數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)教融合中的應(yīng)用研究

摘要：數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新型的虛擬仿真技術(shù)，可以助力企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智慧工廠的建設(shè)。產(chǎn)教融合中出現(xiàn)的學(xué)生培養(yǎng)和企業(yè)發(fā)展“兩張皮”，以及高校和企業(yè)資源不平衡和利益分配等問題，隨著數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用均可以得到解決，包括師生能力的培養(yǎng)和虛擬仿真實驗室建設(shè)以及企業(yè)資源和成本的節(jié)省，助力企業(yè)更高效健康的發(fā)展。借助數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)教融合創(chuàng)新模式仍需進(jìn)一步完善，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)邁向更高水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；產(chǎn)教融合；創(chuàng)新模式；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G712 收稿日期：2024-03-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408031

1 前言

數(shù)字孿生技術(shù)是一種新興的技術(shù)，它將物理世界中的實體或系統(tǒng)與其數(shù)字化的虛擬副本相結(jié)合，進(jìn)行映射與聯(lián)動，可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域，為實體系統(tǒng)的監(jiān)測、管理和優(yōu)化提供了全新的方法和工具，對各個行業(yè)帶來重大的變革。產(chǎn)教融合通常是指生產(chǎn)和教育的一體化，在生產(chǎn)實境中教學(xué)，在教學(xué)中生產(chǎn)，生產(chǎn)和教學(xué)密不可分，水乳交融[1]。

應(yīng)用型本科院校通常與行業(yè)企業(yè)緊密合作，注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神，而產(chǎn)教融合已經(jīng)成為應(yīng)用型高校培養(yǎng)學(xué)生、自我發(fā)展及服務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要途徑。數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)教融合中的應(yīng)用可以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)界和教育界之間的合作與交流，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，推動產(chǎn)業(yè)升級與創(chuàng)新發(fā)展。

2 產(chǎn)教融合實踐中存在的問題

21 學(xué)生培養(yǎng)和企業(yè)發(fā)展“兩張皮”

學(xué)生培養(yǎng)和企業(yè)發(fā)展應(yīng)該是相互交織、相輔相成，共同促進(jìn)及互利共贏的雙贏局面，在實踐中卻出現(xiàn)“兩張皮”的問題，不能很好地融合在一起。產(chǎn)教融合各種工作及項目在啟動會召開之后基本處于停滯狀態(tài)，學(xué)校仍是學(xué)生培養(yǎng)的固定場所，在有實習(xí)實踐任務(wù)時帶領(lǐng)學(xué)生到企業(yè)進(jìn)行簡單的參觀式實習(xí)，學(xué)生無法對知識的實踐有深入的認(rèn)知，也無法對企業(yè)有促進(jìn)和發(fā)展。企業(yè)在成為產(chǎn)教融合實踐基地或聯(lián)合培養(yǎng)單位之后也是進(jìn)行簡單的掛牌，并無后續(xù)的工程師入課堂等類似的活動，僅是在企業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展中對于遇到的難題打包成課題的形式推送到學(xué)校，高校在完成之后再反饋給企業(yè)，缺乏日常性的合作和交流。

22 資源不平衡與利益分配問題

高等學(xué)校與企業(yè)在資源配置方面存在差異，包括資金、人才、技術(shù)設(shè)備等。這導(dǎo)致在合作中出現(xiàn)資源不平衡的情況，造成學(xué)校對合作的依賴過度，企業(yè)則難以得到實質(zhì)性的利益回報。

對于普通地方性應(yīng)用型高校，本身在資金支持和科學(xué)研究方面就相對薄弱，學(xué)生的整體素質(zhì)，以及學(xué)習(xí)和解決問題能力不突出。而企業(yè)則提供了大量實踐資源，包括資金和人力資源以及時間的投入。在融合創(chuàng)造的過程中學(xué)生得到了創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，獲得了良好的成長，學(xué)校也提高了育人的水平。

而由于學(xué)生的培養(yǎng)需要一定的時間周期，更需要資金支持，且融合培養(yǎng)結(jié)束后還達(dá)不到企業(yè)解決實質(zhì)性問題的狀態(tài)，故不能夠?qū)ζ髽I(yè)有所正向貢獻(xiàn)。學(xué)校對此的資金支持也相對微薄，加之學(xué)校的科學(xué)研究不能及時反芻企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，企業(yè)越來越像單方輸出的培訓(xùn)機構(gòu)，長期下來不能實現(xiàn)互利共贏。

23 資源不平衡與利益分配問題

淺層次產(chǎn)教融合模式下培養(yǎng)的學(xué)生缺乏良性的就業(yè)渠道，并且自身的競爭力不足，其原因在于學(xué)校和行業(yè)企業(yè)未建立起務(wù)實的長期合作關(guān)系，再加上區(qū)域地域限制，更是增加了困難。學(xué)生在進(jìn)入到企業(yè)實踐學(xué)習(xí)時，總是斷斷續(xù)續(xù)、階段性的，未能系統(tǒng)性地了解到一個行業(yè)，也未能體系化地將自己所學(xué)知識和技能在實踐中予以驗證和提高。

企業(yè)方面所提供的實踐崗位和內(nèi)容也是偏于基礎(chǔ)和局部，導(dǎo)致學(xué)生在實踐中所學(xué)內(nèi)容和經(jīng)驗在未來就業(yè)行業(yè)不匹配，畢業(yè)找工作時仍是四處投簡歷，很少能夠留在實習(xí)實踐公司和實習(xí)行業(yè)，增加學(xué)生就業(yè)的不確定性和難度。更有融合實踐企業(yè)受制于地域限制，學(xué)生去到企業(yè)實踐的時間和頻次更少，難以有效的進(jìn)行融合教育。最終學(xué)生的實習(xí)和就業(yè)缺乏一致性、接續(xù)性和前瞻性，出現(xiàn)一畢業(yè)就失業(yè)的現(xiàn)象。

總的來說，產(chǎn)教融合實踐中缺少合理的體制機制，在現(xiàn)有資金、設(shè)備、時間等條件下，難以進(jìn)行有效的融合，缺乏更有效的技術(shù)來解決現(xiàn)有的矛盾，實現(xiàn)產(chǎn)教融合的良性發(fā)展，達(dá)到一種多贏的局面。

3 數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵

在智能制造行業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)是實際產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測對應(yīng)物的性能特點。數(shù)字孿生技術(shù)不需要搭建實體原型即可展示設(shè)計變更、使用場景、環(huán)境條件和其他無限變量所帶來的影響，縮短開發(fā)時間，提高成品或流程的質(zhì)量[2]。

西門子系列數(shù)字孿生工業(yè)軟件包括Tecnomatix、NX MCD、Simcenter Amesim、SIMIT、PLCSIM Advanced。其中Tecnomatix是數(shù)字孿生技術(shù)中的領(lǐng)先解決方案，由零部件制造、裝配規(guī)劃、資源管理、工廠設(shè)計與優(yōu)化、人力績效、產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)劃與分析以及生產(chǎn)管理等核心軟件構(gòu)成。Tecnomatix軟件可以對生產(chǎn)制造系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真以及優(yōu)化，其主要作用就是分析和優(yōu)化生產(chǎn)制造系統(tǒng)的布局、物流和供應(yīng)鏈，提高資源利用率、產(chǎn)能和效率等[3]。

通過數(shù)字孿生技術(shù)，工藝人員可以在虛擬的環(huán)境中構(gòu)建一個三維可視化的工廠，如圖1所示，用戶可以在虛擬的環(huán)境中對制造過程進(jìn)行仿真模擬以及技術(shù)優(yōu)化，結(jié)合工藝規(guī)劃、設(shè)計和仿真功能，可以模擬物料在車間的流轉(zhuǎn)路線，幫助工藝人員優(yōu)化工廠布局和工藝路線，在產(chǎn)品工程、制造工程、生產(chǎn)與運營之間實現(xiàn)同步，可以以最少的成本提升生產(chǎn)效率，使得工廠的生產(chǎn)線效率更高。

在制造企業(yè)運營中，其中三個領(lǐng)域會用到數(shù)字孿生技術(shù)。在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域，可以虛擬數(shù)字化產(chǎn)品模型，對其進(jìn)行仿真測試和驗證，以更低的成本做出更好的樣機。在生產(chǎn)管理領(lǐng)域，可將數(shù)字化模型構(gòu)建在生產(chǎn)管理體系中，在運營和生產(chǎn)管理的平臺上對生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)度、調(diào)整和優(yōu)化。在設(shè)備管理領(lǐng)域，可以通過模型來模擬設(shè)備的運動和工作狀態(tài)，實現(xiàn)機械和電氣的聯(lián)動。

4 數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)教融合應(yīng)用

41 工科類高等院校應(yīng)用

工科類高等院校的教育目標(biāo)是培養(yǎng)具有理論基礎(chǔ)和實踐能力的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才，而數(shù)字孿生技術(shù)恰恰可以滿足這一需求。

通過開設(shè)數(shù)字孿生系列課程和數(shù)字孿生實驗室的建設(shè)打造軟硬一體化平臺，引進(jìn)企業(yè)的兼職培訓(xùn)師，對本校教師進(jìn)行數(shù)字孿生技術(shù)培訓(xùn)，由考核優(yōu)秀的老師對學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)性理論知識和技能的授課，之后由優(yōu)秀教師團(tuán)隊和考核優(yōu)秀的學(xué)生共建數(shù)字孿生實驗室，推動實驗室進(jìn)步和發(fā)展。

在老師和部分學(xué)生熟練掌握西門子Tecnomatix數(shù)字孿生技術(shù)后，一方面擴(kuò)展課程體系，推出高階課程，并引導(dǎo)學(xué)生加入數(shù)字孿生開放實驗室，由已掌握的高階學(xué)生帶領(lǐng)低階學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)；另一方面即可引入企業(yè)中的基礎(chǔ)性生產(chǎn)實例進(jìn)行項目式教學(xué)和實驗室研究，以提升師生的能力和工程素養(yǎng)，如圖2所示。

在此產(chǎn)教融合前期階段學(xué)校整體投入資金較少，利用數(shù)字孿生技術(shù)建立虛擬仿真實驗室，降低實驗成本，提高實驗安全性，又起到了培養(yǎng)學(xué)生、增長知識和技能的作用。生產(chǎn)實例化教學(xué)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，配合實驗室研究，增強了育人效果，將企業(yè)的前沿技術(shù)帶到了學(xué)校，而且減少了對企業(yè)的物理資源依賴，給企業(yè)“減負(fù)”，縮減了成本和時間上的硬開支，包括企業(yè)之間的距離成本，不再受制于距離限制。

隨著數(shù)字孿生實驗室整體水平的提高，產(chǎn)教融合進(jìn)入到一個新的階段，在對整個特定的行業(yè)企業(yè)進(jìn)行大量系統(tǒng)性的生產(chǎn)實例合作研究之后，學(xué)校的師生能力又提高了一個層次，能夠在產(chǎn)教融合中和企業(yè)“平起平坐”，進(jìn)行更加深入的交流與合作，并在某些特性項目和問題上成為企業(yè)的融合合作伙伴，共同推動項目的實施和問題的解決，能夠初步為高校及師生帶來正向的收益，又助力了企業(yè)健康發(fā)展，減少時間和資源的投入，學(xué)生的培養(yǎng)及師資力量的增強得到了有質(zhì)的跨越。

在行業(yè)企業(yè)隨著同頭部企業(yè)合作的密切和深入，就相當(dāng)于把企業(yè)的產(chǎn)線、生產(chǎn)制造工廠虛擬映射了一份，形成無形的資產(chǎn)存放在實驗室，將企業(yè)先進(jìn)的技術(shù)和高校的教育、學(xué)生的培養(yǎng)時刻融合在一起，實驗室的資源庫一直都是最新的，久經(jīng)合作，學(xué)校就成了行業(yè)企業(yè)的智庫和引領(lǐng)者，輻射相關(guān)的制造領(lǐng)域，也會有越來越多的學(xué)生得到鍛煉并和眾多企業(yè)建立密不可分的聯(lián)系，獲得相應(yīng)的報酬來幫助自己完成學(xué)業(yè)。

在數(shù)字孿生技術(shù)的加持下，學(xué)校的品牌效應(yīng)會更加凸顯，產(chǎn)教融合更為堅實，將推動產(chǎn)教融合走向第三個階段，吸引更多的小微企業(yè)加入進(jìn)來，成為產(chǎn)教融合的堅實合作者，將公司的研發(fā)、設(shè)計工作設(shè)置在高校的實驗室。高校通過產(chǎn)教融合服務(wù)更多不同層次的企業(yè)，如此一來，學(xué)生在經(jīng)過課程的學(xué)習(xí)，實驗室的實踐和企業(yè)實際生產(chǎn)項目的歷練之后，分別同和自己能力相配合的企業(yè)建立了深入的聯(lián)系，實習(xí)實踐常態(tài)化，畢業(yè)后就可以留在所服務(wù)的企業(yè)，并且基于自己的能力經(jīng)驗獲得不錯的薪酬，從而使產(chǎn)教融合落地，極大提高了畢業(yè)生的就業(yè)率。

42 制造行業(yè)企業(yè)應(yīng)用

制造業(yè)在進(jìn)行大規(guī)模的轉(zhuǎn)型升級，智能制造成為工業(yè)40的發(fā)展方向，在有效利用數(shù)字孿生技術(shù)的情況下進(jìn)行智能制造工作，可以幫助企業(yè)將整個生產(chǎn)過程進(jìn)行智能化和統(tǒng)一化，并融入自動化技術(shù)，節(jié)省人力資源成本，減少對工人的需求[4]。

不僅如此，在產(chǎn)教融合發(fā)展中，幫助企業(yè)減少了資金、培訓(xùn)人員以及時間的投入，高校師生不再頻繁進(jìn)入到企業(yè)進(jìn)行實習(xí)實踐，對正常的生產(chǎn)經(jīng)營沒有任何影響，工程師培訓(xùn)人員也有更充分的時間去進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新和研究設(shè)計。

在借用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行更高層級的產(chǎn)教融合時，智能制造生產(chǎn)企業(yè)還可以將前置研發(fā)分析通過立項的方式借助高校的平臺來進(jìn)行超前的可行性分析，對于未來的大發(fā)展戰(zhàn)略由高校來進(jìn)行前置的數(shù)字孿生模擬分析，通過多維度的分析來做出合理的決定，從而幫助企業(yè)進(jìn)行試錯，節(jié)省企業(yè)的人力物力資源，有效降低成本進(jìn)行投資和做出合理決策部署，極大提高了企業(yè)投資的信心和創(chuàng)新能力。

待數(shù)字孿生技術(shù)深入產(chǎn)教融合且達(dá)到更高水平時，企業(yè)將部分非重要的工作和崗位以臨時工的形式借助高校的學(xué)生來做，這就降低了用人成本，縮減開支，而且在實習(xí)生畢業(yè)后會有部分留在企業(yè)工作，從而保證了人力資源的連續(xù)性，省去了高昂的校招及HR工作支出，更重要的是高校畢業(yè)生都是以標(biāo)準(zhǔn)工程師的規(guī)格進(jìn)來的，省去了實習(xí)生的培養(yǎng)期和培訓(xùn)專項資金。

企業(yè)在數(shù)字孿生技術(shù)產(chǎn)教融合模式的加持下會發(fā)展的更為健康，既提高了效率又降低了成本，形成更強勁的競爭力，助力企業(yè)做大做強。

43 創(chuàng)新融合模式“1+1>2”

工程教育以面向社會生產(chǎn)活動培養(yǎng)人才為根本特征，加快發(fā)展新經(jīng)濟(jì)必須建設(shè)發(fā)展新工科，健全新經(jīng)濟(jì)發(fā)展人才支撐體系[5]。基于數(shù)字孿生技術(shù)的產(chǎn)教融合正是新工科的有力支撐，助力“中國制造2025”，以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，不僅解決了廣大應(yīng)用型本科院校以及職業(yè)技術(shù)院校所面臨的困難，而且提高了人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

同時通過這種融合創(chuàng)新模式，解決了傳統(tǒng)制造業(yè)及轉(zhuǎn)型升級中的企業(yè)所面臨的現(xiàn)實問題，助力企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、提質(zhì)增效，起到了1+1>2的效果，真正地將產(chǎn)教融合發(fā)揮其應(yīng)有的作用，從而對整個社會的發(fā)展起到促進(jìn)作用，助力實現(xiàn)中國式現(xiàn)代化。

5 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)教融合中的合理應(yīng)用可以有效解決目前高校和企業(yè)所共同面對的問題，不僅能夠模擬真實的工作場景，幫助學(xué)生更好地理解和掌握實際操作技能，還能夠在數(shù)據(jù)分析、決策支持等方面發(fā)揮重要作用，推動產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。未來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，數(shù)字孿生技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，為產(chǎn)教融合提供更加有效的支持。

參考文獻(xiàn)：

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[3]西門子（中國）有限公司西門子Tecnomatix Process Simulate軟件用戶幫助文檔[Z]2020

[4]宋浩鴻簡析數(shù)字孿生在智能制造中的應(yīng)用[J]計算機與自主智能研究進(jìn)展，2023（1）：13-15

[5]吳愛華，侯永峰，楊秋波，等加快發(fā)展和建設(shè)新工科主動適應(yīng)和引領(lǐng)新經(jīng)濟(jì)[J]高等工程教育研究，2017（1）：1-8

作者簡介：

魏頂，男，1992年生，助教，研究方向為自動化、智能制造技術(shù)。

基金項目：黃淮學(xué)院校級教育教學(xué)改革研究項目（2024XJGLX50）