工業智能化背景下高校虛擬智慧實驗室的構建

摘要：通過探索校企深度合作機制，基于渦北選煤廠等工礦企業一線數據構建虛擬智慧實驗室，實現對煤炭分選流程的場景模擬、對分選設備運維問題的智能識別以及對煤炭分選效果的優化。實踐證明，實驗室的構建不僅提升了工業生產一線數據的教學價值，還豐富了校企聯動和產學研合作的實踐內涵。

關鍵詞：工業智能；高校；智慧實驗室

中圖分類號：G642.2文獻標識碼：A文章編號：1009-3583（2024）-0144-05

Construction of Virtual Smart Laboratories In UniversitiesUnder the Background of Industrial Intelligence

——Taking Anhui University of Science and Technology as an Example

LIU Hai-zeng，ZHENG Gang-feng，QIU Yi-bing，WANG Chuan-zhen，LYU Wen-bao

（School of Materials Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232000，China）

Abstract：Through exploring the mechanism of deep cooperation between schools and enterprises，a virtual smart laboratory based on the frontline data of industrial and mining enterprises such as the Guo Bei Coal Preparation Plant has been constructed.This laboratory achieves scene simulation of coal sorting process，intelligent identification of operation and maintenance issues of sorting equipment，and optimization of coal sorting effects.Practice has proven that the construction of the laboratory not only enhances the teaching value of frontline data in industrial production but also enriches the practical connotation of school-enterprise linkage and industry-university research cooperation.

keywords：industrialintelligence;universities;smart laboratory

當前，工業智能化通過信息技術與自動化技術的融合，引領工業生產邁向一個智能化、自動化和信息化的新時代。在此背景下，一線工廠積累了大量的數據資源，這些多維度、高頻率、長時序的結構化數據，詳細記錄了產品屬性、生產階段和設備狀態等關鍵信息，但由于目前缺乏成熟的數據合作體系，這些數據的潛在價值在工科教研活動中尚未得到充分發揮。它們往往僅被用于滿足規范性審查的格式化存儲，或在生產過程中不斷更新覆蓋，未能充分轉化為教育和科研的寶貴資源。針對這一挑戰，安徽理工大學的礦物分選智能測控科技創新團隊攜手渦北選煤廠以及安徽容知日新科技股份有限公司，共同打造了“全生命周期智能診斷虛擬智慧實驗室”。該實驗室不僅成功模擬了煤炭分選流程，實現了設備運維問題的智能識別和分選效果的優化，更探索出一條創新路徑，將生產實踐與教研活動相互賦能，相互促進，為新工科建設提供了有力的實踐案例和推廣價值。

一、國內外虛擬實驗室研究狀況

隨著信息技術的發展，人工智能、大數據、云計算等技術在制造業中廣泛應用，推動了工業智能化的發展，使生產過程更加智能、高效和靈活，虛擬實驗室也應運而生。虛擬實驗室被廣泛應用于物理學、化學、生物學、環境科學和工程學等領域，為研究者提供了無需實際操作硬件設備的實驗平臺，降低了成本并提高了研究效率。2021年，我國發布了《“十四五”智能制造發展規劃》，明確了智能制造的發展目標和任務，推動制造業的數字化、網絡化和智能化轉型[1]。2022年發布了《“十四五”信息化和工業化深度融合發展規劃》，進一步深化了信息化與工業化在更廣范圍、更深程度、更高水平上實現融合發展的具體措施，推動制造業數字化轉型[2]。

國內關于虛擬實驗室的研究主要分為兩大類：一是關于虛擬實驗室的類型、構建、設計、教學應用及發展趨勢等理論方面的研究。如劉筱蘭等介紹了虛擬實驗室的不同類型、功能及特點，并對虛擬實驗室的未來發展趨勢作出設想[3]；劉蘋蘋等梳理了我國虛擬實驗室的發展歷程，分析了虛擬實驗室在教育領域的應用，并對其評價指標提出建議[4]；二是關于虛擬實驗室在工業、教育、醫學、科學、國防軍事、企業及國家重點實驗室等實踐應用。在工業輔助設計和產品測試中，虛擬實驗室通過模擬實驗優化設計流程，減少實體原型的需求，從而降低生產成本。在教育領域方面的應用，有nobook虛擬實驗室為初高中課程提供所需的實驗，北京大學地球科學虛擬仿真實驗教學中心提供多層次、多方法的虛擬仿真實驗教學平臺以及中南大學虛擬實驗平臺對計算機、通信、信息安全等專業課程設計虛擬實驗室系統，為課程設計和教學改革提供新的路徑[5]；在物理學、化學、生物學等科學領域的研究應用，如北京航空航天大學虛擬現實新技術國家重點實驗室重點研究虛擬人合成和虛擬環境交互技術；騰訊AI Lab實驗室專注于人臉識別、語音識別等領域的研究，華為聯合徠卡建立的麥克斯·別雷克創新實驗室在光學系統、計算成像、VR和AR領域的研發等等。可以說，虛擬實驗室為不同學科的教學和研究提供了創新的工具和方法，增強了學習的互動性和實踐性，同時也為實踐應用提供了更安全、經濟和高效的解決方案。

美國虛擬實驗室在不同領域里的應用也比較廣泛，如斯坦福大學布局金融投資虛擬仿真實驗室，設置行業標準應用程序，配備了先進的工作站，模擬交易大廳實況，增強學生的沉浸感；加州大學伯克利分校建立了用于信息物理系統教學的虛擬仿真實驗室，支持學生在虛擬環境中進行機器人仿真、編程開發和硬件控制，同時實現了自動評分功能[6]。此外，許多國際實驗室致力于虛擬現實技術的研究與創新，例如谷歌的Daydream Labs專注于VR體驗的提升，探索硬件和應用領域；德國波鴻魯爾大學的網絡虛擬實驗室，提供控制工程的學習系統，通過虛擬現實技術模擬實驗場景。

二、建設虛擬智慧實驗室面臨的困境

隨著科學技術的發展，與云計算、大數據、人工智能等前沿技術的融合，虛擬實驗室向更真實、更精準的模擬效果、智能化發展，促進不同學科領域之間的融合與創新，尤其是在教育領域方面，為傳統教育模式帶來創新和變革。建設虛擬智慧實驗室在推動教育信息化和提升實踐教學質量方面具有重要意義，但在實際建設和應用過程中也面臨一些困境和挑戰。

首先，資金和資源投入不足是制約高校虛擬智慧實驗室發展的主要瓶頸。虛擬智慧實驗室不僅需要昂貴的硬件設備，如高性能計算機、虛擬現實頭盔和交互設備，還需要不斷更新的軟件系統和技術支持，這些都需要大量的資金投入。另外，隨著技術的快速發展，設備的更新換代和軟件的升級也變得日益頻繁，進一步增加了資金的需求。但在實際過程中，許多高校在資金分配上往往優先考慮傳統的教學和科研領域，導致虛擬智慧實驗室的建設得不到足夠的重視和支持。這種資金和資源的不足不僅限制了實驗室的硬件設施建設，也影響了實驗室的軟件資源和教學內容的更新，進而影響了虛擬智慧實驗室的教學效果和科研能力。

其次，技術更新和維護也是高校虛擬智慧實驗室面臨的一個重要挑戰。隨著信息技術的快速發展，虛擬實驗室的硬件設備和軟件系統需要不斷升級以保持其先進性和有效性。然而，持續的技術更新需要大量的資金和人力資源，這對于許多高校來說是一個不小的負擔。一方面，高端的虛擬現實設備、高性能計算機和先進的傳感器等硬件設備價格昂貴，且更新換代速度快，高校需要不斷投入資金進行更新。另一方面，軟件系統的升級和維護也需要專業的技術人員進行支持，這不僅涉及技術問題，還涉及培訓和人員管理等多方面的問題。此外，虛擬實驗室的網絡安全和數據保護也是一個不容忽視的問題，需要投入額外的資源進行保障。如筆者所在的實驗室，無論是對一線生產的仿真模擬，還是基于經驗數據的理論探索，都對數據有著嚴格要求，需要針對性布置傳感器等終端設備，這需要第三方提供設備與技術支持。

最后，師資力量薄弱也是高校虛擬智慧實驗室建設的一個亟待解決的問題。作為一種新興的教學和科研平臺，虛擬智慧實驗室需要具備相關技術知識和教學經驗的專業教師來進行管理、運用和維護。目前，部分高校在這方面的師資力量相對不足，難以滿足虛擬實驗室的教學和科研需求。一方面，虛擬實驗室涉及的技術領域廣泛，包括虛擬現實、增強現實、人工智能等，需要教師具備跨學科的知識背景和技能。另一方面，虛擬實驗室的教學方法和課程設計與傳統實驗室有所不同，需要教師不斷探索和創新。

除了上述主要問題外，虛擬智慧實驗室的設施利用率低、安全管理和隱私保護重視不夠，來自學校或教育管理部門的明確政策支持和激勵機制不完善等方面，也是當前高校虛擬智慧實驗室建設中亟須解決的問題。

三、虛擬智慧實驗室的構建策略

（一）三方聯動：校企合作與數據共享

三方聯動指的是高校、企業和政府三方共同參與，為虛擬智慧實驗室的建設和發展提供了新的動力和方向。高校作為人才培養和知識創新的基地，企業作為技術應用和市場需求的主體，政府作為政策引導和資源整合的協調者，三者之間的緊密合作能夠實現資源共享、優勢互補。根據筆者及團隊的經驗，解決虛擬智慧實驗室構建難題的關鍵，在于一線工廠、技術公司和高校教研團隊之間的聯動。其中，一線工廠提供數據，技術公司提供終端設備和平臺運維技術，高校教研團隊則負責數據的教研應用和工程分析，形成新的“三方聯動”模式，實現虛擬智慧實驗室的搭建、運行與價值轉化。

數據共享是“三方聯動”模式中的關鍵一環，通過建立統一的數據共享平臺，團隊、企業可以高效地交換和利用數據資源，促進知識傳播和技術交流。這不僅能提高教學和科研的效率，還可以為企業的市場決策提供數據支持。在安徽理工大學礦物分選虛擬智慧實驗室的構建中，特別注重數據的保護，主要措施如下：首先，教研團隊和技術公司直接參與一線工廠的數字化改造，使用技術公司的傳感器，并在教研團隊主導下協商數據傳輸規范和標準；其次，通過技術公司提供的傳感器，一線工廠的生產數據實時上傳至工廠內部局域網，向教研團隊開放接入端口，工廠對端口傳輸內容有著選擇權和控制權。這樣既避免了技術公司通過傳感器截取生產信息的風險，也保留了工廠對教研團隊共享數據的自主權。在此措施下，技術公司拓展了終端設備市場和平臺運維空間、教研團隊實現了一線數據的教學應用與科研轉化，而教研團隊的科學研究也反哺了工廠的效率提高與工藝優化，實現校企互利共贏。

（二）智能管理：實驗室內部管理與系統保障

在虛擬智慧實驗室的構建中，智能管理是實現實驗室高效運作的關鍵，涉及實驗室內部的多個方面，包括但不限于對各類儀器設備的固定資產管理，確保設備資產的清晰記錄和合理配置；資源管理，合理分配實驗材料和人力資源，提高使用效率；以及設備安全運行管理，通過實時監控確保實驗室環境和操作的安全性。數據采集、處理和分析管理是智能管理系統的核心，能夠對實驗數據進行有效收集和深入分析，為科研決策提供數據支持。在系統保障方面，智能管理系統通過自動化工具實現了設備的預約、借用、維護和保養流程，以及資源的優化調度和配置，同時對實驗室安全進行嚴密監控，確保了實驗室數據的安全備份和歸檔。這些智能管理措施極大提升了實驗室的管理效率和科研工作的流暢性。

為確保虛擬智慧實驗室的順利建立和高效運作，筆者及團隊在師資力量、設施設備以及資金方面進行了精心的配置和充足的準備。在師資力量方面，匯集了一批專業能力強、教學經驗豐富的教師團隊，其中教授1人，副教授4人，講師2人，主要負責智慧實驗室的規劃設計、系統集成、運維管理等工作，他們將為實驗室的教學和研究提供堅實的支持。在設施設備方面，實驗室面積約200m2，擁有高性能計算機、服務器和存儲設備4臺，先進的在線檢測軟件一套，以支持高效的實驗操作和數據處理，確保實驗的順利進行。在資金經費方面，團隊擁有充足的經費支撐，有科技部重點研發項目基金、國家級、省部級縱向項目基金、省協同創新基金等，還有校企合作的橫向項目基金，在研的企業委托項目涉及山東、山西、安徽以及內蒙古等地的廠礦企業。此外，筆者及團隊突破傳統人工管理模式的局限，成功研發了一套先進的信息化管理系統。該系統涵蓋了固定資產管理、資源管理、設備安全運行監控以及數據采集、處理和分析等多個方面，不僅實現了儀器設備的在線預約、借用、維護與保養，還優化了資源的調度與配置，加強了安全監控，以及數據的備份與歸檔。

（三）學研用一體化：深入挖掘實驗室的應用價值

高校虛擬智慧實驗室的學研用一體化策略，是促進學術研究、教學實踐與技術應用緊密結合的關鍵。這種模式不僅深化了實驗室在學術研究中的應用，推動了理論創新和知識發現，而且強化了教學與實踐的結合，提高了學生的實踐技能和創新思維能力。利用虛擬仿真技術，實驗室能夠重現現實世界的復雜環境，為學生和研究人員提供了一個沉浸式的學習和研究平臺，在安全的環境下鼓勵他們探索未知領域和驗證假設。

一方面，借助虛擬智慧實驗室，筆者及團隊打造了一個連接一線工廠、技術公司和教研團隊的物聯網系統，將感知換能器、測量變送器、控制器、執行器以及被控對象等設備進行互聯，以實現實驗設備的智能化、互聯化和遠程控制。這種全方位的智慧化控制和管理方式，使學生能夠靈活地在任何時間和地點進行實驗操作。同時，利用與安徽、山東、山西等地企業的合作，以礦物加工的典型生產工藝為研究對象，融合了廠礦生產、實驗教學和科學研究的綜合需求，從核心工藝、關鍵裝備、數據通信到工業互聯網通信等關鍵環節，構建了多個典型案例，為工科數字化工廠虛擬教學提供了實踐案例。

另一方面，數字化實驗室平臺的實施，使得“干中學”的教學理念得以有效推進，促進了專業知識的高效傳授。通過現代技術手段，實現了一線工廠實驗場景的數字化，確保了實驗過程的自動化控制、數據的自動采集以及結果的自動處理和分析，幫助學生更深入地理解實驗知識。比如筆者及團隊與技術公司聯合開發的Supercare軟件，將一線數據傳輸至虛擬智慧實驗室，使學生能夠在校園網環境下，通過臨時密鑰獲取實時數據，進行自主研究和探索，激發了學生的自主學習動力。

再者，智能虛擬實驗室的建設匯集了團隊長期積累的多方企業資源，實現了實驗場景的多元化、功能的立體化和對象的系統化。這使得虛擬智慧實驗室的建設更加符合新工科人才培養的目標，并更好地服務于一線工廠的生產需求。例如，在與渦北選煤廠的合作中，我們在其主洗核心設備上安裝了多個振動傳感器，這些傳感器的信號通過無線路由器和互聯網實時將現場數據傳輸到實驗室，實現了設備健康狀態的動態智能診斷，該試驗平臺已成功應用于學生實驗教學（見圖1）。

針對廠礦企業現場的實際需求，筆者及團隊構建了渦北選煤廠的智能化一體檢測系統。通過振動信號分析和超聲相控陣檢測技術，對設備進行無損檢測，實現了檢測圖像數據的遠程實時在線傳輸和缺陷的形狀重構，使故障檢測更加可視化和數值化。此外，與安徽紫朔環境工程技術有限公司合作，我們建立了一個集數據采集、存儲、傳輸及分析為一體的數字李生試驗平臺，該平臺采用B/S框架，主要面向化工生產過程設計。通過數字化和智能化升級，我們為煤化工企業的環境監測系統提供了強有力的技術支持，打通了工業控制網、物聯網和互聯網之間的壁壘（見圖2）。

四、結論

在工業智能化的大背景下，積極構建虛擬智慧實驗室并充分挖掘工廠一線數據的教學與科研價值，是推進新工科建設的創新之舉。針對當前高校虛擬實驗室構建面臨的困境和挑戰，筆者及團隊結合自身經驗，激發一線工廠、專業技術公司和高校教研團隊在實驗室建設中的積極作用，構建一個科學合理的三方聯動框架和高效的數據共享機制，為高校虛擬智慧實驗室的建設提供策略參考。

隨著技術的不斷發展和教育資源的日益豐富，未來的虛擬智慧實驗室將更加智能化、個性化，能夠滿足不同學生和教師的需求。它將不斷拓展教育的邊界，為培養適應未來工業發展的高素質人才提供強有力的支持[7]。總之，工業智能化背景下高校虛擬智慧實驗室的構建，不僅是對現有教育模式的補充，更是對未來教育形態的探索和引領。

參考文獻：

[1]工業和信息化部.關于印發“十四五”智能制造發展規劃的通知[EB/OL].（2021-12-28）[2023-05-25].https：//wap.miit.gov.cn/jgsj/zbys/wjfb/art/2021/art_f3952b4a7d0941609d94262 da9891542.html.

[2]工業和信息化部.“十四五”信息化和工業化深度融合發展規劃[EB/OL].（2022-07-06）[2023-05-25].https：//wap.miit.gov.cn/jgsj/ghs/zlygh/art/2022/art_21ab63dacb6a49b4b6072498 abf3ecfc.html.

[3]劉筱蘭，張薇，程惠華，等.虛擬實驗室的類型及發展趨勢[J].計算機應用研究，2004（11）：8-10.

[4]劉蘋蘋，馮修猛，范笑妤.虛擬實驗室的建設發展和評價[J].實驗室研究與探索，2023（12）：242-246.

[5]劉世偉，田世鵬，甘濤，等.物聯網技術[J].2016（9）：82-83.

[6]硅谷洞察.斯坦福、伯克利等高校紛紛布局，虛擬仿真實驗室將給未來教育帶來什么？[EB/OL].（2020-02-12）[2023-05-25].https：//www.jiemian.com/article/3975046.html.

[7]費斐.高校實驗室安全教學內容及方法研究[J].遵義師范學院學報，2022（6）：132-134.

（責任編輯：羅智文）