互联网+背景下工业工程实验平台设计与应用研究

曹建华+夏绪辉+王蕾+龚园+刘翔+周幼庆+刘长生

摘要：本文针对当前工业工程实验存在技术先进性不足、实验内容内在关联性及系统性不足、综合创新性不足等问题，在“互联网+”背景下，运用物联网技术、信息化技术、面向服务架构等技术，整合现有各个独立的工业工程实验资源，研究并开发了现代工业工程实验平台，以该平台为基础，设计了全自动立体仓库操作实验、物流配送管理实验、生产控制与运作实验、人因工程实验、物料拣选等工业工程实验，并以武汉科技大学工业工程实验平台的实际运行效果为例，对本文所设计的基于物联网技术的工业工程实验平台可行性、优越性与智能性进行了验证，对高校工业工程实验室建设具有一定的指导意义。

关键词：互联网+；工业工程；实验平台；实验设计

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）01-0253-03

一、引言

2015年李克强总理在《政府工作报告》中提出“互联网+”，随后《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》颁布，提出了通过互联网探索新型教育服务供给方式，互联网对社会转型进步的推动引起了国家最高决策层的高度重视。[1]“互联网+”，通俗来说就是“互联网+各个传统行业”，但并不是简单地将两者结合，而是利用互联网平台以及信息通信技术，使互联网与其他传统行业进行深度融合，带来全新的产业变革。[2]

工业工程（Industrial Engineering）作为一门综合性学科，具有很强的学科交叉性、应用性、实践性，实验教学是其教学过程中必不可少的环节。在经济全球化和信息技术迅速发展的今天，高校利用现有技术和资源构建具有专业特色的工业工程实验室、保证工业工程人才的培养质量就显得尤为重要。自1992年国家教委批准西安交通大学和天津大学首批设立工业工程专业以来，[3]工业工程学科的发展非常迅速，国内已开设工业工程专业的高校都非常重视和支持实践环节的教学，不断加强设备投入和实验室建设，[4]但由于资金、技术以及投入的阶段性等原因，导致工业工程实验室中存在多个“实验孤岛”、[5]实验技术先进性不足、实验内容内在关联性及系统性不足、综合创新性不足等问题。

本文针对当前工业工程实验室存在的问题，在“互联网+”背景下，充分利用物联网技术、无线通信技术、自动化控制等先进技术，对现有实验设备资源进行整合更新，构建现代化工业工程实验平台，使整个工业工程实验室形成统一的系统，实现各孤立实验的深度融合，并为后续新增实验提供良好的扩展接口，为学校教师和学生提供了良好的实践教学与创新学习平台。

二、设计目的

通过对武汉科技大学工业工程实验室现状分析，在当前实验室建设基础上进行改进和完善，增加必要的设备，结合学校教学要求来规划“互联网+”背景下的工业工程实验平台设计方案，采用先进的物联网技术、[6]自动化技术、网络技术和实验开设理念，将“工业工程”学科与“企业应用”两方面在该系统中进行有机融合，理论教学与实践教学相结合，让学生更好地理解所学的知识，并培养其动手操作能力。该实验平台最终达到以下目的：

1.通过对实验设备升级、改造与更新，实现现实世界与虚拟世界的互联，以及对实验资源的远程访问、监测与智能控制，有效地支持人机交互、人与物品之间的交互、人与人之间的社会性交互，实现传统教学方式向系统性、生动性、开放性的创新型工业工程实践教学方式转变。

2.实现实验教学的数字化、网络化，不断丰富和更新教学实验内容，提高学生现代IE（IT+IE）技能，培养学生运用工业工程知识规划、设计、分析、组织、优化、控制、决策和信息技术应用能力。

3.结合我校工业工程特色，设计一个面向工业工程专业的实验平台，丰富与完善我校工业工程实验项目，后期还可根据需要增加新的模块。

4.“互联网+”背景下的工业工程实验平台设计，不仅能为学生提供实验环境，也能为教师和研究生提供研究平台，该实验平台对培养高等工程技术人才，形成专业特色具有重要作用。

三、平台设计

物联网技术与SOA技术作为信息化的新兴领域，其飞速发展也给各高校建设突出工业工程专业特色实验教学系统带来了契机。如图1所示，“互联网+”背景下工业工程实验平台采用数据采集与硬件控制层、实验过程跟踪与整合层、实验优化管理与决策分析层三层架构，通过物联网技术实现对底层硬件的控制与数据采集，基于SOA、采用模块化技术对各个独立实验进行集成。

1.数据采集与硬件控制层。数据采集与硬件控制层由一套现代化工业工程实验设施组成，包含的硬件设备主要有：自动化立体库、堆垛机、辊筒式输送机、分拣设备、5自由度雕刻机器人、AGV小车、RFID标签拣货机、装配生产线、RFID读写设备及标签以及各种传实验感器等，通过PC-PLC系统对接，实现与上层控制系统的对接和实验数据实时采集与监测，通过无线传感技术、通信技术等将大量数据上传至分布式服务器，为实验过程、实验分析与实验管理提供最底层的硬件与数据支持。

2.实验过程跟踪与整合层。采用SOA架构，通过企业服务总线将各个实验应用进行整合，实现各实验子系统的信息连通。主要包括基于ERP系统的实验子系统，如生产计划与控制实验、物料拣选实验、生产线装配实验、仓储实验等；以及其他实验，如人因工程实验、运筹学实验等。由于采用了面向服务的模块化技术，具有良好的系统稳定性、集成性与扩展性。

3.实验优化管理与决策分析层。通过底层数据采集和硬件控制层与高层管理信息系统的融合，对各子系统实验数据进行集中分析处理，结合自动化、智能化与可视化技术，实现对实验室的整体优化管理。该层根据使用对象的不同分为教师实验管理模块与学生实验分析模块。

四、实验设计

结合武汉科技大学工业工程学科建设实际情况，基于本文设计的工业工程实验平台设计了基于ERP系统的实验和其他类实验。

1.基于ERP系统的实验设计。该ERP系统是以面向订单生产企业实际业务流程为基础，通过工业工程方法优化后面向高校本科生、研究生所设计开发的一套实验系统，主要包含订单管理、生产管理、仓储管理、运输管理、财务管理等功能模块，把复杂的生产管理以最直观的方式展现在学生面前，将抽象、复杂的管理理念直观化并让学生参与其中，在生产企业运营的全过程中，体验生产企业各个流程和各个部门之间的关系和职责，对生产管理有综合的认识。如图2所示，目前已成功运行的实验有生产计划与控制实验、物料拣选实验、生产线装配实验、自动化立体仓库操作实验、物流实验等。下面对生产线装配实验进行详细介绍。

装配生产线设计示意图如图3所示，每个工位均有电子看板及RFID读写器，输送到各工位上的在制品托盘上贴有记录该托盘所装产品信息的RFID卡片，通过RFID读写器读取该卡片，当前工位操作所需物料信息、操作步骤、以及注意事项均会详细显示在工位看板上，同时系统自动记录开始操作时间，当操作结束并确认后，系统自动记录结束时间并提交通过摄像头记录的操作工程视频录像，托盘自动进入下一工序。通过该实验可以对每个产品在每个工位上的加工信息自动采集，实现生产线数据实时跟踪和统一管理，并为后续流程程序分析、工时评价实验、学习曲线实验以及联合操作分析、双手操作分析、时间研究实验、动素图分析和影片分析实验等工业工程基础实验提供基础数据。

2.其他实验设计。除ERP实验系统，该工业工程实验平台还集成了人因工程相关实验设备与控制系统，基于该平台可以完成反应时间测定、耗氧量与心率关系测定、劳动强度与疲劳测定、照明和生产率关系的测定、微气候测定、环境噪声测量、环境照明测量、生理测量与作业设计、心理与认知测试、人体尺寸测量、人体感知特征和素质综合测试系统实验等。通过该平台既可以实现实验数据的数字化采集、自动记录与可视化管理，方便后续学生的实验分析，同时基于该数据，教师可以对学生试验学习情况进行分析并不断优化实验设计，以获得更好的教学效果。

五、结论

在“互联网+”背景下，针对当前工业工程实验存在的问题，通过开发面向工业工专业的ERP实验系统将生产计划与控制实验、物料拣选实验、生产线装配实验、自动化立体仓库操作等实验整合成一个完整的实验体系，把复杂的生产管理以最直观的方式展现在学生面前并让学生真正参与其中，让学生更真实地理解并运用所学的知识，同时运用面向服务的架构集成人因工程、运筹学等学科实验，形成完整的工业工程实验平台，并为未来实验室发展提供了良好的扩展接口。经过两年的实践运行，该实验平台为广大师生提供了一个综合性的学习、实验、创新平台。

参考文献：

[1]冯智慧.“互联网+”时代的教学创新—访华南师范大学胡小勇教授[J].中小学信息技术教育，2015，（10）：11-14.

[2]姜艳玲，古岱月.“互联网+”环境下微视频实现创客学习研究[J].中国电化教育，2016，（353）：71-76.

[3]陈杰.工业工程本科教学实验体系研究[J].实验室研究与探索，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