姜晨

摘 要 以德國近年來提出的“工業(yè)4.0”技術發(fā)展框架，探索“機械設計制造及其自動化”專業(yè)的工程教育創(chuàng)新實驗平臺建設思路，重點探討“工業(yè)4.0”的發(fā)展趨勢，以及如何結合“工業(yè)4.0”開展“機械設計制造及其自動化”專業(yè)課程創(chuàng)新實驗平臺建設，滿足機械行業(yè)對高素質的工程技術人才的需求。

關鍵詞 工業(yè)4.0 工程教育 機械工程

中圖分類號：G640 文獻標識碼：A

2011年在漢諾威工業(yè)博覽會上，德國人工智能研究中心負責人Wolfgang Wahlster教授首次提出“工業(yè)4.0”的概念。2013年，德國成立了“工業(yè)4.0”工作組，并于同年4月在漢諾威工業(yè)博覽會上發(fā)布了最終報告《保障德國制造業(yè)的未來：關于實施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的建議》。①可以說“工業(yè)4.0”已經正式成為德國工業(yè)未來發(fā)展的方向標?！肮I(yè)4.0”強調將傳統(tǒng)工業(yè)生產與現(xiàn)代信息技術相結合，將基本模式由集中式控制向分散式增強型控制進行轉變，并最終實現(xiàn)工廠智能化、生產智能化。②

1 工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢

“智能工廠”和“智能生產”是“工業(yè)4.0”的兩個主要組成部分，重點研究智能化生產系統(tǒng)及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現(xiàn)，相關研究工作在德國已經廣泛開展。③德國弗勞恩霍夫協(xié)會（Fraunhofer-Gesellschaft）引入“工業(yè)4.0”概念，開展針對“智能工廠”的全方位智能自動化技術研究；西門子公司將這一概念引入其工業(yè)軟件開發(fā)和生產控制系統(tǒng)中，研究開發(fā)針對“智能工廠”相關的系列產品；恩德斯豪斯（Endree-Hauss）公司按照“工業(yè)4.0”要求開發(fā)過程工業(yè)自動化解決方案，實現(xiàn)不同區(qū)域、不同客戶生產資料的信息共享；庫卡（Kuka）公司結合其在機器人領域的技術優(yōu)勢，重點研究面向智能制造的協(xié)作機器人和遠程維護系統(tǒng)；德國電信（Deutsche Telekom）、博世（Bosch）以及薩普（SAP）等公司在云計算、大數據存儲和處理等方面開展了卓有成效的研究，為“智能工廠”提供軟件支持結構或服務；作為工業(yè)用戶代表，德國大眾（VW）和巴斯夫（BASF）等公司通過使用快速成型和能源智能建筑技術優(yōu)化生產過程，參與到“智能工廠”的研究中；德國費斯托（Festo）公司研究了一種分散式智能機電一體化控制系統(tǒng)，即智能閥島，實現(xiàn)面向“工業(yè)4.0”的新型控制系統(tǒng)。上述研究工作為實現(xiàn)從傳統(tǒng)的集中式工廠控制系統(tǒng)向分散式智能工廠控制系統(tǒng)轉變提供了基本思路與手段。

中國素有制造業(yè)大國之稱，同時也是自動化技術需求大國。中國政府非常重視“智能工廠”領域的基礎理論研究。為全面開展智能制造技術研究，國務院發(fā)布了《智能制造十二五規(guī)劃》，鼓勵企業(yè)構建工業(yè)智能化工廠，而其中重點任務之一就是解決未來智能制造所需的理論框架和共性技術。眾多國內企業(yè)和大專院校等研究機構也開展相關研究。浙江大學方紅飛以動態(tài)模擬為基礎，研究了動態(tài)模擬在智能工廠實驗系統(tǒng)中的應用，齊瑞超進一步提出用于工廠建模和仿真的四層框架，運用這種對工廠拓撲網絡進行抽象的建模與仿真方法構建可擴展和易配置的仿真模型，為“智能工廠”建模和仿真提供了指導；上海工業(yè)自動化儀表繆學勤根據“工業(yè)4.0”理念，探討了面向服務的“智能工廠”體系架構，為加快中國裝備制造業(yè)轉型升級提供思路；中石化夏茂森從易工程化和技術成熟度兩個維度，對流程制造工業(yè)智能工廠體系架構和基礎實施技術進行了研究，認為基于知識發(fā)現(xiàn)和基于模型的兩類技術應該是目前智能工廠建設的首選技術；江南大學王聰面向物料智能配送體系，對生產執(zhí)行系統(tǒng)的架構、RFID智慧生產車間應用流程及應用可靠性等關鍵問題進行了研究；武漢理工大學何寧輝提出網絡化制造環(huán)境下的數字化制造車間集成管理系統(tǒng)結構，創(chuàng)建智能分布式人機協(xié)同工作模式。

2012年，工信部批復同意在順德建立無人化工廠，支持廣東創(chuàng)匯等多家企業(yè)采用智能化成套裝備建設數字化車間和智能化工廠管理軟件。在政府的支持下，中國企業(yè)開展了各項相關技術的研發(fā)及應用。中國石化提出了用信息化支撐傳統(tǒng)產業(yè)升級轉型，推進“智能工廠”建設的戰(zhàn)略目標，通過應用信息技術改造石油石化傳統(tǒng)生產工藝、提高資源利用率，從而實現(xiàn)智能生產；煙臺萬華以MES應用為基礎，建立穩(wěn)標準統(tǒng)一、工廠應用快速復制的綜合數據整合平臺，向建設智能化工廠的目標邁進；燕山石化投用了ERP企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、MES生產執(zhí)行系統(tǒng)，自主開發(fā)了盈虧平衡分析系統(tǒng)、設備實時監(jiān)控系統(tǒng)，大幅度提升了工廠的信息管理智能化水平。研華公司研發(fā)的WebAccess平臺將工廠里每個系統(tǒng)的信息采集到云端實現(xiàn)信息共享，工廠用戶能夠及時掌握現(xiàn)場的狀況并通過云端功能實時地將信息傳遞，進而達到提升工廠智能化信息處理能力；2012年西門子在中國成都建立西門子工業(yè)自動化產品成都生產及研發(fā)基地（SEWC），它是西門子面向“工業(yè)4.0”，在中國設立的最大的現(xiàn)代化數字工廠。

2 面向“工業(yè)4.0”的工程教育創(chuàng)新實驗平臺建設

針對“工業(yè)4.0”新形勢以及機械學科的自身工程教育特點，新形勢下的工程教育創(chuàng)新實驗平臺建設重點應該包括以下幾個內容：

2.1 平臺以培養(yǎng)學生科研的思維方法、科學研究能力和創(chuàng)新能力為目標

針對傳統(tǒng)機械工程類課程，以創(chuàng)新和探索為目的，著重培養(yǎng)學生的基本的工程技術實現(xiàn)能力。課程以工程項目的形式進行， 使學生在技術難題解決、文獻查閱、方案設計、技術操作、案例分析、撰寫技術文檔等各個環(huán)節(jié)得到較全面的工程技術思維和方法的訓練。安排一些具有創(chuàng)新性、探索性的工程技術實驗，培養(yǎng)學生查閱、分析及概括文獻的能力，設計及計劃安排實驗的能力以及分析問題、解決問題的能力，為學習能力較強的學生提供了進一步發(fā)展的空間。學生可根據導師的實際課題或者合作企業(yè)的實際項目為對象，設計相關實驗，并可以由學生和企業(yè)導師或者學校教師直接進行討論，確定實驗地點與時間，針對智能化程度較高的企業(yè)，重點開展實驗平臺合作建設工作，安排具體老師，負責長期聯(lián)絡與合作，為面向“工業(yè)4.0”的創(chuàng)新實驗場地建設提供支持。

2.2 面向大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，建設“工業(yè)4.0”的專業(yè)實驗室

通過實施創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實驗基地建設，讓基地成為國內先進的具有輻射示范作用的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學實踐基地，使基地成為培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力，提高學生動手、動腦等實踐能力為重點的創(chuàng)新實踐教育基地，使之成為創(chuàng)新教育與實踐系列課程體系、內容、方法、手段改革研究的實踐基地，大學生創(chuàng)業(yè)教育與訓練基地、大學生科技活動研發(fā)實踐基地。逐步實現(xiàn)“創(chuàng)業(yè)政策比較完善、創(chuàng)業(yè)教育基本普及、創(chuàng)業(yè)平臺較為健全、創(chuàng)業(yè)氛圍更為濃厚、創(chuàng)業(yè)成果更加豐富”的高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作目標。主要包括：（1）大幅度提高實驗基地內的學生參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的比例；（2）建立和完善包括校級機械創(chuàng)新實踐基地、校級工程實訓中心、院級創(chuàng)新實踐基地、創(chuàng)新工作室、專業(yè)實驗中心、基礎實驗中心等在內的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐平臺；（3）優(yōu)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程體系，確立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式，完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練體系建設，滿足上海高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育實驗基地對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)要求。（4）建設周期內學生獲得國家、上海市等國家及省部級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果不少于80項。此外，“工業(yè)4.0”以物聯(lián)網為基礎，構建物聯(lián)網創(chuàng)新實驗平臺，緊密結合通信技術發(fā)展方向和高校教學改革方向，以面向提升學生能力和培養(yǎng)師資力量為目標，打破專業(yè)界限，改革過去實驗依附于理論課程的舊體系，設置開放性實驗、物聯(lián)網通信系統(tǒng)實驗等。

在原有建設基礎上，建立工程設計實踐平臺、工程分析實踐平臺、先進制造實踐平臺、工程試驗實踐平臺等創(chuàng)新實踐平臺；將上述各實踐平臺進行優(yōu)化集成，構建代表國內外主流先進制造企業(yè)生產過程的“卓越工程師工程實踐與創(chuàng)新實踐平臺”，建立面向“工業(yè)4.0”的“卓越工程師工程實踐與創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系”，在此基礎上工廠教育創(chuàng)新實驗平臺。建設實現(xiàn)基于該平臺進行典型機電產品案例驅動的學生自主創(chuàng)新設計，自主分析、自主制造、自主試驗的目標。實施全程質量監(jiān)督與過程控制，按照建設目標，進行定期檢查，保證平臺建設的順利進行；完成平臺的師資隊伍建設、專業(yè)建設、教學條件建設、教學管理建設等任務，構建與時俱進的新型工程教育創(chuàng)新實驗平臺框架。

2.3 專業(yè)實驗室的師資隊伍培養(yǎng)與建設

加強師資隊伍的人才培訓和再教育。有計劃地支持教師到企業(yè)掛職鍛煉，鼓勵教師參與社會行業(yè)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐。積極從社會各界聘請企業(yè)家、創(chuàng)業(yè)成功人士、專家學者等作為兼職教師，建立一支專兼結合的高素質創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教師隊伍。建立中外創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育交流機制，加強和國外大學的交流，聘請國外大學教授、企業(yè)專家來學院授課。吸納先進的國際化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學體系與教學內容，與國際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育人才標準接軌。在建設中培養(yǎng)和鍛煉一批能勝任國際化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的高水平教師。與學校教務處、人事處等相關職能部處配合，從教學考核、職稱評定、培訓培養(yǎng)、經費支持等方面給予傾斜支持，定期組織教師培訓、實訓和交流，不斷提高教師教學研究與指導學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐的水平。培養(yǎng)團結合作的團隊精神，為培養(yǎng)面向“工業(yè)4.0”的高素質工程技術人才提供重要保障，建立一支創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識強、結構合理、具有國際視野和工程實踐能力的“雙師型”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育師資隊伍。

3 結束語

總體來看，“工業(yè)4.0”描繪出未來制造業(yè)的工廠生產景象，處在全球智能工業(yè)領域領先地位的德國，已敏銳地覺察到工業(yè)進程發(fā)展趨勢，并全力推廣“工業(yè)4.0”，進一步提升其在工業(yè)自動化制造業(yè)生產領域的地位。這一點對于制造業(yè)正快速發(fā)展的中國具有非常強的啟迪意義。當前，工業(yè)技術水平、運行模式等方面，都處于日新月異的發(fā)展階段。擔負著自主創(chuàng)新重任的企業(yè)對教育提出了更高更新的要求，對于高等工程教育來說，建設一個與“工業(yè)4.0”相適應的工程教育創(chuàng)新實驗平臺極為重要。

教育部專業(yè)綜合改革試點項目（2N14304101）資助

注釋

① Drath Rainer， Horch Alexander. Industrie 4.0： Hit or hype[J].IEEE Industrial Electronics Magazine，2014.8（2）：56-58.

② 齊瑞超，榮岡，馮毅萍，胡云蘋.智能工廠可配置的多層次建模方法[J].化工學報，2013.64（12）：4354-4365.

③ 郭政.標準引領德國工業(yè)升級[J].上海質量，2013（10）：22-26.