基于數字孿生技術的汽車智能制造實訓基地建設探索

熊繼芬，彭朝暉，倪炳林

（廣西機電職業技術學院，廣西 南寧 530007）

0 引言

2020 年4 月，中共中央政治局常務委員會會議明確：在常態化疫情防控前提下，要促進汽車制造、電子信息、新材料、生物醫藥等支柱產業恢復發展[1]。在如此特殊的時期，汽車產業作為制造產業的排頭兵被放到了“穩住經濟基本盤”的重要高度上。此時，職業教育作為人才供給側更應為汽車制造產業培養大量技術技能型人才以支撐我國經濟社會持續健康發展。

2020 年9 月，教育部等九部門印發《職業教育提質培優行動計劃（2020—2023 年）》的通知中明確指出，要推動信息技術與教育教學深度融合，遴選100個左右示范性虛擬仿真實訓基地，加快推進職業教育現代化，為助力經濟發展增值賦能[2]。因此，示范性虛擬仿真實訓基地建設項目是否側重于汽車制造產業人才培養，服務經濟發展是被廣泛關注的。

2021 年，通過各職業院校自愿申報、省級教育行政部門推薦、專家遴選等環節，教育部印發《關于公布職業教育示范性虛擬仿真實訓基地培育項目名單的通知》，確定了215 個職業教育示范性虛擬仿真實訓基地培育項目，其中汽車領域項目5 個，占比2.3%，明確聚焦汽車制造業的項目僅有1 個，即常州機電職業技術學院的“汽車關鍵零部件智能制造虛擬工廠”項目[3]。顯然，針對汽車制造產業領域的示范性虛擬仿真實訓基地建設及發展空間還有很大，值得職教圈不斷探索和實踐，有效提升職業教育對汽車產業的支撐力。

1 汽車智能制造實訓基地建設思路

根據國家政策導向，中共廣西壯族自治區黨委，自治區人民政府在《關于推進工業振興三年行動方案（2021—2023 年）的通知》文件中指出要打造包括先進裝備制造產業（以汽車、機械裝備制造產業為主）在內的2 個萬億元產業集群，做強汽車產業等重點支柱產業，并明確學校應在新能源汽車研發、汽車制造與汽車維修專門人才培養中發揮主要作用以此支撐該任務的實現[4]。因此，回歸人才培養服務當地的現實需要，利用數字孿生技術開展汽車智能制造實訓基地建設是緊緊圍繞廣西重點發展的14 個千億元產業之一的汽車產業，屬于廣西工業振興三年行動（2021—2023 年）中的重點工作任務，是緊密貼合國家政策導向的重要建設內容。

結合區域經濟發展需求以及涉足汽車制造產業的示范性虛擬仿真實訓基地建設項目緊缺的現狀，充分對接汽車制造產業鏈，服務區域經濟發展，提出汽車智能制造示范性虛擬仿真實訓基地建設新思路，創新性地探索出一種將真實產線、虛擬仿真、數字孿生、精益生產等要素有機融為一體的，虛實結合的“整車裝配線+裝配工藝仿真系統+數字孿生系統”三位一體汽車智能制造示范性虛擬仿真實訓基地建設新模式，有效支撐汽車制造企業轉型升級對技術技能型人才的需求，解決了職業教育普遍缺少精益生產要素、忽略生產管理能力培養的問題，培養既具備汽車智能制造技術技能水平，又掌握汽車智能制造生產管理能力的復合型人才，賦能教育教學改革。

2 汽車智能制造實訓基地建設內容

2.1 總體架構

汽車智能制造實訓基地具體包含以下三大模塊：

（1）現實整車裝配線。滿足汽車產業重點發展新能源汽車的現實需求，選取某款新能源汽車建設配套的真實整車裝配線，若受限于教學場地可選擇軸距較小的微型車，根據實際情況調整工位數以及作業內容進行針對性開發。考慮前期制造成本與后期使用及維護成本，可將各裝配部件模塊化為外形特征與實物件相同的特制件，提高特制零部件可靠性，避免易損件頻繁更換帶來的高使用成本。

（2）裝配工藝仿真系統。根據整車裝配線（現實生產線）補充開發成體系的裝配工藝仿真系統。它既能實現整車裝配工藝的離線獨立使用，涵蓋練習、培訓、考核等功能；也能在生產調整時，與裝配線數字孿生系統進行“虛-虛”驗證，與現實生產線進行“虛-實”驗證。其主要用于對學生開展整車裝配工藝流程、裝配工藝調整、技術標準等項目的訓練。裝配工藝調整、工序拆分等生產過程管理常用措施在只有現實產線這一單一訓練資源的情況下，屬于典型的高投入、高損耗、難實現訓練項目，所以配套的虛擬端模擬系統的開發非常必要。

（3）數字孿生系統。開發配套的整車模擬裝配線數字孿生系統，它是整車裝配線（現實端）在虛擬空間的映射系統，與現實裝配線在數據交互時，可以實現對現實裝配線的運行監控；它獨立運行時，可以在虛擬空間對產線運行節拍調整、工序平衡、車型柔性生產等進行仿真。主要用于對學生開展生產過程管理控制、生產調整、生產改進提升等生產管理能力的訓練[5]。尤其是創新性開發了融入精益生產管理能力培養的功能，為提升職業院校畢業生職業素養進行有益的探索和嘗試。最終將汽車智能制造虛擬仿真實訓基地建設成為如圖1 所示的架構。

圖1 汽車智能制造示范性虛擬仿真實訓基地架構圖

2.2 實訓環境條件建設

充分對接汽車制造產業鏈，服務區域經濟發展，滿足汽車產業重點發展新能源汽車的現實需求，以微型新能源汽車裝配線為基礎，建設配套數字孿生裝配系統（數字孿生技術）、裝配工藝虛擬仿真系統；應用智能傳感（自動扭力控制）、機器視覺（自動防錯）、工業機器人（AGV）、工業網絡（暗燈系統）、PLC（分揀指示系統）、工廠云（制造執行系統）等智能制造技術，建設集智能生產、智能質量、智能物流為一體的汽車智能制造示范性虛擬仿真實訓基地。

實訓基地涵蓋整車模擬裝配中心、智能物流中心、全面客戶評審中心（質量）及虛擬仿真中心四大部分，主要開展新能源汽車整車裝配工藝、生產過程管理、物流倉儲、全面客戶評審等項目訓練。

（1）整車模擬裝配中心

面向新能源汽車領域，建設一條數字孿生整車模擬裝配線，以車身（特制車身框架）為整車裝配載體，實現車輛相關部件的裝配，全面涵蓋汽車裝配的力矩、插接器、管路、內飾件、線束等典型安裝工藝。整車模擬裝配線設計由上線、裝配、檢測、拆裝構成的環形循環產線，集成裝配線控制、輪胎扭力控制、錯落裝檢測、尺寸控制等智能技術應用，能實現工藝設計、工作平衡、生產控制、節拍管理、標準化作業、崗位自主保全、暗燈系統、統計過程控制等應用實訓。

（2）智能物流中心

智能物流中心包含物料接收、存儲、配送等三個環節，實現窗口接收、物料存儲管理、物料拉動系統、排序送料系統、SPS 配送系統、AGV 配送等實訓。

（3）全面客戶質量評審中心

全面客戶質量評審中心是以客戶的眼光，對產品按照質量標準進行全面評審的場所，包含評審燈光系統、零件陳列臺、評審平臺等。可以實現產品拆裝工藝設計、標準化操作單編寫、產品質量評審等實訓。

（4）虛擬中心

裝配工藝仿真系統主要面向汽車智能制造類專業的教師和學生，可在虛擬端實現整車裝配工藝、技術標準訓練及生產過程調整后全新裝配工藝的驗證，為學校或企業技能人才的培養提供企業文化、崗位技能、職業素養、工藝流程的沉浸式體驗和仿真實訓。借助虛擬現實技術模擬生成三維空間的產品裝配過程，學生可身臨其境的體驗整車裝配操作工藝流程，在培養學生裝配工藝、標準的同時大大降低了教學成本、難度和風險，提高實訓教學效益。

數字孿生系統對應整車模擬裝配線設計多個數字孿生應用工位。利用虛實互聯技術，可在生產計劃及生產各環節中虛擬和判斷出所有的工藝流程可能出現的矛盾、缺陷、不匹配，為生產調整提供依據，大大縮短方案設計及安裝調試時間，為數字孿生教學過程輸出真實的典型素材。該系統接收各類傳感器傳輸的整車模擬裝配線實時數據，具備后臺數據監控、整理及分析能力，并反向動態指導現實生產，實現現實端的虛擬仿真，仿真結果生成的數據又反向與整車模擬裝配線建立聯系，輸出指令以指導生產，兩者通過信息交互不斷優化生產過程，方便且具像地培訓學生生產管理能力[6，7]。

2.3 配套資源建設

（1）完善虛擬仿真實訓教學課程

聯合校企合作企業共建虛擬仿真實訓教學課程體系，開發融入精益生產要素及課程思政元素的“新能源汽車裝配技術”“精益生產管理”“倉儲物流”等系列課程及配套課程資源，使其適用于汽車制造相關專業的教學。

（2）開發融入精益生產要素的典型實訓項目

借助校企合作優勢資源，結合企業真實生產過程的各崗位需求以及生產環節的實際問題，整合現有“汽車總裝技術”“電控發動機裝配技術”“新能源汽車技術”實訓項目，融入精益生產元素開發對應的“裝配工藝實訓+精益生產管理實訓”的典型實訓項目，真實還原整車生產現場，針對性培養學生生產過程管理控制、生產調整、生產改進等生產管理能力以及整車裝配工藝流程、裝配工藝調整、技術標準等技術技能。

建設系列模塊化裝配工藝實訓項目。包括驅動電機、車載充電機、電機控制器、儀表、整車線束、車門等部件的裝配工藝訓練，涵蓋力矩、插接器、管路、內飾件、線束等典型安裝工藝項目。

建設系列模塊化精益生產管理實訓項目。包括作業現場布置（5S）、目視化管理、標準化操作、全員生產維護、團隊協作、實際問題解決、生產節拍調整、質量/工藝防錯、線平衡改進等多個精益生產方法和工具的實訓項目。

（3）實訓教學體系科學合理，教學資源新穎實用，可交互共享

教學體系科學合理。項目以虛擬仿真實訓環境、資源、團隊、平臺四個維度為建設核心，根據人才培養技能養成的特點，構建對應“整車裝配線（實）-裝配工藝仿真系統（虛）-數字孿生系統（虛）”的全新實訓教學體系，以解決專業（群）實習實訓環節中的痛點、難點問題，全方位培養學生職業素養與專業技能。

教學資源實用新穎、必要可行。建設創新性源融入了精益生產內容，開發既包括新能源汽車裝配技術，又包含精益生產管理的實訓項目及配套資源，部分素材取自本項目實際應用過程的真實案例，具有原創新和創新性，適用學生人才培養全周期的新能源汽車認知實訓、新能源汽車裝配實訓、生產管理實訓、物流倉儲實訓等內容，彌補了高職院校在生產管理應用方面教學資源的不足。而往往生產過程調整及裝配工藝調整的現場驗證又是周期長、成本高的項目，能將這些工作前置到虛擬仿真系統（裝配工藝仿真系統、數字孿生系統）進行虛擬驗證和調試，再轉移至真實裝配線進行現實應用，是高效降低成本、提高效率和質量的有效手段，也是各大汽車制造企業普遍采用虛實交替驗證方法，高職院校人才培養涉足這方面的能力培養是及有必要的。

虛擬仿真資源具有交互性、智能性、共享性特點。虛擬仿真系統利用虛實互聯技術，可智能化在生產計劃及生產各環節中虛擬和判斷出所有的工藝流程可能出現的矛盾、缺陷、不匹配，同時為教學平臺輸出真實的典型素材，實現“機-機交互”。學生可置身于虛擬生產場景中進行整車虛擬生產、裝配工藝調整及生產過程調整驗證等虛擬實訓活動，實現“人-機交互”。虛擬仿真系統及其配套數字資源共享性強，在校校間、校企間實現資源共建共享。

3 結語

廣西機電職業技術學院針對汽車智能制造轉型升級的現實需要，在實訓基地建設方面進行了全面思考和反復嘗試，充分利用學校“機”“電”的深厚底蘊和特色優勢，進一步與本土汽車領跑企業上汽通用五菱汽車股份有限公司合作，依托校企共建的“汽車產業學院”平臺，升級高水平專業群虛擬仿真建設項目，建設汽車智能制造虛擬仿真實訓基地，將其打造成集汽車智能制造類專業人才培養、企業員工培訓、企業管理咨詢服務于一體的綜合型實訓基地，選取五菱宏光mini 車身為整車裝配線裝配載體，配套建設其裝配工藝仿真系統與數字孿生系統，校企雙方持續深化前期合作，共同開發融入精益生產要素及課程思政元素的課程，共享師資隊伍，在探索和實踐過程中形成了以下經驗：

（1）將虛擬仿真、數字孿生、實體產線三者有機結合，創新了傳統意義上的虛擬仿真項目建設，創新性地提出了專業技術技能與生產管理能力兼備的能力培養模式，有效將整車裝配線（實）、裝配工藝仿真系統（虛）、數字孿生系統（虛）三者有機結合，在虛擬端和現實端實施人才培養。裝配工藝仿真系統注重培養學生崗位基本技術技能，在虛擬端熟練掌握工藝標準、技術要點，為現實端應用奠定基礎；數字孿生系統的虛擬產線注重學生生產管理的培養，可實現真實生產過程模擬及各生產環節的模塊化實訓項目訓練；整車裝配線則是注重“技能+管理”能力的雙重應用，為培育專業技術技能與生產管理能力兼備的復合型人才提供了保障，而將生產管理能力培養作為高職院校人才培養質量標準的重要組成部分，是有效區分了中職與高職教育同類專業在人才培養規格上差異性的重要舉措。

（2）為更好地發揮出汽車智能制造虛擬仿真實訓基地的功效，在汽車智能制造領域，運用數字孿生等智能化與信息化高度融合的虛擬技術，植入了精益生產及標準化管理要素，開發了精益生產過程中典型的實訓項目和配套資源，實現了“精益化、智能化、信息化”的有機融合，彌補了現實技術背景下虛擬仿真應用在人才培養中的局限性，擴充了虛擬仿真的功效。

換句話說，廣西機電職業技術學院在探索和實踐過程中提出的汽車智能制造虛擬仿真實訓基地建設模式是傳統意義虛擬仿真項目建設在功能上的升級，升級后效能更符合技術技能型人才培養需求，在職業院校教育教學活動中發揮更明顯的作用，為高職院校汽車類及機電類學生從事相對高端崗位工作打牢基礎。