亲历Fraunhofer IPK，体验真正的“产学研”合作之美！

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?文丨 刘卿

笔者在柏林工业大学就读研究生期间，在Fraunhofer IPK（生产设备与设计技术）研究所进行了实习，并完成论文。Fraunhofer IPK是德国弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer）的分支研究所之一。应e-works总编黄培博士邀请，笔者撰写了本文，分析Fraunhofer的产学研合作之道。

1Fraunhofer简介

众所周知，弗劳恩霍夫应用研究促进协会（Fraunhofer）是欧洲最大的应用科研机构，为工业界，服务业及政府的公共管理提供应用研究服务。Fraunhofer每年的科研经费达22亿欧元，下设66个研究所，遍布德国40个城市，每个所的研究重点不尽相同，但总体可分为7大领域：

1、信息与通讯技术

2、生命科学

3、微电子

4、光学与表面

5、生产

6、材料

7、国防与安全。

其中直接与制造业生产领域相关的如下表：

表：Fraunhofer部分研究所

（直接与制造业生产领域相关）

在生产领域内，各个所之间的科研方向有交叉也有大量的合作。在工业4.0的背景下，这8所生产领域的研究所又和信息通讯以及微电子领域的研究所有着广泛的合作关系，具体案例下文会提到。

2Fraunhofer IPK组织结构

之所以说柏林工业大学的生产工程专业和Fraunhofer IPK有着无缝对接的关系，是因为它们是同一屋檐下的两家机构。生产工程专业所有的课程都在柏林工业大学机械学院下属的数控机床及工厂运营系（IWF），IWF和Fraunhofer IPK同在一所大楼，大部分专业方向由同一个教授负责。很多时候同一个教授带领两个团队，一个隶属于大学IWF，一个隶属于Fraunhofer IPK。IWF与IPK具体研究方向如下：

▲WF与IPK具体研究方向对比

IWF一共有6个研究方向，其中四个都是由Fraunhofer的负责人领导，甚至系主任和IPK的所长都是同一个教授。IPK做应用研究，IWF做基础研究并负责教学工作。两个团队大部分都是由在读博士生组成，虽然分别有不同的科研项目，但是在同一个教授领导下，形成大量资源共享，比如实验设备和人力资源，有着全面相互的团队合作。

Fraunhofer IPK的研究方向从产品的开发，制造工艺，生产自动化，质量管理到顶层设计，贯穿了整个制造流程链。每个研究方向下又分为几个部门，分别管理着几个具体的研究方向（如下表）。

表：Fraunhofer IPK研究方向

3Fraunhofer IPK项目运营模式

IPK的科研项目主要来自企业（中小企业为主）、政府机构以及自主开发的研究课题，其运营模式各不相同。

来自企业的科研项目多以合作模式开展。IPK的研究方向包含了完整的流程链，但每一研究方向独立运营，所以, 来自企业的研究项目都是直接联系某一研究方向的具体负责人。IPK参与企业的产品研发或运营的某一阶段，和企业共同合作。

比如在设计阶段提供开发工具、方法、流程或样机构想； 在制造阶段负责某一工艺的研发，比如西门子燃气轮机某零部件的增材制造；提供自动化解决方案；开发管理软件，优化某一流程，提供咨询方案，比如六西格玛，“专业PLM”培训等等。IPK几乎不提供从开发到成品的完整解决方案，这样能紧抓企业的具体需求，提高研发合作效率，同时增强相互交流和信息共享。

在智能维护方面IPK参与过很多研究项目，其中有一个来自柏林航空，IPK提供飞机零部件在维护阶段的智能方案，通过物联网，使各地飞机零部件参数、技师资质、使用工具、备品配件等信息互联，自动分配任务和配给，并调整飞行计划和维护日程，从而提高飞机利用率。

来自政府机构的科研项目，往往需要多个机构合作，由不同研究所和公司分工，定期在不同机构组织阶段性总结会议，让所有项目参与方在一起沟通交流。

例如，在2009年有一个工业4.0的演示项目——关于“自组织生产”（Self-Organized Production），该研究项目来自德国联邦教育及研究院（BMBF），由德国工程师协会（VDI/VDE）的创新技术中心主导，参与的合作伙伴包括Fraunhofer的四个不同领域的研究所和柏林工业大学的三个实验室。IPK负责项目的整体设计规划，其它研究所各有分工，其中最核心的微部件e-Grains（集成了传感器、处理器、电源供应等），是由专业从事微电子技术研发的Fraunhofer IZM研究所主导开发。

另外，还有一个来自德国联邦教育及研究院的工业4.0项目“基于云的控制”，该项目历时3年总共有9家研究所和企业共同参与，包括博世、库卡、IPK、IWF、斯图加特大学等。IPK和IWF属于内部合作，由工业自动化方向的统一负责人Krüger教授领导，负责基于云的控制平台的仿真，机器人空间编程，AR以及不同控制模块的统一接口。其它研究所和公司则分别负责其他子项目。

IPK自我开发的科研项目的实施也是基于合作，主要通过和IWF内部合作，由同一教授领导，甚至科研活动和教学活动彼此交叉。

在柏工大很多课程除了考试以外，还有另一半学分是通过项目课题来完成，并且这些项目都是在助教带领下，由小组讨论分工协作完成。由于项目都是来自真实的科研项目，所以学生完成的不仅仅是一份作业，最后经常被作为导师的研究课题。

例如，IPK有个工业4.0的示范项目叫Smart Table，生产客户定制化的咖啡杯的座垫。项目要求是客户可以在APP上自主选择产品配置，包括不同的材料、外形、颜色和添加个性化Logo，甚至针对外形可以做个性化自主设计。工厂由原材料仓库，铣床，两个龙门机器人，人工装配台，履带式运输小车，质量监测摄像头，废料垃圾桶，成品接收区等组成。

▲Smart Table在NX软件的设计图

Smart Table项目最初的数字化工厂就是由我也参与的一个学生团队开发的，每个学生各有分工，共分为6部分，使用不同的数字化工厂的开发工具，除了AutoCAD其他都是选用西门子的产品。项目管理及设备和工具选型（NX），工厂规划（AutoCAD），信息流规划及客户HMI界面设计，物流仿真（Plant Simulation）, 生产规划仿真（Process Designer，Process Simulate），装配规划及公差仿真（VisVSA）。

在此数字化工厂基础上，IPK又继续同时研究两个不同的课题，分别是Plant@Hand和Digital Twin。Plant@Hand是由Fraunhofer IPK和Fraunhofer IGD（图像数据处理研究所）合作，开发一个基于工厂及设备数字图像的可触屏的并且集成PLM数据的直观交互的MES系统。

我的硕士论文就是基于此项目，为Plant@Hand提供理论基础，定义此MES系统功能，分析数据需求并做初步的界面设计。如下图是Plant@Hand的初期系统界面图，图片左下方为数据选项，包括OEE，机械数据（温度，压力，转数，能耗等），订单，生产流程，质量数据，生产设备配置，库存，产品配置（包括装配指导），文件收集。同时设备上有相应的名称标识，直接点击便可出现该设备相应数据。右下方为界面导航，可以2D与3D切换，也可把整个界面放大缩小和旋转。

▲Plant@HandPlant初始界面图

Digital Twin则是由 IPK 独立开发，下图右侧的屏幕是数字部分，用的 NX 的 MCD模块（Mechatronics Concept Designer）进行数字流程的动态展示。通过OPC与左侧的现实设备同步，由虚拟部分控制现实部分。左侧设备上方的两个小屏幕显示现实设备的实时动态数据与流程。在Digital Twin的项目里，Smart Table的整体设计进一步发生了改变。

▲基于Smart Table的Digital Twin

此外，我还曾经在IWF作为科研助理工作过1年多的时间，参与了机器人石材加工的项目，项目主要研发人员是我的导师也是IWF的在读博士生，但是此项目的负责人却是IPK一个经验丰富的博士。当然IWF也有自己独立的科研项目，所有项目不论是IPK的还是IWF的，都是充分调动各资源，实现全面合作，共同开发。

4经验体会

硕士阶段的学业于今年已经正式结束，回顾这段经历，我感受最深的是产学研的紧密结合。主要有以下几点：

1）除实习外，企业也可以向学生提供毕业论文课题，我的硕士论文就是在IPK写的，Fraunhofer作为一家非盈利性公司，甚至可以提供博士位置。在德国读博已经算是在工作了，不需要考试，只需要申请，有项目就有博士位置。在企业读博，负责某个具体的科研项目，由于只有大学才能发博士学位，这样就需要在大学找一个教授做导师，如此一来就实现了大学和企业，学术和实践的相互结合，资源共享，信息和知识的双向流通。

2）工科博士必须有丰富的企业工作经验才能评教授职称，至少要在企业有独立带领团队从事项目或技术开发的经验。比如我论文导师的导师，IPK虚拟产品开发负责人Stark教授，就在博士毕业后到福特欧洲工作了14年，升任到了福特欧洲产品开发部部长后，才返回大学评的教授职称，然后再任职Fraunhofer。再比如柏林工大汽车学院的一个教授曾经是开发奔驰S级项目的总负责人，前汽车学院院长则是宝马的前常务副理事长等。

▲工科教授的评选过程

他们走的是学术到实践，将两者初步结合，积累了丰富的实践经验后，再返回学术的路线。这样不仅能了解企业与社会最前沿的需求，企业运营模式，也能带来企业的资源和项目，为接下来的学术研究提供新的方向和方法，使得学术研究以实际应用为导向，不断缩短理论和实践之间的鸿沟。

3）教授会把拿到的科研项目层层下放，每个教授手下都有很多助教，大部分是在读博士生，比如Stark教授下面的助教就不少于20个。教授会把项目交给助教去具体负责，助教再把项目继续分成几个小模块，作为导师提供给学生的毕业论文方向，实习位置，带学分的项目课题或是有偿招聘学生做科研助理，让学生负责设计建模、编程、硬件测试、简单实验等等。充分调动学生资源，做到科研和教学的相互融合。

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