工业4.0背景自动化新工科建设及教改思考

曹建福， 曹 雯

(1. 西安交通大学 自动化学院， 陕西 西安 710049；2. 长安大学 电子与控制学院， 陕西 西安 710064)

0 引言

伴随着新一轮的科技和产业革命，国际社会逐步进入新经济时代，新经济时代要求高等工程教育与产业发展必须紧密联系。我国启动的新工科内涵是围绕新经济时代的新产业和新技术发展需要，加快建设和发展一批新专业，如人工智能、智能制造、机器人等专业，同时对传统工科专业进行升级[1～2]。

自动化专业建立于上世纪50年代，它在我国工业化及军工领域起了非常重要的作用，特别是在工业制造领域，数控机床、机器人、自动生产线等都是工业自动化技术产物，很长一段时间自动化专业学生也很受各行业的欢迎。近年随着工业4.0概念的提出，世界各国普遍发展智能制造技术，智能制造将是自动化学科未来主要研究领域，同时也对自动化学科发展及人才培养提出了新的挑战。智能制造系统是全新的信息物理融合系统，它从研究内容、方法等方面对自动化技术提出新的要求[3];近几年人工智能得到了迅速发展，将人工智能及自动化技术结合是未来趋势。在工业4.0背景下，自动化这样的传统工科专业如何培养适应未来新产业、新经济发展的工程科技人才，是一个值得关注的问题。

围绕自动化新工科建设，已有一些文章对教学改革方案、教学内容及工程实验室建设等问题进行了探讨。这里面的大部分文章都是围绕新经济及新工科要求，介绍所在学校的自动化专业改革思路及培养体系[4～5]。文献[6]站在创新创业人才培养角度，提出了四位一体的人才培养体系，介绍了本校的自动化信息类教学改革实践。文献[7]提出以智能系统为统一对象，建立虚实结合的自动化专业工程训练课程体系。目前的研究主要是基于对学校内部教学存在问题的分析，来讨论自动化新工科建设，而缺乏对工业界人才需求的深入调研和分析。

本文在对多家装备制造企业对智能制造及人才需求的大量调研基础上，对标“新工科”提出的改革要求和智能制造产业的发展需要，分析了目前自动化专业人才培养存在的问题，对培养体系、教学内容的改革进行了研究思考。

1 装备制造业自动化及智能制造调研分析

1.1 陕西省装备制造业基本情况

装备制造业是工业的心脏和国民经济的生命线，自动化专业毕业的大量学生在装备制造行业就业。陕西省是我国传统的装备制造业基地，在“一五”、“二五”及“三线建设”时期，陕西省装备制造业已经形成了一定规模。为了摸清陕西省装备制造业现状及智能制造技术发展要求，同时了解企业对自动化技术人才的需求，在陕西省科学技术协会倡导下，陕西省自动化学会及其它学会组织专家对秦川机床集团、陕汽集团、陕西建设机械股份有限公司、陕鼓集团、中国航发西安航空发动机公司等20多家装备制造企业进行了实地调研，采访和参加交流的技术人员、企业管理人员近200人。通过调研可以看出，这些装备制造企业在设备层、执行层，及管理层不同程度地采用了各种自动化先进技术，通过这些技术开发和应用也极大地增强了企业的竞争力。

1.2 装备制造企业自动化技术现状描述

宝鸡秦川机床集团的核心产品是数控磨齿机、加工中心，配套使用的数控系统有法国num、德国西门子等公司的产品，近年来围绕“两机工程”开发出多种高端数控机床。秦川集团生产的高精度RV减速机已在国内的机器人厂家小批量使用，同时在厂区建立了一条机器人RV减速机柔性生产线，实现了机器人完成上下料、减速器部分参数在线监测、生产过程监控等功能。秦川机床对外已开展智能生产线工程，已承接了几个企业的自动化生产线工程，但核心MES软件是德国博世-力士乐公司的技术。

陕西建设机械公司生产的一种主要产品是高档摊铺机，行驶驱动采用2套液压系统，需对速度进行闭环控制，而速度控制性能会影响摊铺质量。目前使用的微控制器主要是德国力士乐产品，国产控制器性能方面与国外还是有差距。陕西建设机械公司还生产塔机，已与国内有关单位合作开发出塔机大数据监测平台，利用大数据平台可对大型塔机状态进行监测、故障诊断，并进行路径优化，还通过采集现场数据对塔机进行精确操作。该公司目前引进了3台焊接机器人，用来对钢结构件进行焊接作业。

陕鼓集团除生产各种新型空压机及透平机械外，还开发出空压机控制系统、空压机成组控制系统、能量回收装置控制系统等，并研制出动力装置远程诊断系统，与有关单位合作试验利用机器人对空压机叶轮盘进行焊接。近年积极实施智能制造工程，已得到了2016年工信部的智能制造示范应用项目资助，目前已与清华大学合作建立了基于大数据的智能服务系统，提供透平机械全生命周期健康管理服务，包括状态监测、故障诊断、参数优化服务等。

中国航发西安航空发动机公司主要从事中型军民用航空发动机研制生产，近年已建立了多条柔性生产线，包括发动机壳体加工和活门件打磨智能柔性生产线、精锻叶片加工的柔性制造单元、中小钢建柔性生产线，已使用了多种MES系统，包括美国Predator 公司的SFC-MES系统。公司目前使用的数控机床有近1000台，由于飞机上的很多零件体积大，而且型面复杂，目前购买的数控机床以国外的为主，数控系统基本都是日本FANUC、德国西门子的数控系统。西航公司与有关单位合作，使用自适应控制理论开发了数控机床切削参数自适应控制系统。

其它厂家也大力使用自动化技术，如陕西汽车集团引进了一套机器人化汽车焊接生产线，但机器人全部是进口的。西安泰富西玛电机有限责任公司主要从事大中型电机的设计与制造，拥有数控涨型机、数控加工中心、高速平衡机及大型电机定子专用干燥箱等自动化生产设备。

1.3 智能制造技术需求调研

通过这次大量调研，感到工业界对智能制造技术的需求是非常迫切的，同时也可以看出：

1)装备制造企业信息化还处于较低水平

目前我国装备制造企业的大多处于工业3.0阶段，个别还处于工业2.0阶段。普遍使用了数控技术，个别企业也尝试使用工业机器人技术，还有部分开始实施了柔性制造系统。有些企业使用了一些先进控制技术，如陕鼓动力装置先进控制系统、远程故障诊断系统，陕建机施公司智能塔机，秦川机床柔性生产线系统等。

2)自动化设备以单台运行为主

我国企业已使用的自动化设备大多数是单独运行，还没有形成自动化生产线。多数企业认为智能制造是装备制造业的发展方向，并制定了智能制造发展规划。一部分企业开始分阶段实施智能制造工程，如秦川机床集团、陕鼓集团等获得了国家智能制造示范工程项目的资助。

2 智能制造发展对人才要求及目前问题

2.1 面向智能制造的人才培养要求

任何一次工业革命，不仅是技术上的一次革命，同时伴随着对一大批新型创新人才的需求。我国要发展智能制造技术，需要高校培养大量掌握自动化、信息化及智能化知识的复合型人才，同时还要求学生了解制造方面的行业知识。

1)需要掌握自动化及人工智能方面扎实知识

人工智能课程需围绕智能制造与装备的需要，一定体现出是一个闭环系统中的智能行为。由于各类机器人会在工业制造过程中扮演很多的角色，因此在教学中需有机器人方面的内容。

2)具备跨学科的复杂系统分析和设计能力

智能制造系统涉及从设计研发、生产、交付到服务的产品全生命周期过程管理与控制，需要进行企业内部的垂直集成、企业之间横向集成、人和设备的集成，这些都要求具备复杂系统分析和设计能力的人才支撑。需要进行跨学科融合培养，让学生了解相关行业的知识；在教学中可引入工业互联网、大数据等课程内容，对原有自动化学科的内涵和外延进行扩展。

3)具备工程创新实践能力

智能制造是全新的领域，可以复制的技术少，这要求具有创新能力；同时，智能制造是围绕产业开展的，需要具备学生具备很强的工程实践能力。

2.2 自动化专业人才培养存在的主要问题

在对20多家企业调研过程中，专门就目前自动化专业人才培养存在的主要问题进行了交流座谈，反馈的意见如下：

1)重视控制方法培养，忽视工艺及装备特性

最近二、三十年学术界受美国等国家的影响，一种不好的导向是把自动化学科引导为科学方法，只重视控制模型和方法的研究，轻视控制核心技术及装备的开发，出现了“虚拟化”、“软化”的一种趋势。学术界的研究基本都针对抽象对象，这种研究通常与实际对象要求差距较大。好的控制算法与模型必须利用实际系统载体去实现。没有经过载体运行验证的算法，是没有价值的。

不少企业反映高校在自动化专业培养方面存在理论与实际脱节的现象，虽然大家都知道自动化学科的最主要特点是面向系统的，但目前从课程体系、教学内容来看学生所学的专业知识非常散乱，没有按统一系统将所学内容联系起来，而且学生也对相关行业的专业知识缺乏了解。

2)专业课程内容较陈旧，落后智能时代要求

把人工智能与自动控制技术融合起来，发展智能自动化技术将是未来的趋势，同时智能制造的最主要特征就是智能化。人工智能技术的数学基础、研究方法及支撑平台，与传统自动化技术是不一样的。我国现有的自动化专业专业培养方案，经过多轮教改后虽然也加了人工智能的方面内容，但依然是在原有培养方案的基础上做的细枝末节的修改，并未按照智能自动化要求做真正根本性的变革，已不能适应时代发展对人才培养的需要。

3)实践环节分散，综合性不强

目前的自动化课程实验和实习等实践环节，都呈现出明显的“形式化”趋势，学生无法实际参与其中。另外，大多数学校的实验设备和平台与工业界真正使用的设备差别较大，实验内容综合性也不强，这导致无法在实践环节中需要体现复杂工程问题的具体性和复杂性。

高校的教师目前很多都是大学毕业之后直接上岗的，没有在工业部门工作过。虽然不少人承担了一些课题研究，但绝大多数成果并没有在实际中真正应用过。这些老师偏重于理论教学，而无法给学生实践性指导。

3 自动化专业教学改革思考

针对自动化专业人才培养存在的问题，在新工科背景下自动化专业教学改革要面向产业的实际需求，同时要与人工智能、大数据等新技术融合、要进行多学科融合。

3.1 融入人工智能等新技术，构建新课程体系

德国提出的工业4.0其核心是智能工厂，中国制造“2025”计划是中国版的工业4.0，智能制造的体系结构、关键技术及涉及的相关理论及知识方面[8,9]，见表1。

表1第1列参考了2018年的国家智能制造标准体系，按照智能装备、智能工厂、企业层智能服务及行业应用将智能制造系统从上到下分成了四层结构；第2列将智能制造的相关技术和理论方法分成了3类，第1类自动化学科学科交叉的技术，第3类是其它学科涉及及的技术和方法，第2类是自动化与其它技术方法；第3列是智能制造系统与自动学科相关的新理论和技术。

从表1可以看出，智能制造涉及到机器人、人工智能、大数据分析等很多智能化技术，而我国高校自动化专业现有课程设置已不适应，需要用智能自动化知识体系对课程进行整体布局，加入反映新技术和新方法的课程内容，删掉一些过时的课程内容。在数理和基础科学课程类中，可考虑增加人工智能的数学基础(信息论)、认知科学等课程内容，强化学生在人工智能方面的数理基础。在自动化专业核心课程中，目前理论方法还是以传统控制理论为主，通常设置有“自动控制原理”、“现代控制理论基础”、“计算机控制”等课程，这3门课程多少年内容变化不大，但有些内容在实际中多少年基本不用，可考虑对课程内容根据工业实际需求进行更新；虽然目前多个学校设置了“智能控制”课程，但仅限于将人工智能用于控制。在教学内容上应同等地重视人工智能方法，可考虑设置人工智能基础、机器学习、智能机器人等课程，通过这3门课程来系统地介绍人工智能基本原理和方法、机器学习及智能机器人理论。

表1 智能制造的体系结构及与自动化专业相关的知识内容

在专业选修课中，可设置人工智能模块课，提供机器视觉与模式识别、大数据分析及知识挖掘、计算智能等课程，学生可选择2-3门进行学习。

3.2 按照跨学科融合模式，培养复合型人才

从表中可看出智能制造涉及自动化、人工智能、计算机、机械制造等多学科知识，而目前普遍问题是除了少数行业高校外，其它高校自动化专业教学内容与行业脱离。自动化专业的培养方案须与产业结合，服务于行业的技术发展。可采取“自动化+(机械工程、信息通信、电气等)”跨学科融合模式，建立新的复合型人才课程教学体系，见图1。

图1 “自动化+其它学科”融合课程体系

跨学科融合方案是在自动化专业骨干课程基础上，让学生可以选择一个跨扩学科模块课进行学习，如机械制造、信息通信、电气工程等学科模块。每个跨学科模块课包括2-3门这个学科的特色课，如机械工程可选择“制造工程基础”、“数控技术及装备”、“数字化设计与仿真”等课程。在课堂教学过程中，教师使得学生能够对新兴行业以及新兴技术等最前沿的发展趋势有所了解，为学生尽早地适应行业需求奠定坚实的基础。

3.3 建立工业4.0智能制造综合实验平台

新工科改革的一个主要内容是增加工程实践课程的时间，注重于培养工科大学生的工程能力和创新能力。目前自动化专业的工程实践最大问题是实验内容太分散、综合性不强，实验环境与工业制造真实过程差别较大。

针对以上的问题，可基于统一的智能制造系统对象构建自动化专业工程实践课程体系，将课程设计从下到上分为四个层次：现场层(电机驱动、智能检测及视觉装置、机器人操作与编程等)、控制层(PLC、机器人控制与轨迹规划、嵌入式控制器等)、单元或系统层(物联网、制造系统优化与调度(MES等)、多机器人协作、系统仿真)、企业管理层(工业大数据、机器学习与数据挖掘等)。课程设计可在4个学期持续进行，形成一种“纵向及顶”、“横向达边”的工程实践新体系。

需要按照工业4.0的发展需要，构建综合性的自动化专业工程实践教学平台，见图2。其中的智能制造综合平台是一个物理信息系统，包括从传感器、驱动，到高层的MES、PLM的工业4. 0全流程，由机器人、数控设备、自动化物料系统等部分组成。机器人实验室包括若干台工业机器人设备，在其上可进行编程、控制、多机协作及机器人视觉控制实验。高校也可以与企业合作，建立相应的合作实验室。

图2 自动化工程实践教学平台

在传统自动化专业和工业届深度融合过程中，校企合作扮演着非常重要的角色。通过与企业共同建立的研究平台，高校可以聘请企业一线研发人员等资深专家来高校担任相关的兼职教师。通过校企合作培养出的人才，能够更加主动地适应和融入区域经济和产业发展，满足产业转型升级的具体需求。

3.4 把科学研究的最新成果反映在教学过程

智能制造对自动化技术提出了很多新的问题，还需要进一步挖掘新理论、新方法。高校在开展自动化新技术和理论研究同时，要向学生充分展示最新的科研成果，使得教学突出“教研合一”的特征，这对于创新性人才的培养非常关键。可以采取下列的具体做法：

(1)将自动化领域最新最前沿的技术通过学术讲座等形式向学生展示；

(2)在课堂教学中将最新的研究成果以教学案例的形式教授给学生，使得学生对于当前教师科研工作以及科研成果有所了解；

(3)在教师的研究项目中可以吸收部分本科生参与其中，使得学生的实践水平得以培养和强化。

4 结语

随着工业4.0及智能制造的发展，对自动化专业人才培养提出了新的要求。很多高校一讲到自动化专业的教学改革，往往只是简单地看看国外著名大学设置了什么课程，而没有下大功夫对工业界的需求进行调研与分析。本文在对装备制造企业自动化技术现状及需求的大量调研基础上，认真分析了目前自动化专业人才培养存在的突出问题，建立了面向智能制造的自动化人才知识体系，提出了融入人工智能等、跨学科融合模式、强化学生工程实践等改革学思考。通过对自动化专业培养体系进行改革，将会使得培养出的自动化专业人才更能符合国家发展战略以及产业转型需要。