学科交叉背景下的《发酵过程智能控制技术》课程建设

丁健，史仲平

(江南大学 生物工程学院，江苏 无锡，214122)

伴随工业生物技术及其周边学科的发展，工业化发酵生产呈现出部门分工细化、组织规模扩大、产品多样化和发酵过程参数多样化的特点[1]。工业发酵过程的上述特点，使得发酵数据的数量及复杂程度剧增,每个发酵批次本身具有特定的批次信息，如操作部门、操作人员、产品等；每个发酵批次内又包含在线数据、离线数据、菌体形态、人员操作记录等生产信息。技术人员需要通过分析历史数据指导发酵生产，优化发酵工艺。随着发酵数据数量及复杂程度的增加，发酵企业对于技术人员自身的专业素质也提出了更高的要求。然而，各高校生物工程类相关专业的课程设置中，仅在《发酵工程原理与技术》这门课程中对于发酵工艺控制与优化有所涉猎，且教学内容过于陈旧，没有与当前工业生产中的最新技术紧密结合[2]。很明显，在此模式下培养出的技术人员，难以满足发酵企业对于技术人员的要求。

工业化发酵过程在数据管理、数据分析、数据驱动的工艺控制与优化方面遇到技术瓶颈，与此同时，由新一代信息技术催生出的第四次工业革命正在悄然到来。以工业互联网、物联网、大数据和人工智能为代表的新一代信息技术正在以“润物细无声”的姿态改变着传统制造业[3]。我国工业和信息化部于2021年11月印发的《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》中明确指出：信息世界和物理世界的深度融合是未来世界发展的总趋势，信息化和工业化深度融合顺应这一趋势，正在全面加速数字化转型、推动制造业企业形态、生产方式、业务模式和就业方式的根本性变革[4]。新一代信息技术的快速发展，为工业发酵过程突破技术瓶颈提供了强有力的工具。信息技术可有效提高发酵数据管理和分析的效率，利用大数据和人工智能技术构建的数字化模型，能够理性指导发酵工艺的优化控制，摆脱关键工艺操作环节对于人工经验的过度依赖，提高工艺控制的精度和自动化水平，在稳定发酵生产性能的同时实现节能降耗。因此，与信息技术的深度融合，是发酵工业转型升级、提高自身竞争力的必由之路。

想要实现信息化与发酵工业的深度融合，需要大量具有交叉学科背景的工程技术人才。众所周知，生物工程与信息技术之间的专业跨度较大。比较江南大学生物工程专业和计算机科学与技术专业的培养方案，可以发现，这两个专业的基础课设置差异较大，并且其他高校类似专业的课程设置也有这一特点，最终导致具有信息技术和生物工程交叉背景的人才稀缺，无法满足信息化与发酵工业的深度融合。在这一背景下，江南大学生物工程学院尝试在生物工程类本科专业中开设《发酵过程智能控制技术》课程，旨在培养学生利用信息技术解决发酵数据管理、数据分析、工艺控制与优化问题的能力，为发酵行业输送具有交叉学科背景的工程技术人才。

1 教学内容

1.1 python虚拟环境搭建和常用工具包

在学习本课程之前，学院已开设《python语言程序设计》，侧重对于python编程语言本身的学习和应用。一定的计算机编程能力，是发酵过程智能控制所必须的。在先修课程的基础上，重点讲授virtualenv虚拟环境、pip包管理工具，使学生快速掌握搭建应用型工程项目框架的方法。最后，基于virtualenv虚拟环境和pip包管理工具，介绍在发酵过程智能控制中常用工具包，具体内容如表1所示。利用这些成熟的工具包，能够快速高效地实现发酵过程中所需的数据采集、科学计算、数据可视化以及数据通信等功能。将这些工具包中的功能函数灵活组合，能够快速搭建发酵过程智能控制系统。因此，熟练使用这些工具包，是发酵过程智能控制的基础。由于课堂教学时间有限，授课过程中重点讲述工具包主要功能、用途、安装方法以及最基本的使用方式，同时给出各工具包所对应的详细官方文档，供学生课后学习。同时，针对每一个工具包在发酵过程控制中的应用场景，布置难度适宜的课后作业，培养学生自主阅读文档、独立解决问题的能力。

表1 发酵过程智能控制常用python工具包Table 1 Commonly used tools for fermentation process intelligent control

1.2 发酵数据采集与管理

如今，在各行各业中，数据已被看作巨大的宝藏。本章节授课内容，主要关注在发酵过程中的数据来源问题，目的在于教会学生从不同的发酵设备中获取第一手数据，并对其进行科学地管理。首先介绍目前市售发酵罐的硬件及软件架构模式，使学生初步了解小试、中试以及生产规模的发酵罐架构模式。之后，介绍在不同的硬件及软件架构模式下，如何与设备通信，从设备中获取数据。例如，如图1所示的发酵罐架构中，主要可以采用3种方式从发酵罐的主控PLC上获取数据：(1)通过KepServer软件中转，再利用多种软件接口从KepServer中读取数据；(2)使用python中的snap7-python工具包直接读取主控PLC中的寄存器或者数据块；(3)若主控PLC开启了OPC-UA通信的功能，则可以利用python中的python-opcua工具包，通过OPC-UA接口读取PLC中的数据。在不同的设备架构模式下，可以使用不同的方法读取设备数据，常用的方法还包括，动态数据链接、OPC-DA以及http协议等，在本章节中都会一一向学生讲授。

图1 发酵设备架构示例Fig.1 Example of fermenter equipment architecture

从发酵设备中获取到的大量数据，如何进行有效管理是本章节关注的第二个问题。在授课过程中，首先以MySQL数据库管理软件为例，向学生讲授关系型数据库的相关基础知识。在此基础上，更重要的教学内容是教会学生如何根据发酵过程数据的类型和特点，有针对性地设计数据库结构，实现发酵数据的高效管理。利用结构合理的关系型数据库，可以帮助发酵技术人员对数据进行快速的保存、删除、修改以及查询。最后，教会学生如何利用python中的pymysql工具包操作MySQL数据库，这也是未来发酵技术人员的重要技能之一。

1.3 嵌入式开发与发酵设备控制

嵌入式开发就是指在嵌入式操作系统下进行开发，一般常用的系统有linux， WinCE，android等。嵌入式操作系统具有内核小、极度精简、控制性强、适应性强的特点，在嵌入式操作系统中开发的计算机程序，被广泛用于各行各业的工业控制过程当中[5]。本章节将以安装有嵌入式Linux操作系统的单板控制机——树莓派为实例，为学生讲授嵌入式开发在发酵设备控制中的应用[6]。首先，以实际操作为学生展示嵌入式Linux操作系统的简易使用方法，并教会学生如何在嵌入式Linux操作系统上搭建python开发环境。在此基础上，一一为学生介绍树莓派上集成的多种通信接口，如数字IO、Uart、I2C以及SPI等，并介绍这些通信接口在发酵过程控制中的应用范围。最后，以具体的python代码为例，展示如何利用树莓派上的通信接口对发酵罐及周边设备进行控制，例如：利用数字IO接口控制电器阀的开启和闭合，利用Uart接口控制流加泵的转速，利用I2C上外界的AD/DA模块采集压力传感器数据，调节保压阀的开度，进而将发酵罐内的压力控制在稳定水平。

课程讲授至此，学生已经学会如何利用python编程的方式从各类发酵罐以及周边设备中采集数据、管理数据，并对各类设备实施控制，已经初步具备了对发酵过程进行智能控制的相关硬件知识。在以下章节的教学中，将继续对相关软件开发知识和技能进行强化学习。

1.4 数据与控制指令传输

掌握了对单台发酵设备数据采集、数据管理和设备控制的相关知识后，需要对学生的知识体系进行进一步扩展，继续讲授多台发酵设备集中控制和数据统一管理的方法。在实际的发酵生产过程中，发酵设备并不一定集中在一起，可能位于不同车间、不同厂区、甚至不同城市。因此，设备的集中控制和数据的统一管理，必然涉及数据和控制指令的远程传输。目前，互联网相关的基础设施建设已经十分完善，其稳定性和瞬时传输速度已经完全能够满足发酵数据和设备控制指令传输的需求。因此，本章节主要向学生讲授利用互联网传输发酵数据和设备控制指令的相关知识。

授课的内容主要包括：TCP协议，http协议，mqtt协议，阿里云物联网平台。几种网络通信协议的关系如图2所示，其中，TCP协议是最基本的网络传输协议，利用它传输数据，软件开发的工作量较大。http协议和mqtt协议均是在TCP协议的基础上，经过进一步封装而获得。前者主要用于由客户端向服务器的请求发送，是单向的；后者在物联网设备的通信中具有广泛应用，利用“订阅-推送”机制实现数据流在“客户端-客户端”和“客户端-服务器”之间的自由传输。阿里云物联网平台则是在标准mqtt协议的基础之上进行更进一步的封装，提供更加简单易用的接口函数，且有专门的团队负责平台的维护，稳定性高。本章节要求学生重点掌握通过标准http协议和阿里云物联网平台传输发酵数据和指令的方法。

图2 网络通信协议之间的关系Fig.2 Relationships between network communication protocols

1.5 综合应用实例

如前所述，信息化与发酵工程的深度融合，需要技术人员同时具备信息技术和发酵工程相关的背景知识。本课程进行至此，在发酵工程中能够用到的信息技术知识已经基本讲授完毕。由于课堂教学学时有限，讲授过程更加偏重于知识结构体系的构建和实际操作的训练，过于细致的技术细节涉及较少。为了弥补这一缺陷，上述的所有内容都会给学生提供权威的课后学习资料，供学生扩展学习。发酵工程相关知识，学生已经在先修课程《发酵工程原理与技术》中学习过[7]，本课程中就不再详细讲述。

前面几个章节中，对于信息技术相关知识的介绍都是零散的，即便学生已经熟练掌握了每一个知识点，也很难综合运用各个章节所学到的内容解决发酵工程中遇到的实际问题。想要提高学生运用书本知识解决实际问题的能力，具有针对性的、典型的综合案例教学必不可少。因此，在本课程的最后一个章节中，授课教师将精心选择2～3个综合性的项目案例，这些案例全部来源于实际的科研或工程项目。例如，图3所示的项目实例，该实例在树莓派上利用python语言编写数据接口与设备通信，通过本地web服务器为现场操作人员提供上位机操作接口，通过内嵌的阿里云物联网平台客户端实现数据的上报和控制指令的转发。在课堂上详细剖析这些综合案例中每个功能模块内部实现的功能，以及各功能模块之间系统作用的机制，并依靠实物展示、分组讨论等方式引导学生主动思考，在课后完成授课教师布置的开放性系统开发作业。通过综合案例的讲解和课后的开放性系统开发作业，使学生将前面几个章节中所学到的基础知识融会贯通，真正具备查阅资料、阅读操作手册以及利用信息技术解决发酵过程智能控制实际问题的能力。

图3 发酵数据管理系统框架Fig.3 Framework of fermentation data management system

2 教学难点及解决方案

2.1 信息技术基础知识薄弱

本课程的授课对象是生物工程类专业大学三年级的学生，经过两年半的学习，绝大多数的学生已经扎实地掌握了生物类以及发酵工程方向的基础知识。由于教学计划中与计算机相关的基础课和专业课较少，导致学生对于信息技术类基础知识掌握较为薄弱。如何在有限的32学时的课堂教学中，让学生掌握大量的非本专业基础知识，是本课程教学的最大难点。针对这一难点问题，提出以下解决方案：

(1)梳理知识体系，将信息技术类相关的知识体系按照发酵过程智能控制的需求重新组合，有利于学生根据自身现有的知识体系去发散理解新的知识体系。现举例说明，1.2中所述的教学内容，主要包含两个方面：第一个方面是通过硬件接口技术采集数据，第二个方面是利用数据库技术管理数据。根据江南大学计算机科学与技术专业最新的培养方案，上述两个方面的教学内容分别属于硬件和软件两个不同的知识体系，前者按照“电路与电子技术”→“计算机组成与系统结构”→“硬件结构设计”→“汇编语言与接口设计”这一知识体系进行讲授，后者按照“C语言程序设计”→“数据结构”→“数据库系统原理”这一知识体系进行讲授。而在本课程的讲授过程中，将硬件和软件两个方面的基础知识组合在一起，以发酵数据为引领，按照“发酵数据获取”→“发酵数据管理”的知识体系传授给生物工程类专业的学生，更有利于学生对知识的理解和运用。

(2)合理选择授课内容，授课时尽量选择与发酵工程实际应用联系密切的内容，着重讲授信息技术在发酵工程领域的应用，避免讲授晦涩难懂的计算机理论知识。现举例说明，仍然以1.2的教学内容为例。在计算机科学与技术的《数据库系统原理》教学中，会系统全面地讲授数据模型、关系数据、数据的安全性和完整性等通用理论知识以及复杂的数据查询语言，这些内容对于生物工程类专业的学生过深过难。在本课程的授课过程中，会尽量避免讲授晦涩的理论知识，而重点讲授发酵数据的特点，例如发酵批次数据信息、在线数据以及离线数据的特性等，并为学生演示如何根据发酵数据的这些特点设计数据库系统。

(3)紧扣先修课程《发酵工程原理与技术》的教学内容，将该课程中涉及到的教学案例，进一步延伸，以案例演示的方式加深学生对于信息技术相关基础知识的理解。现举例说明，《发酵工程原理与技术》中讲授碳源浓度对于产物合成的影响时提到：碳源浓度过高或过低都不利于产物的高效合成，需要通过调节碳源流加速率的方式将碳源浓度控制在适宜的水平。然而，绝大多数碳源浓度都需要通过人工取样和离线测量才可以得到，因此需要操作人员根据离线测定的碳源浓度手工调节流加速率来控制碳源浓度。在本课程中，可以对上述知识内容做进一步的强化和延伸，告诉学生如果碳源浓度可以在线测量，那么就可以利用计算机程序自动调节碳源的流加速率，从而将碳源浓度控制在适宜水平。即便缺乏测定碳源浓度的在线传感器，也可以通过软测量的方式，从在线可测的参数出发，实时推算碳源浓度，并依据推算得到的碳源浓度实施碳源浓度的在线控制。最终，通过一个具体的实例(如乳酸发酵过程)为学生现场演示碳源浓度实时推算和在线控制的操作过程。

2.2 学科交叉思维方式的建立

在学习过先修课程《发酵工程原理与技术》后，学生已经具备了扎实的发酵工程基础知识。同时，上述方案的实施，也能够有效解决学生信息技术基础知识薄弱的难题。至此，学生已经具备了将发酵工程与信息技术融合的基础知识。然而，想要实现不同学科的深度融合，仅有各个学科的基础知识是远远不够的。不同学科解决问题都有各自的思维方式，信息技术与生物工程解决问题的思路各不相同。信息化与发酵工业的深度融合，归根结底是思维方式的融合。如何令学生同时具备不同学科的思维模式，同时使二者相互融合，是本课程教学的重点和难点之一。为帮助学生建立学科交叉思维方式，提出以下措施：

(1)培养学生的工程学思维，在授课和辅导课后作业过程中，提倡学生利用数学工具解决发酵工程领域的实际问题，使学生的思维方式逐步向信息技术领域过渡。现举例说明，按照《发酵工程原理与技术》中讲授的思维方式，若要考察溶解氧浓度对于发酵性能的影响，则需要在不同溶解氧浓度(如10%、30%和50%)下实施发酵实验，直接比较每个批次的发酵性能，确定上述3个溶解氧水平对发酵性能的影响。在本课程的授课过程中，则需要引导学生利用工程学思维考虑此类问题，将发酵过程看作一个数学模型，在忽略其他条件影响的前提下，以溶解氧浓度作为模型的输入，以发酵性能(如细胞浓度、产物浓度等)作为模型输出。将不同溶解氧浓度下的发酵批次数据作为建模数据，进而确定模型参数。最终，利用这一数学模型考察溶解氧浓度对于发酵性能的影响规律。

(2)将信息技术解决问题的思维方式渗透在教学过程中，针对学生耳熟能详的发酵工程领域的实际问题，引导学生利用两个学科不同的思维方式和解决方案解决相同问题，体会不同学科思维方式的差异以及优劣，最终将两个学科的思维方式相互融合，发挥各自的优势，提出解决问题的最优方案。现举例说明，仍然以上述溶解氧浓度和发酵性能之间的关系为例。如果想要优化溶解氧浓度，按照《发酵工程原理与技术》中讲授的解决方案，仍然是直接比较不同溶解氧水平下的发酵性能，从多批发酵中找出一个性能最好的批次，将它所对应的溶解氧浓度作为最优的溶解氧浓度。而在本课程中，则需要引导学生利用信息技术解决这类优化问题。如前所述，可以建立数学模型描述溶解氧浓度对发酵性能的影响。那么，只需要利用全局优化算法对已有模型进行寻优，求得模型输出(发酵性能)的最大值以及该最大值所对应的溶解氧浓度，这一溶解氧浓度即可看作是最优的溶解氧浓度。

2.3 自主学习能力的培养

想要实现信息化与发酵工业的深度融合，需要技术人员具备大量的知识储备，同时需要技术人员具备两个专业的思维方式，并将两种思维方式相互融合。想要在32学时的课堂教学中让学生完成上述具有交叉学科属性的知识储备和思维方式融合，几乎是不可能实现的。因此，必须在授课过程中培养学生持续学习的动力和自主学习的能力，提出以下解决方案：(1)在授课过程中，融入发酵工业中实际的技术需求。使学生充分了解到，自己在课堂上学到的知识能够真正解决发酵生产中遇到的问题，在将来的工作中是有用武之地的。只有这样，才能充分激发学生持续学习的动力。(2)在有限的时间内，不要求学生掌握全部的知识内容，但要求学生构建完整的知识体系。具备了完整的知识体系，在以后的工作中学生才可以有的放矢地自主查抄资料、自主学习知识，使学习的过程从漫无目的的“论述题”变成目标明确的“填空题”。

3 教学成效

经过先修课程《python语言程序设计》、《发酵工程原理与技术》以及本课程的学习，预计达到以下几点教学成效：(1)强化利用信息技术解决发酵工程实际问题的意识，能够初步判断利用信息技术解决特定问题的必要性和可行性。(2)针对在发酵过程中遇到的具体问题，能够独立提出信息化和智能化改造方案，初步完成硬件配置和软件架构的设计。(3)通过资料查阅和自主学习，能够独立完成研发、中试规模发酵设备的小型信息化改造项目，包括硬件系统的搭建和软件系统的开发。(4)初步具备作为项目负责人，组织实施工业生产规模发酵设备的大型信息化改造项目的能力。

4 总结

与信息化的深度融合，是发酵工业发展的大势所趋，培养具有交叉学科背景的高级技术人才势在必行。为培养具有信息技术和生物工程交叉学科背景的专业技术人才，江南大学生物工程学院尝试将信息技术与发酵工程相关的教学内容相互融合，在生物工程类本科专业的第三学年(第六学期)开设《发酵过程智能控制技术》课程。本课程以发酵过程智能控制的需求为导向，循序渐进地向生物工程类专业的学生讲授信息技术类的基础知识，授课内容注重信息技术在发酵工程领域中的应用，通过大量的案例和实际操作，引导学生完成知识体系的融合，在信息技术和生物工程的交叉领域培养学生持续学习的动力和兴趣，赋予学生自主学习的能力。通过本课程的学习，将使学生初步具备独立实施发酵设备信息化和智能化改造的能力。