數字孿生課程理論與實踐教學探索

李 浩，王保升，閆注文

（南京工程學院智能裝備產業技術研究院 江蘇 南京 211167）

黨的十九大提出“加快建設制造強國，加快發展先進制造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合”[1]。數字孿生能夠驅動智能制造的發展，契合我國以信息技術為產業轉型升級賦能的戰略需求。數字孿生日趨成為各界研究熱點及眾多企業業務布局的新方向，應用發展前景廣闊。國內高校也將數字孿生設置為智能制造工程、自動化專業的核心課程，機械工程、信通工程、計算機工程等專業的一門重要的選修課程。數字孿生課程能夠開啟學生對數字孿生技術的興趣、了解數字孿生的發展概況和我國制造業的發展現狀、掌握相關技術以及在制造領域的應用，使不同專業學生能夠將數字孿生技術應用在自身專業領域中。同時，通過數字孿生課程的理論和實踐教學，使相關專業學生具備與智能制造技術應用或研發的專業素養，符合新工科建設的新要求[2]。

數字孿生是隨著智能制造發展而提出的一門新興課程，具有強烈的時代特征[3]。數字孿生[4-5]最終需要落實在工程教育實踐中，而其成效關鍵在于工程專業教師。工科教師自身要有在孿生空間融合數字和物理世界的意識，如此才能更好地引導學生并向學生傳遞融合所需的意識。目前，對自動化、機械工程等專業的教師，除了少數在數字孿生領域有研究經歷外，多數教師對此了解不夠全面深刻，不能夠較好地展開理論教學和實踐教學活動。因此，筆者通過開展“數字孿生及其在智能制造中的應用”課程[6-7]的教學工作，從理論教學內容和實踐教學內容兩個方面，研究總結了數字孿生課程理論與實踐教學的經驗。

1 數字孿生課程理論教學內容

數字孿生是三維數字建模的一種高級形態，主要作用是服務于工業4.0建設，是當前智能制造的核心技術之一，代表高端制造業未來的發展趨勢，并且適用于航空航天、船舶、電力、汽車、醫療、城市等多個領域。數字孿生理論教學內容旨在幫助學生深入理解數字孿生的發展概況、掌握相關技術以及在制造領域和其他領域的應用，拓寬學生的視野。理論教學的目標如下：①熟悉數字孿生的概念、發展和應用現狀；②掌握典型數字孿生系統的架構，掌握三維模型和五維模型的構成；③熟悉數字孿生涉及的建模、模型驅動、信息采集與傳輸、計算等關鍵技術；④掌握數字孿生在設備與產線狀態監測、產品裝配、工藝分析與控制、產品追溯與運維中的應用；⑤了解數字孿生在智慧城市等領域的應用。

據此展開的數字孿生技術理論教學內容包括：

①數字孿生概論。了解數字孿生的發展歷程；掌握數字孿生的定義和內涵；熟悉數字孿生的工程應用價值；了解數字孿生的應用現狀；了解數字孿生與智能制造之間的關系；了解數字孿生與CPS等平行系統之間的關系。

②數字孿生系統的體系結構。掌握數字孿生的三維模型和五維模型的構成，了解兩種模型適用的范圍；了解典型數字孿生系統的參考架構；了解數字孿生系統的應用框架；了解數字孿生不同應用層次的特點。

③數字孿生的關鍵支撐技術。了解數字孿生的關鍵支撐技術有哪些；熟悉常用的建模與仿真軟件；了解VR、AR、MR、數字線程、物聯網、云計算、霧計算、邊緣計算、大數據、機器學習、區塊鏈的基本概念以及對數字孿生的支撐。

④數字孿生在智能制造中的應用。了解產品數字孿生、制造過程數字孿生和設備數字孿生的定義、內涵、基本特征和基本需求；了解三種數字孿生系統的基本構成與關鍵技術；了解產品數字孿生與數字化樣機、數字化產品之間的區別；了解制造過程孿生與虛擬制造的區別；了解設備數字孿生與SCADA和DCS的區別；熟悉典型應用的流程。

⑤數字孿生在其他領域的應用。了解數字孿生在交通、電力、航空航天、智慧城市等十大領域的應用；熟悉相關專業領域的典型應用場景；了解數字孿生在智慧城市中的應用；了解孿生城市的基本概念、典型應用場景和典型案例。

數字孿生課程的核心內容采用直接講授的方式，對于重要的理論結合當前前沿應用進行講解，降低理解難度，并有選擇地介紹專業性強的知識點，注重激起學生的興趣，比如，增加紀錄片鑒賞環節，節選《我們的智造》《工業傳奇》等進行播放，在學習專業知識的同時，了解國內外的最新發展趨勢。

2 數字孿生課程實踐教學內容

應用Unity3D軟件，設計開發了基于數字孿生的三維型材拉彎平臺。平臺能夠在系統運行時對實體設備進行實時監控，了解設備的運行狀態。如圖1所示，實驗實體為具有十二個自由度的三維型材拉彎設備，設備左右兩側為對稱結構，包括六個線性軸（左側x、y、z軸，右側x、y、z軸）和六個旋轉軸（左側A、B、C軸，右側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測三維型材拉彎過程中各種物理數據的實時變化情況，設備末端為氣壓卡盤抓手用于固定待拉彎的三維型材；實驗實體對應的數字孿生體使用Unity3D軟件進行虛擬場景建模，包括車間、設備、零件、燈光等，SoftServo模塊能夠實時采集實體設備整個生命周期的各種信號數據，包括各個軸位置、壓力、拉力、誤差和振動等，并通過Unity3D將實驗實體的狀態實時同步到虛擬設備，同時，也可以通過編寫C#程序驅動虛擬設備十二個軸和兩個卡盤運動，并利用Soft Servo模塊將運動同步到實驗實體，實現實體設備的反向控制。

圖1 基于數字孿生的三維型材拉彎平臺

基于三維型材拉彎平臺，數字孿生課程實踐教學包含三個階段，初級、進階和高級。

①初級。包括了解三維型材拉彎平臺布局、各個設備的結構、功能和運行方式以及傳感器的類型和特征，該階段主要是為了讓學生熟悉平臺的構成；同時，讓學生學習Unity3D軟件的使用，了解數字孿生系統架構和數字孿生涉及的建模、模型驅動、信息采集與傳輸、計算等關鍵技術。

②進階。進一步深入學習三維型材拉彎設備和傳感器的使用，結合三維型材拉彎平臺，利用Unity3D軟件，在保證相應剛體屬性的前提下，完成設備某個部件的數字模型構建，例如氣壓卡盤、線性軸或旋轉軸等；然后，學習SoftServo模塊的通信接口，實現對實驗實體實時數據的讀取功能，并同步驅動數字孿生體進行相應運動；該階段主要是為了讓學生掌握數字孿生體建模、信息采集與傳輸、模型驅動的方法。

③高級。進一步深入學習三維型材拉彎平臺的使用，根據設備的行程、精度、拉力負載，讓學生設計被拉彎的型材和夾具，并利用Unity3D軟件完成數字模型的構建，保證相應的剛體屬性；然后，學習多軸運動軌跡規劃控制方法，通過編寫C#程序，在Unity3D軟件中進行動態模擬仿真，驅動虛擬設備的各個軸和卡盤運動，驗證三維型材拉彎的可行性和正確性；最后，通過SoftServo模塊對實體設備實現反向控制，完成實際三維型材的拉彎；該階段主要是為了讓學生掌握數字孿生體模擬仿真驗證的方法和從數字孿生體到實驗實體的反向控制方法。

通過上述三個部分的學習，學生能夠基于三維型材拉彎平臺實現虛擬模型的創建、掌握基于邏輯事件驅動的虛擬仿真技術和從虛擬模型到實驗實體的反向控制方法，深刻理解數字孿生的概念、架構和實現方式。

3 結語

筆者通過開展“數字孿生及其在智能制造中的應用”課程的教學工作，研究總結了數字孿生課程理論與實踐教學的經驗，結合新工科人才培養要求，給出以下建議：

①采用國內外紀錄片鑒賞、前沿工業應用案例講解、課堂討論等多種方式，寓教于樂，融學于趣，化教于心，提高課程的趣味性，激起學生對數字孿生技術的學習興趣；

②注重基礎知識的講授，對于重要的理論結合當前前沿應用進行講解，并通過動畫演示的方式，降低理解難度，確保每一位學生都能夠掌握相關知識，為后續的實踐課程打下堅實的基礎；

③通過項目實戰的方式進行實踐教學，學生自主分析設計、編程實現和測試驗證，突破了傳統數字孿生課程只有理論教學的局限，有利于學生探索精神、自主學習能力和實踐能力的培養。三維型材拉彎平臺構建了一個基于數字孿生的工業智能制造案例，展示了機械制造與計算機技術深度融合的應用示范，促進了數字孿生技術在機械、生物、化學等學科的應用，提高了學生對知識融會貫通的能力。