智能制造應用型人才培養的實踐與思考

鄧三鵬，韓 浩，張香玲，祁宇明

（1.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222；2.天津博諾智創機器人技術有限公司，天津300353）

0 引言

新一輪科技革命和產業變革蓬勃興起，全球范圍內創新資源快速流動，產業格局深度調整，世界各國紛紛將發展制造業作為搶占未來競爭制高點的重要戰略，把人才作為實施制造業發展戰略的重要支撐，加大人力資本投資，改革創新教育與培訓體系。我國制造業迎來了“由大變強”的難得機遇，制造業發展面臨著資源環境約束不斷強化、人口紅利逐漸消失等多重因素的影響，人才是第一資源的重要性更加凸顯。《中國制造2025》第一次從國家戰略層面描繪建設制造強國的宏偉藍圖，并把人才作為建設制造強國的根本，對人才發展提出了新的更高要求。本文探討了全球制造業發展趨勢，智能制造相關專業的發展，結合天津職業技術師范大學機器人工程、智能制造工程專業建設的實踐，探討了智能制造應用型人才培養的思考。

1 制造業現狀及發展趨勢

1.1 全球面臨制造模式變革

如圖1所示，全球制造業面臨著勞動力短缺、產能過剩等問題，發達國家都在研究、謀劃、部署，對高端制造業布局，以打造國家競爭新優勢，搶占新一輪發展制高點。

圖1 全球面臨制造模式變革

（1）美國的“制造創新網絡”戰略

國際金融危機爆發之后，時任美國總統奧巴馬呼吁要“重新回歸制造業”，通過快速發展人工智能、機器人和數字制造技術，重構制造業的競爭格局，實現制造模式變革。2012年啟動美國國家制造創新網絡（NNMI）戰略計劃，并于2013年發布機器人發展路線圖，機器人被列為美國實現制造業變革、促進經濟發展的核心技術。

（2）歐盟的“新工業革命”戰略

2012年，歐盟委員會提出“新工業革命”理念，強調技術創新與結構改革，更有效和可持續地利用資源，同時大力推進新的生產方式，包括機器人、數字技術等新興產業。2013年，德國提出“工業4.0”戰略，旨在提升制造業的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及人因工程學的智慧工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶及商業伙伴。

（3）日本的“產業復興”計劃

2013年，日本推出的《日本復興戰略》提出了“日本產業復興計劃”、“戰略市場創造計劃”以及“國際拓展戰略”，強調了制度改革和科學技術創新在日本經濟再生中的關鍵作用，重申了要強化日本綜合科學技術會議作為科技創新總司令部的職能，推出了推動跨部門的戰略性創新項目等重要措施，將機器人產業作為“新產業發展戰略”中7大重點扶持的產業之一，把機器人作為經濟增長戰略的重要支柱。

（4）韓國的“智能機器人基本計劃”

2009年，韓國制定了“智能機器人基本計劃”，并于2012年10月發布了“機器人未來戰略展望2022”，指明了機器人未來的發展方向。

（5）中國的“中國制造2025”規劃

2015年5月，國務院公布了《中國制造2025》規劃，是中國政府實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領，規劃提出，堅持“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針，堅持“市場主導、政府引導，立足當前、著眼長遠，整體推進、重點突破，自主發展、開放合作”的基本原則，通過“三步走”實現制造強國的戰略目標：第一步，到2025年邁入制造強國行列：第二步，到2035年中國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平；第三步，到新中國成立一百年時，綜合實力進入世界制造強國前列。其具體內涵如圖2所示。

圖2 中國制造2025的具體內涵

1.2 世界制造中心的演變

伴隨世界制造業的發展，在不同的階段形成了四大世界級制造中心，如圖3所示。目前，中國已經成為全球第二大經濟體，極可能成為第五個世界制造中心。

圖3 在不同的階段形成了四大世界級制造中心

1.3 中國制造模式及其困境

改革開放40多年來，科技進步在制造領域發揮了重要作用，“人口紅利”與“政策紅利”相輔相成，顯著提高了“中國制造”產品的市場競爭力。

第六次人口普查顯示：老齡化人口占整個人口比重為8.9%，人口在2015年處于劉易斯拐點，到2050年時老齡人口將占到30%（這是絕對的人工荒）；中國勞動力成本持續增長，人口紅利消失（已成為亞洲新興國家中人力成本最高的國家），中國勞動力出現結構性短缺，老齡化少子化嚴重，人海戰術難以為繼，60歲達 2.12億/占到 15.5%、65歲達 1.38億/10.1%，勞動力每年減少500萬左右；90后的勞動觀念發生轉變，將迫使低端制造業離開中國流向更低勞動力成本國家。圖4所示為聯合國秘書處2010年公布的1980～2050年，世界總人口和勞動力的情況及預測。

中國有很多制造企業尚處于產業鏈中低附加值的階段。例如富士康公司給蘋果代工生產iphone，如圖5所示，其所分到的利潤不足2%。

圖52010 年iphone產品的利潤分配格局

中國制造模式面臨著三大困境：①勞動力結構性短缺，人口紅利到期，勞動力效率低，僅為美國的1/10；②高成本、低附加值；③單位GDP耗能高：8倍于日本、4倍于美國、2倍于韓國，資源環境無以為繼。中國制造模式難以持續，急需轉型。

1.4 全球制造業發展趨勢

機器人改變了生產方式，帶來了制造業模式的變革。新一輪工業革命呼喚著機器人發展，勞動力成本不斷上升加速機器人需求，新技術進步提升機器人性能，客戶化定制依賴于機器人制造。

全球制造業發展三項關鍵技術：

生產方式：數字化制造；

生產決策：人工智能；

生產工具：智能機器人。

2 智能制造相關專業的發展

2.1 新工科專業建設

為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略。2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。與傳統的工程教育相比較，新工科建設更加注重與產業對接，更加注重學科交叉，更加注重創新創業育人體系建設，更加注重以學生為中心，更加注重開闊視野。隨后許多本科院校相繼本科院校開設了機器人工程、智能制造工程、智能科學與技術、物聯網工程、智能電網信息工程等智能制造類新工科專業。如圖6所示，以機器人工程專業為例，新工科專業發展迅速，至2019年，教育部正式備案的機器人工程本科專業達到186所。

圖6 新工科專業機器人工程開設情況

2.2 新職教專業建設

工業機器人作為高端制造業中不可替代的重要裝備和手段，已成為衡量一個國家制造業水平和科技水平的重要標志。目前我國正處于加快轉型升級的重要時期，以工業機器人為主體的機器人產業，正是破解我國產業成本上升、環境制約問題的重要路徑選擇。中國工業機器人市場近年來持續表現強勁，市場容量不斷擴大。產業的發展急需大量高素質高級技能型專門人才，人才短缺已經成為產業發展的瓶頸。為適應企業對技能型人才的需求，職業本科、高職高專院校開設了工業機器人技術、智能控制技術、工業網絡技術等智能制造類新職教專業，中等職業學校開設了“工業機器人技術應用”專業，進行智能制造緊缺人才的培養，如圖7所示，以高職高專工業機器人技術專業的開設情況為例，專業發展迅速。

圖7 高職高專工業機器人技術專業開設情況

3 智能制造應用型人才培養的實踐與思考

2010年，天津職業技術師范大學機電工程系在機電技術教育專業增設了機器人方向，2018年獲批機器人工程專業，2019年獲批智能制造工程專業，積極進行智能制造緊缺職教師資和高級專門應用人才的培養。在教學模式，實踐教學體系建設，特色教材開發和職教師資培養等方面形成了特色。

3.1 產業對人才的需求

（1）國家相關政策規劃

為深入實施《中國制造2025》，2016年12月，教育部、人力資源和社會保障部等部門共同編制了《制造業人才發展規劃指南》。接下來國家又頒布了一系列相關文件：《增強制造業核心競爭力三年行動計劃（2018-2020年）》、《機器人產業發展規劃（2016－2020年）》、《中國制造2025》重點領域技術路線圖、《國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見》、《國務院關于印發國家職業教育改革實施方案的通知》、《關于實施中國特色高水平高職學校和專業建設計劃的意見》等。

（2）我國機器人產業對人才的需求狀況

受勞動力結構性短缺、勞動力成本迅速上升及全球制造業模式變革的影響，機器人換人方案成為各行業的首選，造成整個社會對工業機器人的需求出現井噴現象，無論是在數量上，還是在技術結構上，在研發、制造、集成、安裝、調試、維修、銷售、服務等方面都對人才提出了新的要求。從機器人制造商需要的研發工程師和技術支持工程師、系統集成商需求的系統集成工程師和售前售后技術支持工程師，到機器人應用需要的運維工程師，都彰顯出機器人產業對人才的大量而迫切的需求。工業機器人應用人才崗位分布及能力要求如圖8所示。

圖8 工業機器人應用人才崗位分布及能力要求

3.2 深化教學模式改革，創新實踐教學體系

針對企業的需求，更加注重培養學生創新精神和實踐能力為主線，堅持理論、設計、實驗、實訓“四位一體”教學模式，如圖9所示；充分調研，以產業需求為導向；堅持機電融合。形成理論與實踐融合、機與電融合、技能與工程融合、校與企融合的“四融合”教學特色。實施并完善“三層次、五階段”實踐教學體系，在工程實踐教學階段，分基礎層、核心層和拓展層實施教學，培養職業能力和工程能力。①通過職業基本技能訓練和工業系統認識實習，培養職業基本技能和工程概念認知；②通過高新、復合技能訓練，培養相應工種職業技能和職業素質及應用能力和工程意識；③通過創新實踐活動，培養解決生產實際問題能力和創新實踐能力。如圖10所示。

圖9 “四位一體”教學模式

基于“三層次、五階段”實踐教學體系，構建了機器人技術基礎、仿真、應用編程和智能制造四大實驗實訓室，建設了工業機器人“理、虛、實”一體化實驗實訓中心，以學校模擬現場工程環境與企業實際項目相融合的模式，注重專業理論學習與技能訓練的結合，將職業技能等級考核與實訓教學相結合，開發特色實訓教學環節，將實踐能力培養貫穿于整個人才的培養過程中。

3.2.1 基礎實訓

基礎實訓室能對智能制造領域的學生進行基礎性、系統性的基礎知識實訓，配備全開放的教學機器人平臺，學習工業機器人技術基礎知識，掌握機器人典型機械結構，控制架構和軟件操作方法，支撐工業機器人技術基礎核心課程。配備了機器人用RV/諧波減速器拆裝實訓裝置，機械手拆裝實訓裝置，直角坐標機器人綜合實訓系統，AGV，并聯機器人，工業機器人裝調與維修實訓系統（如圖11所示）等，其中BNRT-BRICS-RBT3型工業機器人裝調與維修實訓系統緊貼國家工業機器人相關職業技能等級考核標準研發，針對工業機器人的應用和維修工作，以搬運、涂膠、裝配等典型應用為背景，融合了機械安裝、電氣接線、氣壓驅動、PLC控制、人機交互、標定和校準等應用技術，涵蓋了工業機器人工作站在安裝、調試、編程、運維、標定和校準過程中的技能內容，涵蓋知識點全面，配套資源豐富，適合實訓教學、競賽訓練和1+X職業技能等級考核等。

圖11 工業機器人裝調與維修實訓系統

3.2.2 仿真實訓

配備純仿真軟件，半實物仿真和實物驗證系統來學習機器人基礎，模擬操作機器人、搭建典型工作站和生產線等，通過仿真學習，降低了教學成本，提高了安全性，豐富了教學內容。針對教學的需要，天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所聯合天津博諾機器人技術有限公司進行技術攻關，成功開發了一款功能強大的智能制造生產線仿真軟件—IRobotSIM及工業機器人模擬訓練機等產品，IRobot－SIM軟件豐富的3D設備庫如圖12所示。

圖12 IRobotSIM軟件豐富的3D設備庫

（1）IRobotSIM智能制造生產線仿真軟件：IRobot－SIM軟件在虛擬環境中對機器人、制造過程進行仿真，真實地模擬生產線的運動和節拍，實現智能制造生產線的分析與規劃，具有豐富的3D設備庫，支持用戶模型導入和定制、物理、傳感器仿真，機器人離線編程，便捷的拖曳操作，大場景的優秀仿真效果，強大API和數字孿生開發功能等，降低安全風險，節約了經費，提升了效率。

（2）工業機器人模擬訓練機如圖13所示，采用真實的控制系統和手持示教器控制虛擬的工業機器人完成現場示教編程教學。通過更換手持示教器和工業機器人模型能夠對ABB、KUKA、FANUC、安川等多種品牌工業機器人進行真實示教編程訓練。提供針對不同行業應用的工藝包，如碼垛、搬運、裝配、分揀、機床上下料、焊接、打磨、噴涂等。

圖13 工業機器人模擬訓練機

3.2.3 應用編程實訓

應用編程實訓室配備各種典型的工業機器人工作站和作業工具學習工業機器人系統，熟練掌握工業機器人及工作站的編程操作，主要支撐機工業器人編程操作、工業機器人現場編程、工業機器人技術及應用等核心課程。配備了工業機器人虛實一體實訓系統，工業機器人綜合應用實訓系統，工業機器人搬運、雕刻、分揀、焊接、協作等應用工作站。

（1）工業機器人虛實一體實訓系統如圖14所示，由PLC控制器、輸送線、供料系統、倉儲模塊、分揀系統、裝配系統、6軸工業機器人、仿真軟件等組成。基于IRobotSIM仿真軟件強大的數字孿生功能開發，實現了硬件和軟件的實時同步聯動。分揀系統可實現對金屬、顏色等多種物料進行分揀；采用西門子SIMATIC S7-1200/1500，完成工件的出庫、運輸、分揀、搬運、裝配、入庫，實時再現工業生產流程控制。

圖14 工業機器人虛實一體實訓系統

（2）工業機器人綜合應用實訓系統如圖15所示，能夠再現工業領域搬運、碼垛、上下料、裝配、焊接、拋光、噴涂、繪圖、循跡、視覺檢測等典型應用，可滿足汽車制造、機械加工、物流等行業對工業機器人編程與操作訓練需求；開放性好、與工業實際應用融合度高、可操作性強；涉及的技術包括：工業機器人編程、PLC控制、視覺處理、人機交互、傳感器檢測、機械結構與系統裝調、智能倉儲等。涵蓋知識點全面，配套資源豐富，適合實訓教學、競賽訓練和1+X職業技能等級考核等。

圖15 工業機器人綜合應用實訓系統

3.2.4 智能制造生產線實訓

配置典型多工業機器人工作站及常用外圍設備學習工業機器人系統集成技術、掌握智能生產線管理、PLC主控、總線與網絡通信，人機交互（HIMI）、作業流程優化MES核心技術，提高大系統掌控能力，主要針對工業機器人系統集成，工業機器人應用綜合實訓，智能生產線運營與調試等核心課程。如圖16所示。

圖16 智能制造生產線實訓系統

3.3 以“項目驅動、工作過程”為導向開發特色教材

圍繞機器人實際應用，以工作任務為依據，以真實的工作任務為載體，設計項目模塊，以工作過程為導向，做到知識學習與技能訓練融合，實現“教、學、做”一體化，出版“十三五”智能制造高級應用型人才培養規劃系列教材，例如《ABB工業機器人編程與操作》《移動機器人技術應用》《工業機器人系統集成技術》《工業機器人裝調維修技術》等。

3.4 職教師資的培養

2010年開始，按照“四模塊六能力”模式培養機器人職教師資：四模塊六能力具體為：（1）師范訓練模塊，用于培養①教師基本技能；（2）實習實訓模塊，培養②初步工程能力、③較高職業技能；（3）實驗設計模塊，培養④設計開發能力、⑤基本實驗能力；（4）科技活動模塊，培養⑥實踐創新能力。2018年機電技術教育（機器人方向）更名為機器人工程，進行更加深入的機器人職教師資培養的探索。開展了多場智能制造專業建設研討會和多期智能制造師資研修班，著力提升智能制造職教師資的能力。2018年，“智能制造領域緊缺職教師資人才培養模式的探索與實踐”榮獲天津市第八屆高等教育天津市級教學成果一等獎。

4 結束語

新一輪科技革命和產業變革蓬勃興起，產業格局深度調整，我國制造業迎來“由大變強”的難得機遇，人才緊缺成為產業轉型升級的瓶頸，本文首先分析了全球制造業發展趨勢，智能制造相關專業的發展，結合天津職業技術師范大學機器人工程、智能制造工程專業建設的實踐，探討了智能制造應用型人才培養教學理念、實驗實訓室建設、師資培養等多個方面，智能制造內涵豐富，還需要不斷的探索、實踐創新，期望能給智能制造應用型人才培養帶來一定的借鑒。