工业互联网技术在职业院校实训室的应用

王碧玉，朱晓刚

（金华市技师学院，浙江 金华 321000）

工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台。工业互联网总体架构包括边缘层、IaaS层、工业PaaS层、工业SaaS层[1]。学院实训场所建设的工业互联网是根据学院的实际情况基于总体架构而成的特有的技术架构，详细架构如图1所示。

图1 平台技术架构

系统架构主要由设备层、边缘计算层、雾计算层、云平台组成。设备层是将分布在学校内部各个单元的可接入的设备，包括数控机床、加工中心、机器人、普通机床、实训室等接入联通，是整个系统建设数据的源头；
边缘计算层中设备数据的有效接入，依据不同的设备类型选择不同的接入手段，可以选择物联网关也可以选择系统对接，接入层需要具备协议解析和边缘计算的能力；
雾计算层将采集的信息经过边缘计算初级处理加工后的数据，按照系统应用的数据处理后展示和控制，根据云平台的数据接入要求，把现场数据脱敏后上传给市工业互联网云平台。云平台层将数据根据要求分类，实现以标准格式应用展示。

学校内存在大量的耗能单元，这些单元有实训机床、教学仪器，还有一些计算机机房等；
目前实训楼内的制造设备都是独立运行并未联网，所有设备的管理比较粗放；
学生在实训过程中对设备的操作是否合规、制造设备自身状态等信息都无法准确获知[2]。

随着IPv6网络技术的发展和应用，校内的网络都是基于IPv6基础上形成的架构，利用工业互联网技术，我们对实训设备进行改造，加装边缘网关，将实训场所的网络也基于IPv6建设，实现了实训设备的上网。

按照设备分布情况进行接入单元的划分，每个单元设置校园汇聚交换机，每个单元的工业设备按照自身控制器特点进行采集参数的设置。采集解析器的作用是协议转换，将机床自身的私有协议转化为可以统一的加密协议。

2.1 实训室电源远程控制管理系统

每个实训室配置一套能耗采集网关，控制实训室的总电源开关的开关功能，也可以通过手机App或公众号对每个实训室的总电源开关的远程开关进行控制；
所有状态信息通过能耗采集网关上传到雾计算服务器，通过应用软件使用者可以获取实训室当前的电源开光状态[3]。

2.2 机加工实训设备实时采集监控系统

（1）教学任务下发。根据教师教学计划，将相应实训的教学任务通过云平台下发到实训设备，同时与这些教学任务相匹配的实训操作指导书也同时自动下发到该实操操作的实训设备。

（2）实操指导。学生在边缘网关上通过刷卡领取实操作业内容，进行实操操作。边缘网关根据任务显示操作指导书，引导学生按步骤操作，减少操作失误。设备运行信息实时采集（节拍、状态等），可实时了解学生在操作过程中出现的问题，同时收集这些数据，进行分析后可进一步制定更好的教学方案，实现更好的实训教学任务。

（3）工业互联网系统运维培养。利用现有的工业互联网系统资源，培养学生熟悉物联网系统的使用方法，并针对系统出现的故障现象分解解剖，提高学生对物联网系统的运维能力。

（4）远程监控功能。学校工业互联网实训应用平台与学校的监控系统实现无缝对接，做到了对实训场所的全场监控，可以在第一时间发现问题，促进教学改革，也可以对学校的教学督导提供有效的数据支持。

（5）刷卡开机功能。学生通过刷校园卡对设备进行加电，开启设备，同时实现设备自检。可做到对设备的使用者记录，如使用者操作不当，可通过记录查看，做到信息可追溯。

2.3 设备管理

实现对所有实训设备的信息化管理，通过工业互联网监管平台可以查看设备当前的运行状态，当前的使用情况，当前设备的电压、电流情况等。

3.1 技术提升

我们在实训场所采用支持高可用、超高吞吐量的消息中间件，以支持大量设备传输的数据，将设备数据实时采集到平台。系统整体采用高可用架构，保证系统在极端情况下仍可正常提供服务。同时利用现有工业互联网资源增加学生和老师对接当前企业工业互联网运用情况的了解，为学校培养符合当前企业真正所需人才提供保障。

3.2 工业互联网技术应用优势

3.2.1 操作便捷

大多数学生在校期间学习以理论知识为主，实践相对较少，与社会实际需求差距较大，通过在实训场所应用工业互联网，让学生在学校就有机会接触并与社会接轨的工业现场场景。实训场所的工业互联网应用参考企业实际生产线上的操作流程，操作便捷，学生只要通过刷校园一卡通就可实现任务单领取、实训加工全过程监控、完成后自动检测等过程，操作简单方便可控。

3.2.2 拓宽技术涉及面，提高专业技能

学生在校除了学习工业互联网理论知识，还能近距离接触当前企业所用的工业互联网系统，在原有的基础知识学习上增加了工业互联网相关专业技术学习，不仅拓宽了技术涉及面，对现代智能制造技术也有全新的、直观的认识，使得学生在校内就具备了解决工业生产过程中的一些基本问题，增加了创新能力，为今后工作打下坚实的基础。

3.2.3 市场优势

目前，市场层面缺少专门为技师学院提供一站式实训管理模块系统的解决方案。市工业互联网平台产教融合应用将打造成一个可复制的信息化实训管理系统，可推广到其他技师学院中。

同时应用于实训室的工业互联网全部服务采用SSL加密传输数据，对于敏感信息进行二次加密，使用了非对称加密，保证敏感数据安全符合《GBT 22239—2019信息安全技术网络安全等级保护基本要求》《GBT 20984—2007信息安全技术 信息安全风险评估规范》等相关安全管理规范。

工业互联网平台在对学院实训设备管理的过程中，促进了产教融合应用，引入了企业工业互联网管理模式，将工厂习惯提前引入到学校教学中。在教学过程中，我们应用学生的校园卡刷卡开启设备，同时对设备进行一次自检工作，这样提高了学生操作的安全性，在很大程度上减少学生因开机不正确而引起的安全事故。工业互联网平台的应用，也很好地监管了学校实训设备的能耗，通过平台可以实时了解各实训设备的能耗情况，也能通过能耗数据分析减少能源浪费情况。如今年五一放假期间，我们发现在能源监管平台上还存在大的电量消耗情况，通过对后台的数据分析比对，发现在一台实训设备在没有操作人员的情况下还在开机运转，马上联系了实训室管理老师将设备关闭，减少了能源消耗，同时也提高了安全性。

平台应用以来多次监测到在空闲时间有设备开机运行的情况，为学院在节能减排和安全方面提供了不小的帮助，同时由于在开启设备之前增加了刷卡检测的环节，促进学生养成在实训开始时检测设备的习惯，不仅提高了操作的安全性，而且也为学生以后进入企业工作打好了细心操作的基础。

平台在应用时将企业的刷卡机制和任务单引入教学中，形成独有的教学模式。在课前，教师通过平台将课堂的实训教学任务单和教学要求或教学视频下发的每一台设备的边缘网关里，学生通过刷校园卡开启设备，选择当天课堂的教学任务，并根据教学任务进行实训操作，同时教学要求和教学视频可让学生多次重复学习，巩固操作要点，提高学生在课堂上的主动性。在实训过程中，边缘网关记录了设备的操作过程，并将实际的操作过程与记录中的标准操作进行比对，完成智能评价学生的操作过程。同时因为开机前采用刷卡开机，可有效地记录当前的实训操作人员，如果在实训过程中发生问题，也可进行操作信息追溯。

平台采用24小时监管机制，对接入的每台设备监管，可实时看到每台设备的当前操作人员，设备的运行情况，以及教学任务的完成情况，并且平台对接了学校监控系统，可通过高清监控查看实训现场操作情况，为学校教学督导带来了便利。同时，实训数据的记录为学校的教学改革提供有效的数据支撑，从而能更有效地分析实训过程中的问题，促进教学改革。

（1）提升学院实训管理水平：减少学生被动实训情况、增加实训设备利用率、减少实训老师的工作量。实现实训信息数字化：学生的实训信息数字化，实训质量数字化、学生的实训过程评价数字化。强化学生技能学习：学生在学校就可以接触工业互联网的实际运用实例，为学生今后走上工作岗位即可直接上岗打下坚实的基础。

（2）深入开展产教融合：学生在系统平台上完成招聘就业，完成企业招人和学生应聘一条龙服务，深度促进校企合作，做到企业、学校共同进步。

（3）实现实训监管：通过部署市工业互联网平台产教融合应用，加强了学院对实训态势动态监测，提升了风险预警能力，结合实训设备的数字化改造实现了设备利用率、设备平均故障时间的监测，为学院降低运维成本，提升了学院本身的经济效益。

（4）为学院带来新的教学模式：让学生在校内就可以接触当前企业正在实际运用的新技术并可实践操作，给社会提供适应社会实际需求的人才，同是也促进了职业院校实训教学改革。

工业互联网是近年来在全球范围内兴起的，以互联网和新一代信息技术与工业系统全方位深度融合为特征的，新型、重大的工程科技和产业应用，是支撑全球新一轮产业变革的关键基础。人才培养是重中之重，而职业院校以培养高技能人才和实用性技术技能型人才为目标，通过在实训场所应用工业互联网技术，让学生更贴近社会，掌握更贴近企业工作岗位的技能要求，同时也提升了学校学生的技能创新，为企业提供迫切所需的人才。随着物联网、工业互联网的发展，这方面的人才缺口很大，做好这方面专业人才培养很重要。■