基于數字孿生的開放教育遠程實訓教學應用研究*
——以“智能制造數控機床加工”為例

劉永剛

（1.遼寧開放大學，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧裝備制造職業技術學院機械工程學院，遼寧 沈陽 110161）

隨著現代科學技術的發展，開放教育從最初的廣播電視教學，發展到現在的集網絡教學、課堂教學等多種媒體技術于一體的現代遠程開放式教學。開放教育采用排除對學習地域限制和障礙的教育教學方法，以教師、學校教學為引導，以學生自主學習為主，培養學生的主動自學能力。這種教學模式不受教學時間和空間限制，可以使學生在自主學習時選擇更為實用和豐富的教學資源內容。開放教育作為現代社會教育新模式的遠程教育，已成為我國實現高等教育大眾化、構建終身教育體系和學習型社會的重要途徑之一[1-2]。在知識理論學習方面，開放教育已經有非常完善的教育教學體系，但是在開放教育實訓方面，由于受時間、空間的限制，目前還存在很多問題，開放教育實訓是目前亟需完成的重大課題。

1 開放教育實訓現狀

實訓教學作為開放教育教學系統中的重要組成部分，重點在于培養學生解決實際問題的能力，提高學生的實際操作能力，是針對理論教學設定的必不可少的教育教學環節[3-4]。同時，開放教育的實訓教學環節事關學生實操能力、技能水平的提高，直接關系到教育教學質量。完成理論教學只是達到課程培養和專業設置預期目標中的一部分，實訓教學是實現現代遠程教育人才培養目標的不可缺少的另一部分。

由于受時空限制，開放教育的實訓環節大部分都只是理論上的實訓，在課程實訓過程中創建逼真的模擬實訓場景，學生通過在模擬的實訓場景中創建實訓內容，完成實訓任務，這種實訓方式也可以提高學生的參與積極性。但是這種實訓沒有與實際設備進行有效的信息交互，很難對學生實訓任務完成的合理性做出有效判斷，學生的創新度也不高。

目前，開放教育實訓受到自身存在的諸多因素限制，還存在一些問題，如缺乏可供學生和教師使用的實施方案，教學體系構架不夠完整，沒有專門的教材，教學資源又相對不足等[5]，同時實訓教學形式上又比較單一，缺乏足夠的實訓基地、實驗室、實驗儀器等，并且實訓教學的時間安排隨意性較大。此外，學生的絕對人數和相對人數都在增加，教育越詳細，需要的專業教師越多，因此教育成本也在增加。

影響開放教育遠程實訓教學、教育的因素有很多，主要因素是數據信息的傳輸以及多媒體技術。探索新技術，縮小理論探索與實際應用之間的差距，哪些技術能在最短的時間內讓學生掌握更多的知識。針對這些問題，筆者以數字孿生技術為手段、以實物設備為基礎，開展孿生設計和真實設備實訓，既創設與企業相同的工作情境，又與理論教學相融合，對當前開放教育發展而言十分必要。

2 數字孿生

2020—2030年，是數字孿生體技術的深度開發和大規模擴展應用期。在PLM領域，或者說以航空航天為代表的離散制造業，是數字孿生體應用和概念的發源地。目前，數字孿生體技術的應用領域也正在從智能制造等工業化領域向數字政府、智慧城市、孿生教育等數字化、城市化、全球化領域拓展[6]。

數字孿生可以模擬現實世界的具體事物，是基于傳感器所建立的某一物理實體的數字化模型[7]，是集成多概率、多尺度、多物理量、多學科的仿真過程，利用運行歷史、傳感器更新、物理模型等數據，從而反映相對應的實體設備的全生命周期過程，在虛擬空間中完成映射[8]。在智能制造環境下，數字孿生搭建了車間中物、機、人之間的互聯互通，實現物理實體的可交互、可跟蹤、可識別[9]。數字孿生（Digital Twin, DT）技術則構建了車間“情境感知—仿真計算—協同決策—生產執行”的閉環邏輯，使得制造業生產管控模式發生了顯著變化。

通過實時數據在數字孿生模型中推動工業全業務流程閉環優化，并持續通過數據修正、完善物理模型。技術層面，在工業自動化的基礎上，數字孿生在實時性、參與度和閉環性等方面提出了更高的要求，因此將會由許多獨立工具、平臺、基礎設施、協議等來支持其運行。隨著工業互聯網、邊緣計算、5G、云計算等技術的成熟度的提升，數字孿生逐漸從概念走向現實。

數字孿生基于精準物理模型可提升企業的綜合決策能力，推動全業務流程閉環優化，其結構包括連接層、映射層和決策層。連接層具備采集感知和反饋控制功能，是數字孿生賦能制造業的關鍵環節；映射層具備信息互通、模型互通和數據集成功能，基于信息模型構建和融合實現工業通信優化，實現大數據融合；決策層以低成本的方式將指令反饋至物理實體，實現閉環控制。

數字孿生是以數字化方式拷貝一個物理對象，模擬對象在現實環境中的行為，從而實現從產品設計到制造執行全過程的數字化，創建一條數字線程，關聯全過程所有步驟[10]。目前，對工廠車間內設備的工作進行智能化管理和控制，是通過結合VR技術、數字孿生技術、云技術以及互聯網技術對工廠內的生產設備狀態進行實時監控，從而實現虛擬場景遠程控制的目的。本研究以數字孿生技術為支撐，通過搭建遠程實訓教學模型，解決開放教育遠程實訓的問題。

3 遠程教學實訓模型搭建

要進行遠程實訓教學，需要進行相應的軟硬件平臺的建設，需要建立設備端與應用端，實現設備端與應用端的信息互通。建立數字孿生遠程開放教育實訓教學平臺，首先開發與遠程教育科目相符的物理設備平臺，開發的物理平臺與數據接口接入開放教育遠程網絡。開放數據接口，將物理實體中的數據在數字孿生環境中展示和調用，真正實現雙向互通。同時，物理平臺周邊要布置相應的AI攝像頭，以便于遠程授課時學生能實時查看設備運行狀態。

遠程實訓教學架構如圖1所示，針對不同的專業方向，在遠程數字孿生實訓平臺上進行相應的實訓教學。對遠程實訓教學進行應用研究，實現從產品的智能化設計、仿真到實訓的整體架構建設。數控專業，在數字孿生平臺進行數控編程加工，導出NC代碼到物理實訓區或與實訓工廠數控機床實現聯動，進行加工實訓訓練。模具專業，通過遠程數字孿生實訓平臺進行模具設計，設計完之后與生產線單元實現聯動。機電專業，在數字孿生平臺進行機械結構和產品設計，并且對零件進行裝配，完成機電設備的虛擬設計，同時與生產線單元進行聯動。自動化專業，在數字孿生平臺進行PLC編程，編程完后與實體PLC控制單元或三軸設備單元進行聯動。工業機器人專業，在數字孿生平臺進行機器人的離線編程和應用訓練，編制完程序后，與現場機器人進行聯動。

圖1 遠程實訓教學架構

針對不同的專業，開放教育的學生可以通過數據交互，使自己搭建的數字孿生模型與實訓室設備進行聯動。以不同專業的教學理念為標準，在遠程實訓教學中，根據企業實際的生產運行情況，設置各種職業角色及實訓崗位，與企業人才需求實現無縫對接，為企業培養實戰人才。根據遠程實訓教學架構需要建立設備端和應用端，分別對設備端和應用端進行研究。

1）設備端。創建實體物理設備實訓環境，實訓環境與實體工廠相似，并且將實訓設備分成相同或不同的多個功能單元部分，以便更多的學生能夠同時進行實訓。開放教育的學生通過與實體設備的聯動實訓，能夠獲得實際的創新能力、技能等。將物理實體設備按照工廠實際工作崗位的情況進行設計，實施工作任務。具備不同的實訓單元，培養學生在不同工作場景下解決實際問題的能力。構建一套層級式、教學思路清晰、工業高度真實的教學系統，為學生工程實踐教學提供一個先進的、創新的、密切聯系工業生產實際的工程實踐實訓設備端。設備端由智能制造虛擬仿真系統、計算機信息系統、加工制造執行系統、生產物流及倉儲系統、質檢系統、監控系統等組成。同時，設備端建設了基于創新型、綜合型、技能型的多功能實訓室，既貼近于工業化生產，又立足于創新實踐。

2）應用端。應用大數據分析技術，在云平臺服務器上搭建一個開放教育的數字孿生教學平臺。開放教育的學生通過登錄數字孿生平臺，可以在平臺上進行相應的教學設計任務。當任務完成后，可以通過數據接口與現場的設備進行對接，完成遠程實訓工作。學生通過數字孿生教學平臺能快速掌握實體實訓設備的物理特性，并獲得相應的數據分析決策支持，能識別實體設備的異常運行情況，并及時向實體實訓設備下發控制指令，以便有效通過數字孿生模型對實訓設備進行操作。同時，在應用端，學生能通過視頻監控實時監控物理實體設備的運行狀態。利用數字孿生技術，學生可以在平臺上將學校現有實訓工廠的實訓設備或者企業的生產線設備搭建起來，并且通過數據傳輸連接到實體設備，實現真正意義上的實訓。應用端的數字孿生平臺能全面補充、設計與真實設備相同的虛擬設備，并貫穿于整個實訓教學過程。應用端需要在虛擬系統中建設與真實環境一致相融的崗位角色關系、規范、要求、標準、工作內容等，使開放教育的學生充分體驗真實的生產制造環境。

4 實踐應用

設備端以實體設備智能制造數控機床加工單元為例，應用端以數字孿生模型設計為主，以理論學習為輔。在開放教育遠程實訓教學過程中，數字孿生模型設計與實訓工廠設備的聯動是實訓教學的核心。

4.1 實訓流程

根據智能制造數控機床加工單元的工作流程與控制工藝，在應用端數字孿生平臺設計機床加工的生產過程程序。通過數字孿生模型與實體設備相結合的模式進行遠程實訓教學，實現理論與實踐的無縫連接。實訓流程基于設備端和應用端同步運行，設備端是一套集系統認知、設計、制造、創新于一體的智能化教學實踐平臺或工廠設備。學生可通過應用端提供的3D零件模型設計搭建任意系統組合，也可通過平臺提供的實物模型搭建不同的制造應用場景，真正實現從簡單機構到組合工作站及組合系統的各種形式組合設計。開放教育的實訓流程如圖2所示。

圖2 開放教育的實訓流程

根據開放教育的遠程實訓課程內容，教師通過數字孿生教學平臺發布一套實訓任務。學生在接收到實訓任務后，要對任務的內容進行規劃，并進行相應的原始方案設計。在設計過程中，教師要實時指導學生的方案內容，對方案內容不完善的地方提出指導意見，并協助學生進行修正。在方案設計審核合格之后，學生要按照實訓的內容進行與實訓工廠實物相匹配的數字孿生體模型的設計。數字孿生體模型設計完之后，學生首先要進行虛擬仿真驗證，驗證結論需正確，再由系統給出具體指導意見；然后學生要把數字孿生體上傳到開放教育的教學平臺上。教師會根據學生虛擬仿真驗證的結論給學生開通與物理實體設備進行數據交互的部分功能權限，學生再將搭建的數字孿生體與實訓工廠的設備進行對接，實現遠程實訓操作。并且在實訓過程中，視頻監控系統會進行全方位的視頻記錄，以便于后期學生自查問題。

4.2 應用端數字孿生平臺

數字孿生平臺如圖3所示，功能包含對象容器與程序容器的配置、機器人或PLC的信號配置、機器人數據與PLC數據之間的通信、硬件連接、仿真功能的控制與視頻錄制功能的使用等。

圖3 數字孿生平臺

在應用端數字孿生平臺設計與實體設備匹配的數字孿生模型。對象容器用來實現模型的機械運動，主要用于對場景中的電氣元器件或機械執行機構進行配置，配置完成的模型才能完成機械仿真運動。程序容器用來控制設備的一系列運動，實現對工業機器人和數控機床仿真運行的控制，包含工業機器人程序容器、數控車床程序容器和加工中心程序容器。

學生在數字孿生體平臺進行實訓時，可以通過控制數字孿生體來實際控制實訓工廠的設備，實訓工廠的物理設備與數字孿生體是完全匹配運行的。同時，由于在現場設備周圍布置了多組攝像頭，學生也能更直觀地觀察設備的運行情況。針對不同水平的學生，設計不同的教學任務。對于低年級的遠程教育的學生，在開放教育的平臺上，可以直接使用數據庫中一些簡單的數字孿生體來對接實訓工廠的單一物理實體進行遠程實訓操作。對于高年級的學生，要求其能獨立設計數字孿生實訓模型，并能進行遠程實操實訓。

5 結論

綜上所述，基于數字孿生的開放教育遠程實訓的應用研究可解決目前遠程教育實訓難的問題，能極大地解決由于實訓難造成的學生實際操作能力差、獨立思考能力差的問題。通過數字孿生技術，學生能夠實際掌握從設計到實操的整個實訓過程，對于后期在企業工作有極大的價值，可以讓更多學生在無法接觸實際設備的情況下，通過數字孿生技術了解更多學科融合技術，并學習數字孿生這一先進的科研測試手段。同時，基于該研究學生可以開展各種創新型實驗活動，有利于培養學生的動手操作、分析調試、設計的能力和創新意識。