數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展及其在自動化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討

江吉祥

摘 要：隨著數(shù)字孿生技術(shù)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用，通過數(shù)字模型的設(shè)計和搭建、系統(tǒng)的模擬和仿真、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互，可以讓自動化專業(yè)教學(xué)通過低成本、低風(fēng)險的途徑，緊跟時代技術(shù)發(fā)展步伐。本文就數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展及其在自動化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用進行探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生? ? 技工院校? ? 自動化專業(yè)

數(shù)字孿生（digital twin），即現(xiàn)實世界（系統(tǒng)）的數(shù)字化，是指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段在虛擬世界中構(gòu)建一個完全相同的數(shù)字實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化，同時可借助傳感器數(shù)據(jù)了解物理實體的狀態(tài)變化，并對變化做出響應(yīng)，從而幫助實現(xiàn)改進操作。

一、數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字孿生技術(shù)初期主要應(yīng)用于軍事方面?，F(xiàn)在數(shù)字孿生技術(shù)一方面向研發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)制造領(lǐng)域延伸，覆蓋產(chǎn)品全生命周期、全產(chǎn)業(yè)鏈;另一方面逐步向電力、汽車、醫(yī)療等民用領(lǐng)域拓展，并開始向建筑、交通、城市等更復(fù)雜的行業(yè)延伸，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。數(shù)字孿生生態(tài)正在加速形成，有望改變行業(yè)競爭規(guī)則。目前在產(chǎn)學(xué)研各方面的共同努力下，我國以數(shù)字孿生為核心的技術(shù)、產(chǎn)品、組織和產(chǎn)業(yè)也正在快速成長、成熟。

二、技工院校自動化專業(yè)教學(xué)面臨的困境

目前，我國正在大力發(fā)展高端裝備制造業(yè)，這個行業(yè)的核心就是工業(yè)自動化。由于市場缺口大、高端人才匱乏，所以各個技工院校甚至高校都非常重視自動化專業(yè)。而工業(yè)自動化技術(shù)日新月異，工業(yè)裝備技術(shù)更迭周期越來越短，這給教學(xué)帶來了巨大挑戰(zhàn)。現(xiàn)在自動化專業(yè)在教學(xué)上面臨幾個亟待解決的問題。

（一）自動化設(shè)備成本高、需求量大

要保證自動化專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量，離不開先進的自動化設(shè)備，但這些設(shè)備一般價格高昂，對于學(xué)校來說有巨大的資金壓力。另外我國技工院校學(xué)生數(shù)量多，每個班的學(xué)生少則二三十人，多則四五十人，這與西方發(fā)達國家的職業(yè)教育學(xué)情有很大不同，所以我國的技工教育大都無法實現(xiàn)小班化教學(xué)。學(xué)生多，需要的設(shè)備自然也多，這無疑會大大增加教學(xué)的成本。

（二）設(shè)備安裝調(diào)試易出錯、易損壞

一般情況下，設(shè)備的自動化程度越高，其所使用的控制線路和控制單元也越復(fù)雜，且往往伴隨著復(fù)雜的安裝、接線和調(diào)試工作。學(xué)生在學(xué)習(xí)和操作過程中難免出現(xiàn)失誤而導(dǎo)致設(shè)備損壞，設(shè)備復(fù)雜程度越高損壞率也越高。

（三）自動化控制技術(shù)更新速度快、硬件設(shè)備淘汰周期短

當(dāng)下，自動化技術(shù)隨著人工智能等技術(shù)水平的提高，正由原先的自動化向信息化、智能化快速發(fā)展。技術(shù)更迭加快帶動產(chǎn)業(yè)升級加快，設(shè)備淘汰周期也較以往大大縮短。

三、數(shù)字孿生技術(shù)在自動化專業(yè)教學(xué)中運用的優(yōu)勢

如果解決不了設(shè)備問題，自動化專業(yè)教學(xué)想要貼近企業(yè)實際就是空談。隨著數(shù)字孿生技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用，越來越多的技工院校開始關(guān)注數(shù)字孿生這項技術(shù)，并開始嘗試將這一技術(shù)應(yīng)用到與之契合度很高的自動化專業(yè)中。

第一，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以解決現(xiàn)有自動化專業(yè)教學(xué)設(shè)備無法滿足學(xué)生上課和實訓(xùn)需求的問題。有些自動化專業(yè)設(shè)備如五軸機床價格昂貴、購買難度大，而且可能因為操作不當(dāng)或其他原因?qū)е略O(shè)備損壞，師生在進行這些大型設(shè)備的操作過程中也面臨安全風(fēng)險。而通過數(shù)字孿生中的虛擬仿真技術(shù)，用軟件孿生多套數(shù)字化設(shè)備，就可以解決教學(xué)資源短缺、設(shè)備使用安全、師生人身安全等一系列問題。

第二，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以完成數(shù)字化模型，并將真實參數(shù)傳給數(shù)字化控制系統(tǒng)，二者進行信息交互。教師和學(xué)生可以根據(jù)數(shù)字化模型的運行情況，提前模擬驗證控制系統(tǒng)存在的問題，不斷改進方案，直至全面驗證無誤后再進行設(shè)備和生產(chǎn)線的搭建，提高了學(xué)習(xí)效率、降低了教學(xué)風(fēng)險和成本。

第三，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以將自動化專業(yè)群的課程教學(xué)調(diào)整為對接產(chǎn)品全生命周期的，以任務(wù)為驅(qū)動、產(chǎn)品為載體的一體化教學(xué)模式。教師在教學(xué)中借助數(shù)字孿生技術(shù)開展教學(xué)做一體化訓(xùn)練，基于數(shù)字孿生技術(shù)實訓(xùn)中心現(xiàn)場的生產(chǎn)線虛擬端和真實端實施各項任務(wù)，并實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)流動。借助數(shù)字孿生技術(shù)的專業(yè)群課程教學(xué)，可以顯著提升工學(xué)一體化、項目式課程教學(xué)的效果，使學(xué)生掌握產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的知識和技能，并理解數(shù)字化制造的核心理念。

第四，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以將學(xué)校原有的設(shè)備經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)在一起進行數(shù)字化升級改造，形成一套可及時更新的完整系統(tǒng)，從而構(gòu)建起教學(xué)工廠。在數(shù)字教學(xué)工廠中，一臺計算機就可以完成整個自動化工程項目的實時流程模擬，再通過內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)IO驅(qū)動程序，兼容多種品牌、多種型號工業(yè)機器人、PLC等相關(guān)通信協(xié)議，讓學(xué)生順利完成各種自動化系統(tǒng)知識的學(xué)習(xí)。由于全部生產(chǎn)線場景及部件均來自工業(yè)一線，具備CAD模型通用接口，教師和學(xué)生還可以根據(jù)教學(xué)實際需求確定自己的虛擬教學(xué)實訓(xùn)項目，盤活學(xué)?，F(xiàn)有的教學(xué)資源，并通過數(shù)字孿生技術(shù)對接當(dāng)下最前沿的工業(yè)技術(shù)。

四、數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用展望

隨著自動化技術(shù)、通信技術(shù)、AI技術(shù)等的快速發(fā)展，工業(yè)制造行業(yè)已經(jīng)從機械化進入自動化，并從自動化開始逐漸向智能化領(lǐng)域延伸。數(shù)字孿生技術(shù)與自動化的緊密結(jié)合，將助力自動化向智能化更快發(fā)展。

應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，技工院?？稍谠袑嵱?xùn)課程基礎(chǔ)上，進一步拓展、豐富教學(xué)資源，提升教師的教學(xué)科研能力。同時數(shù)字孿生的應(yīng)用不僅可用于學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)，還可以培養(yǎng)學(xué)生以更抽象的層次和架構(gòu)，以更廣闊的視角來看待各種工業(yè)場景和案例。從前瞻性角度看，智能化工業(yè)體系需要網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化這兩只輪子來支撐。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)打造的自動化專業(yè)教學(xué)，最大限度地促進了網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化的實現(xiàn)，可以讓技工院校培養(yǎng)的學(xué)生緊跟時代步伐，緊貼技術(shù)前沿，成為當(dāng)今社會真正需要的高素質(zhì)技能人才。

參考文獻：

陶飛，劉蔚然，劉檢華，等.數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2018，24（1）.

（作者單位：青島市技師學(xué)院）