基于數字孿生技術的《機械手驅動技術》應用

江蘇省無錫技師學院 張俊 魏寧宇

數字孿生等新技術與國民經濟各產業融合不斷深化，有力推動著各產業數字化、網絡化、智能化發展進程，成為我國經濟社會發展變革的強大動力。運用數字孿生技術可以有效提高學生的學習興趣，在職業院校實踐教學中取得良好的效果。

工業4.0是指利用信息物理融合系統（CPS）將生產中的供應、制造、銷售信息數據采集和智能化，達到快速、有效和個性化的產品供應[1]。數字孿生技術是工業4.0所包含的核心要素之一。

數字孿生，即物理世界的數字化，是指以物理世界中的實物為參考對象，通過專業技術，在虛擬世界中構建對應的數字實體，可以實現虛實聯動的一種技術[2]。借助數字孿生，可以在信息化平臺上了解物理實體的狀態，甚至可以對物理實體里面預定義的接口組件進行控制，從而幫助組織監控運營、執行預測性維護和改進流程。

1 數字孿生技術的發展

數字化轉型是我國經濟社會未來發展的必由之路，世界經濟數字化轉型是大勢所趨。數字孿生技術是為了使企業能夠更快、更準地預測和檢測現實工廠的生產現場狀態，并從中發現問題進而優化生產過程，以更好地生產和提升品質。目前，數字孿生技術已被應用于航空航天、電力、船舶、離散制造、能源等行業領域，應用場景如研發設計、生產制造、營銷服務、運營管理、規劃決策等環節[3]。例如，在汽車和飛機制造領域，數字孿生技術已成為優化價值鏈和整個創新產品的重要工具。

2 數字孿生的關鍵技術

隨著第四次工業革命的到來，工業4.0促進了制造業向著數字化和智能化的轉變。為數字化工廠創建數字孿生體，可以記錄產品從設計至生命周期結束的所有數據，能夠有效提高工廠運行的預測性。結合《機械手驅動技術》課程，總結數字孿生的關鍵技術。

2.1 創建孿生模型

使用Unity3D軟件創建虛擬仿真環境。Unity是實時3D互動內容創作和運營平臺，可以進行游戲開發、美術、建筑、汽車設計、影視編輯等功能。Unity平臺提供一整套完善的軟件解決方案，可用于創作、運營和變現任何實時互動的2D和3D內容，支持平臺包括手機、平板電腦、PC、游戲主機、增強現實和虛擬現實設備。

實際應用過程中，我們使用3Ds MAX進行三維建模和渲染，將《機械手驅動技術》課程中的實訓設備進行數字模型化。建模完成后，將模型導入Unity3D平臺，利用該平臺建立虛擬數字孿生系統，并針對模型進行數據驅動與動作展示。如圖1所示是Unity3D場景設計界面。

圖1 Unity3D場景設計界面Fig.1 Unity3D scene design interface

2.2 Unity3D腳本編輯

在Unity3D軟件中，模型的每一個動作都是通過腳本進行編輯的。腳本語言可以選擇C#，在Visual Studio編輯器中進行編寫。腳本的編譯原則如下：

（1）所有在Standard Assets，Pro Standard Assets, Plugins中的腳本被首先編譯。在這些文件夾之內的腳本不能直接訪問這些文件夾以外的腳本。不能直接引用類或它的變量，但是可以使用GameObject.SendMessage與它們通信。（2）所有在Standard Assets/Editor，Pro Standard Assets/Editor，Plugins/Editor中的腳本接著被編譯。如果想要使用UnityEditor命名空間，必須放置腳本到這些文件夾。（3）所有在Assets/Editor外面的，并且不在（1）、（2）中的腳本文件被編譯。（4）所有在Assets/Editor中的腳本，最后被編譯。

2.3 建立孿生通訊

虛擬模型與真實設備間需要選擇合適的通訊協議建立通訊連接，才能實現虛實聯動。如圖2所示是實現數字孿生虛實通訊的拓撲圖。

圖2 數字孿生虛實通訊拓撲圖Fig.2 Digital twin virtual-real communication topology

Unity3D軟件中插入通訊插件，通過C#編寫通訊接口程序，實現與真實設備PLC間的數據和信號通訊，虛擬模型和真實設備間可以完成信號和數據的準確傳輸。真實設備的各執行機構由PLC控制進行具體的動作，動作狀態、速度、方向、位置、距離等相關信息都可以傳輸至虛擬平臺的模型中，孿生模型通過腳本程序將真實設備的全動作過程在虛擬平臺上進行實時的展現，從而完成了虛實聯動，數據互通，完成數字孿生的建立。

使用HslCommunication插件作為通訊主要載體。Hsl-Communication插件是用來解決工業網絡間的復雜的數據通信問題，解決多個獨立程序之間的數據通信，甚至是不同的操作系統，平臺的網絡通信問題，可以用來構建各種各樣的應用程序。HslCommunication插件可以支持上位系統與西門子、三菱、歐姆龍、松下等主流PLC的通訊，能夠實現工業現場大部分設備的數據采集，寫入，上傳互聯網。如圖3所示是HslCommunication工廠智能化解決方案。

圖3 HslCommunication工廠智能化解決方案Fig.3 HslCommunication factory intelligent solution

HslCommunication專注于網絡通訊，它的DEMO由三部分組成，即C#的winform實現的DEMO，Java的Swing實現的DEMO，Python的PYQT實現的DEMO，兼容多種開發語言。其優點是用戶可以用較少的代碼來實現需求，把復雜的底層通訊交給HslCommunication，用戶可以節省更多的時間來專注自己的控制要求，提高開發效率。

2.4 虛實聯調

數字孿生建立完成后，我們可以根據設備動作要求，編寫相應的PLC控制程序，將程序分別下載至實體設備的PLC中，利用PLC控制設備的運行。實體設備和虛擬設備之間通過通訊協議的連接，能夠實現同步運行。

當然，更多的時候我們也可以將PLC的控制程序下載進仿真器中，通過仿真器與孿生模型進行通訊，就可以將設備的動作過程在虛擬仿真平臺上進行完整的呈現。這樣就可以預測設備運行情況，及時發現問題，改進程序，縮短項目研發周期，保障真實設備安全可靠的運行。

通過上述步驟，我們基本完成了數字孿生技術與課程的結合，學生可以利用虛擬仿真環境進行知識和技能訓練，教師也可以根據仿真環境中模型的動作過程和運行數據來實施設備動作過程的遠程監控。

3 數字孿生應用于職業教育的必然性

職業教育緊密對接專業轉型升級，為企業培養亟需的高技能人才，在職業教育過程中，需要將企業的工作任務轉化為學習任務，然而企業的工作環境和學校的學習環境之間勢必存在著顯著的差異，而數字孿生技術可以利用其先進的建模、仿真、通訊技術彌補教學過程中的不足。

3.1 利用數字孿生技術可以有效彌補職業院校實訓條件的不足

通過數字孿生中的虛擬仿真技術可以在計算機系統中構建一個基于實體設備的虛擬模型，將知識技能點與虛擬設備之間進行有效關聯，虛擬模擬與真實設備間的功能完全相同，且易于復制布局于整個實訓教室，形成多個虛擬設備對應一個真實設備的教學環境，這樣可以為職業院校學生提高良好的實訓平臺，解決實訓設備不足的實際問題。

3.2 利用數字孿生技術可以將自動化和信息化融合，實現復合型人才培養

數字孿生技術涉及自動化、信息化和機械建模等多專業知識，這與當前企業對復合型人才的需求是相適應的，傳統的只掌握一門專業技能的人才在工業4.0時代將逐步被淘汰。教師建立教學模型，學生在模型上利用信息化專業知識編寫對應的腳本程序，賦予模型運動的條件，同時利用自動化專業知識將物理設備與虛擬模型進行通訊連接，實現虛實聯動。按照上述教學設計培養的學生能夠掌握多種專業技能，適應企業數字化工廠升級對人才能力的要求。

3.3 利用數字孿生技術可以深入推動校內一體化課程改革

教師借助數字孿生技術，可以有效開展以學生為主，“教學做”一體為特色的理實一體化教學。教師和企業專家通過提煉企業典型工作任務并將其轉化為學習任務，學生在利用數字孿生技術建立的實訓環境中，利用虛擬模型掌握各項專業知識和技能，并可通過虛實聯調在真實設備上驗證學習效果。學生在“六步法”的教學流程指導下，能夠在學習中了解企業工作流程，實現產教融合無縫對接。

4 《機械手驅動技術》課程理實一體化教學

《機械手驅動技術》課程是職業院校電氣自動化類專業的一門集專業理論與技能訓練于一體的專業核心課程。課程來源于制造企業生產過程中針對自動化生產線（或設備）的控制、運行、技術改造、維護和管理等工作崗位，是以培養學生獨立以及合作完成專項典型工作任務能力為目標的課程。

教師根據電氣自動化技術、機電一體化等專業不同培養目標對課程的要求，通過項目引領、任務驅動，實施工作任務學習、小組研究活動和拓展提升等方式，使學生能夠完成傳送帶基本運行控制、傳送帶拓展功能運行控制、搬運機械手的運行控制、圓形轉盤加工臺的運行控制、藥粒自動瓶裝控制系統的設計等工作任務。

學生通過理論學習和實踐訓練，完成控制系統的安裝、調試與檢修等工作，培養學生從事專業工作崗位所必須的基本技能，使學生具備機械手驅動技術的裝配、調試、檢測、維修和簡單設計能力。

在教學過程中主要通過“明確任務→任務準備→任務計劃→任務實施→任務評價”五步教學環節來組織教學完成工作任務。教學過程突出了學生主體地位和教師引導作用，教學時將理論知識和專業技能、學生的學習和動手操作有機融合，實現了“教、學、做”一體教學。經過若干個相互關聯任務的學習和實施，學生的基本專業能力逐步提升，職業素養也逐步形成。

5 數字孿生技術在課程教學中應用的效果

將數字孿生技術與職業院校專業課程《機械手驅動技術》進行有效結合，能夠有效提高課堂教學效果。

5.1 提高學生學習興趣

利用數字孿生的互動性、直觀性優勢，能夠較好地提高職業院校學生的學習興趣，促使他們熱愛學習。職業院校學生往往具有較強動手能力，但是學習主動性不強，自覺性不高。讓學生在仿真環境中通過對模型的研究，程序的反復測試，動作細節的觀察，可以大大提高他們的學習興趣，提高他們學習的積極性，取得良好的課堂教學效果。

5.2 豐富教學資源

通過孿生教學資源的建立，可以促進自動化逐漸向智能化領域延伸。孿生教學資源不僅可以用于學生的專業學習，還可以用于設備現場預測性維護，培養學生以抽象思維的方式來看待工業場景的能力。同時，孿生資源便于二次開發和改進，教師可以根據課程任務的需要和技術技能點的需求，修改孿生模型，添加控制功能，實現教學情境的柔性化改造，節省購買實體設備的昂貴費用。

5.3 提高教師的科研能力

數字孿生技術涉及到自動化、數字化、信息化和機械知識的全面結合，這就要求教師能夠繼續學習，從單一專業的專科教師向復合型一體化教師轉變，通過課程中包含的先進技術引領教師教科研能力的提升。

6 結語

數字孿生技術與《機械手驅動技術》課程的緊密融合，在職業教育中能夠促進智能化、數字化在課程教學中的呈現與應用，為地方產業和企業培養緊跟技術前沿，緊隨時代發展的高技能人才。

引用

[1]雷萬云,姚峻.工業4.0概念、技術及演進案例[M].北京:清華大學出版社,2019.

[2]劉大同,郭凱,王本寬,等.數字孿生技術綜述與展望[J].儀器儀表學報,2018,39(11):1-10.

[3]劉青,劉濱,王冠,等.數字孿生的模型、問題與進展研究[J].河北科技大學學報,2019,40(1):68-78.