面向智慧製造智慧科學與技術專業實驗平臺建設探索論文
面向智慧製造智慧科學與技術專業實驗平臺建設探索論文
摘要：根據廣東智慧製造發展的人才需求和工程用型人才培養目標，結合廣州大學華軟軟體學院電子資訊科技的特色和優勢，圍繞智慧科學與技術專業實驗實踐課程設定，實驗教學體系建設、實驗保障等方面，探討如何構建一個與廣東智慧產業深度融合的，強應用重創新的專業實驗平臺。
關鍵詞：智慧製造；智慧科學與技術；人工智慧技術；機器人；實驗平臺建設
智慧製造是基於新一代資訊科技，貫穿設計、生產、管理、服務等製造活動各個環節。具有資訊深度自感知、智慧最佳化自決策、精準控制自執行等功能的先進製造過程、系統與模式的總稱。是資訊科技和智慧技術在裝備製造過程技術的深度融合與整合。加快推進智慧製造，是我國在全球新一輪產業變革競爭背景下出臺的《中國製造2025》的主攻方向。廣東省作為國內製造大省和全球重要製造基地，也對接印發了《廣東省智慧製造發展規劃（2015-2025年）》。針對廣東省製造業的創新能力、產業結構、資訊化水平的缺乏競爭力的問題，大力實施創新驅動發展戰略，推動智慧製造核心技術攻關和關鍵零部件研發，推進製造過程智慧化升級改造，實現“製造大省”向“製造強省”轉變。創新驅動，智慧化升級改造需要國際領先水平人才的引進和高等院校實戰型工程技術人才培養。我院智慧科學與技術專業就是面向廣東智慧產業的深度融合設定的。其專業實驗平臺的建設需要針對廣東省高階裝備、製造過程、工業產品智慧化等領域的薄弱環節，以“機器智慧”為方向，完善實驗教學體系、整合實驗教學資源，開設綜合性、創新性的實驗專案，培養學生實踐能力和創新意識。緊密聯絡企業，針對智慧製造關鍵技術協同創新。培養具有智慧系統開發與設計、智慧裝備的應用與工程管理能力；能在智慧裝備、智慧機器人、智慧家居等領域從事智慧系統的是開發與設計、應用於維護、運營與管理的“厚基礎、強應用、能創新”的高素質工程應用型人才。
1專業實驗平臺建設思路
面向智慧製造專業實驗平臺的建設，依據《廣東省智慧製造發展規劃（2015-2025年）》中發展智慧裝備與系統，工業產品、製造流程智慧化升級改造的任務，從智慧科學與技術知識體系中提取專業發展方向的課程，建立完善專業實踐教學體系。以“機器智慧”為方向建設人工智慧與機器人實驗室為核心，以專案、科技競賽、緊密對接企業協同創新為手段，培養學生能夠運用工程基礎知識和專業理論知識設計工程實驗，分析實際問題的能力，培養學生查詢檢索資料文獻獲取知識的能力，培養學生能夠綜合運用自然科學知識、專業理論知識和技術手段設計系統和過程解決實際問題的能力。透過科技競賽等活動，培養學生在團隊裡具有工程組織管理能力、表達能力和人際交往能力。透過與企業的合作，掌握基本創新方法，並讓學生具有追求創新的態度和意識，以培養學生的綜合素質和能力為重點。立足華軟學院電子系電子資訊工程嵌入式專業、自動化專業、通訊工程專業現有的平臺優勢，按照“整合、整合、共享、提升”的基本思路，完善支撐體系，最佳化實驗教學資源配置，建設一個能夠與廣東智慧產業深度融合的階梯形層次化實驗平臺。
2實驗平臺建設內容
智慧科學與技術專業實驗實踐平臺的建設要依據實驗教學體系的`構建，突出面向智慧製造工程實踐為特色，按照學生的成長需要，建立階段化、層次化、模組化的實驗教學體系。
2.1專業實踐課程體系建設
面向智慧製造的智慧科學與技術專業定位是以工程應用型人才培養為目標的，是在通識教育基礎上的特色專業教育。專業課程體系的建設首先還是以培養學生具有紮實自然科學基礎知識，人文社會科學知識和外語應用能力為基礎，其次是智慧科學與技術專業技術基礎課程，如數字系統與邏輯設計、數字訊號處理基礎、訊號與系統、電路分析與電子電路；c語言程式設計與演算法分析、資料結構、資料庫與作業系統、微機原理與介面、感測器與檢測技術等。最後是專業方向類課程，也是專業的核心課程，如製造業基礎軟體中的嵌入式軟體、工業控制系統軟體，工業機器人中人工智慧技術應用和智慧控制技術。主要有知識獲取模式識別；資料通訊與網路；嵌入式系統移植和驅動開發；嵌入式應用開發；人工智慧與神經網路；智慧控制技術；機器人學等課程。培養學生具備計算機技術、自動控制技術、智慧系統方法、感測資訊處理等技術，完成系統整合，並配合專業實踐課程體系如圖1，完成電子工藝實習、技術基礎課程、核心課程的課程設計和綜合專案實驗，並在工程應用中實施的能力。
2.2實踐教學體系建設
依據專業實踐課程體系，構建主要包括計算機基礎、電路基礎、資訊與控制基礎、嵌入式技術、機器智慧系統五大模組開展不同學習階段層次化的實驗教學體系。主要包括基礎類、專業實訓類、綜合創新類。
1）基礎類實驗注重開設與課堂教學中基本理論相結合的精品實驗專案，並逐步提升基礎實驗課時的比例。從實踐中啟發引導學生牢固掌握基礎理論知識。除此之外，還要注重工作方法和學習方法的能力培養，如收集資訊查詢資料、制定工作計劃步驟、從基礎理論到解決實際問題的思路以及獨立學習新技術的方法和評估工作結果的方法。培養學生厚實的專業基礎知識和能力。
2）專業實訓類實驗主要以專案教學、案例教學、情景教學方式培養學生利用專業知識及方法獨立解決行業領域內的任務和問題並能夠評價結果的能力。如智慧感測應用專案，人工智慧技術實驗專案，知識表示與推理專案，計算智慧專案，專家系統，多智慧體系統；機器人專案，如最小機電系統組成，如何完成對電機的控制；利用單軸或雙軸控制平臺實現基本搬運裝配作業。
3）綜合創新類實驗注重培養學生從理解問題域開始，獲取資料和知識、開發原型智慧系統、開發完整智慧系統、評估並修訂智慧系統、到整合和維護智慧系統六個階段構建智慧系統。如開展人工智慧技術在智慧製造中的應用包括產品設計加工、智慧生產排程、智慧工藝規劃、智慧機器人、智慧測量等；直角座標機器人實現碼垛搬運、多關節串聯機器人、弧焊機器人實訓等。
4）科技競賽、與企業協同創新，透過觀察記錄待智慧化升級的工廠生產過程，發現定義問題、提出假設、蒐集證據檢驗假設、發表結果、建構理論等實驗過程設計的能力。培養學生掌握基本創新的方法，團隊協作管理能力、表達溝通能力等。如嵌入式設計大賽、機器人大賽等科技競賽；以及針對自動化生產線的嵌入式工業控制系統設計；針對原材料製造企業的集散控制、製造執行整合應用；針對裝備製造企業的敏捷製造、虛擬製造應用；工業機器人在汽車、電子電氣、機械加工、船舶製造、食品加工、紡織製造、輕工家電、醫藥製造等行業的應用。
2實驗教學保障
智慧科學與技術實驗平臺建設以人工智慧與機器人實驗室建設為核心，結合目前學院嵌入式系統實驗室、自動控制實驗室、感測器技術實驗室、通訊原理實驗室資源，儀器裝置共享共建的原則，系統化籌備購置。人工智慧機器人實驗室主要針對智慧系統設計開發和機器人應用，基於計算機系統的人工智慧技術學習應用包括人工智慧技術在智慧製造應用和工業機器人模擬軟體ABB Robot Studio。基於“探索者”機器人系統控制實訓箱Rino-MRZ02（包含履帶機器人、雙輪自平衡機器人、5自由度機械臂、6自由度機械臂等）
可以開展的專案有：利用啟發式演算法、遺傳演算法、蟻群演算法等模糊數學理論對工業產品設計進行效能模擬、運動分析、功能模擬與評價；利用人工神經網路自學習、自組織構造產品加工過程新能引數預測模型。利用模式識別、機器學習、專家系統、多智慧體系統進行感知、並對環境的改變進行解讀、動作進行規劃和決策；利用專家系統、遺傳演算法、模糊邏輯集中式解決生產排程多目標性、不確定性和高度複雜性的問題，尋求最優規則，提高排程的速度；利用蟻群演算法、遺傳演算法分散式多智慧體系統進行問題分解、彼此協商、任務指派、解決衝突。
履帶機器人可開展電機控制實驗；運動控制實驗；HD軌跡控制實驗；無線通訊實驗。雙輪自平衡機器人呢可開展自平衡模組實驗；倒立擺演算法實驗；雙輪載具運動實驗。6自由度雙足機器人可開展雙足運動控制實驗；步態規劃實驗；雙足平衡實驗；機構改裝實驗。5自由度機械臂可開展機械臂運動控制實驗；顏色分揀實驗。可擴充套件為8自由度雙足機器人、輪腿式機器人等技能提高類課程設計。
透過ABB公司的機器人模擬軟體RobotStudio進行工業機器人的基本操作、功能設定、二次開發、線上監控與程式設計、方案設計和驗證的學習。
3結束語
智慧製造是基於人工智慧的研究，機器人是實現智慧製造的重要基礎。所以面向智慧製造智慧科學與技術專業實驗平臺的建設要把人工智慧技術在智慧裝備、智慧系統中的應用和機器人技術與應用作為專業知識技能培養的重點，更要讓實驗平臺既能幫助學生理解掌握所學的基礎理論知識，培養學生的實際動手能力，掌握學習研究的方法，基本的科學實驗技能外，又要調動學生學習的主觀能動性，進行創新實踐。