數字孿生技術發展及其在自動化專業教學中的應用探討

江吉祥

摘 要：隨著數字孿生技術在自動化領域的應用，通過數字模型的設計和搭建、系統的模擬和仿真、虛擬現實技術的交互，可以讓自動化專業教學通過低成本、低風險的途徑，緊跟時代技術發展步伐。本文就數字孿生技術的發展及其在自動化專業教學中的應用進行探討。

關鍵詞：數字孿生? ? 技工院校? ? 自動化專業

數字孿生（digital twin），即現實世界（系統）的數字化，是指針對物理世界中的物體，通過數字化的手段在虛擬世界中構建一個完全相同的數字實體，借此來實現對物理實體的了解、分析和優化，同時可借助傳感器數據了解物理實體的狀態變化，并對變化做出響應，從而幫助實現改進操作。

一、數字孿生技術的發展現狀

數字孿生技術初期主要應用于軍事方面。現在數字孿生技術一方面向研發設計和生產制造領域延伸，覆蓋產品全生命周期、全產業鏈;另一方面逐步向電力、汽車、醫療等民用領域拓展，并開始向建筑、交通、城市等更復雜的行業延伸，顯示出廣闊的應用前景。數字孿生生態正在加速形成，有望改變行業競爭規則。目前在產學研各方面的共同努力下，我國以數字孿生為核心的技術、產品、組織和產業也正在快速成長、成熟。

二、技工院校自動化專業教學面臨的困境

目前，我國正在大力發展高端裝備制造業，這個行業的核心就是工業自動化。由于市場缺口大、高端人才匱乏，所以各個技工院校甚至高校都非常重視自動化專業。而工業自動化技術日新月異，工業裝備技術更迭周期越來越短，這給教學帶來了巨大挑戰。現在自動化專業在教學上面臨幾個亟待解決的問題。

（一）自動化設備成本高、需求量大

要保證自動化專業的教學質量，離不開先進的自動化設備，但這些設備一般價格高昂，對于學校來說有巨大的資金壓力。另外我國技工院校學生數量多，每個班的學生少則二三十人，多則四五十人，這與西方發達國家的職業教育學情有很大不同，所以我國的技工教育大都無法實現小班化教學。學生多，需要的設備自然也多，這無疑會大大增加教學的成本。

（二）設備安裝調試易出錯、易損壞

一般情況下，設備的自動化程度越高，其所使用的控制線路和控制單元也越復雜，且往往伴隨著復雜的安裝、接線和調試工作。學生在學習和操作過程中難免出現失誤而導致設備損壞，設備復雜程度越高損壞率也越高。

（三）自動化控制技術更新速度快、硬件設備淘汰周期短

當下，自動化技術隨著人工智能等技術水平的提高，正由原先的自動化向信息化、智能化快速發展。技術更迭加快帶動產業升級加快，設備淘汰周期也較以往大大縮短。

三、數字孿生技術在自動化專業教學中運用的優勢

如果解決不了設備問題，自動化專業教學想要貼近企業實際就是空談。隨著數字孿生技術在各行各業的應用，越來越多的技工院校開始關注數字孿生這項技術，并開始嘗試將這一技術應用到與之契合度很高的自動化專業中。

第一，應用數字孿生技術，可以解決現有自動化專業教學設備無法滿足學生上課和實訓需求的問題。有些自動化專業設備如五軸機床價格昂貴、購買難度大，而且可能因為操作不當或其他原因導致設備損壞，師生在進行這些大型設備的操作過程中也面臨安全風險。而通過數字孿生中的虛擬仿真技術，用軟件孿生多套數字化設備，就可以解決教學資源短缺、設備使用安全、師生人身安全等一系列問題。

第二，應用數字孿生技術，可以完成數字化模型，并將真實參數傳給數字化控制系統，二者進行信息交互。教師和學生可以根據數字化模型的運行情況，提前模擬驗證控制系統存在的問題，不斷改進方案，直至全面驗證無誤后再進行設備和生產線的搭建，提高了學習效率、降低了教學風險和成本。

第三，應用數字孿生技術，可以將自動化專業群的課程教學調整為對接產品全生命周期的，以任務為驅動、產品為載體的一體化教學模式。教師在教學中借助數字孿生技術開展教學做一體化訓練，基于數字孿生技術實訓中心現場的生產線虛擬端和真實端實施各項任務，并實現兩者的數據流動。借助數字孿生技術的專業群課程教學，可以顯著提升工學一體化、項目式課程教學的效果，使學生掌握產品全生命周期各環節的知識和技能，并理解數字化制造的核心理念。

第四，應用數字孿生技術，可以將學校原有的設備經網絡關聯在一起進行數字化升級改造，形成一套可及時更新的完整系統，從而構建起教學工廠。在數字教學工廠中，一臺計算機就可以完成整個自動化工程項目的實時流程模擬，再通過內置標準IO驅動程序，兼容多種品牌、多種型號工業機器人、PLC等相關通信協議，讓學生順利完成各種自動化系統知識的學習。由于全部生產線場景及部件均來自工業一線，具備CAD模型通用接口，教師和學生還可以根據教學實際需求確定自己的虛擬教學實訓項目，盤活學校現有的教學資源，并通過數字孿生技術對接當下最前沿的工業技術。

四、數字孿生技術發展與應用展望

隨著自動化技術、通信技術、AI技術等的快速發展，工業制造行業已經從機械化進入自動化，并從自動化開始逐漸向智能化領域延伸。數字孿生技術與自動化的緊密結合，將助力自動化向智能化更快發展。

應用數字孿生技術，技工院校可在原有實訓課程基礎上，進一步拓展、豐富教學資源，提升教師的教學科研能力。同時數字孿生的應用不僅可用于學生的專業學習，還可以培養學生以更抽象的層次和架構，以更廣闊的視角來看待各種工業場景和案例。從前瞻性角度看，智能化工業體系需要網絡化和數字化這兩只輪子來支撐。應用數字孿生技術打造的自動化專業教學，最大限度地促進了網絡和數字化的實現，可以讓技工院校培養的學生緊跟時代步伐，緊貼技術前沿，成為當今社會真正需要的高素質技能人才。

參考文獻：

陶飛，劉蔚然，劉檢華，等.數字孿生及其應用探索[J].計算機集成制造系統，2018，24（1）.

（作者單位：青島市技師學院）