面向智能制造智能科學與技術專業(yè)實驗平臺建設探索論文
摘要：根據廣東智能制造發(fā)展的人才需求和工程用型人才培養(yǎng)目標，結合廣州大學華軟軟件學院電子信息技術的特色和優(yōu)勢，圍繞智能科學與技術專業(yè)實驗實踐課程設置，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能產業(yè)深度融合的，強應用重創(chuàng)新的專業(yè)實驗平臺。
關鍵詞：智能制造；智能科學與技術；人工智能技術；機器人；實驗平臺建設
智能制造是基于新一代信息技術，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環(huán)節(jié)。具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。是信息技術和智能技術在裝備制造過程技術的深度融合與集成。加快推進智能制造，是我國在全球新一輪產業(yè)變革競爭背景下出臺的《中國制造2025》的主攻方向。廣東省作為國內制造大省和全球重要制造基地，也對接印發(fā)了《廣東省智能制造發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》。針對廣東省制造業(yè)的創(chuàng)新能力、產業(yè)結構、信息化水平的缺乏競爭力的問題，大力實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，推動智能制造核心技術攻關和關鍵零部件研發(fā)，推進制造過程智能化升級改造，實現“制造大省”向“制造強省”轉變。創(chuàng)新驅動，智能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(zhàn)型工程技術人才培養(yǎng)。我院智能科學與技術專業(yè)就是面向廣東智能產業(yè)的深度融合設置的。其專業(yè)實驗平臺的建設需要針對廣東省高端裝備、制造過程、工業(yè)產品智能化等領域的薄弱環(huán)節(jié)，以“機器智能”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(chuàng)新性的實驗項目，培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新意識。緊密聯系企業(yè)，針對智能制造關鍵技術協(xié)同創(chuàng)新。培養(yǎng)具有智能系統(tǒng)開發(fā)與設計、智能裝備的應用與工程管理能力；能在智能裝備、智能機器人、智能家居等領域從事智能系統(tǒng)的是開發(fā)與設計、應用于維護、運營與管理的“厚基礎、強應用、能創(chuàng)新”的高素質工程應用型人才。
1專業(yè)實驗平臺建設思路
面向智能制造專業(yè)實驗平臺的建設，依據《廣東省智能制造發(fā)展規(guī)劃（2015-2025年）》中發(fā)展智能裝備與系統(tǒng)，工業(yè)產品、制造流程智能化升級改造的任務，從智能科學與技術知識體系中提取專業(yè)發(fā)展方向的課程，建立完善專業(yè)實踐教學體系。以“機器智能”為方向建設人工智能與機器人實驗室為核心，以項目、科技競賽、緊密對接企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新為手段，培養(yǎng)學生能夠運用工程基礎知識和專業(yè)理論知識設計工程實驗，分析實際問題的能力，培養(yǎng)學生查詢檢索資料文獻獲取知識的能力，培養(yǎng)學生能夠綜合運用自然科學知識、專業(yè)理論知識和技術手段設計系統(tǒng)和過程解決實際問題的能力。通過科技競賽等活動，培養(yǎng)學生在團隊里具有工程組織管理能力、表達能力和人際交往能力。通過與企業(yè)的合作，掌握基本創(chuàng)新方法，并讓學生具有追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識，以培養(yǎng)學生的綜合素質和能力為重點。立足華軟學院電子系電子信息工程嵌入式專業(yè)、自動化專業(yè)、通信工程專業(yè)現有的平臺優(yōu)勢，按照“整合、集成、共享、提升”的基本思路，完善支撐體系，優(yōu)化實驗教學資源配置，建設一個能夠與廣東智能產業(yè)深度融合的階梯形層次化實驗平臺。
2實驗平臺建設內容
智能科學與技術專業(yè)實驗實踐平臺的建設要依據實驗教學體系的`構建，突出面向智能制造工程實踐為特色，按照學生的成長需要，建立階段化、層次化、模塊化的實驗教學體系。
2.1專業(yè)實踐課程體系建設
面向智能制造的智能科學與技術專業(yè)定位是以工程應用型人才培養(yǎng)為目標的，是在通識教育基礎上的特色專業(yè)教育。專業(yè)課程體系的建設首先還是以培養(yǎng)學生具有扎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，其次是智能科學與技術專業(yè)技術基礎課程，如數字系統(tǒng)與邏輯設計、數字信號處理基礎、信號與系統(tǒng)、電路分析與電子電路；c語言程序設計與算法分析、數據結構、數據庫與操作系統(tǒng)、微機原理與接口、傳感器與檢測技術等。最后是專業(yè)方向類課程，也是專業(yè)的核心課程，如制造業(yè)基礎軟件中的嵌入式軟件、工業(yè)控制系統(tǒng)軟件，工業(yè)機器人中人工智能技術應用和智能控制技術。主要有知識獲取模式識別；數據通信與網絡；嵌入式系統(tǒng)移植和驅動開發(fā)；嵌入式應用開發(fā)；人工智能與神經網絡；智能控制技術；機器人學等課程。培養(yǎng)學生具備計算機技術、自動控制技術、智能系統(tǒng)方法、傳感信息處理等技術，完成系統(tǒng)集成，并配合專業(yè)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項目實驗，并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(yè)實踐課程體系，構建主要包括計算機基礎、電路基礎、信息與控制基礎、嵌入式技術、機器智能系統(tǒng)五大模塊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(yè)實訓類、綜合創(chuàng)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項目，并逐步提升基礎實驗課時的比例。從實踐中啟發(fā)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(yǎng)，如收集信息查找資料、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(yǎng)學生厚實的專業(yè)基礎知識和能力。
2）專業(yè)實訓類實驗主要以項目教學、案例教學、情景教學方式培養(yǎng)學生利用專業(yè)知識及方法獨立解決行業(yè)領域內的任務和問題并能夠評價結果的能力。如智能傳感應用項目，人工智能技術實驗項目，知識表示與推理項目，計算智能項目，專家系統(tǒng)，多智能體系統(tǒng)；機器人項目，如最小機電系統(tǒng)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(yè)。
3）綜合創(chuàng)新類實驗注重培養(yǎng)學生從理解問題域開始，獲取數據和知識、開發(fā)原型智能系統(tǒng)、開發(fā)完整智能系統(tǒng)、評估并修訂智能系統(tǒng)、到整合和維護智能系統(tǒng)六個階段構建智能系統(tǒng)。如開展人工智能技術在智能制造中的應用包括產品設計加工、智能生產調度、智能工藝規(guī)劃、智能機器人、智能測量等；直角坐標機器人實現碼垛搬運、多關節(jié)串聯機器人、弧焊機器人實訓等。
4）科技競賽、與企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，通過觀察記錄待智能化升級的工廠生產過程，發(fā)現定義問題、提出假設、搜集證據檢驗假設、發(fā)表結果、建構理論等實驗過程設計的能力。培養(yǎng)學生掌握基本創(chuàng)新的方法，團隊協(xié)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(yè)控制系統(tǒng)設計；針對原材料制造企業(yè)的集散控制、制造執(zhí)行集成應用；針對裝備制造企業(yè)的敏捷制造、虛擬制造應用；工業(yè)機器人在汽車、電子電氣、機械加工、船舶制造、食品加工、紡織制造、輕工家電、醫(yī)藥制造等行業(yè)的應用。
2實驗教學保障
智能科學與技術實驗平臺建設以人工智能與機器人實驗室建設為核心，結合目前學院嵌入式系統(tǒng)實驗室、自動控制實驗室、傳感器技術實驗室、通信原理實驗室資源，儀器設備共享共建的原則，系統(tǒng)化籌備購置。人工智能機器人實驗室主要針對智能系統(tǒng)設計開發(fā)和機器人應用，基于計算機系統(tǒng)的人工智能技術學習應用包括人工智能技術在智能制造應用和工業(yè)機器人仿真軟件ABB Robot Studio。基于“探索者”機器人系統(tǒng)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）
可以開展的項目有：利用啟發(fā)式算法、遺傳算法、蟻群算法等模糊數學理論對工業(yè)產品設計進行性能模擬、運動分析、功能仿真與評價；利用人工神經網絡自學習、自組織構造產品加工過程新能參數預測模型。利用模式識別、機器學習、專家系統(tǒng)、多智能體系統(tǒng)進行感知、并對環(huán)境的改變進行解讀、動作進行規(guī)劃和決策；利用專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊邏輯集中式解決生產調度多目標性、不確定性和高度復雜性的問題，尋求最優(yōu)規(guī)則，提高調度的速度；利用蟻群算法、遺傳算法分布式多智能體系統(tǒng)進行問題分解、彼此協(xié)商、任務指派、解決沖突。
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；無線通信實驗。雙輪自平衡機器人呢可開展自平衡模塊實驗；倒立擺算法實驗；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(tài)規(guī)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。可擴展為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。
通過ABB公司的機器人仿真軟件RobotStudio進行工業(yè)機器人的基本操作、功能設置、二次開發(fā)、在線監(jiān)控與編程、方案設計和驗證的學習。
3結束語
智能制造是基于人工智能的研究，機器人是實現智能制造的重要基礎。所以面向智能制造智能科學與技術專業(yè)實驗平臺的建設要把人工智能技術在智能裝備、智能系統(tǒng)中的應用和機器人技術與應用作為專業(yè)知識技能培養(yǎng)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(yǎng)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(chuàng)新實踐。
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