江蘇省無錫技師學(xué)院 張俊 魏寧宇

數(shù)字孿生等新技術(shù)與國民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)融合不斷深化，有力推動(dòng)著各產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展進(jìn)程，成為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展變革的強(qiáng)大動(dòng)力。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在職業(yè)院校實(shí)踐教學(xué)中取得良好的效果。

工業(yè)4.0是指利用信息物理融合系統(tǒng)（CPS）將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息數(shù)據(jù)采集和智能化，達(dá)到快速、有效和個(gè)性化的產(chǎn)品供應(yīng)[1]。數(shù)字孿生技術(shù)是工業(yè)4.0所包含的核心要素之一。

數(shù)字孿生，即物理世界的數(shù)字化，是指以物理世界中的實(shí)物為參考對(duì)象，通過專業(yè)技術(shù)，在虛擬世界中構(gòu)建對(duì)應(yīng)的數(shù)字實(shí)體，可以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的一種技術(shù)[2]。借助數(shù)字孿生，可以在信息化平臺(tái)上了解物理實(shí)體的狀態(tài)，甚至可以對(duì)物理實(shí)體里面預(yù)定義的接口組件進(jìn)行控制，從而幫助組織監(jiān)控運(yùn)營、執(zhí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)和改進(jìn)流程。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)未來發(fā)展的必由之路，世界經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨。數(shù)字孿生技術(shù)是為了使企業(yè)能夠更快、更準(zhǔn)地預(yù)測(cè)和檢測(cè)現(xiàn)實(shí)工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，并從中發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)過程，以更好地生產(chǎn)和提升品質(zhì)。目前，數(shù)字孿生技術(shù)已被應(yīng)用于航空航天、電力、船舶、離散制造、能源等行業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用場(chǎng)景如研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、營銷服務(wù)、運(yùn)營管理、規(guī)劃決策等環(huán)節(jié)[3]。例如，在汽車和飛機(jī)制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)已成為優(yōu)化價(jià)值鏈和整個(gè)創(chuàng)新產(chǎn)品的重要工具。

2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

隨著第四次工業(yè)革命的到來，工業(yè)4.0促進(jìn)了制造業(yè)向著數(shù)字化和智能化的轉(zhuǎn)變。為數(shù)字化工廠創(chuàng)建數(shù)字孿生體，可以記錄產(chǎn)品從設(shè)計(jì)至生命周期結(jié)束的所有數(shù)據(jù)，能夠有效提高工廠運(yùn)行的預(yù)測(cè)性。結(jié)合《機(jī)械手驅(qū)動(dòng)技術(shù)》課程，總結(jié)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 創(chuàng)建孿生模型

使用Unity3D軟件創(chuàng)建虛擬仿真環(huán)境。Unity是實(shí)時(shí)3D互動(dòng)內(nèi)容創(chuàng)作和運(yùn)營平臺(tái)，可以進(jìn)行游戲開發(fā)、美術(shù)、建筑、汽車設(shè)計(jì)、影視編輯等功能。Unity平臺(tái)提供一整套完善的軟件解決方案，可用于創(chuàng)作、運(yùn)營和變現(xiàn)任何實(shí)時(shí)互動(dòng)的2D和3D內(nèi)容，支持平臺(tái)包括手機(jī)、平板電腦、PC、游戲主機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

實(shí)際應(yīng)用過程中，我們使用3Ds MAX進(jìn)行三維建模和渲染，將《機(jī)械手驅(qū)動(dòng)技術(shù)》課程中的實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)字模型化。建模完成后，將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D平臺(tái)，利用該平臺(tái)建立虛擬數(shù)字孿生系統(tǒng)，并針對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與動(dòng)作展示。如圖1所示是Unity3D場(chǎng)景設(shè)計(jì)界面。

圖1 Unity3D場(chǎng)景設(shè)計(jì)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(gè)動(dòng)作都是通過腳本進(jìn)行編輯的。腳本語言可以選擇C#，在Visual Studio編輯器中進(jìn)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(nèi)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(shí)設(shè)備間需要選擇合適的通訊協(xié)議建立通訊連接，才能實(shí)現(xiàn)虛實(shí)聯(lián)動(dòng)。如圖2所示是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生虛實(shí)通訊的拓?fù)鋱D。

圖2 數(shù)字孿生虛實(shí)通訊拓?fù)鋱DFig.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(shí)現(xiàn)與真實(shí)設(shè)備PLC間的數(shù)據(jù)和信號(hào)通訊，虛擬模型和真實(shí)設(shè)備間可以完成信號(hào)和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。真實(shí)設(shè)備的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)由PLC控制進(jìn)行具體的動(dòng)作，動(dòng)作狀態(tài)、速度、方向、位置、距離等相關(guān)信息都可以傳輸至虛擬平臺(tái)的模型中，孿生模型通過腳本程序?qū)⒄鎸?shí)設(shè)備的全動(dòng)作過程在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)的展現(xiàn)，從而完成了虛實(shí)聯(lián)動(dòng)，數(shù)據(jù)互通，完成數(shù)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(yè)網(wǎng)絡(luò)間的復(fù)雜的數(shù)據(jù)通信問題，解決多個(gè)獨(dú)立程序之間的數(shù)據(jù)通信，甚至是不同的操作系統(tǒng)，平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信問題，可以用來構(gòu)建各種各樣的應(yīng)用程序。HslCommunication插件可以支持上位系統(tǒng)與西門子、三菱、歐姆龍、松下等主流PLC的通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大部分設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，寫入，上傳互聯(lián)網(wǎng)。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(wǎng)絡(luò)通訊，它的DEMO由三部分組成，即C#的winform實(shí)現(xiàn)的DEMO，Java的Swing實(shí)現(xiàn)的DEMO，Python的PYQT實(shí)現(xiàn)的DEMO，兼容多種開發(fā)語言。其優(yōu)點(diǎn)是用戶可以用較少的代碼來實(shí)現(xiàn)需求，把復(fù)雜的底層通訊交給HslCommunication，用戶可以節(jié)省更多的時(shí)間來專注自己的控制要求，提高開發(fā)效率。

2.4 虛實(shí)聯(lián)調(diào)

數(shù)字孿生建立完成后，我們可以根據(jù)設(shè)備動(dòng)作要求，編寫相應(yīng)的PLC控制程序，將程序分別下載至實(shí)體設(shè)備的PLC中，利用PLC控制設(shè)備的運(yùn)行。實(shí)體設(shè)備和虛擬設(shè)備之間通過通訊協(xié)議的連接，能夠?qū)崿F(xiàn)同步運(yùn)行。

當(dāng)然，更多的時(shí)候我們也可以將PLC的控制程序下載進(jìn)仿真器中，通過仿真器與孿生模型進(jìn)行通訊，就可以將設(shè)備的動(dòng)作過程在虛擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行完整的呈現(xiàn)。這樣就可以預(yù)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，改進(jìn)程序，縮短項(xiàng)目研發(fā)周期，保障真實(shí)設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

通過上述步驟，我們基本完成了數(shù)字孿生技術(shù)與課程的結(jié)合，學(xué)生可以利用虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行知識(shí)和技能訓(xùn)練，教師也可以根據(jù)仿真環(huán)境中模型的動(dòng)作過程和運(yùn)行數(shù)據(jù)來實(shí)施設(shè)備動(dòng)作過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 數(shù)字孿生應(yīng)用于職業(yè)教育的必然性

職業(yè)教育緊密對(duì)接專業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，為企業(yè)培養(yǎng)亟需的高技能人才，在職業(yè)教育過程中，需要將企業(yè)的工作任務(wù)轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)任務(wù)，然而企業(yè)的工作環(huán)境和學(xué)校的學(xué)習(xí)環(huán)境之間勢(shì)必存在著顯著的差異，而數(shù)字孿生技術(shù)可以利用其先進(jìn)的建模、仿真、通訊技術(shù)彌補(bǔ)教學(xué)過程中的不足。

3.1 利用數(shù)字孿生技術(shù)可以有效彌補(bǔ)職業(yè)院校實(shí)訓(xùn)條件的不足

通過數(shù)字孿生中的虛擬仿真技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中構(gòu)建一個(gè)基于實(shí)體設(shè)備的虛擬模型，將知識(shí)技能點(diǎn)與虛擬設(shè)備之間進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，虛擬模擬與真實(shí)設(shè)備間的功能完全相同，且易于復(fù)制布局于整個(gè)實(shí)訓(xùn)教室，形成多個(gè)虛擬設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)真實(shí)設(shè)備的教學(xué)環(huán)境，這樣可以為職業(yè)院校學(xué)生提高良好的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，解決實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足的實(shí)際問題。

3.2 利用數(shù)字孿生技術(shù)可以將自動(dòng)化和信息化融合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合型人才培養(yǎng)

數(shù)字孿生技術(shù)涉及自動(dòng)化、信息化和機(jī)械建模等多專業(yè)知識(shí)，這與當(dāng)前企業(yè)對(duì)復(fù)合型人才的需求是相適應(yīng)的，傳統(tǒng)的只掌握一門專業(yè)技能的人才在工業(yè)4.0時(shí)代將逐步被淘汰。教師建立教學(xué)模型，學(xué)生在模型上利用信息化專業(yè)知識(shí)編寫對(duì)應(yīng)的腳本程序，賦予模型運(yùn)動(dòng)的條件，同時(shí)利用自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)將物理設(shè)備與虛擬模型進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)聯(lián)動(dòng)。按照上述教學(xué)設(shè)計(jì)培養(yǎng)的學(xué)生能夠掌握多種專業(yè)技能，適應(yīng)企業(yè)數(shù)字化工廠升級(jí)對(duì)人才能力的要求。

3.3 利用數(shù)字孿生技術(shù)可以深入推動(dòng)校內(nèi)一體化課程改革

教師借助數(shù)字孿生技術(shù)，可以有效開展以學(xué)生為主，“教學(xué)做”一體為特色的理實(shí)一體化教學(xué)。教師和企業(yè)專家通過提煉企業(yè)典型工作任務(wù)并將其轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生在利用數(shù)字孿生技術(shù)建立的實(shí)訓(xùn)環(huán)境中，利用虛擬模型掌握各項(xiàng)專業(yè)知識(shí)和技能，并可通過虛實(shí)聯(lián)調(diào)在真實(shí)設(shè)備上驗(yàn)證學(xué)習(xí)效果。學(xué)生在“六步法”的教學(xué)流程指導(dǎo)下，能夠在學(xué)習(xí)中了解企業(yè)工作流程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教融合無縫對(duì)接。

4 《機(jī)械手驅(qū)動(dòng)技術(shù)》課程理實(shí)一體化教學(xué)

《機(jī)械手驅(qū)動(dòng)技術(shù)》課程是職業(yè)院校電氣自動(dòng)化類專業(yè)的一門集專業(yè)理論與技能訓(xùn)練于一體的專業(yè)核心課程。課程來源于制造企業(yè)生產(chǎn)過程中針對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線（或設(shè)備）的控制、運(yùn)行、技術(shù)改造、維護(hù)和管理等工作崗位，是以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立以及合作完成專項(xiàng)典型工作任務(wù)能力為目標(biāo)的課程。

教師根據(jù)電氣自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)電一體化等專業(yè)不同培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)課程的要求，通過項(xiàng)目引領(lǐng)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)施工作任務(wù)學(xué)習(xí)、小組研究活動(dòng)和拓展提升等方式，使學(xué)生能夠完成傳送帶基本運(yùn)行控制、傳送帶拓展功能運(yùn)行控制、搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)行控制、圓形轉(zhuǎn)盤加工臺(tái)的運(yùn)行控制、藥粒自動(dòng)瓶裝控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等工作任務(wù)。

學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練，完成控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試與檢修等工作，培養(yǎng)學(xué)生從事專業(yè)工作崗位所必須的基本技能，使學(xué)生具備機(jī)械手驅(qū)動(dòng)技術(shù)的裝配、調(diào)試、檢測(cè)、維修和簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)能力。

在教學(xué)過程中主要通過“明確任務(wù)→任務(wù)準(zhǔn)備→任務(wù)計(jì)劃→任務(wù)實(shí)施→任務(wù)評(píng)價(jià)”五步教學(xué)環(huán)節(jié)來組織教學(xué)完成工作任務(wù)。教學(xué)過程突出了學(xué)生主體地位和教師引導(dǎo)作用，教學(xué)時(shí)將理論知識(shí)和專業(yè)技能、學(xué)生的學(xué)習(xí)和動(dòng)手操作有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了“教、學(xué)、做”一體教學(xué)。經(jīng)過若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)任務(wù)的學(xué)習(xí)和實(shí)施，學(xué)生的基本專業(yè)能力逐步提升，職業(yè)素養(yǎng)也逐步形成。

5 數(shù)字孿生技術(shù)在課程教學(xué)中應(yīng)用的效果

將數(shù)字孿生技術(shù)與職業(yè)院校專業(yè)課程《機(jī)械手驅(qū)動(dòng)技術(shù)》進(jìn)行有效結(jié)合，能夠有效提高課堂教學(xué)效果。

5.1 提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

利用數(shù)字孿生的互動(dòng)性、直觀性優(yōu)勢(shì)，能夠較好地提高職業(yè)院校學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使他們熱愛學(xué)習(xí)。職業(yè)院校學(xué)生往往具有較強(qiáng)動(dòng)手能力，但是學(xué)習(xí)主動(dòng)性不強(qiáng)，自覺性不高。讓學(xué)生在仿真環(huán)境中通過對(duì)模型的研究，程序的反復(fù)測(cè)試，動(dòng)作細(xì)節(jié)的觀察，可以大大提高他們的學(xué)習(xí)興趣，提高他們學(xué)習(xí)的積極性，取得良好的課堂教學(xué)效果。

5.2 豐富教學(xué)資源

通過孿生教學(xué)資源的建立，可以促進(jìn)自動(dòng)化逐漸向智能化領(lǐng)域延伸。孿生教學(xué)資源不僅可以用于學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)，還可以用于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)性維護(hù)，培養(yǎng)學(xué)生以抽象思維的方式來看待工業(yè)場(chǎng)景的能力。同時(shí)，孿生資源便于二次開發(fā)和改進(jìn)，教師可以根據(jù)課程任務(wù)的需要和技術(shù)技能點(diǎn)的需求，修改孿生模型，添加控制功能，實(shí)現(xiàn)教學(xué)情境的柔性化改造，節(jié)省購買實(shí)體設(shè)備的昂貴費(fèi)用。

5.3 提高教師的科研能力

數(shù)字孿生技術(shù)涉及到自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化和機(jī)械知識(shí)的全面結(jié)合，這就要求教師能夠繼續(xù)學(xué)習(xí)，從單一專業(yè)的?？平處熛驈?fù)合型一體化教師轉(zhuǎn)變，通過課程中包含的先進(jìn)技術(shù)引領(lǐng)教師教科研能力的提升。

6 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)與《機(jī)械手驅(qū)動(dòng)技術(shù)》課程的緊密融合，在職業(yè)教育中能夠促進(jìn)智能化、數(shù)字化在課程教學(xué)中的呈現(xiàn)與應(yīng)用，為地方產(chǎn)業(yè)和企業(yè)培養(yǎng)緊跟技術(shù)前沿，緊隨時(shí)代發(fā)展的高技能人才。

引用

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