汽車制造數字工廠虛擬仿真實驗教學項目建設與實踐

陳 峰，韓曉英，杜玉曉，蔡述庭，彭祖群

（1.廣東工業大學自動化學院，廣州510006；2.廣州大學實驗中心，廣州510006）

0 引 言

新工業革命對工程教育提出了新的需求和挑戰［1-4］。廣東工業大學近年依托“中國制造2025國際智能制造試點示范基地”，新建了汽車制造“數字工廠”實驗產線和“面向應用領域的大數據云平臺”私有云系統。充分利用智能制造與大數據云平臺領域的先進實驗資源，在云平臺上部署工業級設計及仿真軟件，開展“數字工廠”虛擬仿真實驗教學，所建的“基于智能制造的數字工廠”虛擬仿真實驗教學項目成功入駐教育部“實驗空間”官方網站［5］，在“新工科”實驗教學領域開展了有益的探索。

1 實體實驗教學存在的問題

汽車制造數字工廠為新型成套實驗教學設備，涵蓋汽車工業定制化生產的原料倉庫、沖壓、焊裝、涂裝、總裝、成品輸送6大主要流程，使學生全面掌握從工業機器人到數字工廠的整個生產制造信息化流程［6-9］。實體實驗產線如圖1所示。

圖1 汽車制造數字工廠實體實驗系統

該實體實驗系統構成復雜，相同設備臺套數少，單體設備造價昂貴。實體實驗教學存在以下問題：

（1）實體實驗成本高昂。汽車制造數字工廠實體實驗系統分兩期投資2 000余萬元，由工業流水線、工業機器人以及對應的控制與監測系統共同構成。設備購置和維護費用高，沖壓、焊接、涂裝、總裝等實驗流程的實驗耗材消耗多，實驗成本昂貴。

（2）實體實驗教學效率低。汽車制造數字工廠實驗教學內容相對復雜，涉及RobotStudio機器人編程、WinCC控制軟件、Tecnomatix工業設計等多種復雜軟件編程和調試。編程與調試時間長、教學效率低。

（3）設備臺套數少，難以滿足實驗教學需要。由于實體實驗設備、相關工業級設計軟件價格昂貴，目前只投資建設了一條工業流水線系統及6套工業機器人系統用于模擬汽車工業生產的原料倉庫、沖壓、焊裝、涂裝、總裝、成品輸送6大主要流程。本科班50名學生，只能分為7組，每組7～8人開展實體驗證性實驗教學。學生工程實踐能力提升有限。

2 虛擬仿真實驗教學項目建設內容

2.1 虛擬仿真實驗教學資源池建設

汽車制造數字工廠虛擬仿真實驗教學資源以某工廠生產線為建模對象，采用RobotStudio實現對工業機器人的動作規劃數字化設計；WinCC控制軟件實現對控制流程的數字化設計，采用Tecnomatix工業設計軟件將以上分立模型串聯、融合、建立倉庫、沖壓、焊裝、涂裝、總裝、成品輸送整套虛擬產線模型，建立整體虛擬化汽車制造“數字工廠”計算機仿真模型。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驗平臺建設

（1）利用“面向應用領域的大數據云平臺”大數據計算機機房強大的計算能力，在大數據云平臺上建設50～100臺高性能虛擬機，設置對應的登錄賬號，為學生搭建良好的虛擬仿真硬件環境［10-12］。

圖2 基于Robotstudio的機器人焊接工作站虛擬仿真界面

圖3 基于Tecnomatix的汽車產線虛擬仿真界面

（2）將昂貴且對計算機性能要求較高的專業設計和仿真軟件RobotStudio、Tecnomatix、PLM、MES 等部署在多臺虛擬機上，使得多人可同時通過遠程登錄開展工業機器人及智能制造系統的虛擬仿真，以自主學習的方式實現工程設計與應用能力的提高。

（3）通過先進物聯網絡，將多臺虛擬機上的工業仿真實驗程序遠程下載到機器人與智能制造實驗設備中，通過遠程控制與監測系統實現對實體實驗對象的遠程操作使學生獲得直觀的、形象的、生動的知識。

該“先進物聯網+大數據云平臺+機器人與智能制造實驗設備”的半實物虛擬仿真平臺的成功建設，使得學生在遠端即可開展從虛擬仿真到實物驗證的工程實踐鍛煉，對以學生為中心的實驗教學模式探討提供了有效的技術解決方案。

汽車制造數字工廠虛擬仿真實驗平臺見圖4。

2.3 虛擬仿真實驗管理體系

在數字工廠虛擬仿真實驗教學管理平臺中建設“實驗預約、資源共享、師生交互、教學管理、設備管理”等功能，實現實驗時間、空間、內容的開放。

在實驗時間上，中心實驗室除了滿足必修的實驗教學內容外，其他時間向全校學生開放，在時間上為學生提供了保障。

在實驗空間上，通過網絡平臺中多種形式的交互方式、輔助實驗教學功能，如網絡教學、網上元件查詢、課程群網站等形式，打破空間的限制，學生可進行遠程學習和實驗預習。

在實驗內容上，學生可根據自己的專業和興趣，合理、自主地選擇實驗項目。在各個層次的實驗項目中還設有基本要求、提高要求和探究環節，學生都可以根據自己的情況自主選擇。

在綜合設計實驗中，學生也可以自擬實驗題目和實驗內容，進行自主探究實驗等。

圖4 汽車制造數字工廠虛擬仿真實驗平臺與實物實驗設備

3 虛擬仿真實驗應用范圍與效果

資源建設在“大數據應用聯合實驗室”云平臺上，60個服務器節點采用千兆網卡進行連接，采用萬兆核心交換機實現遠程數據交互，云平臺教育網出口帶寬為5 KM，云平臺硬件帶寬足以滿足萬人同時訪問需求。目前，虛擬仿真實驗教學項目資源分配為可支持1 000人同時在線，及50人并發訪問同一資源服務。

虛擬仿真教學資源目前主要有2種共享方式：

（1）校內共享。資源目前主要面向校內開設了這些實驗內容的教學班級進行共享。在指定的授課時間內，學生可以通過課堂電腦登陸大數據中心機房，集中開展虛擬仿真實驗。

有興趣的本校師生均可按照身份信息在中心教學管理平臺上注冊后，便可通過中心網站，在校園內、外授權使用虛擬仿真實驗教學系統和實訓平臺。資源使用方式靈活多樣，可以借助于PC等終端設備，不受人數、時間、空間限制，在提升資源利用效率的同時，較好地滿足了校內多學科、多專業、不同層次的實驗教學需求，切實提高了學生工程實踐能力［13-15］。

在正常上班時間，只要中心機房沒有安排教學任務，學生可以隨時使用，開展虛擬實驗，不需要預約。

（2）校外共享。2017年，學校申報的“基于智能制造的數字工廠虛擬仿真實驗教學項目”成功入駐教育部“實驗空間”官方網站（相關界面如圖5所示）。在全國范圍內，有興趣的用戶均可通過教育部“實驗空間”官方網站登錄開展數字工廠相關知識體系的學習和在線實驗。

圖5 教育部“實驗空間”官方網站“數字工廠”虛擬仿真實驗界面

在外網登錄時，項目采用以下原則實現多人訪問時的在線排隊提示服務：

登錄項目界面后，取號服務器給訪問者一個排隊號，同時檢查系統中當前在線人數是否飽和，如果沒有飽和，則把訪問者引導至虛擬仿真實驗頁面，如果已飽和，則提示前面還有多少人在等待，預計需要等待多少時間。

當輪到訪問者進入仿真實驗頁面后，需在規定時間內完成仿真實驗操作。如超過規定時間，系統則認為仿真實驗操作已經結束，強制訪問者退出仿真實驗頁面。

4 結 語

汽車制造“數字工廠”虛擬仿真實驗教學資源的建設與開放共享，在我校自動化綜合課程設計實驗教學中效果顯著。該教學資源具有良好自主性、交互性和可擴展性，集創新設計、虛擬資源、教學管理和智能指導于一體。

學生通過遠程登錄虛擬仿真實驗教學平臺，可有充分的時間學習昂貴的主流“數字工廠”相關設計軟件，在充分數字化仿真設計的基礎上，將相關程序遠程下載到實體實驗資源開展驗證性實驗，使專業技能和解決實際問題的能力得到顯著提升。