汽車制造數(shù)字工廠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)與實(shí)踐

陳 峰，韓曉英，杜玉曉，蔡述庭，彭祖群

（1.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣州510006；2.廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣州510006）

0 引 言

新工業(yè)革命對工程教育提出了新的需求和挑戰(zhàn)［1-4］。廣東工業(yè)大學(xué)近年依托“中國制造2025國際智能制造試點(diǎn)示范基地”，新建了汽車制造“數(shù)字工廠”實(shí)驗(yàn)產(chǎn)線和“面向應(yīng)用領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)云平臺”私有云系統(tǒng)。充分利用智能制造與大數(shù)據(jù)云平臺領(lǐng)域的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)資源，在云平臺上部署工業(yè)級設(shè)計(jì)及仿真軟件，開展“數(shù)字工廠”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，所建的“基于智能制造的數(shù)字工廠”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目成功入駐教育部“實(shí)驗(yàn)空間”官方網(wǎng)站［5］，在“新工科”實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域開展了有益的探索。

1 實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

汽車制造數(shù)字工廠為新型成套實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，涵蓋汽車工業(yè)定制化生產(chǎn)的原料倉庫、沖壓、焊裝、涂裝、總裝、成品輸送6大主要流程，使學(xué)生全面掌握從工業(yè)機(jī)器人到數(shù)字工廠的整個(gè)生產(chǎn)制造信息化流程［6-9］。實(shí)體實(shí)驗(yàn)產(chǎn)線如圖1所示。

圖1 汽車制造數(shù)字工廠實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，相同設(shè)備臺套數(shù)少，單體設(shè)備造價(jià)昂貴。實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下問題：

（1）實(shí)體實(shí)驗(yàn)成本高昂。汽車制造數(shù)字工廠實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分兩期投資2 000余萬元，由工業(yè)流水線、工業(yè)機(jī)器人以及對應(yīng)的控制與監(jiān)測系統(tǒng)共同構(gòu)成。設(shè)備購置和維護(hù)費(fèi)用高，沖壓、焊接、涂裝、總裝等實(shí)驗(yàn)流程的實(shí)驗(yàn)耗材消耗多，實(shí)驗(yàn)成本昂貴。

（2）實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率低。汽車制造數(shù)字工廠實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相對復(fù)雜，涉及RobotStudio機(jī)器人編程、WinCC控制軟件、Tecnomatix工業(yè)設(shè)計(jì)等多種復(fù)雜軟件編程和調(diào)試。編程與調(diào)試時(shí)間長、教學(xué)效率低。

（3）設(shè)備臺套數(shù)少，難以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。由于實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備、相關(guān)工業(yè)級設(shè)計(jì)軟件價(jià)格昂貴，目前只投資建設(shè)了一條工業(yè)流水線系統(tǒng)及6套工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)用于模擬汽車工業(yè)生產(chǎn)的原料倉庫、沖壓、焊裝、涂裝、總裝、成品輸送6大主要流程。本科班50名學(xué)生，只能分為7組，每組7～8人開展實(shí)體驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生工程實(shí)踐能力提升有限。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源池建設(shè)

汽車制造數(shù)字工廠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源以某工廠生產(chǎn)線為建模對象，采用RobotStudio實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作規(guī)劃數(shù)字化設(shè)計(jì)；WinCC控制軟件實(shí)現(xiàn)對控制流程的數(shù)字化設(shè)計(jì)，采用Tecnomatix工業(yè)設(shè)計(jì)軟件將以上分立模型串聯(lián)、融合、建立倉庫、沖壓、焊裝、涂裝、總裝、成品輸送整套虛擬產(chǎn)線模型，建立整體虛擬化汽車制造“數(shù)字工廠”計(jì)算機(jī)仿真模型。部分模型界面如圖2、3所示。

2.2 基于私有云的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

（1）利用“面向應(yīng)用領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)云平臺”大數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)機(jī)房強(qiáng)大的計(jì)算能力，在大數(shù)據(jù)云平臺上建設(shè)50～100臺高性能虛擬機(jī)，設(shè)置對應(yīng)的登錄賬號，為學(xué)生搭建良好的虛擬仿真硬件環(huán)境［10-12］。

圖2 基于Robotstudio的機(jī)器人焊接工作站虛擬仿真界面

圖3 基于Tecnomatix的汽車產(chǎn)線虛擬仿真界面

（2）將昂貴且對計(jì)算機(jī)性能要求較高的專業(yè)設(shè)計(jì)和仿真軟件RobotStudio、Tecnomatix、PLM、MES 等部署在多臺虛擬機(jī)上，使得多人可同時(shí)通過遠(yuǎn)程登錄開展工業(yè)機(jī)器人及智能制造系統(tǒng)的虛擬仿真，以自主學(xué)習(xí)的方式實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力的提高。

（3）通過先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將多臺虛擬機(jī)上的工業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)程序遠(yuǎn)程下載到機(jī)器人與智能制造實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，通過遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對實(shí)體實(shí)驗(yàn)對象的遠(yuǎn)程操作使學(xué)生獲得直觀的、形象的、生動(dòng)的知識。

該“先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)云平臺+機(jī)器人與智能制造實(shí)驗(yàn)設(shè)備”的半實(shí)物虛擬仿真平臺的成功建設(shè)，使得學(xué)生在遠(yuǎn)端即可開展從虛擬仿真到實(shí)物驗(yàn)證的工程實(shí)踐鍛煉，對以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探討提供了有效的技術(shù)解決方案。

汽車制造數(shù)字工廠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺見圖4。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)管理體系

在數(shù)字工廠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺中建設(shè)“實(shí)驗(yàn)預(yù)約、資源共享、師生交互、教學(xué)管理、設(shè)備管理”等功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)間、空間、內(nèi)容的開放。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)間上，中心實(shí)驗(yàn)室除了滿足必修的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容外，其他時(shí)間向全校學(xué)生開放，在時(shí)間上為學(xué)生提供了保障。

在實(shí)驗(yàn)空間上，通過網(wǎng)絡(luò)平臺中多種形式的交互方式、輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，如網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、網(wǎng)上元件查詢、課程群網(wǎng)站等形式，打破空間的限制，學(xué)生可進(jìn)行遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)。

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，學(xué)生可根據(jù)自己的專業(yè)和興趣，合理、自主地選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在各個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中還設(shè)有基本要求、提高要求和探究環(huán)節(jié)，學(xué)生都可以根據(jù)自己的情況自主選擇。

在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生也可以自擬實(shí)驗(yàn)題目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行自主探究實(shí)驗(yàn)等。

圖4 汽車制造數(shù)字工廠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺與實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用范圍與效果

資源建設(shè)在“大數(shù)據(jù)應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”云平臺上，60個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)采用千兆網(wǎng)卡進(jìn)行連接，采用萬兆核心交換機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，云平臺教育網(wǎng)出口帶寬為5 KM，云平臺硬件帶寬足以滿足萬人同時(shí)訪問需求。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目資源分配為可支持1 000人同時(shí)在線，及50人并發(fā)訪問同一資源服務(wù)。

虛擬仿真教學(xué)資源目前主要有2種共享方式：

（1）校內(nèi)共享。資源目前主要面向校內(nèi)開設(shè)了這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)班級進(jìn)行共享。在指定的授課時(shí)間內(nèi)，學(xué)生可以通過課堂電腦登陸大數(shù)據(jù)中心機(jī)房，集中開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

有興趣的本校師生均可按照身份信息在中心教學(xué)管理平臺上注冊后，便可通過中心網(wǎng)站，在校園內(nèi)、外授權(quán)使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和實(shí)訓(xùn)平臺。資源使用方式靈活多樣，可以借助于PC等終端設(shè)備，不受人數(shù)、時(shí)間、空間限制，在提升資源利用效率的同時(shí)，較好地滿足了校內(nèi)多學(xué)科、多專業(yè)、不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，切實(shí)提高了學(xué)生工程實(shí)踐能力［13-15］。

在正常上班時(shí)間，只要中心機(jī)房沒有安排教學(xué)任務(wù)，學(xué)生可以隨時(shí)使用，開展虛擬實(shí)驗(yàn)，不需要預(yù)約。

（2）校外共享。2017年，學(xué)校申報(bào)的“基于智能制造的數(shù)字工廠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目”成功入駐教育部“實(shí)驗(yàn)空間”官方網(wǎng)站（相關(guān)界面如圖5所示）。在全國范圍內(nèi)，有興趣的用戶均可通過教育部“實(shí)驗(yàn)空間”官方網(wǎng)站登錄開展數(shù)字工廠相關(guān)知識體系的學(xué)習(xí)和在線實(shí)驗(yàn)。

圖5 教育部“實(shí)驗(yàn)空間”官方網(wǎng)站“數(shù)字工廠”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)界面

在外網(wǎng)登錄時(shí)，項(xiàng)目采用以下原則實(shí)現(xiàn)多人訪問時(shí)的在線排隊(duì)提示服務(wù)：

登錄項(xiàng)目界面后，取號服務(wù)器給訪問者一個(gè)排隊(duì)號，同時(shí)檢查系統(tǒng)中當(dāng)前在線人數(shù)是否飽和，如果沒有飽和，則把訪問者引導(dǎo)至虛擬仿真實(shí)驗(yàn)頁面，如果已飽和，則提示前面還有多少人在等待，預(yù)計(jì)需要等待多少時(shí)間。

當(dāng)輪到訪問者進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)頁面后，需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成仿真實(shí)驗(yàn)操作。如超過規(guī)定時(shí)間，系統(tǒng)則認(rèn)為仿真實(shí)驗(yàn)操作已經(jīng)結(jié)束，強(qiáng)制訪問者退出仿真實(shí)驗(yàn)頁面。

4 結(jié) 語

汽車制造“數(shù)字工廠”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)與開放共享，在我校自動(dòng)化綜合課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中效果顯著。該教學(xué)資源具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性，集創(chuàng)新設(shè)計(jì)、虛擬資源、教學(xué)管理和智能指導(dǎo)于一體。

學(xué)生通過遠(yuǎn)程登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，可有充分的時(shí)間學(xué)習(xí)昂貴的主流“數(shù)字工廠”相關(guān)設(shè)計(jì)軟件，在充分?jǐn)?shù)字化仿真設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將相關(guān)程序遠(yuǎn)程下載到實(shí)體實(shí)驗(yàn)資源開展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，使專業(yè)技能和解決實(shí)際問題的能力得到顯著提升。