融入数字孪生的高校创客空间：意蕴、框架与功能*——从物理空间、混合空间到映射空间之演进

万力勇

（中南民族大学 教育学院， 湖北武汉430074）

对于创客空间（Makerspace），学术界并不存在一个统一的概念或者比较通用的定义。 从空间功能视角，美国著名杂志Make 将创客空间定义为一个真实存在的物理场所，一个具有加工车间、工作室功能且能用于开放交流的实验室、工作室；从空间活动视角，Colegrove 将创客空间定义为以创意实现为目的，开展原型设计、加工制作、协同创作等多种活动的连续统[1]；从空间所具有的教育属性视角，杨绪辉等认为创客空间是以应用实践为导向、 以学习者为中心的融合式创新学习环境[2]。 一般来说，大多数创客空间包含如下共同要素：空间用户共同的愿景和利益；相互协作的社群；用户开展个体或群体项目的机会；用户之间的广泛交流和互动； 自我驱动的开放式项目；开展项目设计所需的设备和资源等。

高校创客空间特指以高校为主体创建的创客空间，其以创客项目的运行与开展为主导，着力推进跨学科知识的融合与应用， 对大学生的创新创业能力生成和提升具有积极的促进作用[3]。从创客空间概念首次被提出至今， 高校创客空间经历了由物理空间形态到混合空间形态的发展历程， 为无数大学生创客提供了知识分享、思想碰撞、创意交流、协同创造、跨界协作、技术创新、自主创业等机会，成为高校推动创新创业人才培养的一道亮丽风景。 时下， 随着5G 通信、物联网、XR（扩展现实）、全息、人工智能、物联网等新技术的集群式突破， 一种推动全球制造业数字化转型的关键技术——数字孪生（Digital Twin，DT），正逐步走进研究者和实践者的视野。

数字孪生作为一种能实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段， 借力于5G、AR/VR/XR、物联网等新技术， 实现现实情境与虚拟情境的多模态融通与互促，进而实现“以虚映实、以虚控实”，为改造物理世界提供数据与决策依据。 全球知名的IT 研究与咨询服务公司高德纳（Gartner）连续三年（2016年-2018 年） 将数字孪生列为十大战略科技发展趋势， 认为其将在未来五年里对全球各项产业发展产生破坏性创新[4]。 作为一种变革性的信息技术，数字孪生与创客空间相关功能模块具有良好的契合性，能有效整合到现有的高校创客空间中， 促进高校创客空间功能的转型升级， 进而实现从混合空间形态向映射空间形态的演进。

一、高校创客空间的发展历程

（一）物理空间

物理空间是指实实在在存在的创客空间，为开展多种形式的创客活动提供场所。该场所既能提供包括办公场地、工具设备、互动交流等基础服务，还能提供包括创新训练、创意咨询、创业辅导等衍生服务，具备深度研讨、专家指导、成果展示等工作区域和功能。 国内相关学者按照运营形态将高校创客空间划分为Community 形态、FabLab 形态和Techshop 形态[5]。 在这三种基本形态的基础上，根据应用场景的不同又演化出其他一些分类形态，如，美国高校创客空间又可分为机械工作室（Machine Shop）、项目空间（Project Space）和社区空间（Community Space）三种形态[6]：机械工作室是专门用于复杂系统和精细组件的制作以及开展与之相关的培训和指导活动的空间； 项目空间主要是指支持课程项目开展的空间；社区空间主要指通过用户群体努力促进无限创意和创作的空间[7]。 这三种形态的创客空间分别与高校创新创业人才培养中的技术范式、科学范式和工程范式相对应[8]。

（二）混合空间

随着网络技术的发展，单纯的物理空间已无法满足创客们开展创意设计和制作活动的需求，在保持物理空间的实践功能不变的基础上，构建具有线上服务与支撑功能的虚拟空间，形成虚实结合的混合空间成为了时代所需[9]。 混合空间最大的特点是线上空间与线下空间进行集成，最终形成了一个混合式的学习和实践环境。 线下空间除了提供硬件设备和制作材料外，还拥有开展面对面研讨、教师一对一指导以及创客作品演示等的专门场地；线上空间除了具有线上同步或异步交流讨论功能外，同时还可以为创客提供丰富的在线学习资源和参考资料[10]。与此同时，一些新的数字化设计和制造技术也被引入到创客空间中，比如，数字样机（Digital Prototype，DP）技术等。

相较于单一物理空间，混合空间的主要优势在于：增强了创客之间交流互动的便捷性，以启发性的、虚实结合的空间为支持，鼓励多方通过正式和非正式的互动、 合作参与创造和设计创新制品、持续应用新兴技术来改进设计制造过程，从而实现多途径的共创。 但混合空间形态的高校创客空间仍存在一些不足：其一，混合空间中的线上线下融合主要指创客交流方式和知识共享方式的融合，而创客的实际创意设计和制造过程主要是在线下物理空间中完成， 很难进行线上实时的协同设计和制造；其二，高校创客空间中的创客行为既是一种设计实践， 同时也是一种以实践情境为依托的学习行为，如何让大学生创客的学习行为更具有沉浸感，是高校创客空间发展过程中需要解决的问题； 其三，以数字样机为代表的数字成型技术无法建立虚拟产品与物理产品之间的交互映射和互动控制关系，无法对物理产品在各种现实环境中运行状况进行预测和模拟，致使创客产品的运行检验仍需在物理空间中完成。

结合混合空间存在的不足和高校创新创业人才培养以及创新型工程技术人才培养的实际需求，高校创客空间新一轮的转型升级迫在眉睫。 而数字孪生所具有的虚实映射、虚实互动、虚实融合等特性和功能，能有效解决混合空间所存在的问题和短板。将数字孪生融入到高校创客空间的构建中， 将有助于实现高校创客空间从混合空间形态向映射空间、融合空间形态的转变，真正实现数据联通、虚实互动、资源共享和协同创作。

二、数字孪生融入高校创客空间构建的可行性

（一）数字孪生及其特性

与其他众多新兴技术一样， 数字孪生在学术界尚未有一个公认的定义。 具有代表性的定义如：“德国工业4.0（Industry 4.0）术语编写组”认为，数字孪生是一种充分利用物理模型、传感器数据、历史运行数据，以多物理量、多尺度、多概率仿真的方式完成虚拟模型与实体模型的映射， 并刻画出实体模型的全生命周期状态的过程[11]；国内数字孪生研究领域知名学者陶飞将数字孪生界定为一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性， 能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段[12]。 可见，数字孪生技术具有对象性和过程性、高保真复现和交互性、多维融合性等特点。

（1）对象性和过程性。 “孪生体”对象可实时复现现实物理对象的行为， 利用现实物理对象的行为数据及情境数据进行分析与预测， 进而操控现实物理对象[13]。 同时，数字孪生能够按时间维度对现实物理对象从产生到消亡的全部发展历程进行无差异刻画。

（2）高保真复现和交互性。 数字孪生能面向不同的用户需求， 提供与之相适应的高保真专用模型； 结合全息技术与虚拟现实等新兴交互技术，数字孪生可以提供全方位的信息感知体验和实时人机交互效果。 此外，数字孪生还可以实现仿真模型与现实对象的交互。

（3）多维融合性。 首先是信息与物理的融合，通过在物理实体上部署各种传感器， 实时监测其环境数据和运行状态， 实现诸如物理模型构成要素的智能感知与互联、 多源异构数据的融合等[14]；其次为多维实时互联，以孪生数据为纽带，将物理实体、虚拟模型、应用服务系统连接为一个有机整体；最后是多维应用的整合，将由数字孪生技术所生成的数据服务、管理服务和运维服务整合起来并提供给用户。

（二）数字孪生融入高校创客空间构建的途径与功效

一个典型的数字孪生系统框架如图1 所示，其包括四个主要构成要素和六个处理步骤[15]。

图1 一个典型的数字孪生系统框架

四个主要构成要素分别为：传感器（Sensors）、数据（Data）、分析器（Analytics）、执行器（Actuators）[16]。基于物联网的传感器是数字孪生技术的基础， 可以实时获取有关物理实体参数的信息，将设备、产品、过程和环境信息用于数字孪生；数据是指将传感器数据及其他相关的系统数据融合，这些数据具有多源异构的特点；分析器负责利用先进的数据分析技术，如，模式识别、非结构化和多模态数据分析，来分析数据并获得对可利用数据的深刻见解；执行器是数字孪生对物理实体发出指令并使其产生行动的手段。

六个处理步骤按照其产生顺序依次为： 创建（Create）、通信（Communicate）、聚 合（Aggregate）、分析（Analyze）、洞见（Insight）、行动（Act）[17]。 创建是指创建物理实体和虚拟模型， 并由传感器获得物理实体信息； 传输是指实现虚拟实体与物理模型之间的无缝的、实时的双向通信；聚合是指传感器数据与其他系统或其他制造环节数据进行聚合； 分析是指对集成数据进行统计、分析、预测等；洞见是指发展对现有流程或产品性能的认知度， 并据此明晰物理实体与虚拟模型之间的表现差异； 行动是指基于物理实体与虚拟模型的表现差异， 采取相关行动进行干预并不断优化。

基于数字孪生系统框架和原理， 结合高校创客空间的主要结构和功能， 数字孪生可通过以下三种途径融入到高校创客空间的构建中：

第一，传感器和物联网融入。通过在创客空间底层布置各种传感器，组建物联网，能够将机器设备的具体位置和运行状态、制作工具、制作材料状态等重要信息以及噪声、振动、气体信息等环境信息，进行实时采集并做可视化处理， 使其具备超写实性。 第二，多层模型融入。从要素、行为、规则等多层面构建创客产品模型，要素层面负责进行物理属性的刻画，行为层面负责对创客产品内部行为细节进行刻画，规则层面包括对创客产品演化规律进行评估、 优化和溯源等[18]。 第三，大数据融入。 融入多来源、多类型、多粒度的设计大数据和创客空间运行大数据，可对数据进行清洗、融合和分析，并将分析结果应用到产品设计和空间运行优化之中。

融入数字孪生的创客空间可对现实创客空间环境进行高保真复现， 对创客的创意设计与制作过程进行实时监控[19]；通过孪生体模型预测实体产品的性能参数和预期运行状态， 在设计制作过程中实现物理世界与数字世界之间的双向互动； 随时调用孪生数据对制作过程进行分析修改， 不断挖掘产生新颖、独特、具有价值的创客制品概念，不断降低制品实际行为与设计期望行为间的不一致性， 使之对物理产品的设计不断优化， 通过全生命周期的虚实设计融合，全面提高创客设计质量和产品制作效率。在此过程中，数字孪生的具体功效体现在“实时监控、动态交互、迭代进化”等三个方面。

1.实时监控

监控是指在创客设计过程中对物理实体产品参数进行实时刻画和呈现。 数字孪生技术应用于创客空间后， 所形成的监控作用在全面性和精准性方面远远超过传统监控摄像头。 此外，监控数据的推送方式和呈现方式可任意定制化，如，以数值形式直接显示、 通过二维柱状图或雷达图呈现、以颜色标注不同参数等级等。当某项运行或制作指标不在规定阈值范围内时， 虚拟空间将进行提示和预警[20]。 同时，还可通过集成化的数据仿真、分析等功能，对采集到的各类监控信息进一步挖掘，以实时掌握创客空间的深层运行状态。

2.动态交互

动态交互是融入数字孪生的创客空间不同于混合空间的关键性特性。在创客空间中，数字孪生通过传感设备或相关终端， 实现与所设计物理产品的动态交互， 使物理产品与该产品的数字化虚拟模型融为一个整体[21]。 虚拟模型可以实时、准确地获取物理产品的所有参数和属性信息， 通过对这些信息进行集成分析和处理，同步得出物理产品的性能情况，并通过虚拟模型将物理产品的内部结构和细节展示出来；设计者可以通过沉浸式技术，观察和了解物理产品在虚拟仿真环境中的运行情况，更准确、及时、客观地把握其状态以及在设计方面存在的不足， 并将结果反馈给物理实体， 为物理产品的优化设计提供信息参考和决策支持， 进一步增强虚拟模型与物理实体之间的耦合时效。

3.迭代进化

随着创客空间中创意设计活动的不断推进，物理产品经历了从创意设计到成型的生命历程。 在这个过程中， 数字孪生体首先表现为基于用户需求的概念设计，随着设计活动的展开，逐步变成一个具有一定信息量的虚拟模型， 继而随着物理产品不断成型、材料的产生和加工装配，虚拟模型也日渐丰满，同步生长出完备的信息组件。 在该数字孪生体随着物理产品生命历程不断完善的过程中， 物理产品在设计开发过程中所经历的点点滴滴都被记录了下来。 在数字孪生体迭代进化的过程中，一方面，忠实映射了物理产品的设计开发和制造过程， 全面记录物理产品全生命周期内的属性、状态、行为等静态或动态信息；另一方面，可将物理产品迭代进化的所有历史记录随时提取， 回溯和复现物理产品在其生命周期中任一时刻的状态， 并可根据相关规则来推演或模拟其在未来时刻的“假设”场景，并预判其运行状态和性能情况[22]。

三、映射空间：融入数字孪生的高校创客空间框架

数字孪生技术可以把在线创客空间和物理创客空间进一步融合，形成一个无缝的映射空间，该创客空间不仅仅是创客们开展协同创作、互动共享、展示成果的创作空间和社交空间；同时，也可以对创客创作方式进行“模式创新”和“流程再造”，从而有效改进和增强原有创客空间的“广度”“深度”“速度”[23]。

首先在广度上， 数字孪生有利于打破传统校园创客空间的设备局限性和空间规模的局限性， 构建一个对于参与其中的大学生创客来说能够“处处能做、时时可学、样样可试”的无限制、全方位创客学习与实践环境，使大学生能够更经济、高效地使用数字孪生，开展创客制品的设计。

其次在深度上，数字孪生技术可用于深层次的“展示”和探索所设计产品的内部结构，学生在受控的、模拟驱动的环境中，更深刻地理解并探索虚拟产品在各种模拟条件下的运行状态，从而及时发现容易出现的故障及容易忽略的漏洞。 以设计汽车的制动系统为例，传统的计算机仿真主要用于了解车辆模型在不同的实际场景中的性能，往往仅限于当前事件和大多数已知的操作环境，无法预测车辆对未来设想方案的反应。 而数字孪生会将测试阶段扩展到从设计到实际使用的整个物理车辆全生命周期中，通过在物理车辆上连接的传感器数据，深度再现物理车辆的关键事件、维护历史、操作历史，从而精准分析故障原因。

最后在速度上，其一，可以通过三维数字化模型设计及3D 打印技术快速得到创建产品的外形原型，以供概念展览或设计评价；其二，对虚拟产品进行测试的速度比对物理产品的更快； 其三， 先虚后实、虚实结合的产品开发，比完全在物理空间中的设计要快捷高效。

（一）基于构成要素的空间框架

在借鉴有关数字孪生车间系统组成要素研究的基础上，从空间构成要素角度看，融入数字孪生的高校创客空间主要由物理空间、虚拟空间、空间服务系统和孪生数据构成，其框架如图2 所示[24-26]。其中，孪生数据是创客空间架构的核心要素， 能同时驱动物理空间、虚拟空间和空间服务系统的运行及交互。

1.物理空间

图2 融入数字孪生的高校创客空间框架

物理空间主要指创客空间中人、机、物等物理实体，以及创客空间对应创客活动的集合，负责创意设计和制作的实体化实现。 与传统的创客空间相比，融入数字孪生的创客空间除具备传统空间所拥有的功能和作用外，其物理空间还需具备多源异构实时数据的获取和融合能力，具有自感知和底层数据采集与传输等功能。 在实现多源异构数据的采集和集成方面，需要一套标准化的数据通信与转换装置，以实现对不同通讯接口和通讯协议的统一转换以及数据的统一封装[27]。在此基础上，通过相应装置对收集到的多源数据进行处理，使其可以实时上传至虚拟空间和空间服务系统。 该装置可对多类型、多尺度、多粒度的物理空间数据进行规划、清洗及封装等，并通过统一的规范化处理，使数据具备可操作性和可溯源性。

2.虚拟空间

虚拟空间基于与物理空间实体高度逼近的模型， 能够真实模拟创客创作过程中的物理实体的全过程，具体包括虚拟空间的各类模型、规则、知识等；同时，它还负责创作活动在虚拟空间的仿真、分析、优化、决策等。虚拟空间作为虚拟模型存在与生成的依托环境，一方面，不断为虚拟模型的构建，积累实时数据与知识， 使虚拟模型伴随物理产品的设计不断迭代进化。另一方面，虚拟空间作为一种高度情境化的在线学习环境，其逼真的三维可视化效果，可使学生在探索物理产品机理与性能的过程中， 产生深度的沉浸感与舒适的交互感， 有利于激发学生的学习兴趣和学习效能， 在操作虚拟模型与物理产品交互的过程中，将知识学习与实践检验有机融合。

3.空间服务系统

空间服务系统是创客空间中各类服务系统功能的集成，其主要职责是在孪生数据驱动下，对空间中的主体和对象提供相应的支持和管理服务，如，对空间设计要素、 设计活动、 制作过程等的管控与优化等；同时，协调物理空间与虚拟空间的交互关系[28]。在创客设计活动开展的过程中， 物理空间的运行状态和虚拟空间对物理产品的实时仿真、 检验与预测数据，被及时反馈到空间服务系统，空间服务系统据此作出决策，对设计制作方案进行实时调整。创客空间服务系统通过优化配置创客空间物理资源和信息资源，整合与协调各操作要素的运行机制，从而在整体上提高创客空间的运行效率。

4.孪生数据

从图2 可看出， 创客空间孪生数据主要由物理空间、虚拟空间、空间服务系统三个部分所产生的数据构成，具有多源异构、海量化等特点。 来自物理空间的数据主要有设备方位数据、设备状态数据、制作材料数据、操作活动数据和制作流程数据等；来自虚拟空间的数据有虚拟模型的详细参数、状态数据、性能数据以及针对虚拟模型的测评和预测数据等[29]；来自空间服务系统的数据则主要包括各类资源的配置数据和对各类要素的管理数据等，比如，用户管理数据、资源管理数据、过程管理数据等。此外，孪生数据还包括对以上三类数据进行统计、挖掘、分析后所产生的二次衍生数据。

（二）基于构成层级的空间框架

从空间构成层级角度看， 融入数字孪生的高校创客空间主要由物理层、数据层、模型层、服务层和应用层构成，具体如图3 所示。

图3 融入数字孪生的高校创客空间构成层级

（1）物理层主要指创客空间中客观存在的物理实体，包括机器、设备、制作工具、制作材料和未制作完成产品的半成品，以及大学生创客完成制作活动的场地和环境；同时，还包括安装在物理实体上的数据采集设备（如传感器）等。 物理实体具有可触摸性、可感知性、可建模性等特点；（2）数据层负责创客空间孪生数据的采集及其集成，负责为物理空间、 虚拟空间和空间服务系统运行提供数据来源，并具备空间孪生数据的实时采集、 处理、 传输、清洗、集成等功能[30]；（3）模型层主要指虚拟创客空间模型构建及其对应承担的虚拟创客活动，包括数字孪生体机理模型和数据驱动模型的构建及应用等，通过运行数字孪生体机理模型和数据驱动模型，来实现创作活动在虚拟空间的仿真和分析；（4）服务层负责根据创客活动之需求，为创客空间提供活动规划、质量管理、创作管控、优化分析等各类服务；（5）应用层负责对已开发成型的创客活动产品进行对外输出和对接，同时，包括一系列的反馈验证、故障检测及后期运维等。

四、融入数字孪生的高校创客空间之功能

（一）基于数字孪生的创客协同设计

协同设计是指为了完成某一设计目标，由两个或以上设计主体，通过一定的信息交换、资源共享和彼此协同机制，共同完成设计目标的过程[31]。协同设计的基本要素包括协作、信任、交流、折衷、一致、不断提高与协调等。 它被认为是当前产品设计领域极具推广价值的设计模式，是产品设计技术发展的必然趋势。 在以协同创新为主要使命的创客空间活动中， 协同设计有助于创客空间成员集思广益，以提高产品设计质量；同时，也能最大限度提高设计效率。 然而，在传统创客空间中，要实现协同设计还存在一定的困难。

首先，协同设计的过程是非常复杂的。 一个设计人员在设计过程中会产生多个设计版本，每一个版本都有其价值。 比如，在被设计者舍弃的某一设计版本中，极有可能在后续设计流程中因为重新评估被重启或采纳。 这样，如何对多个设计人员数量庞大的设计版本与设计历史记录进行管理，是一个必须考虑的问题。其次，协同设计是不同设计人员之间相互合作、相互影响和制约的过程， 设计人员对其产品开发的考虑角度、评价标准和领域知识不尽相同，在协同设计过程中不同设计者之间的潜在冲突不可避免。 如何合理解决这种冲突也是不可忽视的问题。

但在融入数字孪生的创客空间中，众多的设计人员可围绕公认、公开的同一产品的数字化模型进行设计。 这一公开的数字模型便是产品数字孪生体的雏形[32]，该数字孪生体与一般三维仿真模型的不同之处在于： 它从一开始就具备了追溯历史设计状态的机制， 可以随时切换到任一历史版本状态。 随着协同设计的不断推进， 该数字孪生体会实时更新其各个组件信息并以可视化方式呈现出来， 使所有设计人员看到的产品设计信息都是最新版本， 可以即时判断设计版本的合理性和最优性，由此，可以克服设计版本的管理问题。同时，整个创客团队通过对数字孪生体进行协同评估，可以快速查找设计中的短板，在不需要制作出产品原型的情况下， 迅速优化或变更产品设计方案，使设计任务能够以高效率的方式保质保量完成。

以某创客团队设计一款无人机为例， 该团队包括3 名大学生创客， 每个创客负责设计数字化无人机模型的一个模块，具体如图4 所示[33]。 在设计过程中， 每个创客都可以随时将自己的设计数据上传到数字孪生平台， 设计数据会自动生成三维显示的数字孪生模型。 因此，只要有创客提交了更新数据，所有创客都可以实时看到最新生成的无人机模型及其详细设计参数， 甚至可以让数字孪生体模拟其在不同环境中的运行情况。同时，数字孪生体的每一个历史更新状态也都被记录下来， 创客可以随时回溯到设计中的任意状态， 并查看该状态时的数字孪生模型参数及性能情况。而不同设计方案的优劣，可以从不同版本的数字孪生体参数和性能的比较中轻易得出， 这就避免了设计中不同设计人员理念冲突的发生。在此过程中，每个版本的设计方案比较也扩充了大学生创客的设计知识和设计经验， 使其设计能力不断得到提升。

（二）基于数字孪生的创客设计全生命周期管理

图4 基于数字孪生的无人机协同设计

传统的产品设计开发过程， 主要包括了从设计到测试再到生产这一过程。 同样以无人机的设计开发为例，其设计阶段主要包括需求设计、概念设计、详细设计等环节， 测试阶段包括材料测试、 系统测试、结构测试等环节。 通过测试后，则进入“产品原型—样品—小批量制造—大批量制造”的生产环节。通常要打造出成熟的无人机产品或一套生产流程，会经历多次迭代设计， 有时为了测试和验证产品的某一尺寸、部件间的装配关系或流程的一环，不得不制造出多个中间产品或重新设计流程， 耗费大量人力、物力和财力。同时，还存在的一个问题是：量产的产品进入市场后的具体运行情况往往无法跟踪，一般要通过售后维护环节， 才能发现产品在实际运行中的问题，从而使得产品的更新和升级相对滞后。

与传统创客空间产品设计不同的是， 基于数字孪生的产品设计通过全生命周期的虚实融合， 以及超高拟实度的虚拟模型构建等方法， 全面提高了设计的质量和效率。 在融入数字孪生的创客空间产品设计中，将产品生命周期变为数字孪生生命周期，产品生命周期中的设计、测试、生产、维护等阶段分别映射为模拟、验证、分析、预测等阶段，如图5 所示。

图5 产品生命周期与数字孪生生命周期之映射

在产品设计阶段， 通过高保真度的三维数字化仿真模型，实时呈现设计产品的最新可视化状态，帮助大学生创客对不同参数设计情况下的产品性能情况进行了解和判断，并通过不同设计方案的比对，获得更加完善的设计方案。在产品测试阶段，基于数字孪生体的虚拟运行情况， 可有针对性地即时修改其每一处部件的尺寸、参数和装配关系，使产品几何结构的检验和装配可行性的验证工作大为简化， 从而可以大幅度减少迭代过程中物理样机的制造次数、时间和成本。在产品生产制作阶段，数字孪生技术可以通过实时映射的方式，将产品内部结构中不可见、不可测的状态变量， 以可视方式标注并进行全方位分析， 从而精细地呈现产品制作过程中的每一个细节， 并对生产过程中可能存在的异常情况进行预警[34]。 在产品维护阶段，通过让数字孪生体再现物理产品在不同场景情况下的运行状况， 可以对所设计产品的相关参数和指标进行测评， 对其将来在实际场景中运行的总体性能进行预测。 从而及时发现产品的早期故障和设计缺陷情况并进行反馈， 以优化产品的后期运维和故障预防工作。

（三）基于数字孪生的创客设计沉浸式体验

与一般创客空间不同的是， 高校创客空间除了具有创意设计功能外， 同时还具有一定的教育教学功能， 即通过创新设计实践来提高学生的创新创业能力和使用所学知识来解决现实生活中实际问题的能力。在将知识结构与现实问题进行链接的过程中，可以将需要解决的问题或设计任务视为一种学习情境，让学生在体验和实践中开展学习，体验知识的创造过程，获得知识自我建构能力及技能方法的提升。体验式学习理论认为， 体验式学习过程是一个环形结构，包括具体体验、反思观察、抽象概括和主动检验四个阶段[35]。 其中，具体体验是让学习者完成反思观察、抽象概括和主动检验的基础和前提。体验式学习尤其强调体验的沉浸性， 即学习者全神贯注地将自己具身到相应的学习和实践场景中去实际感受。沉浸是让人专注在当前的目标情境中以感到愉悦和满足，有一种置身于虚拟世界之中的快感。沉浸式体验是体验式学习的一种理想状态， 能有效提升体验式学习的效果。 数字孪生能够给创客空间中的大学生创客提供良好的人机交互全息环境， 使他们获得身临其境般的沉浸式体验。

首先， 通过高保真度三维数字孪生体属性的具象可视化， 大学生创客能清晰地了解和掌握物理实体的微观构成信息和信息组件拼接信息， 从而获得对物理实体产品从微观到宏观、 从部分到整体全方位的认知印象。

其次，随着相关技术的不断突破，大学生创客对数字孪生体的感知不仅仅局限于视觉角度的观察和听觉角度的信息获取，同时，还可以扩展到全感官融合。 比如，将基于数据手套的触摸感知、压力感知以及通过手势识别技术的肢体动作感知等多方面的信息和感应进行融合， 使大学生创客在进行学习体验和设计实践时， 能完全再现真实的物理实体及其所在的具体物理场景， 从而了解和学习到真实物理系统本身所不能直接反映的系统属性和特征[36]。 尤其是在操作具有一定危险性的机器设备来开展设计时， 通过在使用前以虚拟体验的方式对设备操作方法进行了解和学习，有助于有效防范可能存在的操作风险。 同时，在沉浸体验过程中，通过学习和了解在实体对象上接触不到或采集不到的物理量的分析和仿真结果，大学生创客能够对物理实体产生更全面、更深入的认识和理解，其创造性设计的灵感也将被触发和验证。

（四）基于数字孪生的创客空间运行实时监控

对高校创客空间运行情况进行有效监控， 是确保创客空间运行质量和运行绩效的重要途径。 现有的创客空间多采用“层级主体”和“查评控结合”的运行监控模式。 “层级主体”模式重在自上而下层层监控，确保创客空间有序、高效运行；“查评控结合”模式强调“检查与抽查相结合、评估与评比相结合、监控与建设相结合”的监控思路。但以上两种运行监控模式均需要投入较多的人力和物力，且工作量较大，监控精准度也不够。

基于数字孪生对物理实体的实时刻画和复现能力，高校创客空间可充分利用其在数据的实时采集、处理、传输、清洗、融合等方面的优势，借助数据挖掘和信息可视化等技术， 实时监控和评估创客空间人员和设备的具体运行情况， 实时排查空间中存在的异常运行情况，提高创客空间的运行效率。其监控框架依据“建模—监控—评估”三个操作步骤，具体包括空间静态监控模型构建、 空间实时监控信息处理和空间运行状态实时评估三个主要功能[37]。

静态监控模型构建， 主要包括几何维度的三维模型和行为维度的创客空间系统模型，用于提供监控模型构建、孪生数据获取与传输模型搭建等支持[38]。空间实时监控信息处理是空间运行监控的核心，基于传感器和数据交互技术获取人员数据、空间访问数据、设备数据、设计过程数据、资金数据、成品输出数据等实时数据并进行分析处理。 空间运行状态实时评估，为空间运行优化提供了依据，具体包括安全性能评估、 设计制作性能评估和运行绩效评估。 其中，安全性能评估指标主要用来评估空间的安全运行状态， 包括设备安全性和人员安全性；设计制作性能评估指标由实时评估指标和过程评估指标共同组成； 运行绩效评估指标则从空间利用率、设备利用率、设计制作效率、空间产出效益等方面进行衡量与评价。

五、实践案例与应用前景

目前， 国外已有少数高校在将数字孪生融入创客空间建设方面进行了有效探索。 从文献查阅情况来看， 具有部分创客空间功能的高校实习实训中心是这些实践案例的主要形态。 这些案例尚处于高校创客映射空间的雏形阶段，功能较为单一，主要应用于大学生创客或工科学生的操作能力训练与培训，尚不具备映射空间的完整功能。这里，笔者选取芬兰坦佩雷理工大学（Tampere University of Technology，TUT）的柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）培训中心为案例，进行简要分析。

FMS 是由信息控制系统、 物料储运系统和数字控制加工设备组成的， 能适应加工对象变换的自动化机械制造系统[39]。 该培训中心将数字孪生引入到FMS 操作培训中， 主要目的是让学生快速掌握FMS的操作和使用技巧。 同时培训中心包括物理形态和虚拟形态两个操作空间， 物理空间由实体状态的FMS 构成， 位于设计和交付FMS 的供货商所在地；虚拟空间由与该实体系统完全一致化的数字孪生模型构成，具体如图6 所示[40]。

图6 FMS 培训中心的物理空间（上）和虚拟空间（下）

FMS 培训中心在具体运行上， 同时支持线上和线下操作模式。 线上模式通过FMS 的数字孪生功能实现， 允许学生在制造管理系统（Manufacturing Management System，MMS）中通过控制器（Controller）来操作数字孪生模型，而实体FMS 系统会跟随虚拟模型发生实时联动。 线上空间可以实时监视系统事件，允许用户跟踪起重机和其他设备的运行情况；控制器链接到代表物理FMS 的模拟器（Simulator），模拟器跟随MMS 控制器实时更改状态信息和通信信息[41]。在线下模式中， 数字孪生模型只作为独立的系统模拟装置，不与真实系统发生关联，此时MMS 控制器将替换为简单的控制器； 新的控制器允许学生向模型中引入生产订单和工作例程， 这对于设定制造系统的容量尤其有用。

在两种操作模式下， 数字孪生模型都具有FMS信息可视化的功能。可视化的途径之一是数字孪生模型能向操作者提供各种“兴趣点”（Points of Interest）功能，这些兴趣点给出了系统各组成部分的简要说明和附加信息。 其中，附加信息可链接到外部资源，例如，相关文档或网站等。 可视化的另一途径是基于事件的描述，比如，在FMS 中，仅通过跟随移动的托盘（Pallet），操作者很难理解系统中正在发生的事情，此时，可以通过运行时描述（Run-time Description）来进行详细的解释说明[42]。实践证实，基于数字孪生的FMS 培训空间对学生的FMS 操作技能培训非常有效。 首先，它消除了学习环境的位置依赖性和实体设备依赖性，从而使系统能在短时间培训更多的学生，提高了培训效率；其次，通过将FMS的操作数据链接到数字孪生模型，使学生的操作体验比单独定义的场景更为逼真，对操作技能的训练效果也更好。

虽然该案例只是实现了高校创客映射空间的部分预期功能，还无法完全实现实体FMS 系统与虚拟模型的双向交互以及对FMS 系统的全生命周期管理和实时监控，但基于数字孪生的FMS 培训中心的实用价值已体现出来，受到该校学生的青睐。由此可以预见， 融入完整数字孪生功能模块的高校创客空间具有广泛的应用前景， 不仅可以扮演创客资源空间、设计空间、制造空间、交流空间、共享协作空间等多种角色， 同时可以最大限度提升现有创客空间在创新和创意设计上的“广度”“深度”和“速度”，使其成为名副其实的创新创业人才和创新型工程技术人才培养“操作平台”和“孵化平台”。同时，融入数字孪生的创客空间， 还可以扮演工科专业实习实训中心的角色，大力推动高校新工科建设与发展。

六、结束语

数字孪生是一种朝阳技术，是与全息、5G、物联网、AR/VR/XR 等技术协同发展产生的新技术的代表，它正成为人们认识、解构和改造物理世界的新型技术和工具。当前，许多国际著名企业已经在推动数字孪生在产品设计、制造和产品服务等方面的应用，如，达索公司、西门子公司、参数技术（PTC）公司等。

本文提出尝试将数字孪生融入到高校创客空间建设之中， 在对高校创客空间的发展历程进行梳理的基础上， 分析了将数字孪生融入高校创客空间来构建“映射空间”的可行性，并从构成要素和构成层级两个维度， 设计了融入数字孪生的高校创客空间框架，具体为“创客协同设计”“创客设计全生命周期管理”“创客设计沉浸式体验”“创客空间运行实时监控”四个方面，对融入数字孪生的高校创客空间具体功能，进行了详细阐述。

从整体上而言，融入数字孪生的高校创客空间将推动现有创客空间实现如下变革：（1） 变革创意设计驱动方式，由传统创客空间中基于个人经验与知识驱动的创意设计，转变为孪生数据驱动；（2）变革创客空间产品的数据管理方式，由传统创客空间中以设计开发阶段的数据管理为主，扩展到产品设计的全生命周期数据管理；（3）变革创意设计方式，由基于物理空间的实体产品设计，转变为虚实融合的产品协同设计；（4）变革创客学习方式，由传统的基于知识经验的学习，转变为基于沉浸式虚拟体验的学习；（5）变革创客操作技能的实训方式， 由传统的基于真实场地的实训，转变为基于虚实映射空间的实训。

随着各种新技术进一步向前发展，5G 条件下以AR/VR/XR 为主的信息交互方式将逐步演进为基于全息通信的交互，视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉乃至情感将通过高保真XR 充分被调动， 为用户呈现完全沉浸式的全息体验[43]。 在不久的将来，面向人类个体复现的数字孪生技术有望完全实现，彼时大学生创客也将成为映射空间的一部分，形成无处不在的创客空间和学习空间。 虽然，融入数字孪生的高校创客空间的发展前景和应用前景非常广阔，但从当前的技术发展和实践情况来看，其离具体落地实施和推广还存在一定的差距，需要学术界和产业界持续协同推动。 我们应选择适应长期、可持续建设要求的建设模式和运作思路，达成分阶段实现高校创客映射空间的建设目标。