1+X證書制度下工業互聯網實踐教學平臺建設與課證融通實踐

摘" 要" 工業互聯網實施與運維實訓平臺模擬汽車流水線的裝配作為工業場景，設計的實訓項目融合信息通信技術與生產控制技術，既涵蓋工業機器人、傳感器、工業網關、可編程邏輯控制器等多種工業控制技術，也包含網絡部署、邊緣計算和云平臺算法建模等內容。依托該平臺開展的課證融通教學實踐表明，學生的綜合實踐能力得到有效的提升。

關鍵詞" 1+X；工業互聯網；實訓平臺；課證融通；實踐教學

中圖分類號：G712" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）21-0-06

0" 引言

工業互聯網是滿足工業智能化發展需求，具有低時延、高可靠、廣覆蓋特點的關鍵網絡基礎設施，是新一代信息通信技術與先進制造業深度融合所形成的新興業態與應用模式[1]。2020年，工業互聯網專項工作組發布的《工業互聯網創新發展行動計劃（2021—2023年）》指出，要加快工業設備網絡化改造，推動信息技術（IT）與生產控制（OT）網絡融合[2]。工業互聯網將人、數據和機器連接起來，是全球工業系統與高級計算、分析、傳感技術和互聯網的高度融合。可以預見，未來工業互聯網行業對OT與IT復合型人才會有更高的要求[3]。

本文以行業對人才的能力需求為切入點，探索先進的工業互聯網實施與運維實訓平臺的構建，將企業先進的技術引入教學，以期培養工業互聯網應用型技術技能型人才。同時，依托工業互聯網實施與運維實訓基地，積極開展1+X工業互聯網實施與運維職業技能等級認證，促進課證融通[4]，以人才評價模式改革帶動職業教育質量提升。

1" 實訓平臺構建

實訓平臺以真實工業設備裝配為教學場景，通過實訓系統軟件實現工業現場數據采集、監控管理、數據上云，進行工業互聯網云應用，硬件平臺完成原材料出庫、加工、裝配、組裝檢測、成品入庫過程。通過實訓系統，學生可完成工業現場數據采集與應用、工業數據上傳云平臺、云平臺算法建模工具、工業數據邊緣處理等工業互聯網實施與運維（中級）崗位四大工作領域的工作任務[5]。

工業互聯網實施與運維的工作任務內容以工業互聯網實施與運維實訓平臺為實訓載體，如圖1所示。

每一個工業互聯網實施與運維實訓平臺包含：SCARA工業機器人一臺，西門子可編程邏輯控制器（PLC）一套，數字控制機床（CNC）一臺，人機界面（HMI）一臺，PC機三臺（用于網關配置、腳本編寫等），交換機兩臺（一臺用于工業設備內部連接，一臺用于與私有云服務器連接），傳感器若干，一套模擬汽車生產的原料庫。其中，PLC通過底層傳感器采集各項生產數據，數控機床仿真模擬汽車零件加工的過程，工業機器人用于仿真汽車生產線中的自動化裝配過程。整個硬件平臺仿真模擬汽車生產過程中原材料出庫、加工、裝配、組裝檢測、成品入庫過程。

數據采集是工業互聯網的基礎[6]。在進行數據采集之前，首先要完成工業數據采集設備的部署與連接，然后根據業務需求進行工業數據采集方案的規劃和采集數據的配置、測試與驗證。采集的數據一方面可以通過邊緣處理后上傳到云平臺，也可以直接上傳到云平臺，在云平臺上通過算法建模工具，對上云數據進行分析處理，最終通過工業App實現數據的可視化。工業互聯網實施與運維過程如圖2所示。

1.1" 數據采集方案規劃

汽車生產線改造項目的目標是采集機床X軸、Y軸、Z軸坐標位置，運行環境溫度、濕度等數據，并能夠在云平臺上展示溫度、濕度、設備運行效率等相關信息。

設備運行效率=合格率×開機率×性能率

合格率=（良品數÷總產量）×100%

開機率=（開機時長÷計劃生產時長）×100%

性能率=（生產線運行速度÷生產線理論速度）×100%

設備運行效率由合格率、開機率、性能率結果相乘得出，計算合格率、開機率、性能率涉及六個變量：良品數、總產量、開機時長、計劃生產時長、生產線運行速度、生產線理論速度。其中，生產線理論速度為60輛/小時，生產線的計劃生產時長為三小時。因此，待采集的數據變量為：溫度，濕度，已合格產品數量（即良品數），總生產數量（即總產量），開機時長，生產線運行速度，機床X軸、Y軸、Z軸位置。

工業互聯網綜合實訓平臺設備層、控制層、監控層如圖3所示。

觸摸屏的數據來源于PLC（可編程邏輯控制器），溫度、濕度可以直接通過PLC采集溫度、濕度傳感器數據獲取，也可以通過觸摸屏獲取；已合格產品數量和總數量可以通過PLC采集物料檢測傳感器獲取；開機時長和生產線運行速度通過PLC獲取；CNC（數控機床）X軸、Y軸、Z軸坐標位置可以通過采集CNC數據獲取。

根據實訓平臺的情況，結合項目需求，接下來進行數據采集方案規劃。

首先，通過PLC和CNC獲取相應的數據。為了保證數據采集的穩定可靠，本項目采用三個工業互聯網網關分別采集PLC、CNC、觸摸屏的相關數據。PLC支持S7協議，CNC支持Modbus協議[7]，觸摸屏支持OPC協議[8]，因此在網關設備選型時，采用分別支持S7協議、Modbus協議、OPC協議的漢云Box系列網關，可以方便地實現現場設備的遠程數據采集、遠程下載和遠程維護。工業互聯網實施與運維實訓平臺數據架構如圖4所示。

采集的數據上傳到云平臺服務器，可以在工業互聯網平臺上對采集的數據進行分析、處理和展示。

1.2" 網絡部署

本項目中，工業互聯網網關通過有線以太網傳輸方式與其他上層設備通信，根據實訓平臺數據采集規劃的架構，該實訓平臺網絡拓撲圖如圖5所示。

1.3" 云平臺和數據上云

工業互聯網平臺的本質是工業云平臺，它基于應用需求，搭建對工業數據采集、存儲、分析和應用的模塊體系，實現工業互聯網輔助的生產功能。工業互聯網平臺基本架構包括邊緣層、平臺層、應用層、云基礎設施[9]。

工業互聯網邊緣層主要由平臺包含的硬件設備構成，采用企業真實工業設備；云基礎設施主要由平臺中服務器、操作系統、CPU存儲單元、網絡等部分構成；應用層對應整體系統硬件平臺，實現App設計、發布、管理和設備運行分析等功能。

工業互聯網平臺層對應平臺中的工業互聯網云應用開發軟件系統和工業互聯網云平臺部署部分，完成設備管理、數據統計、數據建模等操作，平臺層是工業互聯網平臺的核心[10]。云平臺部署模式分為私有云、公有云和混合云三類，本項目從安全性、自主可控等方面考慮，選擇了私有云，部署了獨立的服務器。

在采集工業數據上傳至云平臺的過程中，網關與云平臺間通過指定通信協議、建立相同網關、配置數據三大步驟實現數據上云。常用通信協議有MQTT（消息隊列遙測傳輸）和HTTP（超文本傳輸協議）[11]，MQTT支持數百萬個連接客戶，輕量、簡單、開放和易于實現，這些特點使其適用范圍非常廣泛。本項目中使用MQTT作為數據上云通信協議。

1.4" 邊緣計算

云計算適用于非實時、長周期數據、全局決策的業務場景，邊緣計算適用于實時性、短周期數據、本地決策的業務場景[12]，邊緣計算是云計算的補充和延伸。在本項目中用智能網關端的邊緣計算來進行數據過濾，比如根據采集到的產線環境溫度、濕度數據，通過編寫腳本判斷溫度、濕度數據是否符合標準。

以濕度的數據過濾為例：濕度在35%～75%之間，代表產線狀態正常；不在35%～75%之間代表產線狀態異常。數據過濾需求如表1所示。

使用JavaScript編寫數據過濾腳本如下：

function main（） {

var humidity=getFloat（“Humidity”， 0）;

var state=0;

if（humiditylt;35）{

state=2;

}

else if（humiditylt;=75）{

state=1;

}

else{

state=2;

}

setU16（“HumidityJudge”， 0， state）;

}

main（）;

2" 1+X課證融通

課證融通，深入研究工業互聯網實施與運維職業技能等級標準，將職業技能證書培訓內容和要求融入專業人才培養方案，優化課程設置，改革教學方法，采用任務驅動的模塊化教學。

工業互聯網實施與運維職業技能等級標準分為三個等級：初級、中級、高級。高職層次對應其中級標準，工業互聯網實施與運維職業技能等級（中級）涵蓋了四大工作領域：工業現場數據采集與應用、工業數據上傳云平臺、云平臺算法建模工具、工業數據邊緣處理。需要的知識技能涉及計算機網絡、傳感技術、Java、PLC可編程控制技術與應用、工業機器人等相關課程。

武漢職業技術學院自2021年開始在電子信息工程技術專業開展工業互聯網實施與運維1+X證書試點工作，根據該證書要求，將人才培養方案中計算機網絡、傳感、Java、PLC可編程控制技術與應用、機器人等相關課程內容進行相應調整，將證書培訓內容和考核要求融入課程的常規教學。根據1+X證書（中級）職業技能等級要求，校企合作開發工業互聯網實施與運維課程，對標1+X 職業技能等級證書考核標準，制定工業互聯網實施與運維課程標準、教案與授課計劃。在該課程中，學生的工作任務是實現某汽車生產線相關數據的采集和數據上云，并通過邊緣計算或算法建模對采集的數據進行分析和處理。教學內容被分為六個模塊：第一個模塊是工業互聯網實驗平臺，內容包括CNC（數控機床）、機器人、HMI（人機界面）使用和自動產線運行；第二個模塊是PLC網關數據采集和PLC數據上云；第三個模塊是CNC網關配置和CNC數據上云；第四個模塊是觸摸屏OPC網關配置和OPC數據上云；第五個模塊是邊緣計算；第六個模塊是云平臺算法建模應用。模塊之間形成遞進式能力目標，能力要求由低到高。基于工作任務組織教學，教學過程對接企業真實生產過程，學生接受任務后自主思考、討論、主動完成任務，教師只是引導和協助，實現了以學生為中心的教與學。

課程的考核由教育部確定的工業互聯網實施與運維1+X證書第三方職業技能培訓評價組織江蘇徐工信息技術股份有限公司來完成，學生考核合格才能獲得1+X證書。學生考核的成績同時也作為其該課程的成績，實施教育與考試相分離、培訓與考核相分離。

打造校企雙主體育人平臺，與北京華晟經世信息技術股份有限公司共同進行工業互聯網實施與運維實訓基地項目設計、課程開發與課程教學實施。組建模塊化課程教學小組，由課程負責人擔任組長，在組長主持下集體備課，按分工協同教學。工業互聯網實施與運維課程的六個工作任務模塊由六位各具專長的教師分別授課。

自2021年起，武漢職業技術學院在電子信息工程技術專業實施工業互聯網實施與運維中級證書的課證融通教學實踐，學生參加第三方組織的考核，2021年的考核通過率為86.7%，2022年的考核通過率為95.4%，2023年的考核通過率為97.2%。數據表明，實施1+X課證融通以來，學生的學習興趣極大提升，綜合實踐能力不斷提高。

3" 結束語

工業互聯網實施與運維平臺建設的總體思路是以“任務引領、項目驅動、教學創新、服務社會”為宗旨，建設集教學、培訓、體驗、科研于一體的工業互聯網實訓基地，突出智能化制造能力，搭建與工業制造環境相適應的實踐教學平臺。同時，課證融通，按照崗位需求設計開發課程[13]，把職業技能等級標準所體現的新技術、新工藝、新規范、典型生產案例納入教學內容，提高了學生的崗位適應能力。

4" 參考文獻

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[9] 張忠平，劉廉如.工業互聯網導論[M].北京：科學出版社，2021：136-137．

[10] 工業互聯網產業聯盟.工業互聯網體系架構（版本 2.0）[EB/OL].（2020-04-15）[2023-12-20].https：//www.miit.gov.cn/n973401/n5993937/n5993968/c7886657/part/7886662.pdf．

[11] 張文靜．工業互聯網網關管理系統的設計和實現[D].北京：北京交通大學，2020．

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[13] 張青，謝勇旗，喬文博.1+X證書制度下職業院校專業課程改革的方向與路線[J].成人教育，2021，41（8）：49-53．

*項目來源：教育部高等學校科學研究發展中心專項課題“虛擬仿真技術在職業教育教學中的創新應用”（課題編號：ZJXF2022082）；2019年武漢職業技術學院科研項目“基于WebGL的光接入網虛擬勘測平臺開發”（項目編號：2019YK023）。

作者簡介：黃艷華，教授。