智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設研究

劉晶 鄧其貴

摘? 要? 職業教育虛擬仿真實訓基地可以有效解決實訓中看不到、進不去、成本高、危險性大等問題。以柳州職業技術學院為例，按照“校企合作、虛實結合”的建設思路，以企業生產制造環節產品設計、裝備制造、生產與物流、設備運維的生產制造裝備工程鏈為主脈絡，探討高職院校智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設。

關鍵詞? 高職院校；智能裝備技術；虛擬仿真實訓基地；實踐教學；“三教”改革

中圖分類號：G484? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）07-0010-05

0? 引言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》《教育信息化“十三五”規劃》《教育信息化2.0行動計劃》以及教育部等九部門印發的《職業教育提質培優行動計劃（2020—2023年）》等政策文件提出，提質培優、增值賦能、以質圖強、加快推進職業教育現代化，遴選100個左右示范性虛擬仿真實訓基地等作為重要發展任務；加強職業院校、高等學校虛擬仿真實訓教學環境建設，服務信息化教學需要；加快建設在線智能教室、智能實驗室、虛擬工廠等智能學習空間。虛擬仿真實訓基地建設順應國家職業教育改革潮流，有助于國家教育信息化的實現。本文以柳州職業技術學院為例，探討高職院校智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設。

1? 虛擬仿真相關概念解析

1.1? 虛擬現實

虛擬現實也稱虛擬實在，是利用計算機產生一種高度逼真的，模擬人在現實環境中進行視、聽、動等行為的虛擬環境，通過多種傳感設備使人（用戶）“投入”該環境中，實現人與該環境間的自然交互。傳感設備包括立體頭盔、立體聲耳機、數據手套、數據衣等穿戴于人身上的裝置，以及設置于現實環境中、不直接穿戴在人身上的傳感器，如攝像機、地板壓力傳感器、聲音設備、位置跟蹤器及其他手控輸入設備等。

1.2? 增強現實（AR）

增強現實（AR）是將現實世界信息和虛擬世界信息無縫集成的一種人機界面技術，是對在現實世界的一定時空范圍內很難體驗到的某些實體信息（如視覺、聲音、味道、觸覺等），通過計算機等技術模擬仿真后，再疊加到現實世界。通過增強現實，真實的環境和虛擬的信息實時疊加到同一個畫面或空間中，被人類感官所感知，達到某種超越現實的感官體驗。

1.3? 虛擬仿真技術（VR）

虛擬仿真是由我國學者對Virtual Reality（簡稱VR）翻譯而來的，也稱虛擬現實。有學者認為，虛擬現實是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統。它是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等作用于使用者，使之產生身臨其境的交互式視景的仿真。它綜合了計算機圖形學、圖像處理與模式識別、智能技術、傳感技術、語音處理與音響技術、網絡技術等多門科學，是現代仿真技術的高級發展和突破，使用者借助必要的設備自然地與虛擬環境中的對象進行交互作用、相互影響，從而產生親臨真實環境的感受和體驗，使人機交互更加自然、和諧。

目前，虛擬仿真被大家廣泛接受，但對虛擬仿真的認識都偏向虛擬仿真技術，該技術有幾個特點：基于計算機系統創造，需要借助頭盔顯示器（HMD）、數據手套等輔助傳感設備，具有沉浸感、造價昂貴、更新換代快。

為了實現體驗真實世界的目的，解決目前虛擬仿真設備造價昂貴、更新換代快的不足，柳州職業技術學院設計構建模擬實訓工廠、虛擬技術實訓室、真實實訓基地等“虛擬+真實”的智能裝備技術虛擬仿真實訓基地。

2? 智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設的必要性

《中國制造2025》明確了新一代信息技術產業、高檔數控機床和機器人等十大重點領域的強國戰略。智能制造是新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自學習、自適應等功能的新型生產方式。高職院校智能裝備技術類專業要緊跟產業發展，建立智能裝備技術虛擬仿真實訓基地。

2.1? 完善職業教育體系與專業群建設的需要

智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設，將完善智能裝備技術相關專業建設規劃，有助于確立人才培養目標，有助于課程內容建設、教材建設、師資隊伍建設、產學研建設、教學模式改革等，為打造中國特色高水平專業提供助力。

2.2? 人才培養模式創新，緩解結構性就業矛盾的需要

社會對高技能復合人才的需求越發強烈，建立起與技術技能人才培養要求相適應的創新模式和評價體系尤為關鍵。智能裝備技術虛擬仿真實訓基地可建成校企合作、共享共用的平臺，吸引企業參與實訓中心的管理，與企業簽訂人才培養訂單協議。企業選派高級技術人才到學校，與教師共同組織生產和實訓，與教師互相取長補短、相互提高，形成理論新、技能強、水平高的雙師隊伍。融“產、教、研”為一體，形成一個可以滿足競賽、培訓、考核等的多功能實訓中心，充分利用新一代信息技術，實現中心智慧管理。借鑒先進企業管理模式，規范實訓標準、章程和實訓基地管理體系，形成良好的實訓中心運行機制。實訓中心的建設，將緩解領軍人才和大國工匠緊缺以致支撐制造業轉型升級能力不強的問題。

2.3? 課程與資源建設需要

傳統的教學方式下，教學環境及實訓條件存在嚴重的局限性，課堂傳授的知識往往局限在某一特定應用中，與學生就業后的企業生產應用不匹配。智能裝備技術虛擬仿真示范基地建設，以職業能力培養為目標，以企業崗位工作能力訓練為主線，制定工業機器人與智能制造專業群的課程體系和教學內容，為師資培養提供實驗教學一體化課程指導方案，為大學生科研創新及各類實踐應用技術競賽提供支撐訓練環境。

2.4? 雙師隊伍建設的需要

以實訓基地建設為依托，落實專業師資建設，通過競賽服務、企業實踐、項目研發、進修，聘請企業專業技術人才、能工巧匠和管理人員擔任兼職教師等措施，構建以專業帶頭人為引領、專業骨干教師為核心、專兼職教師相結合的雙師結構教學團隊，雙師素質教師占比達95%以上。

3? 智能裝備技術專業群實訓基地建設存在??的問題

3.1? 虛擬技術高速發展，智能制造技術高度融合，教學難以深入實質

汽車、機械制造企業在產業升級過程中逐漸形成諸如智能工廠、無人工廠、柔性制造工廠等典型的技術高度融合生產制造載體，虛擬仿真、虛擬現實、數字孿生等技術被應用貫穿于包括產品設計、裝備制造、運行與物流、升級改造等環節的整個裝備生命周期。但是由于智能制造技術的多樣化及高度融合、控制的復雜性，給教學以及企業員工培訓帶來很大的難度。

3.2? 智能制造裝備昂貴，有些工藝有危險性，教學難以涵蓋多種典型工藝應用

在汽車、機械制造行業中，有著點焊、弧焊、噴涂、涂膠、搬運、沖壓、車、銑、刨、磨、鉆等諸多典型的工藝應用，每種應用對應一種或者多種應用裝備，并且諸如噴涂、焊接等制造工藝存在有害氣體、粉塵、噪聲、有害物質。單靠物理實體設備投入形成足夠工位成本過大，同時有些工藝從安全環保的角度看不宜長期現場開展。

3.3? 控制技術抽象，實踐教學效率低

在智能制造裝備應用過程中，設備控制以及工業網絡涉及信號傳送、控制邏輯、控制節拍等元素，由于此類元素抽象不可見，學生難以獲得直觀的感受，在日常實踐教學和培訓中效率不高、效果欠佳。

4? 高職院校智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設思路

4.1? 以生產與教學問題為導向

實訓基地圍繞汽車、工程機械等智能制造數字孿生、虛實結合設計、供應鏈協同等新業態變化，數字孿生、工業互聯、遠程運維等新技術應用需求，以及智能制造技術實訓教學體系中存在的裝備昂貴、生產現場危險大、智能控制技術抽象等問題的解決來建設。

4.2? 與區域產業合作共建共享

實訓基地依托智能裝備技術專業群，聯合區域汽車生產制造、工程機械等領域龍頭企業，引入華為、ABB、阿里云等智能控制、工業機器人、數字孿生、虛擬現實、云計算、AR/VR等先進技術手段，確保基地建設的技術起點高，應用性、共享性強。

4.3? 虛擬和真實相結合

按照“以實帶虛、以虛助實、虛實結合、軟硬并進”原則，整合學校原有汽車、機械制造過程產品設計、裝備制造、生產與管理、裝備運維升級改造的完整工程鏈實體實訓體系以及現有虛擬仿真資源。圍繞汽車、機械生產制造環節生產制造裝備工程鏈，建成實體實訓體系的智能裝備技術虛擬仿真實訓基地“一院一平臺四中心”，包括虛擬仿真技術研究院、智能制造云管理平臺、產品設計虛擬仿真中心、裝備制造虛擬仿真中心、生產與物流虛擬仿真中心、設備運維虛擬仿真中心，如圖1所示。

4.4? 以高質量的教學和研發服務產業高質量發展

通過構建虛擬和真實結合的實訓操作環境，營造開放、自主、交互的虛擬學習環境，促進專業群高質量教學開展，促進高質量開展技術研發，服務區域產業高質量發展。

5? 智能裝備技術虛擬仿真實訓基地整體設計

5.1? 服務生產模式和教學模式的轉變

智能裝備技術虛擬仿真實訓基地結合區域汽車、工程機械智能制造工程鏈虛擬網絡—實體物理系統開展建設，既適應了生產模式變革，也促進了教學模式轉變。

5.2? 對接汽車與工程機械完整工程鏈

整合原有的智能制造實體實踐教學體系及部分數字化、虛擬仿真教學內容，完善智能裝備技術虛擬仿真實訓教學內容，形成完整服務汽車、工程機械工程鏈的虛實結合育訓教學體系。

5.3? 基地整合虛擬仿真技術研究、管理和實訓

重點建設“一院一平臺四中心”，新建虛擬仿真技術研究院、智能制造云管理平臺、汽車工程機械VR體驗區、生產線虛擬與調試區、數字雙胞胎仿真區、智能工廠MR區、物流配送虛擬仿真區、智能裝備故障維修虛擬仿真區。完整的虛擬仿真實訓基地如圖2所示。

5.4? 服務“三教”改革

基于虛擬仿真實訓基地建設，開展“三教”改革，進行教師的培養提升，推進“理論+虛擬+上機”教學模式改革，編寫新型活頁式教材，開發虛擬仿真教學資源?！耙辉阂黄脚_四中心”架構與作用如下。

虛擬仿真技術研究院：虛擬仿真技術開發、教學資源開發、技術項目服務。

智能制造云管理平臺：產品數據管理、知識庫構建、項目管理、教學管理、教學評價、用戶管理。

產品設計虛擬仿真中心：實現“創新思維—協同工作—機電模型創建—運動仿真—生命周期仿真”的產品設計。

裝備制造虛擬仿真中心：為產品的機電一體化并行設計與調試提供平臺，實現虛擬設計、虛擬制造、虛擬調試、優化與節拍驗證，降低產品復雜性風險，減少生產操作危險系數，減少調試維護工作量。

生產與物流虛擬仿真中心：真實制造現場與虛擬仿真場景虛擬協同，生產與物流環節遠程監控。

設備運維虛擬仿真中心：工業機器人、數控機床、生產線的拆裝、故障診斷、調試運行、升級改造等。

6? 智能裝備技術虛擬仿真實訓基地建設內容

與柳工集團、廣西汽車集團、上汽通用五菱深度合作，在智能裝備技術專業群實訓基地基礎上，整合基地原有虛擬仿真資源，圍繞智能裝備工程鏈，針對智能制造技術中的信號看不到、進不去、裝備成本高、生產現場危險性大等教學痛點難點，開發虛擬仿真教學資源，虛實結合打造智能裝備技術虛擬仿真實訓基地，服務育訓結合的復合型技術技能人才培養以及企業員工的終身教育，建設“一院一平臺四中心”。

6.1? 虛擬仿真技術研究院

整合學?，F有的虛擬現實技術專業資源，新建VR生產實踐區、視覺前沿技術研發區、動作表情捕捉實驗區、VR教學資源項目開發區、數字資產管理中心，柔性引進新加坡南洋理工大學蔡奕漁博士等國內外知名專家，搭建技術團隊成長平臺，建成虛擬仿真技術研究院，重點解決虛擬仿真教學資源種類偏少、數量不足、教學針對性不夠，難以滿足教學、培訓、生產服務需求等問題。開展三維模型構建技術、虛擬儀器技術、實驗場景虛擬構建技術等技術研究，開發虛擬仿真教學資源及教學應用服務，滿足智能裝備技術教學的多方面需求，實現虛擬仿真實訓基地的自我“造血”“驅動”功能。

6.2? 智能制造云管理平臺

基于大數據技術和工業互聯網等先進技術，新建智能制造云管理平臺，將智能裝備生產數據和實訓教學資源接入云管理平臺，實現產品數據管理、知識庫構建、項目管理、用戶管理、實驗預約、實驗管理、教學評價等功能，有效提升基地的裝備、軟件、資源等信息化管理水平，實現硬件資源的集約化和成本降低，提高區域教學數字資源的整合與共享能力，促進信息技術與教育教學的融合。

6.3? 產品設計虛擬仿真中心

圍繞上汽通用五菱、柳州工程機械有限公司新產品研發過程中產品創新構思難、試制材料費高、試制周期長、試制效率低、參數驗證工程量大、性能及壽命預測無處下手等難點，在現有汽車產品逆向設計中心、達索CATIA PLM V6數字化設計與制造中心基礎上新建汽車、工程機械VR體驗區，完善創新思維訓練區、機械協同創新設計區，實現汽車、工程機械零部件的建模設計與仿真、工程機械虛擬操作與維修VR體驗、創新產品虛擬裝配等功能，有效解決機械類專業產品設計環節實踐教學功能不足的問題。

6.4? 裝備制造虛擬仿真中心

聯合上汽通用五菱、西門子公司、ABB公司、北京思維科公司等單位，圍繞生產制造裝備工程鏈的裝備制造環節，結合現有精密制造車間、數控機床實訓車間、工業機器人系統集成實訓中心、機電一體化集成實訓中心等實體實訓基地，新建生產線虛擬設計與調試區，完善現有工業機器人虛擬仿真區、數控機床虛擬仿真區、機電一體化技術虛擬仿真區，構建虛實結合的裝備制造虛擬仿真中心，解決企業生產線設計與調試人才培養難、學校實訓型或教學型實訓基地設備投入費用高、實訓設備臺（套）數不足、危險工業機器人應用工藝不能教學、智能裝備人才培養與企業智能產線應用人才脫節等問題。

6.5? 生產與物流虛擬仿真中心

目前，學校擁有的生產與物流環節相關的實體基礎有汽車零部件柔性制造工廠、工程實踐中心等，很難滿足學生現場實踐教學需求，在專業實踐教學中存在諸多不足，生產和物流系統難以和教學培訓體系對接，如生產流程難以介入教學、生產設備難以使用、物流系統范圍過大、實體設備設施難以遠程教學、現場作業危險性大、設備零散、設備昂貴等。

生產與物流虛擬仿真中心在現有的典型機械加工工藝仿真區基礎上，新建數字雙胞胎仿真區、智能工廠MR仿真實訓區、物流配送AR仿真實訓區，將更為有效地為生產與物流運行環節的實踐教學提供補充。生產與物流虛擬仿真中心在裝備制造工程實踐教學鏈中處于中心位置，在學生的職業崗位能力形成中發揮著重要的核心作用。在虛擬仿真技術研究院的支持下，與合作企業聯合，持續開發虛擬仿真教學資源，為虛擬仿真基地提供教學保障。

6.6? 設備運維虛擬仿真中心

設備運維虛擬仿真中心在現有的現實基礎（如賦能中心、工程實踐中心、數控機床維修實訓室、維修電工實訓室、工業機器人拆裝實訓室）上進行虛擬建設，旨在有效補充設備運維與保障環節的實踐教學功能。中心進一步完善現有的工業機器人拆裝仿真區、數控機床拆裝仿真區，新建智能裝備故障維修虛擬仿真區，以進一步完善生產設備運維與保障實踐環節的教學功能、通過虛擬的方式實現工業機器人、數控機床、生產線的拆裝、故障診斷、調試運行、升級改造等功能，可視化、動態化展示各種正確或錯誤操作的結果及各處細節，降低運維技術學習困難，提升維修實訓教學效率。

參考文獻

[1] 戴曉燕，劉超.基于BIM技術的建筑工程虛擬仿真實訓中心的建設研究[J].實驗技術與管理，2018（12）：237-241.

[2] 王景馨.鐵道交通運輸虛擬仿真實訓中心建設的探索：以山東職業學院為例[J].科技視界，2020（21）：141-143.

*項目來源：2018年度廣西職業教育專業發展研究基地“廣西職業教育機電一體化技術專業及專業群建設研究基地”（桂教職成〔2018〕37號）。

作者：劉晶，柳州職業技術學院教務與實訓管理處副處長，講師，研究方向為教育技術、職業教育；鄧其貴，柳州職業技術學院，教授，研究方向為機械自動化（545006）。