数字化工厂在实训教学中的探索与实践

［摘 要］ 数字化和智能化是制造工厂发展的必然趋势，新型的工厂组织模式对人才的技能提出了新要求。为了弥补目前高校普遍存在的数字化工厂实训教学方面的不足，利用虚拟仿真技术，以真实的企业生产环境为背景，构建了一个流程完整的数字化制造虚拟仿真工厂，重点探索了工厂的整体布局、产品全生命周期管理（PLM）、制造执行系统（MES）等仿真实验项目。实践结果表明，数字化制造虚拟仿真工厂可以有效帮助学生建立现代工厂的运营管理思维和全生命周期理念，培养学生的系统思维和大工程观，为学生更快适应工作岗位奠定良好的基础。

［关键词］ 数字化工厂；虚拟仿真；实训教学；产品全生命周期管理

［基金项目］ 2022年度厦门理工学院教研教改项目“数字化工厂在工程训练教学中的探索与实践”（JG202260）

［作者简介］ 王荣校（1987—），男，福建泉州人，硕士，厦门理工学院现代工程训练中心实验师，主要从事先进制造技术研究；陈国培（1987—），男，福建漳州人，学士，厦门理工学院现代工程训练中心助理实验师，主要从事切削加工技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）01-0105-04 ［收稿日期］ 2023-11-07

随着机器人、大数据、物联网、人工智能等新技术的发展，以及客户对产品品质和个性化需求的改变，制造工厂正面临一轮全新的升级变革，传统的制造业正朝着数字化、网联化、智能化方向快速发展［1-2］。数字化工厂是智能制造工厂的雏形，是实现智能制造的基础和前提，学生在本科阶段加深对数字化工厂内涵的理解对其以后进入职场、更快融入工作岗位具有重要的意义。虽然一些高校通过组织参观、实习、顶岗等方式，为学生提供了接触一线企业生产环境和技术研发的机会，但是受实训设备、实训空间、实训安全、实训周期和人员经费等方面因素限制，学生难以理解一套完整的现代化工厂运行模式，也难以把握工厂各个环节的细节，所以，在高校探索数字化工厂的实训教学模式，完善工程训练教学体系，对于培养新工科背景下的工程人才具有重要意义［3-4］。本文利用信息化和虚拟仿真技术，以真实的企业生产环境为背景，建设了一个完整的数字化制造虚拟仿真工厂，着重帮助学生理解工厂的合理布局、产品全生命周期管理、制造执行系统等方面的知识。

一、数字化工厂实训教学现状分析

当前，国内高校工程训练中心的课程主要包含传统加工、数控加工、特种加工、机电控制机器人、工程认知等方面的实践教学内容，但开展数字化工厂实践教学的高校还较少［5］。在全球智能制造浪潮的背景下，学生在数字化工厂方面的工程训练还存在不足，难以满足现代企业对人才的综合工程素养要求，具体表现在以下几个方面：（1）数字化工厂是一个复杂的系统，除了看得见的各种硬件设备外，还有各种看不见的信息流程。虽然有些高校的智能制造专业开设了数字化工厂相关方面的理论课程，但是缺少相应的实践训练，课本上各种晦涩难懂的专业术语和复杂的信息化系统功能，使学生难以单纯依靠文字就理解其所表达的含义及具体的工作流程。（2）虽然高校开设的实训工种种类繁多，但是以单个工种独立教学为主，工种之间较为分散，没有承前启后的关系，这与工厂的实际运行模式存在较大的差异，导致学生难以把握部分与整体的关系，看似每个工种都学到了很多技能，却很难做出一个完整的产品。（3）实训的内容较为老旧，缺乏真实生产环境和氛围，高校的工程训练内容沿袭传统的金工实习内容，实习的作品很少迭代升级，很少用工厂的实际产品来进行训练。虽然现在高校在一些新技术和新工艺方面加大了实训建设投入，但与企业的技术发展更新速度相比还相差甚远，学生走上工作岗位后往往需要从零开始，难以快速进入岗位角色。

二、数字化工厂教学平台的建设理念

（一）虚拟仿真技术的应用

随着国家对虚拟仿真实验教学一流课程建设的推进，虚拟仿真技术越来越多地被应用到实践教学中，它利用计算机、人机交互、多媒体、网络通信等技术，模拟真实的生产环境，使用户能够在逼真的虚拟场景和情境中进行操作和体验，具有安全性高、投入成本低、可反复进行、可交互操作、时间空间灵活等优势。本文利用虚拟仿真技术构建了数字化工厂实验教学平台，学生可以在线上进行学习和操作。

（二）树立全生命周期的理念

工业4.0战略、美国工业互联网战略、“中国制造2025”国家发展战略等新科技革命向人们提出了人才培养要面向完整的工业过程，培养具有大工程观人才的要求［6］。传统制造业往往把制造过程分解为设计、生产、制造、销售、管理等多个环节，每个环节可能又细分成多个节点，比如制造环节可细分为多个工种、多道工序，每个节点的工程师往往只专注自己负责的部分，对于其他环节知之甚少。新科技革命改变了这一模式，它把制造活动变革为一个完整的、互联的生产过程，每位工程师都应理解产品制造的全过程，并具备设计、生产、制造、销售、管理、服务等产品全生命周期的理念。

（三）探索数字化制造人才培养新理念

数字化制造以数字技术和信息技术为基础，包含了机械、电气、计算机、机器人、物联网等多学科知识，要求高校培养既有理论知识，又有现场实践能力；既掌握本专业技能，又有跨专业能力的创新型、复合型人才［7］。因此，要突破传统的实训教学模式，开创实训教学新方法，与时俱进迭代教学内容，树立人才培养新理念，培养懂技术、会管理、重服务、能创新的数字化制造专业人才［8］。

三、数字化工厂教学平台的具体建设

（一）数字化工厂的基本架构

数字化工厂是指在时间、空间和人员三个维度上对产品的各种数据进行管理，根据手工输入和现场设备采集的实时数据，对工厂整个生产过程进行监控、仿真、优化和重组的一种生产组织方式，核心是将新一代数字技术和信息技术贯穿销售、采购、设计、工艺、生产、物流、售后等各个环节，目的是提高生产效率、降低成本、提升产品质量、增强企业核心竞争力、改善客户体验。数字化工厂的核心系统包括企业资源管理（ERP）、产品全生命周期管理（PLM）、制造执行系统（MES）、仓库管理系统（WMS）、自动化系统（AUTO）。典型的数字化工厂架构图，如图1所示。

（二）数字化工厂布局

数字化工厂布局漫游模块，如图2所示，通过实地工厂取景，数字建模还原真实的工厂全景，学生可以通过自动漫游或手动漫游了解工厂的整体布局。实验教学平台以典型的变速器生产工厂为原型，模拟建造了包含铸造车间、机加工车间、热处理车间、表面处理车间、装配车间及工厂生活区的一体化工厂。学生通过虚拟仿真工厂，不用到真实工厂也能参观企业的生产车间、了解产品的生产流程、熟悉设备的使用方法等。

（三）产品全生命周期管理

产品全生命周期管理是指从人们对产品的需求开始，到产品实现，最后到产品报废的全部生命历程的管理。以变速器的生产销售为例，模拟销售接单、产品设计、工艺设计、计划排产、生产制造、物流管理、物料出入库全过程，下面介绍几个典型的环节。

1.销售接单环节。销售人员把订单的相关信息录入ERP系统，包括客户信息、交货周期、订单配置、订单数量等，系统自动生成该订单的预排产计划，并把订单配置需求传递给设计人员。

2.产品设计环节。设计人员根据订单配置需求，利用数字化建模仿真软件进行产品的设计、优化和仿真，生成产品设计物料清单及图纸等技术文档，通过PLM系统流程发给下游的各个部门。PLM系统包含了产品所有的相关数据，这些数据再与工厂的其他信息化系统关联与集成，实现产品数据的共享性、准确性、完整性、安全性和可追溯性。

3.生产制造环节，如图3所示。根据生产计划的安排，实现产品的有序生产，收集生产过程中大量的实时数据，优化整个生产过程，并对实时事件做出及时处理。

（四）制造执行系统

MES是数字化工厂的核心系统，由生产执行管理、物料管理、质量管理、设备管理、看板管理、生产异常处理和生产追踪/追溯等模块组成，涵盖了制造现场管理的方方面面。以下重点介绍几个模块。

1.生产执行管理。生产执行管理接受来自ERP的预排产计划，根据生产订单和资源情况，自动优化生产计划和调度，保证生产的顺利进行。MES系统可以实现从单个订单到单条产线、单个车间，再到整个工厂不同级别的生产状态监控，如订单生产进度、生产线节拍、车间实时队列、产品入库情况、生产质量数据等。MES系统实现了生产过程的透明化，如图4所示，实时监控数据通过软件客户端同步至操作层、管理层、决策层，为后续生产及生产管理人员提供决策支持。

2.物料管理。物料管理也是生产过程的一个重要环节，包含收料管理、发料管理和物料仓储管理三个基本功能。一座现代化的工厂每天需要处理成千上万的物料，做好基本信息维护、编码管理、标识和数据采集、批次管理、有效期管理，对于物料管理至关重要。自动化物流装备，如AGV小车和自动化立体仓库的发展，则实现了物流准时配送，极大提高了车间的物流效率。

3.生产异常处理。生产异常是生产过程中经常会遇到的问题，如何快速、高效地解决异常反映了企业的运行效率和管理水平。基于生产现场自动化设备采集的数据和工作人员的反馈，当生产过程出现如图5所示的润滑油不足异常时，MES系统就会生成异常报警信息，通过电脑、手机App、手机短信等方式发送给相关人员，以快速找到关键工艺环节或关键人员，缩短异常存在的时间和分析处理问题的过程，加快异常处理的速度。

（五）数字化工厂教学平台的建设效果

数字化工厂虚拟仿真实验教学平台充分利用虚拟仿真技术，把课本上复杂、枯燥的生产场景投射到生动、有趣的三维场景中，提升了学生的学习兴趣和学习效果。教学平台包含了丰富的教学资源，可以培养学生自主探究、独立思考和实践创新的能力。教学平台的建设不仅可以作为相关专业开展理论与实践相结合教学的载体，也可以作为课程设计、毕业设计、学科竞赛的研究对象和实践场所。

结语

数字化制造虚拟仿真工厂尽可能地还原真实工厂的工作流程，使学生不出校园就可以接触较为完整的企业运行流程和产品制造过程，培养学生数字化制造思维，为其后续学习智能工厂奠定良好的基础。实训教学平台的探索虽然为其他高校开展数字化工厂实训提供了借鉴和参考，但也存在着一些不足，比如实验项目的广度和深度、信息化系统的还原度和教学平台的稳定性等问题，需要进一步探索与改进。

参考文献

［1］张戈，张学军，朱玉平，等.智能制造背景下工程训练中心建设探究［J］.实验技术与管理，2017，34（2）：209-213.

［2］吕铁，韩娜.智能制造：全球趋势与中国战略［J］.人民论坛·学术前沿，2015（11）：6-17.

［3］杨宏亮，尚长春，杜媛英.数字化工程训练中心建设的实践与探索［J］.实验科学与技术，2015，13（4）：143-145.

［4］成泰洪，姜锐，周晨，等.基于虚拟现实技术的企业认知实践教学设计与仿真实验开发［J］.教育教学论坛，2019（21）：23-24.

［5］唐堂，滕琳，吴杰，等.全面实现数字化是通向智能制造的必由之路：解读《智能制造之路：数字化工厂》［J］.中国机械工程，2018，29（3）：366-377.

［6］李冲，毛伟伟，张红哲，等.从工程训练中心到学习工厂［J］.高等工程教育研究，2021（3）：92-99.

［7］刘洋，谢胜利，蔡述庭，等.工业4.0与智能制造新形势下自动化创新型人才培养［J］.实验室研究与探索，2018，37（8）：275-278.

［8］程晓蕾，张平华.智能制造工业4.0体系下的高层次人才培养模式分析［J］.科教文汇，2015（7）：50-51，74.

Exploration and Practice of Digital Factory in Practical Teaching

WANG Rong-xiao， CHEN Guo-pei