基于數(shù)字孿生的開放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用研究*
——以“智能制造數(shù)控機(jī)床加工”為例

劉永剛

（1.遼寧開放大學(xué)，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110161）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開放教育從最初的廣播電視教學(xué)，發(fā)展到現(xiàn)在的集網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、課堂教學(xué)等多種媒體技術(shù)于一體的現(xiàn)代遠(yuǎn)程開放式教學(xué)。開放教育采用排除對學(xué)習(xí)地域限制和障礙的教育教學(xué)方法，以教師、學(xué)校教學(xué)為引導(dǎo)，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，培養(yǎng)學(xué)生的主動自學(xué)能力。這種教學(xué)模式不受教學(xué)時間和空間限制，可以使學(xué)生在自主學(xué)習(xí)時選擇更為實(shí)用和豐富的教學(xué)資源內(nèi)容。開放教育作為現(xiàn)代社會教育新模式的遠(yuǎn)程教育，已成為我國實(shí)現(xiàn)高等教育大眾化、構(gòu)建終身教育體系和學(xué)習(xí)型社會的重要途徑之一[1-2]。在知識理論學(xué)習(xí)方面，開放教育已經(jīng)有非常完善的教育教學(xué)體系，但是在開放教育實(shí)訓(xùn)方面，由于受時間、空間的限制，目前還存在很多問題，開放教育實(shí)訓(xùn)是目前亟需完成的重大課題。

1 開放教育實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀

實(shí)訓(xùn)教學(xué)作為開放教育教學(xué)系統(tǒng)中的重要組成部分，重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的實(shí)際操作能力，是針對理論教學(xué)設(shè)定的必不可少的教育教學(xué)環(huán)節(jié)[3-4]。同時，開放教育的實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)事關(guān)學(xué)生實(shí)操能力、技能水平的提高，直接關(guān)系到教育教學(xué)質(zhì)量。完成理論教學(xué)只是達(dá)到課程培養(yǎng)和專業(yè)設(shè)置預(yù)期目標(biāo)中的一部分，實(shí)訓(xùn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育人才培養(yǎng)目標(biāo)的不可缺少的另一部分。

由于受時空限制，開放教育的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)大部分都只是理論上的實(shí)訓(xùn)，在課程實(shí)訓(xùn)過程中創(chuàng)建逼真的模擬實(shí)訓(xùn)場景，學(xué)生通過在模擬的實(shí)訓(xùn)場景中創(chuàng)建實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)，這種實(shí)訓(xùn)方式也可以提高學(xué)生的參與積極性。但是這種實(shí)訓(xùn)沒有與實(shí)際設(shè)備進(jìn)行有效的信息交互，很難對學(xué)生實(shí)訓(xùn)任務(wù)完成的合理性做出有效判斷，學(xué)生的創(chuàng)新度也不高。

目前，開放教育實(shí)訓(xùn)受到自身存在的諸多因素限制，還存在一些問題，如缺乏可供學(xué)生和教師使用的實(shí)施方案，教學(xué)體系構(gòu)架不夠完整，沒有專門的教材，教學(xué)資源又相對不足等[5]，同時實(shí)訓(xùn)教學(xué)形式上又比較單一，缺乏足夠的實(shí)訓(xùn)基地、實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)儀器等，并且實(shí)訓(xùn)教學(xué)的時間安排隨意性較大。此外，學(xué)生的絕對人數(shù)和相對人數(shù)都在增加，教育越詳細(xì)，需要的專業(yè)教師越多，因此教育成本也在增加。

影響開放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)、教育的因素有很多，主要因素是數(shù)據(jù)信息的傳輸以及多媒體技術(shù)。探索新技術(shù)，縮小理論探索與實(shí)際應(yīng)用之間的差距，哪些技術(shù)能在最短的時間內(nèi)讓學(xué)生掌握更多的知識。針對這些問題，筆者以數(shù)字孿生技術(shù)為手段、以實(shí)物設(shè)備為基礎(chǔ)，開展孿生設(shè)計和真實(shí)設(shè)備實(shí)訓(xùn)，既創(chuàng)設(shè)與企業(yè)相同的工作情境，又與理論教學(xué)相融合，對當(dāng)前開放教育發(fā)展而言十分必要。

2 數(shù)字孿生

2020—2030年，是數(shù)字孿生體技術(shù)的深度開發(fā)和大規(guī)模擴(kuò)展應(yīng)用期。在PLM領(lǐng)域，或者說以航空航天為代表的離散制造業(yè)，是數(shù)字孿生體應(yīng)用和概念的發(fā)源地。目前，數(shù)字孿生體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也正在從智能制造等工業(yè)化領(lǐng)域向數(shù)字政府、智慧城市、孿生教育等數(shù)字化、城市化、全球化領(lǐng)域拓展[6]。

數(shù)字孿生可以模擬現(xiàn)實(shí)世界的具體事物，是基于傳感器所建立的某一物理實(shí)體的數(shù)字化模型[7]，是集成多概率、多尺度、多物理量、多學(xué)科的仿真過程，利用運(yùn)行歷史、傳感器更新、物理模型等數(shù)據(jù)，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體設(shè)備的全生命周期過程，在虛擬空間中完成映射[8]。在智能制造環(huán)境下，數(shù)字孿生搭建了車間中物、機(jī)、人之間的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的可交互、可跟蹤、可識別[9]。數(shù)字孿生（Digital Twin, DT）技術(shù)則構(gòu)建了車間“情境感知—仿真計算—協(xié)同決策—生產(chǎn)執(zhí)行”的閉環(huán)邏輯，使得制造業(yè)生產(chǎn)管控模式發(fā)生了顯著變化。

通過實(shí)時數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生模型中推動工業(yè)全業(yè)務(wù)流程閉環(huán)優(yōu)化，并持續(xù)通過數(shù)據(jù)修正、完善物理模型。技術(shù)層面，在工業(yè)自動化的基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生在實(shí)時性、參與度和閉環(huán)性等方面提出了更高的要求，因此將會由許多獨(dú)立工具、平臺、基礎(chǔ)設(shè)施、協(xié)議等來支持其運(yùn)行。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、5G、云計算等技術(shù)的成熟度的提升，數(shù)字孿生逐漸從概念走向現(xiàn)實(shí)。

數(shù)字孿生基于精準(zhǔn)物理模型可提升企業(yè)的綜合決策能力，推動全業(yè)務(wù)流程閉環(huán)優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)包括連接層、映射層和決策層。連接層具備采集感知和反饋控制功能，是數(shù)字孿生賦能制造業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；映射層具備信息互通、模型互通和數(shù)據(jù)集成功能，基于信息模型構(gòu)建和融合實(shí)現(xiàn)工業(yè)通信優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)融合；決策層以低成本的方式將指令反饋至物理實(shí)體，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式拷貝一個物理對象，模擬對象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，從而實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計到制造執(zhí)行全過程的數(shù)字化，創(chuàng)建一條數(shù)字線程，關(guān)聯(lián)全過程所有步驟[10]。目前，對工廠車間內(nèi)設(shè)備的工作進(jìn)行智能化管理和控制，是通過結(jié)合VR技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、云技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對工廠內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)虛擬場景遠(yuǎn)程控制的目的。本研究以數(shù)字孿生技術(shù)為支撐，通過搭建遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模型，解決開放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)的問題。

3 遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)訓(xùn)模型搭建

要進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)，需要進(jìn)行相應(yīng)的軟硬件平臺的建設(shè)，需要建立設(shè)備端與應(yīng)用端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備端與應(yīng)用端的信息互通。建立數(shù)字孿生遠(yuǎn)程開放教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺，首先開發(fā)與遠(yuǎn)程教育科目相符的物理設(shè)備平臺，開發(fā)的物理平臺與數(shù)據(jù)接口接入開放教育遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。開放數(shù)據(jù)接口，將物理實(shí)體中的數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生環(huán)境中展示和調(diào)用，真正實(shí)現(xiàn)雙向互通。同時，物理平臺周邊要布置相應(yīng)的AI攝像頭，以便于遠(yuǎn)程授課時學(xué)生能實(shí)時查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)架構(gòu)如圖1所示，針對不同的專業(yè)方向，在遠(yuǎn)程數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺上進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。對遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品的智能化設(shè)計、仿真到實(shí)訓(xùn)的整體架構(gòu)建設(shè)。數(shù)控專業(yè)，在數(shù)字孿生平臺進(jìn)行數(shù)控編程加工，導(dǎo)出NC代碼到物理實(shí)訓(xùn)區(qū)或與實(shí)訓(xùn)工廠數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，進(jìn)行加工實(shí)訓(xùn)訓(xùn)練。模具專業(yè)，通過遠(yuǎn)程數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)平臺進(jìn)行模具設(shè)計，設(shè)計完之后與生產(chǎn)線單元實(shí)現(xiàn)聯(lián)動。機(jī)電專業(yè)，在數(shù)字孿生平臺進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計，并且對零件進(jìn)行裝配，完成機(jī)電設(shè)備的虛擬設(shè)計，同時與生產(chǎn)線單元進(jìn)行聯(lián)動。自動化專業(yè)，在數(shù)字孿生平臺進(jìn)行PLC編程，編程完后與實(shí)體PLC控制單元或三軸設(shè)備單元進(jìn)行聯(lián)動。工業(yè)機(jī)器人專業(yè)，在數(shù)字孿生平臺進(jìn)行機(jī)器人的離線編程和應(yīng)用訓(xùn)練，編制完程序后，與現(xiàn)場機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)動。

圖1 遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)架構(gòu)

針對不同的專業(yè)，開放教育的學(xué)生可以通過數(shù)據(jù)交互，使自己搭建的數(shù)字孿生模型與實(shí)訓(xùn)室設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動。以不同專業(yè)的教學(xué)理念為標(biāo)準(zhǔn)，在遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，根據(jù)企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行情況，設(shè)置各種職業(yè)角色及實(shí)訓(xùn)崗位，與企業(yè)人才需求實(shí)現(xiàn)無縫對接，為企業(yè)培養(yǎng)實(shí)戰(zhàn)人才。根據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)架構(gòu)需要建立設(shè)備端和應(yīng)用端，分別對設(shè)備端和應(yīng)用端進(jìn)行研究。

1）設(shè)備端。創(chuàng)建實(shí)體物理設(shè)備實(shí)訓(xùn)環(huán)境，實(shí)訓(xùn)環(huán)境與實(shí)體工廠相似，并且將實(shí)訓(xùn)設(shè)備分成相同或不同的多個功能單元部分，以便更多的學(xué)生能夠同時進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。開放教育的學(xué)生通過與實(shí)體設(shè)備的聯(lián)動實(shí)訓(xùn)，能夠獲得實(shí)際的創(chuàng)新能力、技能等。將物理實(shí)體設(shè)備按照工廠實(shí)際工作崗位的情況進(jìn)行設(shè)計，實(shí)施工作任務(wù)。具備不同的實(shí)訓(xùn)單元，培養(yǎng)學(xué)生在不同工作場景下解決實(shí)際問題的能力。構(gòu)建一套層級式、教學(xué)思路清晰、工業(yè)高度真實(shí)的教學(xué)系統(tǒng)，為學(xué)生工程實(shí)踐教學(xué)提供一個先進(jìn)的、創(chuàng)新的、密切聯(lián)系工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的工程實(shí)踐實(shí)訓(xùn)設(shè)備端。設(shè)備端由智能制造虛擬仿真系統(tǒng)、計算機(jī)信息系統(tǒng)、加工制造執(zhí)行系統(tǒng)、生產(chǎn)物流及倉儲系統(tǒng)、質(zhì)檢系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。同時，設(shè)備端建設(shè)了基于創(chuàng)新型、綜合型、技能型的多功能實(shí)訓(xùn)室，既貼近于工業(yè)化生產(chǎn)，又立足于創(chuàng)新實(shí)踐。

2）應(yīng)用端。應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在云平臺服務(wù)器上搭建一個開放教育的數(shù)字孿生教學(xué)平臺。開放教育的學(xué)生通過登錄數(shù)字孿生平臺，可以在平臺上進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計任務(wù)。當(dāng)任務(wù)完成后，可以通過數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行對接，完成遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)工作。學(xué)生通過數(shù)字孿生教學(xué)平臺能快速掌握實(shí)體實(shí)訓(xùn)設(shè)備的物理特性，并獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析決策支持，能識別實(shí)體設(shè)備的異常運(yùn)行情況，并及時向?qū)嶓w實(shí)訓(xùn)設(shè)備下發(fā)控制指令，以便有效通過數(shù)字孿生模型對實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行操作。同時，在應(yīng)用端，學(xué)生能通過視頻監(jiān)控實(shí)時監(jiān)控物理實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。利用數(shù)字孿生技術(shù)，學(xué)生可以在平臺上將學(xué)校現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)工廠的實(shí)訓(xùn)設(shè)備或者企業(yè)的生產(chǎn)線設(shè)備搭建起來，并且通過數(shù)據(jù)傳輸連接到實(shí)體設(shè)備，實(shí)現(xiàn)真正意義上的實(shí)訓(xùn)。應(yīng)用端的數(shù)字孿生平臺能全面補(bǔ)充、設(shè)計與真實(shí)設(shè)備相同的虛擬設(shè)備，并貫穿于整個實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程。應(yīng)用端需要在虛擬系統(tǒng)中建設(shè)與真實(shí)環(huán)境一致相融的崗位角色關(guān)系、規(guī)范、要求、標(biāo)準(zhǔn)、工作內(nèi)容等，使開放教育的學(xué)生充分體驗(yàn)真實(shí)的生產(chǎn)制造環(huán)境。

4 實(shí)踐應(yīng)用

設(shè)備端以實(shí)體設(shè)備智能制造數(shù)控機(jī)床加工單元為例，應(yīng)用端以數(shù)字孿生模型設(shè)計為主，以理論學(xué)習(xí)為輔。在開放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中，數(shù)字孿生模型設(shè)計與實(shí)訓(xùn)工廠設(shè)備的聯(lián)動是實(shí)訓(xùn)教學(xué)的核心。

4.1 實(shí)訓(xùn)流程

根據(jù)智能制造數(shù)控機(jī)床加工單元的工作流程與控制工藝，在應(yīng)用端數(shù)字孿生平臺設(shè)計機(jī)床加工的生產(chǎn)過程程序。通過數(shù)字孿生模型與實(shí)體設(shè)備相結(jié)合的模式進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的無縫連接。實(shí)訓(xùn)流程基于設(shè)備端和應(yīng)用端同步運(yùn)行，設(shè)備端是一套集系統(tǒng)認(rèn)知、設(shè)計、制造、創(chuàng)新于一體的智能化教學(xué)實(shí)踐平臺或工廠設(shè)備。學(xué)生可通過應(yīng)用端提供的3D零件模型設(shè)計搭建任意系統(tǒng)組合，也可通過平臺提供的實(shí)物模型搭建不同的制造應(yīng)用場景，真正實(shí)現(xiàn)從簡單機(jī)構(gòu)到組合工作站及組合系統(tǒng)的各種形式組合設(shè)計。開放教育的實(shí)訓(xùn)流程如圖2所示。

圖2 開放教育的實(shí)訓(xùn)流程

根據(jù)開放教育的遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)課程內(nèi)容，教師通過數(shù)字孿生教學(xué)平臺發(fā)布一套實(shí)訓(xùn)任務(wù)。學(xué)生在接收到實(shí)訓(xùn)任務(wù)后，要對任務(wù)的內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃，并進(jìn)行相應(yīng)的原始方案設(shè)計。在設(shè)計過程中，教師要實(shí)時指導(dǎo)學(xué)生的方案內(nèi)容，對方案內(nèi)容不完善的地方提出指導(dǎo)意見，并協(xié)助學(xué)生進(jìn)行修正。在方案設(shè)計審核合格之后，學(xué)生要按照實(shí)訓(xùn)的內(nèi)容進(jìn)行與實(shí)訓(xùn)工廠實(shí)物相匹配的數(shù)字孿生體模型的設(shè)計。數(shù)字孿生體模型設(shè)計完之后，學(xué)生首先要進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)論需正確，再由系統(tǒng)給出具體指導(dǎo)意見；然后學(xué)生要把數(shù)字孿生體上傳到開放教育的教學(xué)平臺上。教師會根據(jù)學(xué)生虛擬仿真驗(yàn)證的結(jié)論給學(xué)生開通與物理實(shí)體設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的部分功能權(quán)限，學(xué)生再將搭建的數(shù)字孿生體與實(shí)訓(xùn)工廠的設(shè)備進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)操作。并且在實(shí)訓(xùn)過程中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)會進(jìn)行全方位的視頻記錄，以便于后期學(xué)生自查問題。

4.2 應(yīng)用端數(shù)字孿生平臺

數(shù)字孿生平臺如圖3所示，功能包含對象容器與程序容器的配置、機(jī)器人或PLC的信號配置、機(jī)器人數(shù)據(jù)與PLC數(shù)據(jù)之間的通信、硬件連接、仿真功能的控制與視頻錄制功能的使用等。

圖3 數(shù)字孿生平臺

在應(yīng)用端數(shù)字孿生平臺設(shè)計與實(shí)體設(shè)備匹配的數(shù)字孿生模型。對象容器用來實(shí)現(xiàn)模型的機(jī)械運(yùn)動，主要用于對場景中的電氣元器件或機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行配置，配置完成的模型才能完成機(jī)械仿真運(yùn)動。程序容器用來控制設(shè)備的一系列運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床仿真運(yùn)行的控制，包含工業(yè)機(jī)器人程序容器、數(shù)控車床程序容器和加工中心程序容器。

學(xué)生在數(shù)字孿生體平臺進(jìn)行實(shí)訓(xùn)時，可以通過控制數(shù)字孿生體來實(shí)際控制實(shí)訓(xùn)工廠的設(shè)備，實(shí)訓(xùn)工廠的物理設(shè)備與數(shù)字孿生體是完全匹配運(yùn)行的。同時，由于在現(xiàn)場設(shè)備周圍布置了多組攝像頭，學(xué)生也能更直觀地觀察設(shè)備的運(yùn)行情況。針對不同水平的學(xué)生，設(shè)計不同的教學(xué)任務(wù)。對于低年級的遠(yuǎn)程教育的學(xué)生，在開放教育的平臺上，可以直接使用數(shù)據(jù)庫中一些簡單的數(shù)字孿生體來對接實(shí)訓(xùn)工廠的單一物理實(shí)體進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)操作。對于高年級的學(xué)生，要求其能獨(dú)立設(shè)計數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)模型，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)操實(shí)訓(xùn)。

5 結(jié)論

綜上所述，基于數(shù)字孿生的開放教育遠(yuǎn)程實(shí)訓(xùn)的應(yīng)用研究可解決目前遠(yuǎn)程教育實(shí)訓(xùn)難的問題，能極大地解決由于實(shí)訓(xùn)難造成的學(xué)生實(shí)際操作能力差、獨(dú)立思考能力差的問題。通過數(shù)字孿生技術(shù)，學(xué)生能夠?qū)嶋H掌握從設(shè)計到實(shí)操的整個實(shí)訓(xùn)過程，對于后期在企業(yè)工作有極大的價值，可以讓更多學(xué)生在無法接觸實(shí)際設(shè)備的情況下，通過數(shù)字孿生技術(shù)了解更多學(xué)科融合技術(shù)，并學(xué)習(xí)數(shù)字孿生這一先進(jìn)的科研測試手段。同時，基于該研究學(xué)生可以開展各種創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)活動，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手操作、分析調(diào)試、設(shè)計的能力和創(chuàng)新意識。