互聯網+背景下工業工程實驗平臺設計與應用研究

曹建華+夏緒輝+王蕾+龔園+劉翔+周幼慶+劉長生

摘要：本文針對當前工業工程實驗存在技術先進性不足、實驗內容內在關聯性及系統性不足、綜合創新性不足等問題，在“互聯網+”背景下，運用物聯網技術、信息化技術、面向服務架構等技術，整合現有各個獨立的工業工程實驗資源，研究并開發了現代工業工程實驗平臺，以該平臺為基礎，設計了全自動立體倉庫操作實驗、物流配送管理實驗、生產控制與運作實驗、人因工程實驗、物料揀選等工業工程實驗，并以武漢科技大學工業工程實驗平臺的實際運行效果為例，對本文所設計的基于物聯網技術的工業工程實驗平臺可行性、優越性與智能性進行了驗證，對高校工業工程實驗室建設具有一定的指導意義。

關鍵詞：互聯網+；工業工程；實驗平臺；實驗設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）01-0253-03

一、引言

2015年李克強總理在《政府工作報告》中提出“互聯網+”，隨后《國務院關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》頒布，提出了通過互聯網探索新型教育服務供給方式，互聯網對社會轉型進步的推動引起了國家最高決策層的高度重視。[1]“互聯網+”，通俗來說就是“互聯網+各個傳統行業”，但并不是簡單地將兩者結合，而是利用互聯網平臺以及信息通信技術，使互聯網與其他傳統行業進行深度融合，帶來全新的產業變革。[2]

工業工程（Industrial Engineering）作為一門綜合性學科，具有很強的學科交叉性、應用性、實踐性，實驗教學是其教學過程中必不可少的環節。在經濟全球化和信息技術迅速發展的今天，高校利用現有技術和資源構建具有專業特色的工業工程實驗室、保證工業工程人才的培養質量就顯得尤為重要。自1992年國家教委批準西安交通大學和天津大學首批設立工業工程專業以來，[3]工業工程學科的發展非常迅速，國內已開設工業工程專業的高校都非常重視和支持實踐環節的教學，不斷加強設備投入和實驗室建設，[4]但由于資金、技術以及投入的階段性等原因，導致工業工程實驗室中存在多個“實驗孤島”、[5]實驗技術先進性不足、實驗內容內在關聯性及系統性不足、綜合創新性不足等問題。

本文針對當前工業工程實驗室存在的問題，在“互聯網+”背景下，充分利用物聯網技術、無線通信技術、自動化控制等先進技術，對現有實驗設備資源進行整合更新，構建現代化工業工程實驗平臺，使整個工業工程實驗室形成統一的系統，實現各孤立實驗的深度融合，并為后續新增實驗提供良好的擴展接口，為學校教師和學生提供了良好的實踐教學與創新學習平臺。

二、設計目的

通過對武漢科技大學工業工程實驗室現狀分析，在當前實驗室建設基礎上進行改進和完善，增加必要的設備，結合學校教學要求來規劃“互聯網+”背景下的工業工程實驗平臺設計方案，采用先進的物聯網技術、[6]自動化技術、網絡技術和實驗開設理念，將“工業工程”學科與“企業應用”兩方面在該系統中進行有機融合，理論教學與實踐教學相結合，讓學生更好地理解所學的知識，并培養其動手操作能力。該實驗平臺最終達到以下目的：

1.通過對實驗設備升級、改造與更新，實現現實世界與虛擬世界的互聯，以及對實驗資源的遠程訪問、監測與智能控制，有效地支持人機交互、人與物品之間的交互、人與人之間的社會性交互，實現傳統教學方式向系統性、生動性、開放性的創新型工業工程實踐教學方式轉變。

2.實現實驗教學的數字化、網絡化，不斷豐富和更新教學實驗內容，提高學生現代IE（IT+IE）技能，培養學生運用工業工程知識規劃、設計、分析、組織、優化、控制、決策和信息技術應用能力。

3.結合我校工業工程特色，設計一個面向工業工程專業的實驗平臺，豐富與完善我校工業工程實驗項目，后期還可根據需要增加新的模塊。

4.“互聯網+”背景下的工業工程實驗平臺設計，不僅能為學生提供實驗環境，也能為教師和研究生提供研究平臺，該實驗平臺對培養高等工程技術人才，形成專業特色具有重要作用。

三、平臺設計

物聯網技術與SOA技術作為信息化的新興領域，其飛速發展也給各高校建設突出工業工程專業特色實驗教學系統帶來了契機。如圖1所示，“互聯網+”背景下工業工程實驗平臺采用數據采集與硬件控制層、實驗過程跟蹤與整合層、實驗優化管理與決策分析層三層架構，通過物聯網技術實現對底層硬件的控制與數據采集，基于SOA、采用模塊化技術對各個獨立實驗進行集成。

1.數據采集與硬件控制層。數據采集與硬件控制層由一套現代化工業工程實驗設施組成，包含的硬件設備主要有：自動化立體庫、堆垛機、輥筒式輸送機、分揀設備、5自由度雕刻機器人、AGV小車、RFID標簽揀貨機、裝配生產線、RFID讀寫設備及標簽以及各種傳實驗感器等，通過PC-PLC系統對接，實現與上層控制系統的對接和實驗數據實時采集與監測，通過無線傳感技術、通信技術等將大量數據上傳至分布式服務器，為實驗過程、實驗分析與實驗管理提供最底層的硬件與數據支持。

2.實驗過程跟蹤與整合層。采用SOA架構，通過企業服務總線將各個實驗應用進行整合，實現各實驗子系統的信息連通。主要包括基于ERP系統的實驗子系統，如生產計劃與控制實驗、物料揀選實驗、生產線裝配實驗、倉儲實驗等；以及其他實驗，如人因工程實驗、運籌學實驗等。由于采用了面向服務的模塊化技術，具有良好的系統穩定性、集成性與擴展性。

3.實驗優化管理與決策分析層。通過底層數據采集和硬件控制層與高層管理信息系統的融合，對各子系統實驗數據進行集中分析處理，結合自動化、智能化與可視化技術，實現對實驗室的整體優化管理。該層根據使用對象的不同分為教師實驗管理模塊與學生實驗分析模塊。

四、實驗設計

結合武漢科技大學工業工程學科建設實際情況，基于本文設計的工業工程實驗平臺設計了基于ERP系統的實驗和其他類實驗。

1.基于ERP系統的實驗設計。該ERP系統是以面向訂單生產企業實際業務流程為基礎，通過工業工程方法優化后面向高校本科生、研究生所設計開發的一套實驗系統，主要包含訂單管理、生產管理、倉儲管理、運輸管理、財務管理等功能模塊，把復雜的生產管理以最直觀的方式展現在學生面前，將抽象、復雜的管理理念直觀化并讓學生參與其中，在生產企業運營的全過程中，體驗生產企業各個流程和各個部門之間的關系和職責，對生產管理有綜合的認識。如圖2所示，目前已成功運行的實驗有生產計劃與控制實驗、物料揀選實驗、生產線裝配實驗、自動化立體倉庫操作實驗、物流實驗等。下面對生產線裝配實驗進行詳細介紹。

裝配生產線設計示意圖如圖3所示，每個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品信息的RFID卡片，通過RFID讀寫器讀取該卡片，當前工位操作所需物料信息、操作步驟、以及注意事項均會詳細顯示在工位看板上，同時系統自動記錄開始操作時間，當操作結束并確認后，系統自動記錄結束時間并提交通過攝像頭記錄的操作工程視頻錄像，托盤自動進入下一工序。通過該實驗可以對每個產品在每個工位上的加工信息自動采集，實現生產線數據實時跟蹤和統一管理，并為后續流程程序分析、工時評價實驗、學習曲線實驗以及聯合操作分析、雙手操作分析、時間研究實驗、動素圖分析和影片分析實驗等工業工程基礎實驗提供基礎數據。

2.其他實驗設計。除ERP實驗系統，該工業工程實驗平臺還集成了人因工程相關實驗設備與控制系統，基于該平臺可以完成反應時間測定、耗氧量與心率關系測定、勞動強度與疲勞測定、照明和生產率關系的測定、微氣候測定、環境噪聲測量、環境照明測量、生理測量與作業設計、心理與認知測試、人體尺寸測量、人體感知特征和素質綜合測試系統實驗等。通過該平臺既可以實現實驗數據的數字化采集、自動記錄與可視化管理，方便后續學生的實驗分析，同時基于該數據，教師可以對學生試驗學習情況進行分析并不斷優化實驗設計，以獲得更好的教學效果。

五、結論

在“互聯網+”背景下，針對當前工業工程實驗存在的問題，通過開發面向工業工專業的ERP實驗系統將生產計劃與控制實驗、物料揀選實驗、生產線裝配實驗、自動化立體倉庫操作等實驗整合成一個完整的實驗體系，把復雜的生產管理以最直觀的方式展現在學生面前并讓學生真正參與其中，讓學生更真實地理解并運用所學的知識，同時運用面向服務的架構集成人因工程、運籌學等學科實驗，形成完整的工業工程實驗平臺，并為未來實驗室發展提供了良好的擴展接口。經過兩年的實踐運行，該實驗平臺為廣大師生提供了一個綜合性的學習、實驗、創新平臺。

參考文獻：

[1]馮智慧.“互聯網+”時代的教學創新—訪華南師范大學胡小勇教授[J].中小學信息技術教育，2015，（10）：11-14.

[2]姜艷玲，古岱月.“互聯網+”環境下微視頻實現創客學習研究[J].中國電化教育，2016，（353）：71-76.

[3]陳杰.工業工程本科教學實驗體系研究[J].實驗室研究與探索，2004，25（3）：9-11.

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