模塊化柔性制造綜合實訓教學管理系統開發

張貴軍, 陳 安, 王 文, 吳 浪, 李章維

(浙江工業大學 信息工程學院, 浙江 杭州 310014)

模塊化柔性制造綜合實訓教學管理系統開發

張貴軍, 陳 安, 王 文, 吳 浪, 李章維

(浙江工業大學 信息工程學院, 浙江 杭州 310014)

在模塊化柔性制造實訓平臺的基礎上,開發了一種模塊化柔性制造綜合實訓教學管理系統。系統包括教師、學生和實時監控等3個模塊,滿足教師和學生對實訓平臺操作的需求,實現了平臺設備數據實時采集功能。測試和運行結果表明,系統能夠有效地推動實驗教學內容和教學方法的改革。

模塊化柔性制造； 實訓平臺； 實驗教學； 信息管理系統

教學管理系統是高校管理系統的重要組成部分[1]。教學管理系統極大地提高了管理的便捷性并降低人為因素對信息管理的影響[2]。柔性制造技術是一種可以迅速響應需求并調整產品的制造技術,模塊化柔性制造綜合實訓系統是適應加工對象變換的自動化機械制造實訓系統,它具有綜合性、系統性以及模塊化等特點。通過該實訓系統,能夠讓學生了解機械制造系統的基本組成和基本原理,為學生提供一個開放、創新和易參與的實踐平臺,幫助學生掌握機電一體化技術的應用[3-6]。筆者為模塊化柔性制造綜合實訓系統開發的教學管理系統主要包括教師模塊、學生模塊和實時監控模塊。該教學管理系統摒棄了傳統實驗教學中任務布置、作業批改等比較繁瑣的事項[7],解決了教學管理中數據命令傳輸滯后、效率低和擴展性差的問題[8-9],能夠針對不同的實際情況和實驗要求制定相應的教學任務,有效地提高了教學管理效率并使教學資源得到充分利用。

1 系統總體設計

1.1 系統框架設計

模塊化柔性制造綜合實訓教學管理系統采用3層架構設計,3層架構將前端Web頁面與數據分開處理,均衡了系統前端和后臺邏輯業務處理的壓力,保證了系統的性能。系統框架分為表現層、邏輯服務層和數據層(見圖1)。

圖1 系統架構圖

數據層基于現場設備的實時數據和操作數據。當學生進行實驗時,現場設備通過OPC采集數據后,通過socket傳輸到后端服務器中,在邏輯服務層和表現層之間通過HTML5提供的全雙工通信網絡協議WebSocket完成Web端的即時通信,實現監控頁面的數據實時更新[10]。系統通過PostgreSQL存儲與管理數據,如教師上傳的資料信息、學生上傳作業信息、發布教學大綱信息等。

邏輯服務層主要用來連接數據層和前臺表現層。它封裝了實際的業務邏輯,包括數據驗證、事務處理、權限處理等業務操作。

表現層由UI和UI控制邏輯組成,主要用來與用戶進行交互。其中UI負責從Web瀏覽器向服務器提出服務請求,通過UI控制邏輯來處理用戶界面和業務層之間的數據交換。表現層主要由教學大綱、教學管理、作業批改、實時監控等構成。

1.2 數據庫表設計

系統采用PostgreSQL實現數據庫設計。與PostgreSQL配合的開源軟件有很多。比起MySQL,PostgreSQL更容易實現讀寫分離、負載平衡、數據水平拆分等功能[11-12]。

本系統的數據表包括教師數據表、學生數據表、教學日歷表、文獻資料表、作業信息表等，表與表之間的關系如圖2所示。

圖2 關系表

2 系統功能設計

根據模塊化柔性制造綜合實訓和教學管理的實際需求,設計了教師模塊、學生模塊和實時監控模塊。

2.1 教師模塊

教師模塊是整個教學管理系統的關鍵,從實驗開始到實驗結束都起到至關重要的作用。教師模塊包括教學大綱、作業管理、作業批改、文獻資料和教學日歷5個子模塊。

教學安排關系著實驗的進度,教師在教學日歷一欄中需要選擇相應的課程來查看教學計劃,能夠很好地將不同的課程區分開。教學大綱子模塊能夠很好地幫助教師發布任務,方便學生了解實驗內容、提高實驗效率。作業管理子模塊和作業批改子模塊的作用是促進教師與學生之間的交流。作業管理子模塊包括作業布置、內容備注和時間提醒；作業批改子模塊包括在線批改和作業點評。在作業批改子模塊,教師能了解學生上交作業的情況,能夠下載學生所上傳的作業,可以及時把學生作業批改情況和評分結果反饋給學生。文獻資料子模塊可以為學生提供實驗所需資料的下載和資源鏈接,在實驗的同時還能擴展學生的課外知識。

2.2 學生模塊

學生模塊是模塊化柔性制造綜合實訓教學管理系統的重要組成部分。學生模塊中包括教學大綱、作業上傳、文獻資料3個子模塊。在教學大綱模塊中,學生可以下載教師上傳的教學任務,了解實驗內容,做好預習工作,有助于提高實驗效率；作業上傳模塊允許學生在做完實驗后上傳教師布置的作業,查看教師對自己作業的批改和評分情況；文獻資料模塊能夠讓學生下載實驗中用到的資料,及時補充所需的知識。

2.3 實時監控

實驗過程中,學生通過操作面板或觸摸屏操作設備,設備的運行數據則會被OPC采集并通過WebSocket實時傳輸到系統中,學生便可以根據實時數據來判斷實驗操作是否正確,這樣能夠更好地提高實驗效率。教師也可查看學生操作設備后的數據信息,及時糾正學生的不當操作。圖3所示為運行狀態下的實驗進程,學生可以通過顯示的進程了解實驗操作時設備運行數據的變化情況。

圖3 實驗進程信息圖

3 系統實現

模塊化柔性制造綜合實訓教學管理系統基于B/S模式和AngularJS+SSH+PostgreSQL開源框架開發,采用Java開發語言編程并結合Apache Tomcat7.0和Nginx的Web服務平臺。另外,采用C++語言,基于OPC通信技術實現了現場設備數據的實時采集。圖4為系統的功能實現流程圖。

圖4 系統流程

在實訓教學開課前,教師需要制訂教學計劃,內容包括教學時間、教學地點等；在實驗開始前,教師需要登錄系統,并且在教學大綱一欄中上傳教學資料；學生登錄系統后可以查看教學大綱,可以下載相關文獻資料；實驗時,教師可以通過系統顯示的設備信息對學生實訓過程進行指導。實驗結束后,教師可以通過作業管理模塊布置課后作業；學生可通過系統上傳完成的作業。

模塊化柔性制造綜合實訓教學管理系統使教師和學生能夠很好地溝通和交流,提高了教學質量和教學效率。教師能夠清晰地了解學生的實驗、作業情況和資料下載情況,學生也能夠第一時間得到教師的反饋,

4 結語

模塊化柔性制造綜合實訓教學管理系統,采用了AngularJS和SSH框架技術。AngularJS中的指令、路由等功能讓整個系統更簡單、更具層次性；SSH框架的使用可以有效提高系統的可伸縮性和穩定性；OPC數據采集技術讓整個實驗過程變得高效、系統更加靈活。系統的實現能讓整個實訓過程具有整體性,從實訓任務的發布到實施再到實訓作業的提交和批改,不僅教師可以更好地了解學生的實訓狀況,學生與教師的互動交流也進一步提高了實訓教學的質量。

References)

[1] 魏偉,胡瑋.高校實驗教學管理系統的創新與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(11):130-132.

[2] 王巖,徐金榮,高珍,等.實驗教學信息管理系統的開發與探索[J].實驗技術與管理,2010,27(2):82-85.

[3] 孫玉華,賈殿濤.模塊化柔性制造在現代職業技術教育中的應用[J].職業技術教育,2003,24(10):35-37.

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[5] 顧佳超,程茗,徐恒斌.制造系統模塊化設計方法和研究[J].機械工程師,2015(15):160-161.

[6] 王偉,王殿君,申愛明,等.柔性制造系統在機電一體化專業綜合訓練中的應用[J].安徽師范大學學報,2010,33(6):554-557.

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[8] 王文成,牛秦洲.基于OPC技術的實時監控系統的設計與實現[J].桂林工學院學報,2006,26(2):291-294.

[9] 劉承倩.基于OPC技術的工業實時監控系統[J].自動化應用,2012(7):49-51.

[10] 李代立,陳榕.WebSocket在Web實時通信領域的研究[J].電腦知識與技術,2010,6(28):7923-7925,7935.

[11] 劉鑫.MySQL與PostgreSQL的對比選擇[J].沈陽工程學院學報,2011,7(2):171-173.

[12] 薩師煊,王珊.數據庫系統概論[M].北京:高等教育出版社,1991.

Development on comprehensive practical teaching management system for modular flexible manufacturing

Zhang Guijun, Chen An, Wang Wen, Wu Lang, Li Zhangwei

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

On the basis of the practical training platform for the modular flexible manufacturing, a comprehensive practical teaching management system for the modular flexible manufacturing is developed. This system includes three modules of the teachers, students and real-time monitoring, which meets the needs of the teachers and students for the operation of the practical training platform, and realizes the function of the real-time data acquisition for the platform equipment. The test and operation results show that this system can effectively promote the reform of the experimental teaching contents and methods.

modular flexible manufacturing; practical training platform; experimental teaching; information management system

2017-06-23

國家自然科學基金項目(61573317)；浙江工業大學研究生核心課程建設項目(2015015)；浙江工業大學研究生教學改革項目(2016115)；國際化專業建設項目(電氣工程及其自動化)

張貴軍(1974—),男,山西陽泉,博士,教授,主要研究方向為智能信息處理、制造執行系統.

E-mail：zgj@zjut.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.038

G434

A

1002-4956(2017)12-0161-03