?lián)Q代速度快，高校需要不斷投入資金進行更新。另一方面，軟件系統(tǒng)的升級和維護也需要專業(yè)的技術(shù)人員進行支持，這不僅涉及技術(shù)問題，還涉及培訓(xùn)和人員管理等多方面的問題。此外，虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)保護也是一個不容忽視的問題，需要投入額外的資源進行保障。如筆者所在的實驗室，無論是對一線生產(chǎn)的仿真模擬，還是基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)的理論探索，都對數(shù)據(jù)有著嚴格要求，需要針對性布置傳感器等終端設(shè)備，這需要第三方提供設(shè)備與技術(shù)支持。

最后，師資力量薄弱也是高校虛擬智慧實驗室建設(shè)的一個亟待解決的問題。作為一種新興的教學(xué)和科研平臺，虛擬智慧實驗室需要具備相關(guān)技術(shù)知識和教學(xué)經(jīng)驗的專業(yè)教師來進行管理、運用和維護。目前，部分高校在這方面的師資力量相對不足，難以滿足虛擬實驗室的教學(xué)和科研需求。一方面，虛擬實驗室涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，包括虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、人工智能等，需要教師具備跨學(xué)科的知識背景和技能。另一方面，虛擬實驗室的教學(xué)方法和課程設(shè)計與傳統(tǒng)實驗室有所不同，需要教師不斷探索和創(chuàng)新。

除了上述主要問題外，虛擬智慧實驗室的設(shè)施利用率低、安全管理和隱私保護重視不夠，來自學(xué)?；蚪逃芾聿块T的明確政策支持和激勵機制不完善等方面，也是當前高校虛擬智慧實驗室建設(shè)中亟須解決的問題。

三、虛擬智慧實驗室的構(gòu)建策略

（一）三方聯(lián)動：校企合作與數(shù)據(jù)共享

三方聯(lián)動指的是高校、企業(yè)和政府三方共同參與，為虛擬智慧實驗室的建設(shè)和發(fā)展提供了新的動力和方向。高校作為人才培養(yǎng)和知識創(chuàng)新的基地，企業(yè)作為技術(shù)應(yīng)用和市場需求的主體，政府作為政策引導(dǎo)和資源整合的協(xié)調(diào)者，三者之間的緊密合作能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補。根據(jù)筆者及團隊的經(jīng)驗，解決虛擬智慧實驗室構(gòu)建難題的關(guān)鍵，在于一線工廠、技術(shù)公司和高校教研團隊之間的聯(lián)動。其中，一線工廠提供數(shù)據(jù)，技術(shù)公司提供終端設(shè)備和平臺運維技術(shù)，高校教研團隊則負責(zé)數(shù)據(jù)的教研應(yīng)用和工程分析，形成新的“三方聯(lián)動”模式，實現(xiàn)虛擬智慧實驗室的搭建、運行與價值轉(zhuǎn)化。

數(shù)據(jù)共享是“三方聯(lián)動”模式中的關(guān)鍵一環(huán)，通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享平臺，團隊、企業(yè)可以高效地交換和利用數(shù)據(jù)資源，促進知識傳播和技術(shù)交流。這不僅能提高教學(xué)和科研的效率，還可以為企業(yè)的市場決策提供數(shù)據(jù)支持。在安徽理工大學(xué)礦物分選虛擬智慧實驗室的構(gòu)建中，特別注重數(shù)據(jù)的保護，主要措施如下：首先，教研團隊和技術(shù)公司直接參與一線工廠的數(shù)字化改造，使用技術(shù)公司的傳感器，并在教研團隊主導(dǎo)下協(xié)商數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范和標準；其次，通過技術(shù)公司提供的傳感器，一線工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時上傳至工廠內(nèi)部局域網(wǎng)，向教研團隊開放接入端口，工廠對端口傳輸內(nèi)容有著選擇權(quán)和控制權(quán)。這樣既避免了技術(shù)公司通過傳感器截取生產(chǎn)信息的風(fēng)險，也保留了工廠對教研團隊共享數(shù)據(jù)的自主權(quán)。在此措施下，技術(shù)公司拓展了終端設(shè)備市場和平臺運維空間、教研團隊實現(xiàn)了一線數(shù)據(jù)的教學(xué)應(yīng)用與科研轉(zhuǎn)化，而教研團隊的科學(xué)研究也反哺了工廠的效率提高與工藝優(yōu)化，實現(xiàn)校企互利共贏。

（二）智能管理：實驗室內(nèi)部管理與系統(tǒng)保障

在虛擬智慧實驗室的構(gòu)建中，智能管理是實現(xiàn)實驗室高效運作的關(guān)鍵，涉及實驗室內(nèi)部的多個方面，包括但不限于對各類儀器設(shè)備的固定資產(chǎn)管理，確保設(shè)備資產(chǎn)的清晰記錄和合理配置；資源管理，合理分配實驗材料和人力資源，提高使用效率；以及設(shè)備安全運行管理，通過實時監(jiān)控確保實驗室環(huán)境和操作的安全性。數(shù)據(jù)采集、處理和分析管理是智能管理系統(tǒng)的核心，能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進行有效收集和深入分析，為科研決策提供數(shù)據(jù)支持。在系統(tǒng)保障方面，智能管理系統(tǒng)通過自動化工具實現(xiàn)了設(shè)備的預(yù)約、借用、維護和保養(yǎng)流程，以及資源的優(yōu)化調(diào)度和配置，同時對實驗室安全進行嚴密監(jiān)控，確保了實驗室數(shù)據(jù)的安全備份和歸檔。這些智能管理措施極大提升了實驗室的管理效率和科研工作的流暢性。

為確保虛擬智慧實驗室的順利建立和高效運作，筆者及團隊在師資力量、設(shè)施設(shè)備以及資金方面進行了精心的配置和充足的準備。在師資力量方面，匯集了一批專業(yè)能力強、教學(xué)經(jīng)驗豐富的教師團隊，其中教授1人，副教授4人，講師2人，主要負責(zé)智慧實驗室的規(guī)劃設(shè)計、系統(tǒng)集成、運維管理等工作，他們將為實驗室的教學(xué)和研究提供堅實的支持。在設(shè)施設(shè)備方面，實驗室面積約200m2，擁有高性能計算機、服務(wù)器和存儲設(shè)備4臺，先進的在線檢測軟件一套，以支持高效的實驗操作和數(shù)據(jù)處理，確保實驗的順利進行。在資金經(jīng)費方面，團隊擁有充足的經(jīng)費支撐，有科技部重點研發(fā)項目基金、國家級、省部級縱向項目基金、省協(xié)同創(chuàng)新基金等，還有校企合作的橫向項目基金，在研的企業(yè)委托項目涉及山東、山西、安徽以及內(nèi)蒙古等地的廠礦企業(yè)。此外，筆者及團隊突破傳統(tǒng)人工管理模式的局限，成功研發(fā)了一套先進的信息化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋了固定資產(chǎn)管理、資源管理、設(shè)備安全運行監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集、處理和分析等多個方面，不僅實現(xiàn)了儀器設(shè)備的在線預(yù)約、借用、維護與保養(yǎng)，還優(yōu)化了資源的調(diào)度與配置，加強了安全監(jiān)控，以及數(shù)據(jù)的備份與歸檔。

（三）學(xué)研用一體化：深入挖掘?qū)嶒炇业膽?yīng)用價值

高校虛擬智慧實驗室的學(xué)研用一體化策略，是促進學(xué)術(shù)研究、教學(xué)實踐與技術(shù)應(yīng)用緊密結(jié)合的關(guān)鍵。這種模式不僅深化了實驗室在學(xué)術(shù)研究中的應(yīng)用，推動了理論創(chuàng)新和知識發(fā)現(xiàn)，而且強化了教學(xué)與實踐的結(jié)合，提高了學(xué)生的實踐技能和創(chuàng)新思維能力。利用虛擬仿真技術(shù)，實驗室能夠重現(xiàn)現(xiàn)實世界的復(fù)雜環(huán)境，為學(xué)生和研究人員提供了一個沉浸式的學(xué)習(xí)和研究平臺，在安全的環(huán)境下鼓勵他們探索未知領(lǐng)域和驗證假設(shè)。

一方面，借助虛擬智慧實驗室，筆者及團隊打造了一個連接一線工廠、技術(shù)公司和教研團隊的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將感知換能器、測量變送器、控制器、執(zhí)行器以及被控對象等設(shè)備進行互聯(lián)，以實現(xiàn)實驗設(shè)備的智能化、互聯(lián)化和遠程控制。這種全方位的智慧化控制和管理方式，使學(xué)生能夠靈活地在任何時間和地點進行實驗操作。同時，利用與安徽、山東、山西等地企業(yè)的合作，以礦物加工的典型生產(chǎn)工藝為研究對象，融合了廠礦生產(chǎn)、實驗教學(xué)和科學(xué)研究的綜合需求，從核心工藝、關(guān)鍵裝備、數(shù)據(jù)通信到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)建了多個典型案例，為工科數(shù)字化工廠虛擬教學(xué)提供了實踐案例。

另一方面，數(shù)字化實驗室平臺的實施，使得“干中學(xué)”的教學(xué)理念得以有效推進，促進了專業(yè)知識的高效傳授。通過現(xiàn)代技術(shù)手段，實現(xiàn)了一線工廠實驗場景的數(shù)字化，確保了實驗過程的自動化控制、數(shù)據(jù)的自動采集以及結(jié)果的自動處理和分析，幫助學(xué)生更深入地理解實驗知識。比如筆者及團隊與技術(shù)公司聯(lián)合開發(fā)的Supercare軟件，將一線數(shù)據(jù)傳輸至虛擬智慧實驗室，使學(xué)生能夠在校園網(wǎng)環(huán)境下，通過臨時密鑰獲取實時數(shù)據(jù)，進行自主研究和探索，激發(fā)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)動力。

再者，智能虛擬實驗室的建設(shè)匯集了團隊長期積累的多方企業(yè)資源，實現(xiàn)了實驗場景的多元化、功能的立體化和對象的系統(tǒng)化。這使得虛擬智慧實驗室的建設(shè)更加符合新工科人才培養(yǎng)的目標，并更好地服務(wù)于一線工廠的生產(chǎn)需求。例如，在與渦北選煤廠的合作中，我們在其主洗核心設(shè)備上安裝了多個振動傳感器，這些傳感器的信號通過無線路由器和互聯(lián)網(wǎng)實時將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄嶒炇?，實現(xiàn)了設(shè)備健康狀態(tài)的動態(tài)智能診斷，該試驗平臺已成功應(yīng)用于學(xué)生實驗教學(xué)（見圖1）。

針對廠礦企業(yè)現(xiàn)場的實際需求，筆者及團隊構(gòu)建了渦北選煤廠的智能化一體檢測系統(tǒng)。通過振動信號分析和超聲相控陣檢測技術(shù)，對設(shè)備進行無損檢測，實現(xiàn)了檢測圖像數(shù)據(jù)的遠程實時在線傳輸和缺陷的形狀重構(gòu)，使故障檢測更加可視化和數(shù)值化。此外，與安徽紫朔環(huán)境工程技術(shù)有限公司合作，我們建立了一個集數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸及分析為一體的數(shù)字李生試驗平臺，該平臺采用B/S框架，主要面向化工生產(chǎn)過程設(shè)計。通過數(shù)字化和智能化升級，我們?yōu)槊夯て髽I(yè)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供了強有力的技術(shù)支持，打通了工業(yè)控制網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間的壁壘（見圖2）。

四、結(jié)論

在工業(yè)智能化的大背景下，積極構(gòu)建虛擬智慧實驗室并充分挖掘工廠一線數(shù)據(jù)的教學(xué)與科研價值，是推進新工科建設(shè)的創(chuàng)新之舉。針對當前高校虛擬實驗室構(gòu)建面臨的困境和挑戰(zhàn)，筆者及團隊結(jié)合自身經(jīng)驗，激發(fā)一線工廠、專業(yè)技術(shù)公司和高校教研團隊在實驗室建設(shè)中的積極作用，構(gòu)建一個科學(xué)合理的三方聯(lián)動框架和高效的數(shù)據(jù)共享機制，為高校虛擬智慧實驗室的建設(shè)提供策略參考。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和教育資源的日益豐富，未來的虛擬智慧實驗室將更加智能化、個性化，能夠滿足不同學(xué)生和教師的需求。它將不斷拓展教育的邊界，為培養(yǎng)適應(yīng)未來工業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)人才提供強有力的支持[7]?？傊I(yè)智能化背景下高校虛擬智慧實驗室的構(gòu)建，不僅是對現(xiàn)有教育模式的補充，更是對未來教育形態(tài)的探索和引領(lǐng)。

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（責(zé)任編輯：羅智文）