扈曉翔 肖冰 劉美潔

［摘 要］ 普通高等院校的部分專業(yè)課涉及軍民用大型設(shè)備，但大部分普通高等院校無法為學生提供全部的大型設(shè)備，只能通過圖像或視頻為學生講解，教學效果欠佳。結(jié)合最新的數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，分析數(shù)字孿生技術(shù)在各個領(lǐng)域中的應用，提出將數(shù)字孿生技術(shù)應用到專業(yè)課教學中，解決高等院校由于大型設(shè)備實物不足，實物訓練操作平臺更新?lián)Q代慢、易發(fā)生故障、維護困難等問題導致的專業(yè)課教學效果欠佳的實際困難。同時結(jié)合數(shù)字孿生系統(tǒng)可靠性強、訓練效率高、動態(tài)更新升級快、硬件損耗小等特點，進一步探討了采用數(shù)字孿生進行實際操作的可行性。

［關(guān)鍵詞］ 專業(yè)課教學；數(shù)字孿生系統(tǒng)；技術(shù)探索

［基金項目］ 2020—2024年國家自然科學基金面上項目“非最小相位高超聲速飛行器全服役期精細容錯控制與預測維護技術(shù)研究”（62073265）

［作者簡介］ 扈曉翔（1982—），男，山東壽光人，博士，西北工業(yè)大學自動化學院副教授，博士生導師，主要從事飛行器智能控制及其教學研究；肖 冰（1986—），男，江西贛州人，工科博士，西北工業(yè)大學自動化學院教授，博士生導師，主要從事衛(wèi)星智能博弈及其教學研究；劉美潔（1985—），女，山東煙臺人，碩士，西安科技大學工程訓練中心講師，主要從事控制課程相關(guān)實驗設(shè)計與教學研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）01-0086-04 ［收稿日期］ 2023-09-12

近年來，教育部的相關(guān)文件對大學生的綜合素質(zhì)提出了更高要求［1］，不僅要求大學生提高專業(yè)能力和實踐能力，同時要求大學生能夠獨立運用所學知識解決實際問題，通過實踐掌握專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的基本技能和操作技巧，這對于工科專業(yè)，尤其是航空航天航海等專業(yè)的專業(yè)課教學提出了更高要求。由于高等院校經(jīng)費與場地等的限制，航空航天航海等專業(yè)的學生在進行專業(yè)課學習時，很難直接接觸到實際中的設(shè)備儀器，影響教學效果。目前，用人單位對高校畢業(yè)生的要求已經(jīng)不滿足于僅了解基本理論知識，同時還需要學生具備一定的專業(yè)知識甚至設(shè)備使用知識［2］。在這種情況下提升高等院校學生的專業(yè)基礎(chǔ)能力迫在眉睫。

數(shù)字孿生技術(shù)的快速發(fā)展應用，為高等院校專業(yè)課教學提供了新平臺與新方式，成為高等院校立足自身優(yōu)勢與發(fā)揮職能特長的重要手段。數(shù)字孿生是指通過數(shù)學建模等手段，將實際物理系統(tǒng)映射到虛擬空間，并通過數(shù)據(jù)的交互實現(xiàn)物理實體與數(shù)字孿生體的匹配，從而通過數(shù)字孿生體實現(xiàn)對物理實體的實時監(jiān)測、預測和優(yōu)化。數(shù)字孿生的概念最早可以追溯到20世紀60年代，是當時美國航空航天局為了解決太空探索中的通信和控制問題提出的［3］，隨后得到世界各國的認可并獲得廣泛的發(fā)展，目前數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為世界各國研究的熱點。作為新興的計算機技術(shù)，數(shù)字孿生技術(shù)廣泛運用于各領(lǐng)域，并且由于其對物理實體的完全精確反映、可靠性強、訓練效率高、硬件損耗及安全隱患極小等特點，成為解決目前專業(yè)課教學中的重要手段，具有良好的應用前景。

一、數(shù)字孿生技術(shù)簡介

數(shù)字孿生技術(shù)是在數(shù)字化平臺建立與物理實體系統(tǒng)相一致的數(shù)字化表達，產(chǎn)生一個與物理實體相對應的數(shù)字孿生體。物理實體向數(shù)字孿生體傳遞可監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，以便數(shù)字孿生體進行對物理實體各種運行狀態(tài)、性能和功能的模擬，而數(shù)字孿生體則根據(jù)從物理實體獲得的監(jiān)測信息，不斷優(yōu)化修正，從而完全反映物理實體的運動狀態(tài)。數(shù)字孿生體并非只接收物理實體的信息，而是同時根據(jù)自身的優(yōu)化結(jié)果對物理實體提供優(yōu)化的信息，進而促進物理實體的不斷優(yōu)化和改進。

二、數(shù)字孿生技術(shù)在各個領(lǐng)域的應用

（一）數(shù)字孿生農(nóng)田智慧種植系統(tǒng)

數(shù)字孿生農(nóng)田智慧種植系統(tǒng)是將數(shù)字孿生技術(shù)運用到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理中的新型系統(tǒng)，是提高農(nóng)田的種植和管理效率的重要手段［4］。該系統(tǒng)將現(xiàn)實世界中的農(nóng)田與其數(shù)字孿生體相結(jié)合，根據(jù)真實農(nóng)田內(nèi)部設(shè)置的傳感器，不斷采集各種土壤濕度、溫度、天氣等信息，并傳輸至數(shù)字化平臺，對農(nóng)田信息進行在線監(jiān)測；基于監(jiān)測數(shù)據(jù)進行農(nóng)田的灌溉施肥，確保農(nóng)田得到充足的水分和養(yǎng)料，提高生產(chǎn)效率。數(shù)字孿生農(nóng)田智慧種植系統(tǒng)現(xiàn)已成功應用到京東農(nóng)場、運城蘋果基地等多個地方。

（二）數(shù)字孿生變電站

數(shù)字孿生變電站是利用數(shù)字孿生技術(shù)建立變電站的虛擬化數(shù)字模型，旨在提高電力系統(tǒng)的可靠性和運行的安全性［5］。數(shù)字孿生變電站包括各種變壓器、電纜線路、開關(guān)設(shè)備等的數(shù)字化模擬，通過輸入實際變電站的電壓、電流、頻率等的信息，利用變電站的數(shù)字化平臺對上述信息進行在線監(jiān)測，保障實際變電站的可靠運行。數(shù)字孿生變電站借助強大的數(shù)字化技術(shù)，可以實現(xiàn)操作管理人員的數(shù)字化培訓，在數(shù)字化平臺模擬可能發(fā)生的各種突發(fā)情況，可提高操作管理人員的應急反應能力，應對實際中出現(xiàn)的各種問題。

（三）數(shù)字孿生智慧園區(qū)

數(shù)字孿生智慧園區(qū)是利用數(shù)字孿生技術(shù)建立園區(qū)的虛擬化數(shù)字模型，目的是提高居民的生活質(zhì)量，是優(yōu)化園區(qū)的管理的重要手段［6］。根據(jù)實際園區(qū)的構(gòu)成建立園區(qū)虛擬化模型，將實際園區(qū)中基礎(chǔ)設(shè)施的各項信息輸入數(shù)字化模型中，以便管理人員在線監(jiān)測設(shè)施的健康狀況，并能夠及時采取有效措施進行設(shè)備的維護工作；同時利用數(shù)字化園區(qū)平臺模擬緊急事件的發(fā)生，幫助管理者在應對真實發(fā)生的緊急情況時能夠有效和及時地處理。

（四）數(shù)字孿生智慧交通系統(tǒng)

數(shù)字孿生智慧交通系統(tǒng)是利用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建城市交通虛擬模型的新型系統(tǒng)，用以改善城市的擁堵情況，保障交通安全性［7］。數(shù)字孿生智慧交通系統(tǒng)通過創(chuàng)建城市道路，城市建筑，交叉路口等虛擬化模型，實現(xiàn)實際交通系統(tǒng)的數(shù)字化表達；通過傳感器及攝像頭將采集的各種車流量、車速、交通突發(fā)事故等信息傳輸給建立的交通數(shù)字化虛擬模型，通過技術(shù)手段分析和處理，自動調(diào)整信號燈的設(shè)置，幫助減少交通擁堵；通過數(shù)字化的管理平臺，可實時監(jiān)測交通安全狀況，在發(fā)生突發(fā)事件時，可以及時做出響應，為救援爭取時間。

三、數(shù)字孿生技術(shù)在教學訓練中的應用

（一）數(shù)字孿生醫(yī)療培訓

數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療培訓中有著廣泛的應用，借助數(shù)字孿生技術(shù)可實現(xiàn)醫(yī)療環(huán)境的數(shù)字化模型構(gòu)建，便于醫(yī)學生在虛擬的數(shù)字化環(huán)境中進行各種手術(shù)的模擬操作，提升其專業(yè)技能及手術(shù)的安全性；同時建立相應疾病的數(shù)字孿生系統(tǒng)，在數(shù)字孿生系統(tǒng)中進行病情的分析、影像報告的分析及治療方案的設(shè)計；數(shù)字化平臺還能夠模擬各種緊急突發(fā)情況，促使醫(yī)學生增強緊急事件快速處理的能力。

（二）數(shù)字孿生飛行員培訓

數(shù)字孿生技術(shù)可應用在飛行員的培訓和訓練中，建立飛行模擬器，提供極具真實性的虛擬飛行環(huán)境，以使飛行員通過數(shù)字孿生模型進行訓練以提高自身的專業(yè)技能。飛行員可借助虛擬的數(shù)字化模擬器進行起飛、降落等操作，檢驗自己的專業(yè)能力；同時模擬器還可以模擬各種突發(fā)事件，訓練飛行員及時做出響應和處理，培養(yǎng)飛行員在突發(fā)情況下的應變能力；數(shù)字孿生系統(tǒng)可通過長時間的訓練和模擬，形成屬于飛行員自己的訓練模式，對飛行員自身的表現(xiàn)進行評估，以幫助其更好地提升自己的技能。

（三）數(shù)字孿生交通培訓

數(shù)字孿生交通培訓是利用數(shù)字孿生技術(shù)建立交通模擬器用以培訓交通從業(yè)人員的一項技術(shù)，旨在提高交通管理者的專業(yè)技能和決策能力。利用數(shù)字孿生技術(shù)模擬城市道路、信號燈設(shè)置、交叉路口等交通信息，建立交通體系模擬器，有助于交通管理者在虛擬化的環(huán)境中進行交通管理，駕駛員也可通過數(shù)字化平臺不斷鍛煉提高自身的駕駛技能。同時數(shù)字化交通模擬器還可以模擬突發(fā)事件的情況，培訓交通警察處理突發(fā)問題的能力。

四、數(shù)字孿生技術(shù)在專業(yè)課教學中的應用探索

數(shù)字孿生體反映的物理性質(zhì)包括物理實體的電氣性能、接口特性、空間環(huán)境等，所得到的復雜系統(tǒng)的內(nèi)外部功用、組成及工作原理等都是可視的，從而驗證復雜系統(tǒng)的電氣參數(shù)、接口設(shè)計、測試方法等，這些信息在專業(yè)課教學中具有重要地位。在缺乏物理實體的專業(yè)課教學中，教師一般采用觀看圖片或者視頻的方式進行講解，學生很難完全掌握，而數(shù)字孿生技術(shù)則可以解決這個問題。下面結(jié)合具體的實例分析數(shù)字孿生技術(shù)在專業(yè)課教學中的應用與優(yōu)勢。

（一）數(shù)字孿生技術(shù)在大型飛行器測試課程教學中的應用探索

大型飛行器需要定期進行測試，測試的基本任務是得到飛行器健康狀態(tài)的有效信息，測試方法是借助專門儀器，通過專門的測試流程對飛行器各部分的性能進行測試，獲取飛行器的信息。但是大型飛行器的測試設(shè)備一般不具備普遍性，而是針對具體型號設(shè)計的具體測試設(shè)備和測試流程。如果在相關(guān)教學中只介紹通用的測試理論與測試方法，會導致測試專業(yè)課教學缺乏針對性。但高等院校不可能獲取完整的大型飛行器測試設(shè)備，因此可以依托數(shù)字孿生技術(shù)進行教學。

在大型飛行器測控教學中，可以建立飛行器的數(shù)字孿生模型，通過數(shù)據(jù)的交互實時再現(xiàn)飛行器的運行狀態(tài)、故障情況等，并可進一步反映飛行器的物理特性，如飛行器測試信號的電壓、電流等，從而實現(xiàn)在無實物條件下對飛行器硬件的模擬。數(shù)字孿生技術(shù)的應用可以有效解決高等院校缺乏大型飛行器的相關(guān)測試設(shè)備，而同時又需承擔測試課程教學的現(xiàn)實困難，從而有效促進大型飛行器測試相關(guān)課程的教學。

（二）數(shù)字孿生技術(shù)在“控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計”課程教學中的應用探索

“控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計”是自動化專業(yè)學生的必修課，針對具體對象的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計是自動化專業(yè)大學生的重要技能。但目前的“控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計”課程面對的對象一般為實際系統(tǒng)簡化后的數(shù)學模型，甚至是傳遞函數(shù)模型；控制器效果的驗證一般采用MATLAB等仿真軟件。學生在課程學習時，面對的是經(jīng)過簡化的數(shù)字模型，控制器設(shè)計后進行驗證得到的是仿真曲線，而學生對于控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)、敏感元件等組成部分不了解，非常不利于專業(yè)課教學。

在“控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計”課程教學中，可通過數(shù)字孿生建立控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)模型，同時根據(jù)信號的傳遞關(guān)系構(gòu)建被控對象的可視化數(shù)字孿生模型，并且明確模型中的測試機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、信號傳遞機構(gòu)及控制信號產(chǎn)生機構(gòu)等。在教學中，通過信號的傳遞關(guān)系認識整個系統(tǒng)的工作原理，通過輸入輸出信號建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，通過實際執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)字孿生模型理解控制信號“控制計算機產(chǎn)生—執(zhí)行機構(gòu)接收—產(chǎn)生控制力和力矩—被控對象狀態(tài)變化—測試機構(gòu)測試—與期望對比產(chǎn)生負反饋—控制計算機”的全過程。數(shù)字孿生系統(tǒng)的應用，可以讓學生更加明確地理解控制系統(tǒng)的各個組成部分，明白控制系統(tǒng)數(shù)學模型的來源，了解控制信號在實際系統(tǒng)中是如何產(chǎn)生作用并影響整個系統(tǒng)的，從而更好地促進針對具體對象的控制系統(tǒng)課程的教學工作。

（三）數(shù)字孿生技術(shù)在專業(yè)教學中應用的具體方法分析

鑒于數(shù)字孿生技術(shù)在專業(yè)課程教學中的優(yōu)異表現(xiàn)，同時考慮到現(xiàn)有高等院校教學實驗平臺無法滿足大型專業(yè)設(shè)備的教學與操作需求，將數(shù)字孿生系統(tǒng)應用于高等院校的教學中，主要包括兩個方面：（1）利用編程語言，模擬實際系統(tǒng)并對其中功能進行復現(xiàn)，從而模擬實際系統(tǒng)的運行過程和結(jié)果；（2）利用可視化軟件模擬各類儀器，通過操縱位于計算機屏幕虛擬面板上的“按鈕”來完成復雜系統(tǒng)的檢測或者控制任務。與以硬件為主的傳統(tǒng)教學形式不同，在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理控制、信號處理以及結(jié)果顯示等主要通過軟件實現(xiàn)。

為了能夠通過數(shù)字孿生系統(tǒng)進行相關(guān)的教學，需要首先構(gòu)建復雜系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)；而建立復雜系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，首先需要明確系統(tǒng)的用途，即要有針對性地建立功能級數(shù)字孿生系統(tǒng)或可視化數(shù)字孿生系統(tǒng)；之后結(jié)合系統(tǒng)的復雜程度進行逐步分解，通過復雜系統(tǒng)的功能對各個組成部分進行劃分，按照從上到下的順序，最終得到復雜系統(tǒng)的最小功能單元，如測量、濾波、統(tǒng)計、信號生成、信號處理等基礎(chǔ)功能單元。在構(gòu)建數(shù)字孿生模型時，則需要從下到上，建立子系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，明確各個子系統(tǒng)的信號傳遞關(guān)系與邏輯關(guān)系，最終建立整個系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型。

結(jié)語

目前而言，高等學校專業(yè)課主要依托視頻或圖片及高等院校配備的操作設(shè)備等進行教學，在設(shè)備集成化智能化程度迅猛發(fā)展的今天，這些手段與實際復雜系統(tǒng)，尤其是航空航天航海系統(tǒng)的差異性不斷增大，測試操作流程更是存在巨大差異，隨著現(xiàn)代智能化技術(shù)在實際系統(tǒng)中的不斷應用，目前的實際可用復雜系統(tǒng)更新迭代更加頻繁，現(xiàn)有教學設(shè)備很難及時跟進更新，無法完成大型設(shè)備教學實踐的任務。數(shù)字孿生技術(shù)可以很好地解決這一問題，同時隨著裝備集成化、智能化水平越來越高，數(shù)字孿生系統(tǒng)便于實現(xiàn)、便于升級、便于使用，不僅適合高等院校專業(yè)課教學使用，而且適合高年級學生的課程操作與教學訓練，因此開發(fā)推廣大型復雜系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)進行教學訓練，具有廣泛的應用前景和推廣價值。

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Exploration and Practice of Digital Twin Technology in Professional Course Teaching

HU Xiao-xiang1， XIAO Bing1， LIU Mei-jie2

（1. School of Automation， Northwestern Polytechnical University， Xian， Shaanxi 710129， China;

2. Engineering Training Center， Xian University of Science and Technology， Xian，

Shaanxi 710054， China）

Abstract： Some of the specialized courses in general colleges and universities involve military or civilian large-scale equipment， and most of the general colleges and universities are unable to provide all the large-scale equipment for students to operate and practice， and they can only explain to the students through the way of images or videos， which leads to poor teaching effect. This paper combines the latest development of digital twin technology， analyzes the application of digital twin technology in various fields， and proposes the application of digital twin technology to the teaching of professional courses， to overcome the lack of large-scale equipment in institutions of higher education， the physical training platform is slow to replace and prone to failure， maintenance difficulties and other problems caused by the teaching of professional courses is not ideal practical difficulties. At the same time， this paper combines the strong reliability of the digital twin system， high training efficiency， fast dynamic update and upgrade， small hardware loss and other characteristics， to further explore the feasibility of adopting the digital twin for practical operation.

Key words： specialized course teaching; digital twin system; technical exploration