面向新工科人才培养的物联网实践平台建设.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 3 期 2023 年 6 月Vol.26 No.3 Jun.2023新工科、新医科、新农科、新文科建设 面向新工科人才培养的物联网实践平台建设于赫洋1,2,王立玢2,3,白瑞峰1,2(1.天津大学 电气自动化与信息工程学院,天津 300072;2.天津大学 创新创业教育基地,天津 300072;3.天津光电通信技术有限公司,天津 300210)摘 要:为探索新工科为导向的工程教育改革与创新创业新模式,依托天津大学创新创业教育基地,基于在线支付技术、智能制造流程生产技术和智能仓储技术,以黄芪为模拟生产对象,设计了物联网实践平台,建立了消费、生产的全生命周期信息流,将流程生产工业、零售行业与扶贫脱贫政策相融合,并构建了课程教学、实践训练、创新创业的一体化教育体系,为推进新工科的建设与卓越工程师的培养助力。关键词:新工科;创新创业;物联网;实践平台;教育体系中图分类号:TP39 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.03.057Construction of IoT practice platform for talent education based on new engineeringYU Heyang1,2,WANG Libin2,3,BAI Ruifeng1,2(1.School of Electrical and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Innovation and Entrepreneurship Education Base,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.Tianjin Toec Technology Co.,Ltd,Tianjin 300210,China)Abstract:In order to explore new engineering education reforms and new models of innovation and entrepreneurship,relying on the innovation and entrepreneurship education base of Tianjin University,based on online payment technology,intelligent manufacturing process production technology and intel-ligent storage technology,using astragalus as simulation product,the Internet of Things practice plat-form is designed,establish a full life cycle information flow of consumption and production,integrate process production industry,retail industry and poverty alleviation policies,and build an integrated in-novation and entrepreneurship education system for curriculum teaching,practical training,innovation and entrepreneurship,to promote new engineering construction and the training of outstanding engi-neers are assisted.Key words:new engineering;innovation and entrepreneurship;Internet of Things;practice platform;education system 收稿日期:2022-08-22 修改日期:2023-04-23作者简介:于赫洋,硕士,工程师,主要研究方向为工业自动化,智能制造,多相流检测研究。E-mail:通讯作者:王立玢,硕士,工程师,主要研究方向为通信工程技术,物联网,工业软件设计。E-mail:基金项目:高等教育司产学合作协同育人项目(项目编号:201901198039);天津大学实验室建设与管理改革项目(项目编号:LAB2018-26)。为主动应对新一轮科技革命与产业变革,支撑服务国家创新驱动发展战略,教育部积极推进新工科建设,先后形成了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”1;而工程教育在我国高等教育中占有重要地位,高素质工程科技人才是支撑产业升级和创新,实施国家重大发展战略的重要保障2。在“中国制造 2025”计划的大时代下,高校更需要主动服务国家战略,推行“卓越工程师教育培养计划2.0”3,探索“新工科”背景下创新创业实践能力培养模式,全面深化创新创业教育改革。探究“新工科”背景下的创新创业实践能力培养模式,必须把培养创新人才作为重要目标,深入推行工程教育改革4。然而,创新创业教育当前仍然面临着诸多的问题,如教学内容老化,脱离工程应用背景与发展前沿;教学模式单一,学生难以将创意付诸实践;创新创业项目的科技水平有待提高,实践平台短缺等。在电气、自动化、电子信息等专业学生内部的调研当中,大多数反馈意见无不体现了上述的问题5。在此背景下,天津大学整合电气信息类创新创业教学资源,建立了服务全校的创新创业实践教学基地(以下简称:基地)6,解决目前创新创业实践平台短缺等问题,突出校企及国际合作的开放模式,构建优良的创新创业教育生态环境,为工科专业创新型人才培养工作提供示范经验。基地自建设以来,在教学服务、学科竞赛、校企合作项目等方面均取得了进展。基地重点打造项目智慧流程生产线,将流程工业与智能制造相结合,实现流程生产与仓储信息的可视化,促进智能制造理念在应用中落地。与此同时,基于项目构建了物联网综合实践平台,为自动化、电子信息等专业提供实践教学内容与训练,促进校企合作,给学生提供工程设计基础能力、专业综合实验能力和实际工程问题解决能力三个层次的实践环节,为推进高校创新创业工程教育改革助力。1 物联网实践平台设计为了构建功能全面、教学环节丰富的物联网实践平台,采用了模块化的设计方法,将系统分为三大模块,分别为在线支付模块、模拟流水线模块和智能仓储模块,再从模块内部细化功能需求,结构如图 1所示。用户通过远程预订产品,模拟流水线模块将产品从智能仓储模块中取出、运送,并通过视觉识别模组与工业机器人进行货物的选择与打包;智能仓储模块对产品进行存储与关键信息监测,通过物联网平台对智能仓储模块的信息进行实时收集与上传,图 1 物联网实践平台设计并根据信息对系统进行智能调节,同时将数据信息传输到云端,为管理者提供系统关键信息。产品以黄芪为模拟对象,在以天津大学定点帮扶的甘肃宕昌县为代表的贫困地区,受限于地理环境和土壤条件,无法种植其他农作物,只能以黄芪、党参等中草药为主要经济来源,中药材加工是当地扶贫的重点项目之一,是当地脱贫攻坚的关键一环7。但是对于存储过程中的水分控制不当会造成黄芪营养流失及药效降低,同时由于手工生产效率低、缺少订购渠道等因素,影响经济效益。通过构建物联网实践平台,能够给西部地区中药材粗加工带来技术支持与帮助,将流程生产工业、零售行业与扶贫脱贫政策融合,建立消费、生产的全生命周期信息流。2 在线支付模块在线支付模块为系统发起点,可以分为三层:交互层,负责终端数据的显示与交互;通信层,负责数据的采集和传送;管理层,负责存储数据并对数据进行分析8。在线支付模块由网页实现(见图 2 所示),与后台数据库同步运行,从数据库到控制器实时更新,实现在线订购功能以及数据分析展示。用户利用智能手机或电脑访问订购,下单成功后,模拟流水线模块接受信号,开始产品的运转打包。不仅如此,系统支持 AR“沉浸式”支付方式,将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成。在 AR 支付系统中,构建了环绕式的订购环境,用户可以在虚拟界面内了解产品信息和种类,通过手势识别完成032 于赫洋,等:面向新工科人才培养的物联网实践平台建设图 2 在线支付模块支付,实现了在虚拟中订单,在现实中享用。3 模拟流水线模块模拟流水线模块由慧鱼创意组合模型、可编程控制器、工业机器人以及视觉识别系统组成,可编程控制器作为模块核心将订单数据下发到慧鱼创意组合模型所搭建的模拟流程生产线,将产品从智能仓储模块中取出,并进行运送,然后由工业机器人在接收到视觉识别系统传输过来的产品坐标后,进行货物打包。模拟流水线物料传输系统由慧鱼工业革新包、电子气动包和机器人探索包组建,由可编程控制器控制各个环节动作,实现黄芪切片的传送与运输(见图 3 所示)。视觉识别系统能够对进入模拟流水线末端区域的目标进行识别与图像采集,在目标单元和视觉单元之间建立通信前需要进行校准9,具体方式为:(1)校正图像系统的失真,确保正确的测量距离传递到目标系统;(2)通过函数补偿来纠正非线性和远景畸变;(3)将目标系统与视觉坐标系统相关联,从而校正两个系统的偏移。校准完成后,视觉通过分析与运算后,解析抓取目标的轨迹、类目信息、变换目标对象坐标,将处理后的图形形状及将像素坐标传送到工业机器人系统中,在计算出偏移误差以后,工业机器人在其可运作的范围内对物品进行跟踪、抓取与打包。4 智能仓储模块传统仓储系统对存储产品缺乏有效的监管控图 3 模拟流水线物料传输(部分)制,缺少信息化手段,存储过程中的关键信息不能及时提供给管理者10。智能仓储模块将传统仓储系统升级为 WCS 智能仓储系统,对产品存储的关键参数信息实现监控,并通过物联网系统上传至云端。智能仓储模块通过信息传递,对从订单下达到产品的整个生产过程进行优化管理,优化的运作过程,既能提高及时交货能力,改善物料的流通性能,又能提高生产回报率(见图 4 所示)。图 4 WCS 智能仓储系统智能仓储模块基于华为物联网平台构建,通过电导式水分传感器能够准确的测定晾晒过程中黄芪中的水分,进而优化黄芪的晾晒监测过程参数,同时通过温湿度传感器实时监测环境中的湿度和温度,物联网平台将仓储系统的信息以原始数据的方式存储到云平台中,从而保证对产品存储状态有更准确的评估、对即将发生的问题进行主动预测以及更合132理地分配资源来提高效率(见图 5 所示)。云平台负责解决工业大数据的典型需求11,对非业务层面功能进行抽象和封装,提供标准数据上传及应用开发接口,使用微服务、分布式架构,解决物联网平台功能扩充问题。图 5 物联网平台 5 创新创业教育体系新工科背景下面向创新创业教育的物联网实践平台由天津大学创新创业教育基地建设,基地构建了课程教学、实践训练、创新创业的递进式教育体系,营造良好的创新创业生态环境,提升人才培养质量,增强学生的创新精神、创业意识和创新创业能力,为工科专业创新型人才培养工作提供示范经验。基地建设了五大创新平台:创新基础服务平台、创客空间实践平台、创新设备共享平台、创意创新训练平台、智能车竞赛平台,促进各个平台实现跨学科、跨专业的交流与共享,建设一体式、开放式、网络化的管理模式。基地以课程教学为基础,为实践训练提供导向与支撑;以实践训练为方法,促进各项目成果向创新创业与转化;以创新创业为目标,通过校企合作,提取整合优势资源,反哺教学过程。课程教学、实践训练、创新创业三者相互结合,互为补充,实现“三位一体”的新工科创新创业教育体系(见图 6 所示),探索高校创新型人才培养的新模式。6 结语基于物联网技术、智能制造技术构建了面向创新创业教育的物联网实践平台,实现针对黄芪的智能存储与销售系统,对平台各模块及功能进行了设图 6 新工科创新创业教育体系计和研究,提供更为精准的流程生产监控与储存管理,并通过物联网模块和云平台实现信息数据的采集、存储,建立消费生产配送的全生命周期信息流,为“科技扶贫”奠定良好的基础。同时,以天津大学创新创业教育基地五大平台为基础,构建了“课程教学、实践训练、创新创业”的一体化教育体系,解决创新创业与专业教育结合不紧、模式单一、实践平台短缺等问题,提供可追溯的、可拓展的、跨学科的创新创业环境,为推进新工科的建设与卓越工程师的培养助力。参考文献(References):1 钟登华.新工科建设的内涵与行动J.高等工程教育研究,2017(3):1-6.2 夏建国,赵军.新工科建设背景下地方高校工程教育改革发展刍议J.高等工程教育研究,2017(3):15-19,65.3 夏静萍.面向卓越工程师培养的自动控制原理实验教学改革J.实验室研究与探索,2017,36(12):188-191.4 郑庆华.以创新创业教育为引领 创建“新工科”教育模式J.中国大学教学,2017(12):8-12.5 刘振海,刘允,黄刚,等.新工科视域下电气类专业人才创新创业能力培养探索J.实验技术与管理,2018,35(10):181-184.6 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