张俊哲 王骏哲 许亮 张正

关键词：5G；智慧实训工厂；运行与管理

5G，即第五代移动通信技术，目前在技术标准、网络部署等方面均取得了阶段性进展，依据其所具备的大带宽、大连接和低时延的网络能力，与诸如云计算、物联网和人工智能等基础共性能力，以及VR/AR等行业共性能力等构成新一代信息基础设施，成为推动传统行业数字化转型升级与数字经济社会发展的重要基石。随着2020年5G在我国正式开始商用，5G的应用场景和市场化探索逐步显现，其中以推动制造业的发展较为显著。

随着《中国制造2025》文件的发布，制造业开始经历数字化、网联化、智能化的变革，推动制造业精准营销、个性定制、智能服务、协同创造、协同设计和协同制造等方向发展，智能制造的概念应运而生。由智能制造延伸到具体的工厂而言，就是智能工厂，也被称为智慧工厂。智慧工厂依托5G技术，利用工业物联网、云计算、工业大数据、人工智能和AR等技术的融合，与生产管理和经营管理等系统相结合，可以实时采集生产数据、及时发现和排除生产故障，提高了工业生产的自动化程度和效率[1]，提升系统的处理能力和安全性，是我国实现工业4.0 的一个非常重要的特征。

目前，职业教育中工科类课程的实训过程大多数以工厂作为实训基地，实训过程较为依赖传统工具和思维，缺乏高效的人机互动和师生互动。智慧工厂的出现给职业教育带来了启发，利用先进的5G技术，建立一个将学生实训和工厂生产过程接轨的智慧工厂实训平台，实现从教学资源、教学实施条件及环境的全数字化，构建全新的数字化教学模式，以实现学生、教师和设备之间的高效互动，培养具备较强理论知识、良好的实操能力和自主学习能力的新技能复合型人才。

1 5G 时代智慧工厂的发展

5G时代下，智慧工厂是在数字化工厂的基础上，利用5G技术和各类技术的融合，深度融合智能科学技术，加强信息管理和服务、及时正确地采集生产线数据、合理地编排生产计划并掌握生产进度，减少了生产线上的人工干预，构建了新一代节能高效、绿色环保的智能工厂。它的发展首先是全流程数字化，而数字化发展强调数据对于工厂的重要性，依托5G技术，智慧工厂在不同阶段进行了不断的升级改造，实现了从以传统网络架构为主体到以5G应用“网”为主体的工业互联网的转变。

随着5G在我国的正式商用，国家发改委强调“加强新型基础设施建设，推进人工智能、工业互联网、物联网建设”，通过采用自动化“装备+系统”替换人工，实现降本增效，同时采用5G代替工业总线，助力柔性工业制造，将终端算法置于云端，加速设备迭代。目前，基于5G技术的智慧工厂可以帮助企业提高产品质量、提升生产效率、提高生产环境的安全性，有效降低次品率、人力成本与库存，实现人力、物料和设备的数据融合、综合运营和管理。实现无人驾驶、远程監控等部署，满足不同工业制造应用场景需求。

2 智慧实训工厂业务需求分析

传统职业教育中工科类课程的实训过程往往注重培养学生精湛的操作技能，故实训模式较为标准化和单一化，缺乏对学生高度理解和运用智能网络以及应急处理故障能力的培养，而实训过程中所使用的工业设备系统构成复杂、零部件繁多，一旦发生故障需要及时维修。当实训现场人员无法解决复杂故障时，通常需要等待设备原厂专家赴实训现场进行故障排查和维修，影响产线正常生产。

2.1 实训工厂需要新型信息基础设施

目前职业教育中工科类课程的实训过程普遍在工厂完成，而传统工厂的信息系统所采用的无线通信协议众多、各有不足且相对封闭，设备互联互通难且制约设备上云端。在教师及管理员不在设备现场时无法实时监控和维护工厂设备，设备和控制中心之间缺乏可靠有效的网络基础设施来实现实时的数据传输。

2.2 实训工厂需要新型平台架构

实训工厂大多对其工业生产工艺、核心生产数据等极其敏感，因此大多数教师在开展实训教学过程中希望在本地进行闭环管理。数据的本地化部署、远程控制和核心生产数据采集处理等需求较为明确，因此，构建数据闭环管理平台，实现生产教学计划、实训安全、质量等系统与互联网紧密相连，能够有效解决工业行业数据安全保障的痛点，实现实训过程的自动化控制，有效管理安全生产，同时提升实训教学效果。

2.3 实训工厂需要新型运行管理模式

目前，实训课程教学需要教师将工厂现场采集的教学数据进行收集和管理，同时需要校方领导对教学过程中产生的数据进行统计分析，对教学质量的评判提供数据支撑。因此，通过搭建系统运行维护系统、设备维护管理系统、教学管理系统和安全管理系统等，构建和实训教学业务相关的全流程管理模式，有效提升人机互动和师生互动，使学生快速熟悉工业生产制造流程，提升实训成效[2]。

由于5G技术具备更低的时延、更高的效率和更好的业务体验，同时有感知泛在、连接泛在和智能泛在的特点，使其具备成为工业4.0发展的网络基石的能力。结合上述实训工厂业务需求，有必要探讨构建以5G技术为基础，结合职业院校现有的实训教学资源，重构专业体系，建立将智慧工厂与工科类实训课程教学过程相接轨的“智慧实训工厂”。

3 智慧实训工厂的架构与设计

依托现有的智慧工厂的核心技术：网络、数据、终端和管理，结合新一代5G技术，智慧实训工厂可以将实训计划、生产质量、实训安全和生产管理相关的系统与物联网紧密相连，实现实训教学中软硬件的升级、有效提升实训过程的自动化生产控制，具体架构见图1。

3.1 建立可靠的网络系统

智慧实训工厂需要有智能网络系统来实现实时、高速和可靠的数据传输。因此，利用5G传输网络抗干扰能力更强、能够满足高并发数据量承载需求、低时延以及更广覆盖和实现快速切换等优势，通过部署MEC，将UPF下沉的方式，保证实训生产数据的传输与本地分流，具体通信网络见图2。

3.2 搭建安全的数据管理系统

通过在工厂边缘侧部署边缘计算网关，依托边缘计算，为工厂提供智能生产、网络协同、实时调度等，降低对网络传输和远端数据中心对流量的冲击，可获取实训过程中设备的实时数据，将实训过程可视化、精准化和透明化，实现异构设备对接、协议适配、数据采集和分析等功能，保障教师在实训教学过程中的对于指令的运行和数据操作的流畅化[3]。通过将数据直连云平台后，实现数据安全快速上云。

3.3 落地满足需求的具体应用和终端

智慧实训工厂基于5G技术，利用云计算、集成数据可视化与实时交互等前沿技术，强调数字孪生的概念，通过将传统传感器升级为智能传感器，以及将手动设备更新为智能设备，比如自动化品检设备、电子围栏以及AR终端等，实现学生、物料、设备实时定位，助力实训生产过程的高效巡检和生产辅助，保障实训作业的安全性和规范性，形成实训过程的监控、管理、展示、交互的新一代教学模式。

4 智慧实训工厂的运行管理

智慧实训工厂立足于5G技术，以数据采集为基础，搭建软硬件平台和系统，构建与实训教学相关的新运行管理模式。其运行管理主要分为以下四个部分。

4.1 系统及设备的运行维护管理

智慧实训工厂构建了以5G网络、数据管理系统和终端应用“三位一体”的业务体系，通过在工厂内部覆盖5G网络、部署上层数据平台、结合终端设备开发功能应用，实现实训教学的全流程管理。因此，需要专门的系统及设备的运行维护管理人员，为网络的流畅运行、设备的状态监控和人员的操作规范等进行日常维护和管理，排除实训场所的安全隐患[4]，确保实训系统的稳定运行。

4.2 实训教学过程管理

由于实训过程主要是在工厂现场，大多数的教学成果来源于工厂现场设备的数据。因此，通过构建基于5G技术的智慧实训工厂，结合日常实训教学业务，教师可以实现智慧排课、实训过程监控、设备巡检、学生管理、远程指导等，学生能够完成智能约课、问题反馈、警报推送和实训作品互动展示等功能，有效实现师生互动和人机互动，助力学生尽早熟悉生产的业务场景，提升学生环境适应能力。实训工厂应配备专职管理员负责实训教学的过程管理，辅助实训教学，提升实训教学的效率。

4.3 实训安全管理

实训安全管理主要包括师生人员安全、物料安全、设备安全等。根据智慧实训工厂的构建体系和实训教学实施过程的特点，应制定详细的实训安全管理制度，包括人员安全管理条例、安全操作规程、物料安全管理措施、设备安全管理条例、应急管理预案等，由专人担当安全管理员角色，負责实训安全管理工作，牢固树立师生的实训生产理念，提升智慧实训工厂的安全系数。

4.4 教学效果测评管理

实训教学质量的提升有赖于实训数据的获取和分析，教师通过实训系统获取相关数据，辅助实训课堂教学管理、提高实训教学的管理效率和教学质量。学校通过实训系统对实训教学质量进行管理，通过对实训过程中产生的数据进行统计分析，从而判断师生教与学的质量，对有效管理实训教学提供了数据支撑[5]。通过对实训教学数据的测评管理，加快职业教育智慧化落地的进程，拓展实训工厂的功能，优化实训教学模式，有效提升教务工作效率。

5 结论

5G智慧实训工厂的发展和职业院校工科类课程实训过程的创新探究一直是业内人士高度关注的热点问题。传统的实训课程的教学模式以教师为中心和主体，使学生日渐减弱动手的主动性和发掘探索解决故障问题的积极性。构建基于5G技术的智慧实训工厂，以5G作为基础，云平台作为核心，实现云网融合，结合边缘计算，不仅实现了增强现实场景下工厂智能制造的功能演示与教学培训，方便了业务展示及学生学习理解整个过程，同时便于学生与厂商专家之间的沟通，提升排故效率。智慧实训工厂结合职业教育适应工业4.0的教学改革需求，既可以减轻学生的负担，又可以有效提升实训教学质量。未来，计划通过将云计算和大数据等概念融入智慧实训工厂，达到沉浸式教学的目的，进一步提升职业院校教育适应工业4.0的教学改革需要的能力。