曹建華+夏緒輝+王蕾+龔園+劉翔+周幼慶+劉長(zhǎng)生

摘要：本文針對(duì)當(dāng)前工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)存在技術(shù)先進(jìn)性不足、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容內(nèi)在關(guān)聯(lián)性及系統(tǒng)性不足、綜合創(chuàng)新性不足等問題，在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息化技術(shù)、面向服務(wù)架構(gòu)等技術(shù)，整合現(xiàn)有各個(gè)獨(dú)立的工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)資源，研究并開發(fā)了現(xiàn)代工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以該平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了全自動(dòng)立體倉(cāng)庫(kù)操作實(shí)驗(yàn)、物流配送管理實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)控制與運(yùn)作實(shí)驗(yàn)、人因工程實(shí)驗(yàn)、物料揀選等工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)，并以武漢科技大學(xué)工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行效果為例，對(duì)本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可行性、優(yōu)越性與智能性進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)高校工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；工業(yè)工程；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）01-0253-03

一、引言

2015年李克強(qiáng)總理在《政府工作報(bào)告》中提出“互聯(lián)網(wǎng)+”，隨后《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》頒布，提出了通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)探索新型教育服務(wù)供給方式，互聯(lián)網(wǎng)對(duì)社會(huì)轉(zhuǎn)型進(jìn)步的推動(dòng)引起了國(guó)家最高決策層的高度重視。[1]“互聯(lián)網(wǎng)+”，通俗來(lái)說(shuō)就是“互聯(lián)網(wǎng)+各個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)”，但并不是簡(jiǎn)單地將兩者結(jié)合，而是利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及信息通信技術(shù)，使互聯(lián)網(wǎng)與其他傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行深度融合，帶來(lái)全新的產(chǎn)業(yè)變革。[2]

工業(yè)工程（Industrial Engineering）作為一門綜合性學(xué)科，具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉性、應(yīng)用性、實(shí)踐性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其教學(xué)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。在經(jīng)濟(jì)全球化和信息技術(shù)迅速發(fā)展的今天，高校利用現(xiàn)有技術(shù)和資源構(gòu)建具有專業(yè)特色的工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室、保證工業(yè)工程人才的培養(yǎng)質(zhì)量就顯得尤為重要。自1992年國(guó)家教委批準(zhǔn)西安交通大學(xué)和天津大學(xué)首批設(shè)立工業(yè)工程專業(yè)以來(lái)，[3]工業(yè)工程學(xué)科的發(fā)展非常迅速，國(guó)內(nèi)已開設(shè)工業(yè)工程專業(yè)的高校都非常重視和支持實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，不斷加強(qiáng)設(shè)備投入和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，[4]但由于資金、技術(shù)以及投入的階段性等原因，導(dǎo)致工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室中存在多個(gè)“實(shí)驗(yàn)孤島”、[5]實(shí)驗(yàn)技術(shù)先進(jìn)性不足、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容內(nèi)在關(guān)聯(lián)性及系統(tǒng)性不足、綜合創(chuàng)新性不足等問題。

本文針對(duì)當(dāng)前工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室存在的問題，在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、自動(dòng)化控制等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源進(jìn)行整合更新，構(gòu)建現(xiàn)代化工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使整個(gè)工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室形成統(tǒng)一的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各孤立實(shí)驗(yàn)的深度融合，并為后續(xù)新增實(shí)驗(yàn)提供良好的擴(kuò)展接口，為學(xué)校教師和學(xué)生提供了良好的實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新學(xué)習(xí)平臺(tái)。

二、設(shè)計(jì)目的

通過(guò)對(duì)武漢科技大學(xué)工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀分析，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室建設(shè)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，增加必要的設(shè)備，結(jié)合學(xué)校教學(xué)要求來(lái)規(guī)劃“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、[6]自動(dòng)化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)開設(shè)理念，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，讓學(xué)生更好地理解所學(xué)的知識(shí)，并培養(yǎng)其動(dòng)手操作能力。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)最終達(dá)到以下目的：

1.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備升級(jí)、改造與更新，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的互聯(lián)，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的遠(yuǎn)程訪問、監(jiān)測(cè)與智能控制，有效地支持人機(jī)交互、人與物品之間的交互、人與人之間的社會(huì)性交互，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方式向系統(tǒng)性、生動(dòng)性、開放性的創(chuàng)新型工業(yè)工程實(shí)踐教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。

2.實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，不斷豐富和更新教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生現(xiàn)代IE（IT+IE）技能，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用工業(yè)工程知識(shí)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、組織、優(yōu)化、控制、決策和信息技術(shù)應(yīng)用能力。

3.結(jié)合我校工業(yè)工程特色，設(shè)計(jì)一個(gè)面向工業(yè)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，豐富與完善我校工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，后期還可根據(jù)需要增加新的模塊。

4.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，不僅能為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，也能為教師和研究生提供研究平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)培養(yǎng)高等工程技術(shù)人才，形成專業(yè)特色具有重要作用。

三、平臺(tái)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與SOA技術(shù)作為信息化的新興領(lǐng)域，其飛速發(fā)展也給各高校建設(shè)突出工業(yè)工程專業(yè)特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)了契機(jī)。如圖1所示，“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用數(shù)據(jù)采集與硬件控制層、實(shí)驗(yàn)過(guò)程跟蹤與整合層、實(shí)驗(yàn)優(yōu)化管理與決策分析層三層架構(gòu)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件的控制與數(shù)據(jù)采集，基于SOA、采用模塊化技術(shù)對(duì)各個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)進(jìn)行集成。

1.數(shù)據(jù)采集與硬件控制層。數(shù)據(jù)采集與硬件控制層由一套現(xiàn)代化工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)設(shè)施組成，包含的硬件設(shè)備主要有：自動(dòng)化立體庫(kù)、堆垛機(jī)、輥筒式輸送機(jī)、分揀設(shè)備、5自由度雕刻機(jī)器人、AGV小車、RFID標(biāo)簽揀貨機(jī)、裝配生產(chǎn)線、RFID讀寫設(shè)備及標(biāo)簽以及各種傳實(shí)驗(yàn)感器等，通過(guò)PC-PLC系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)與上層控制系統(tǒng)的對(duì)接和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)，通過(guò)無(wú)線傳感技術(shù)、通信技術(shù)等將大量數(shù)據(jù)上傳至分布式服務(wù)器，為實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)分析與實(shí)驗(yàn)管理提供最底層的硬件與數(shù)據(jù)支持。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程跟蹤與整合層。采用SOA架構(gòu)，通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線將各個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)各實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)的信息連通。主要包括基于ERP系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)，如生產(chǎn)計(jì)劃與控制實(shí)驗(yàn)、物料揀選實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)線裝配實(shí)驗(yàn)、倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)等；以及其他實(shí)驗(yàn)，如人因工程實(shí)驗(yàn)、運(yùn)籌學(xué)實(shí)驗(yàn)等。由于采用了面向服務(wù)的模塊化技術(shù)，具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性、集成性與擴(kuò)展性。

3.實(shí)驗(yàn)優(yōu)化管理與決策分析層。通過(guò)底層數(shù)據(jù)采集和硬件控制層與高層管理信息系統(tǒng)的融合，對(duì)各子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析處理，結(jié)合自動(dòng)化、智能化與可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的整體優(yōu)化管理。該層根據(jù)使用對(duì)象的不同分為教師實(shí)驗(yàn)管理模塊與學(xué)生實(shí)驗(yàn)分析模塊。

四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合武漢科技大學(xué)工業(yè)工程學(xué)科建設(shè)實(shí)際情況，基于本文設(shè)計(jì)的工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了基于ERP系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和其他類實(shí)驗(yàn)。

1.基于ERP系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。該ERP系統(tǒng)是以面向訂單生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際業(yè)務(wù)流程為基礎(chǔ)，通過(guò)工業(yè)工程方法優(yōu)化后面向高校本科生、研究生所設(shè)計(jì)開發(fā)的一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包含訂單管理、生產(chǎn)管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理、運(yùn)輸管理、財(cái)務(wù)管理等功能模塊，把復(fù)雜的生產(chǎn)管理以最直觀的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前，將抽象、復(fù)雜的管理理念直觀化并讓學(xué)生參與其中，在生產(chǎn)企業(yè)運(yùn)營(yíng)的全過(guò)程中，體驗(yàn)生產(chǎn)企業(yè)各個(gè)流程和各個(gè)部門之間的關(guān)系和職責(zé)，對(duì)生產(chǎn)管理有綜合的認(rèn)識(shí)。如圖2所示，目前已成功運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)有生產(chǎn)計(jì)劃與控制實(shí)驗(yàn)、物料揀選實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)線裝配實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)操作實(shí)驗(yàn)、物流實(shí)驗(yàn)等。下面對(duì)生產(chǎn)線裝配實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示，每個(gè)工位均有電子看板及RFID讀寫器，輸送到各工位上的在制品托盤上貼有記錄該托盤所裝產(chǎn)品信息的RFID卡片，通過(guò)RFID讀寫器讀取該卡片，當(dāng)前工位操作所需物料信息、操作步驟、以及注意事項(xiàng)均會(huì)詳細(xì)顯示在工位看板上，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)記錄開始操作時(shí)間，當(dāng)操作結(jié)束并確認(rèn)后，系統(tǒng)自動(dòng)記錄結(jié)束時(shí)間并提交通過(guò)攝像頭記錄的操作工程視頻錄像，托盤自動(dòng)進(jìn)入下一工序。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以對(duì)每個(gè)產(chǎn)品在每個(gè)工位上的加工信息自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤和統(tǒng)一管理，并為后續(xù)流程程序分析、工時(shí)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)曲線實(shí)驗(yàn)以及聯(lián)合操作分析、雙手操作分析、時(shí)間研究實(shí)驗(yàn)、動(dòng)素圖分析和影片分析實(shí)驗(yàn)等工業(yè)工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.其他實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。除ERP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還集成了人因工程相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與控制系統(tǒng)，基于該平臺(tái)可以完成反應(yīng)時(shí)間測(cè)定、耗氧量與心率關(guān)系測(cè)定、勞動(dòng)強(qiáng)度與疲勞測(cè)定、照明和生產(chǎn)率關(guān)系的測(cè)定、微氣候測(cè)定、環(huán)境噪聲測(cè)量、環(huán)境照明測(cè)量、生理測(cè)量與作業(yè)設(shè)計(jì)、心理與認(rèn)知測(cè)試、人體尺寸測(cè)量、人體感知特征和素質(zhì)綜合測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)該平臺(tái)既可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集、自動(dòng)記錄與可視化管理，方便后續(xù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析，同時(shí)基于該數(shù)據(jù)，教師可以對(duì)學(xué)生試驗(yàn)學(xué)習(xí)情況進(jìn)行分析并不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以獲得更好的教學(xué)效果。

五、結(jié)論

在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，針對(duì)當(dāng)前工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)存在的問題，通過(guò)開發(fā)面向工業(yè)工專業(yè)的ERP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將生產(chǎn)計(jì)劃與控制實(shí)驗(yàn)、物料揀選實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)線裝配實(shí)驗(yàn)、自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)操作等實(shí)驗(yàn)整合成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)體系，把復(fù)雜的生產(chǎn)管理以最直觀的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前并讓學(xué)生真正參與其中，讓學(xué)生更真實(shí)地理解并運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)運(yùn)用面向服務(wù)的架構(gòu)集成人因工程、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科實(shí)驗(yàn)，形成完整的工業(yè)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并為未來(lái)實(shí)驗(yàn)室發(fā)展提供了良好的擴(kuò)展接口。經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)踐運(yùn)行，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為廣大師生提供了一個(gè)綜合性的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

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Design and Application of Industrial Engineering Experimental Platform In the Background of "Internet +"

CAO Jian-hua，XIA Xu-hui，WANG Lei，GONG Yuan，LIU Xiang，ZHOU You-qing，LIU Chang-sheng

（Engineering Training Center，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan，Hubei 430081，China）

Abstract：As the lack of advanced technology，experimental content inherent relevance，systematic and comprehensive innovation of the Industrial Engineering Experiment at present，Internet of Things technology，information technology，service-oriented architecture technology are used to integrate various existing independent industrial engineering experiments resources in the Background of "Internet + ".A modern industrial engineering experimental platform is studied and established.The operation experiment of automatic warehouse，logistics and distribution management experiment，production control and operation experiment，human factors engineering experiments and other industrial engineering experiments are designed based on this platform.And the feasibility，superiority and intelligence are proved by the actual operating results of industrial Engineering experiment platform in Wuhan University of Science，which has guiding significance for Industrial Engineering Laboratory in colleges.

Key words：Internet+；industrial engineering；experimental platform；experimental design