智能制造工程本科专业的专业课程设置方案初探

刘 云

(集美大学 智能制造工程系，福建 厦门 361021)

通信技术、计算机技术和自动控制技术近年来获得了很大的发展，相关技术已经渗透到工业生产的各个领域，推动了相关领域的发展，也促进了制造业的改造、升级和换代。制造业是国民经济的基础，实现制造业的数字化、网络化和智能化是制造业发展的必由之路。普通高等院校是培养各类专业高级技术人才的摇篮，为了引领和适应智能化时代的发展，纷纷设置了智能制造工程本科专业。笔者所在的学校也不例外，从2020年秋开始招收四年制智能制造工程专业的本科生。

智能制造工程专业是一个全新的本科专业。对如何设置该专业的专业课课程，没有现成的方案可以借鉴。从智能制造概念提出后，国内外专家学者开展了智能制造的理论和应用技术研究，努力将智能制造技术的研究成果应用到实际生产中。从公开的文献来看，智能制造的理论研究取得了很大进步，智能制造技术也获得一些成功的应用。这些为如何设置智能制造工程本科生专业的专业课程起到了很好的引导作用，它展示了智能制造技术发展的前沿和发展趋势，同时也证实了部分智能制造技术的可行性和可靠性。

智能制造工程本科专业教育是基础教育，目的是培养学生的智能制造工程专业基础知识，为学生将来从事智能制造相关的工作和继续学习打下坚实的基础。智能制造工程专业的本科生培养需要哪些专业基础知识和哪些专业知识，是设置智能制造工程专业课程首要考虑的问题。在学生掌握了这些基础知识和专业知识后，能够顺利地在智能制造相关领域学习和工作。

为此，需要围绕培养目标，根据智能制造技术及其相关学科技术，如通信技术、计算机技术、自动控制技术等的发展前沿、制造业发展的需要、国家的发展战略等相关领域进行调研与论证。设置合理的专业基础课程和专业课课程是培养合格毕业生的基础。本文在这方面进行了一些探索，以求抛砖引玉。

1 智能制造专业本科毕业生应该具有的专业知识和技能

智能制造工程专业是以培养适应制造业数字化、网络化、智能化发展的高级专业人才为目的。智能制造要求在信息科技的支撑下，充分感知环境和系统状态，对制造业中计划、设计、生产、调度、销售、维护等过程统一优化调度和控制，使各个环节优化协调和配合。因此，智能制造工程专业的本科毕业生必须具有将制造系统数字化、网络化和智能化的能力，从而，提高制造系统的自动化程度和效率；综合和优化制造业的各个环节，在保证产品质量和性能的基础上，降低制造成本。专业基础课课程和专业课课程的设置必须围绕这个目标而展开。

制造系统数字化要求制造系统能充分感知其环境和状态，并将这些感知信息数字化。用数字来表达制造系统的环境和状态信息，便于计算机系统对数字化的信号进行处理和分析；便于计算机网络对数字化的信息进行实时传输与控制，互联整个制造系统；便于控制器接受环境和状态信息，根据控制策略，控制相应的执行机构，从而控制生产过程按规定时序运行；也便于对整个制造系统进行统一调度、管理和性能优化。所以，智能制造系统的数字化是智能制造系统的网络化和智能化的基础。

制造系统网络化是实现制造业信息物理系统融合的一种有效方式。网络化通常采用的网络有两种，一种是局域网，一种互联网。制造业的网络化，就是要让制造业的数据信息通过网络快速可靠地传递，实现管控一体化。在理想情况下，网络化就是要实现一网到底，从企业的决策层到车间的调度层到现场的控制层，将整个制造系统联接到网络中，从而提高制造业的决策效率、生产调度效率实现对现场设备的实时控制。在智能制造系统中，网络化通常分成两个部分，一部分是互联网，通过网络信息传递，把人联系在一起了，另一部分是物联网，它把机器和物品联系起来了，实现物物相联。

所以，制造系统网络化是智能制造系统的桥梁，它将制造业的计划、设计、制造、销售、设备管理维护等过程通过网络互联，实现信息互通。

制造系统智能化是在制造系统数字化和网络化的基础上，采用先进的系统工程方法，使制造系统具有自主学习、自主优化、自主管理的功能。从整个制造系统来看，智能化能够对设计过程、生产过程、产品的维护过程等进行系统的分析与综合，得出产品的设计生产销售、设备管理维护等的最优或者次优方案，并对制造系统整体方案进行自主优化与管理。从生产过程来看，智能化就是要使制造系统的各个部分在能够实时感知系统环境和状态的情况下，能够采用一些先进的控制策略，具有自主学习、自主决策，自主优化生产过程的调度、工艺参数的功能，从而提高产品加工质量和效率。

根据以上论述，可以看到，智能制造工程应包含制造系统数字化、制造系统网络化和制造系统智能化三个要素。智能制造数字化为智能制造的基础，制造系统网络化是联系智能造系统各个部分的桥梁，制造系统智能化是最终目标，其关系如图1所示。

图1 智能制造工程三要素之间的关系图

2 智能制造工程本科专业的专业基础课程设置方案

在明确智能制造工程专业的本科毕业生应具有的知识和技能之后，就可以设置相应的专业基础课程了。学生通过学习这些基础课程，为后续学习和掌握智能制造专业的知识和技能打下基础。为此，在这部分课程设置中，首先分析和归纳智能制造工程所涉及的基本理论和基本方法，然后在专业基础课程的设置中体现基本理论和基本方法的教育。

首先从制造业数字化的基础知识来看，为了认识和分析制造系统中的模拟信号和数字信号，第一，需要掌握基本电路的分析和设计方法：基本电路包括RLC电路、集成运算放大电路等，基本分析方法包括节点电压法、网孔电流法、戴维南和诺顿等效电路法等；第二，需要掌握模拟电路和数字电路的基础知识，熟悉基本模拟和数字电路的元器件，学会分析和设计基本的模拟电路和数字电路，如基本的组合逻辑电路、时序电路等；第三，掌握基本的数字信号处理方法，包括对模拟信号进行采样和量化，转化成数字信号的基本方法，对数字信号进行重建，将其转化成模拟信号的基本方法，从时间域和频率域对模拟信号以及数字信号进行分析和处理的方法。

为了让学生掌握基本的计算机知识，满足智能制造本科毕业生对计算机知识的要求，需要从编程的角度理解和掌握计算机的体系结构[1]。这些内容包括认识计算机处理器的体系结构，存储器的层次结构、虚拟内存、网络编程、并发编程等。

综上所述，与智能制造系统数字化要素相对应而设置的基础课程包括：《电路原理》《模拟电路》《数字电路》《数字信号处理》《计算机系统》等课程[2，3]。

其次，对智能制造网络化的基础知识而言，需要学生掌握以下两个方面的基础知识：第一，掌握通信的基本原理，主要包括掌握信道的概念，理解模拟调制系统、数字基带传输系统、数字带通传输系统、新型数字带通调制技术、数字信号最佳接受、信源编码、差错控制编码和同步原理等。与此要求相对应的课程是《通信原理》。第二，掌握计算机网络系统的组成结构，即物理层、数据层、介质访问控制层、网络层、传输层和应用层；熟悉网络安全的基本知识。与此要求相对应的课程是《计算机网络》[4]。

在制造业的智能化基础知识方面，需要学生掌握对制造系统各个环节进行建模的基本方法，掌握在模型的基础上对系统进行分析和综合的基本方法。系统的模型包括连续时间线性系统和离散时间线性系统。为此，设置的专业基础包括《自动控制原理》《计算机控制》等课程。《自动控制原理》主要讲述经典控制理论，被控制对象为单输入单输出线性时不变系统。其内容包括自动控制的一般原理、自动控制系统的数学模型、自动控制系统的时间域分析与综合、复数域的分析与综合、频率域的分析与综合。《计算机控制》主要针对离散时间系统的分析与综合，主要内容包括计算机控制系统的数学描述、计算机控制系统的特性分析、计算控制系统的基于输入输出模型的设计方法、计算机控制系统的状态空间设计方法等[3]。

由上面的论述，可以看到，与智能制造工程三要素相对应的专业基础课课程设置内容如图2所示。

图2 智能制造工程专业基础课课程设置内容图

2.1 智能制造工程本科专业的专业课程设置方案

在学生掌握了专业基础课程的基本知识后，就开始进入专业课程的学习。专业课程不同于专业基础课程，专业课程让学生能够灵活应用所学的专业基础知识，解决本专业相关的实际问题。而在专业基础课程中，为了集中于基本理论和基本方法的教育，而省略了一些技术细节和实际应用。

在智能制造系统数字化的专业课程中，要求学生掌握建立和分析实际工程中连续时间和离散时间采样混合系统的方法。通过设置《嵌入式系统》课程，让学生学习基本的微控制器体系结构，熟悉各个模块的功能，掌握典型控制器中常用模块的编程方法，掌握利用微控制器建立数字控制系统方法。当今主流控制器(MCU)是32位的，它们的总线频率高、集成度高、资源丰富，能够很好地满足设计和开发数字控制系统的要求。

通过设置《信号与系统》课程，让学生掌握确定信号经过线性时不变系统传输与处理的基本概念和方法[5]，主要包括：时间连续信号和时间离散信号的时间域和频率域的描述和分析方法，时间连续系统和时间离散系统时间域和频率域的描述方法、分析和设计方法。

在智能制造网络化要素的专业课程中，要求学生掌握常用工业控制网络的使用方法，掌握建立物联网系统的方法。通过设置《工业通讯网络》课程让学生学习常用的工业控制网络，包括Modbus现场总线、Profibus现场总线、CAN总线、DeviceNet现场总线、CANopen现场总线以及工业以太网等。掌握组建上述工业通信网络基本方法，及其使用这些网络的编程方法，能够根据工程需要，组建基本的工业通信网。

通过设置《物联网技术》课程，让学生学习组建物联网系统的方法，了解物联网系统的协议，掌握物联网系统的编程方法。

在智能制造智能化方面的专业课程中，要求学生掌握智能控制的基本方法，掌握对智能制造系统进行优化的基本方法。通过设置《智能控制》这门课程，让学生掌握控制科学中常用的智能控制方法，主要包括系统的鲁棒控制方法、系统的自适应控制方法、基于神经网络的控制方法、基于模糊控制的方法等。通过设置《线性系统理论》让学生掌握建立系统状态空间模型的方法，掌握利用状态空间模型对系统进行分析和综合的方法，主要包括线性系统的运动分析，线性系统的能控性和能观性分析，系统的稳定性，线性反馈系统的时间域综合。通过设置《运筹学》这门课程，让学生掌握线性规划、整数规划、目标规划、非线性规划、动态规划的基本方法及其在智能制造中的应用方法。

以上从网络化、数字化和智能化三个方面分别设置了专业基础课和专业课。智能制造的发展，除了依靠单项技术的进步之外，系统的深度融合，也会促进智能制造的发展。信息物理融合系统(Cyber-physical system, CPS)为智能制造问题提供了新的解决途径[6]。通过设置《信息物理融合系统》课程，让学生学习系统设计、规约、建模和分析方法，让学生了解信息物理融合系统，将许多应用领域的物理系统进行深度融合的技术和方法，掌握在环境感知和系统状态感知的基础上，集通信、计算和控制于一体，通过获取充分的信息，优化系统的参数和控制策略，获得系统稳定、可靠、鲁棒和高效等性能的方法。

从以上论述，可以用图3来形象化地表示智能制造工程专业的专业课课程设置内容。

图3 智能制造专业课课程设置内容图

2.2 专业课的课程设计方案

为了让学生更好地巩固和掌握所学智能制造工程的专业知识，培养学生动手实践能力，对《嵌入式系统》和《物联网技术》两门专业课程设置了专业课程设计环节。

《嵌入式系统》的专业课程设计的主要内容是，让学生利用所学的微处理器知识，根据具体工程项目的要求，设计和实现具有数据采集、分析与处理、决策与控制等功能的小型自动化系统，能将所学基础知识串联起来，应用到工程实践中。为此，设置了如步进电机控制器设计、直流电机控制器设计、多功能电子钟系统、电磁或摄像头自动巡线小车、火焰追逐小车课程设计题目等。

《物联网技术》专业课程设计的主要内容是，让学生利用所学物联网技术，组建一个具有多节点的无线传感网络，具有无线通信、数据收集和处理、协同合作等功能，并与公网相连。

根据教学改革的要求，学生在学完了所有的专业课程之后，需要进行一个专业课程设计，综合利用所学的知识，让学生把所有的专业知识串联起来，解决一些实际工程问题。专业课程设计要具有综合性，能概括学生所学的专业知识；难度要适中，让学生能够做得出来，但也不能很容易就做出来；还有具有可操作性，材料成本不能太高。为此，设计了一个题为“自动生产线模拟”的课程设计项目，5人一组，相互协作完成，为期三周。设计的具体内容为，用32位的微控制器作为系统的控制器，实现模拟生产线上的运载小车、机械手、加工中心的相互调度控制，优化控制策略，达到使整个生产过程稳定安全高效运行的目的。

通过以上论述，可以将智能制造工程专业的对制造系统数字化、网络化和智能化基本要素，及其对应的专业基础课课程设置和专业课课程设置内容及其相互关系用图4来表示。

图4 智能制造工程专业的专业课程设置内容及其相互关系图

3 小结

本文尝试提出了智能制造工程本科专业基础课程和专业课程设置的初步方案。应当指出的是，计算机技术、通信技术和自动控制技术都在迅速向前发展，这些都是智能制造工程专业的支撑学科，因此，智能制造工程专业的专业课程设置要随着这些支撑学科的发展而修订，使之能够跟随相应科技发展的前沿，引领智能制造业的发展方向，为培养能够满足智能制造人才市场需求的毕业生起到引导和保障作用；同时根据制造业市场对本专业毕业生质量的反馈而修订培养方案，进一步提高学生的培养质量。