數(shù)字孿生課程理論與實(shí)踐教學(xué)探索

李 浩，王保升，閆注文

（南京工程學(xué)院智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 江蘇 南京 211167）

黨的十九大提出“加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合”[1]。數(shù)字孿生能夠驅(qū)動(dòng)智能制造的發(fā)展，契合我國(guó)以信息技術(shù)為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)賦能的戰(zhàn)略需求。數(shù)字孿生日趨成為各界研究熱點(diǎn)及眾多企業(yè)業(yè)務(wù)布局的新方向，應(yīng)用發(fā)展前景廣闊。國(guó)內(nèi)高校也將數(shù)字孿生設(shè)置為智能制造工程、自動(dòng)化專業(yè)的核心課程，機(jī)械工程、信通工程、計(jì)算機(jī)工程等專業(yè)的一門重要的選修課程。數(shù)字孿生課程能夠開(kāi)啟學(xué)生對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的興趣、了解數(shù)字孿生的發(fā)展概況和我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、掌握相關(guān)技術(shù)以及在制造領(lǐng)域的應(yīng)用，使不同專業(yè)學(xué)生能夠?qū)?shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在自身專業(yè)領(lǐng)域中。同時(shí)，通過(guò)數(shù)字孿生課程的理論和實(shí)踐教學(xué)，使相關(guān)專業(yè)學(xué)生具備與智能制造技術(shù)應(yīng)用或研發(fā)的專業(yè)素養(yǎng)，符合新工科建設(shè)的新要求[2]。

數(shù)字孿生是隨著智能制造發(fā)展而提出的一門新興課程，具有強(qiáng)烈的時(shí)代特征[3]。數(shù)字孿生[4-5]最終需要落實(shí)在工程教育實(shí)踐中，而其成效關(guān)鍵在于工程專業(yè)教師。工科教師自身要有在孿生空間融合數(shù)字和物理世界的意識(shí)，如此才能更好地引導(dǎo)學(xué)生并向?qū)W生傳遞融合所需的意識(shí)。目前，對(duì)自動(dòng)化、機(jī)械工程等專業(yè)的教師，除了少數(shù)在數(shù)字孿生領(lǐng)域有研究經(jīng)歷外，多數(shù)教師對(duì)此了解不夠全面深刻，不能夠較好地展開(kāi)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。因此，筆者通過(guò)開(kāi)展“數(shù)字孿生及其在智能制造中的應(yīng)用”課程[6-7]的教學(xué)工作，從理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容兩個(gè)方面，研究總結(jié)了數(shù)字孿生課程理論與實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)。

1 數(shù)字孿生課程理論教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字孿生是三維數(shù)字建模的一種高級(jí)形態(tài)，主要作用是服務(wù)于工業(yè)4.0建設(shè)，是當(dāng)前智能制造的核心技術(shù)之一，代表高端制造業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，并且適用于航空航天、船舶、電力、汽車、醫(yī)療、城市等多個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字孿生理論教學(xué)內(nèi)容旨在幫助學(xué)生深入理解數(shù)字孿生的發(fā)展概況、掌握相關(guān)技術(shù)以及在制造領(lǐng)域和其他領(lǐng)域的應(yīng)用，拓寬學(xué)生的視野。理論教學(xué)的目標(biāo)如下：①熟悉數(shù)字孿生的概念、發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀；②掌握典型數(shù)字孿生系統(tǒng)的架構(gòu)，掌握三維模型和五維模型的構(gòu)成；③熟悉數(shù)字孿生涉及的建模、模型驅(qū)動(dòng)、信息采集與傳輸、計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)；④掌握數(shù)字孿生在設(shè)備與產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品裝配、工藝分析與控制、產(chǎn)品追溯與運(yùn)維中的應(yīng)用；⑤了解數(shù)字孿生在智慧城市等領(lǐng)域的應(yīng)用。

據(jù)此展開(kāi)的數(shù)字孿生技術(shù)理論教學(xué)內(nèi)容包括：

①數(shù)字孿生概論。了解數(shù)字孿生的發(fā)展歷程；掌握數(shù)字孿生的定義和內(nèi)涵；熟悉數(shù)字孿生的工程應(yīng)用價(jià)值；了解數(shù)字孿生的應(yīng)用現(xiàn)狀；了解數(shù)字孿生與智能制造之間的關(guān)系；了解數(shù)字孿生與CPS等平行系統(tǒng)之間的關(guān)系。

②數(shù)字孿生系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。掌握數(shù)字孿生的三維模型和五維模型的構(gòu)成，了解兩種模型適用的范圍；了解典型數(shù)字孿生系統(tǒng)的參考架構(gòu)；了解數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用框架；了解數(shù)字孿生不同應(yīng)用層次的特點(diǎn)。

③數(shù)字孿生的關(guān)鍵支撐技術(shù)。了解數(shù)字孿生的關(guān)鍵支撐技術(shù)有哪些；熟悉常用的建模與仿真軟件；了解VR、AR、MR、數(shù)字線程、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、霧計(jì)算、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈的基本概念以及對(duì)數(shù)字孿生的支撐。

④數(shù)字孿生在智能制造中的應(yīng)用。了解產(chǎn)品數(shù)字孿生、制造過(guò)程數(shù)字孿生和設(shè)備數(shù)字孿生的定義、內(nèi)涵、基本特征和基本需求；了解三種數(shù)字孿生系統(tǒng)的基本構(gòu)成與關(guān)鍵技術(shù)；了解產(chǎn)品數(shù)字孿生與數(shù)字化樣機(jī)、數(shù)字化產(chǎn)品之間的區(qū)別；了解制造過(guò)程孿生與虛擬制造的區(qū)別；了解設(shè)備數(shù)字孿生與SCADA和DCS的區(qū)別；熟悉典型應(yīng)用的流程。

⑤數(shù)字孿生在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。了解數(shù)字孿生在交通、電力、航空航天、智慧城市等十大領(lǐng)域的應(yīng)用；熟悉相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用場(chǎng)景；了解數(shù)字孿生在智慧城市中的應(yīng)用；了解孿生城市的基本概念、典型應(yīng)用場(chǎng)景和典型案例。

數(shù)字孿生課程的核心內(nèi)容采用直接講授的方式，對(duì)于重要的理論結(jié)合當(dāng)前前沿應(yīng)用進(jìn)行講解，降低理解難度，并有選擇地介紹專業(yè)性強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)，注重激起學(xué)生的興趣，比如，增加紀(jì)錄片鑒賞環(huán)節(jié)，節(jié)選《我們的智造》《工業(yè)傳奇》等進(jìn)行播放，在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，了解國(guó)內(nèi)外的最新發(fā)展趨勢(shì)。

2 數(shù)字孿生課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

應(yīng)用Unity3D軟件，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于數(shù)字孿生的三維型材拉彎平臺(tái)。平臺(tái)能夠在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)實(shí)體設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)實(shí)體為具有十二個(gè)自由度的三維型材拉彎設(shè)備，設(shè)備左右兩側(cè)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括六個(gè)線性軸（左側(cè)x、y、z軸，右側(cè)x、y、z軸）和六個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（左側(cè)A、B、C軸，右側(cè)A、B、C軸），主體上安裝有壓力、拉力、溫度等多種傳感器用于監(jiān)測(cè)三維型材拉彎過(guò)程中各種物理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化情況，設(shè)備末端為氣壓卡盤抓手用于固定待拉彎的三維型材；實(shí)驗(yàn)實(shí)體對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體使用Unity3D軟件進(jìn)行虛擬場(chǎng)景建模，包括車間、設(shè)備、零件、燈光等，SoftServo模塊能夠?qū)崟r(shí)采集實(shí)體設(shè)備整個(gè)生命周期的各種信號(hào)數(shù)據(jù)，包括各個(gè)軸位置、壓力、拉力、誤差和振動(dòng)等，并通過(guò)Unity3D將實(shí)驗(yàn)實(shí)體的狀態(tài)實(shí)時(shí)同步到虛擬設(shè)備，同時(shí)，也可以通過(guò)編寫(xiě)C#程序驅(qū)動(dòng)虛擬設(shè)備十二個(gè)軸和兩個(gè)卡盤運(yùn)動(dòng)，并利用Soft Servo模塊將運(yùn)動(dòng)同步到實(shí)驗(yàn)實(shí)體，實(shí)現(xiàn)實(shí)體設(shè)備的反向控制。

圖1 基于數(shù)字孿生的三維型材拉彎平臺(tái)

基于三維型材拉彎平臺(tái)，數(shù)字孿生課程實(shí)踐教學(xué)包含三個(gè)階段，初級(jí)、進(jìn)階和高級(jí)。

①初級(jí)。包括了解三維型材拉彎平臺(tái)布局、各個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、功能和運(yùn)行方式以及傳感器的類型和特征，該階段主要是為了讓學(xué)生熟悉平臺(tái)的構(gòu)成；同時(shí)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)Unity3D軟件的使用，了解數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)字孿生涉及的建模、模型驅(qū)動(dòng)、信息采集與傳輸、計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)。

②進(jìn)階。進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)三維型材拉彎設(shè)備和傳感器的使用，結(jié)合三維型材拉彎平臺(tái)，利用Unity3D軟件，在保證相應(yīng)剛體屬性的前提下，完成設(shè)備某個(gè)部件的數(shù)字模型構(gòu)建，例如氣壓卡盤、線性軸或旋轉(zhuǎn)軸等；然后，學(xué)習(xí)SoftServo模塊的通信接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取功能，并同步驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生體進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)動(dòng)；該階段主要是為了讓學(xué)生掌握數(shù)字孿生體建模、信息采集與傳輸、模型驅(qū)動(dòng)的方法。

③高級(jí)。進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)三維型材拉彎平臺(tái)的使用，根據(jù)設(shè)備的行程、精度、拉力負(fù)載，讓學(xué)生設(shè)計(jì)被拉彎的型材和夾具，并利用Unity3D軟件完成數(shù)字模型的構(gòu)建，保證相應(yīng)的剛體屬性；然后，學(xué)習(xí)多軸運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃控制方法，通過(guò)編寫(xiě)C#程序，在Unity3D軟件中進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，驅(qū)動(dòng)虛擬設(shè)備的各個(gè)軸和卡盤運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證三維型材拉彎的可行性和正確性；最后，通過(guò)SoftServo模塊對(duì)實(shí)體設(shè)備實(shí)現(xiàn)反向控制，完成實(shí)際三維型材的拉彎；該階段主要是為了讓學(xué)生掌握數(shù)字孿生體模擬仿真驗(yàn)證的方法和從數(shù)字孿生體到實(shí)驗(yàn)實(shí)體的反向控制方法。

通過(guò)上述三個(gè)部分的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠基于三維型材拉彎平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬模型的創(chuàng)建、掌握基于邏輯事件驅(qū)動(dòng)的虛擬仿真技術(shù)和從虛擬模型到實(shí)驗(yàn)實(shí)體的反向控制方法，深刻理解數(shù)字孿生的概念、架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)開(kāi)展“數(shù)字孿生及其在智能制造中的應(yīng)用”課程的教學(xué)工作，研究總結(jié)了數(shù)字孿生課程理論與實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新工科人才培養(yǎng)要求，給出以下建議：

①采用國(guó)內(nèi)外紀(jì)錄片鑒賞、前沿工業(yè)應(yīng)用案例講解、課堂討論等多種方式，寓教于樂(lè)，融學(xué)于趣，化教于心，提高課程的趣味性，激起學(xué)生對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣；

②注重基礎(chǔ)知識(shí)的講授，對(duì)于重要的理論結(jié)合當(dāng)前前沿應(yīng)用進(jìn)行講解，并通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示的方式，降低理解難度，確保每一位學(xué)生都能夠掌握相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)的實(shí)踐課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；

③通過(guò)項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)的方式進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生自主分析設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)和測(cè)試驗(yàn)證，突破了傳統(tǒng)數(shù)字孿生課程只有理論教學(xué)的局限，有利于學(xué)生探索精神、自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。三維型材拉彎平臺(tái)構(gòu)建了一個(gè)基于數(shù)字孿生的工業(yè)智能制造案例，展示了機(jī)械制造與計(jì)算機(jī)技術(shù)深度融合的應(yīng)用示范，促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)械、生物、化學(xué)等學(xué)科的應(yīng)用，提高了學(xué)生對(duì)知識(shí)融會(huì)貫通的能力。