VR和数字孪生技术在高校智能制造实验室建设中的应用研究

盛冬平 徐红丽 尹飞鸿 苏纯 门艳钟 何亚峰

摘  要 以本科高校智能制造实验室为研究对象，分析高校实践教学、实验和科研活动中并存的几个主要问题，总结教学、实验和科研功能需求，分析具备跨专业并结合最新技术特点的智能制造实验室建设的目标和软硬件组成要素。最后提出基于VR虚拟现实技术和数字孪生技术的智能制造实验室的技术路线和建设方案，并分析VR虚拟现实技术和数字孪生技术在智能制造实验室中所具有的功能特点以及相应优势，为高校智能制造实验室的建设和发展思路提供有益参考。

关键词 VR;数字孪生;智能制造实验室;实践教学;实验;科研

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）20-0041-04

Abstract This paper takes the intelligent manufacturing experiment in colleges as the research object， analyzes several main problems of the coexistence of practical teaching and scientific research in uni-versities， and summarizes the objectives and hardware and software components of the construction of intelligent manufacturing labora-tory based on the functional requirements of teaching， experiment and scientific research and the characteristics of the latest technologyacross industries. Finally， the technical route and construction scheme of the intelligent manufacturing laboratory based on VR and digital twin technology are proposed， and the functional characteristics of VR and digital twin technology in the intelligent manufacturing laboratory are analyzed， which provides a useful reference for the construction of intelligent manufacturing laboratory in universities.

Key words visual reality; digital twin; intelligent manufacturing laboratory; practical teaching; experiment; scientific research

1 前言

現代网络技术、信息技术与制造技术深度融合形成的科技生态环境为生产制造带来革命性的影响。在生产制造领域，先进制造技术与互联网、云计算、物联网、大数据等信息技术交叉融合形成的智能制造产业链，使中国制造正逐步向个人定制+智能制造+移动电商的用户需求模式进化[1]。

面对科技的迅猛发展以及学科间的交叉融合，高校的生产实践教学也需要在理念、方式和模式等方面作出相应调整，以适配当前新技术的发展，使得学生所学和教师所教都能够紧跟最新技术，培养满足时代要求的国家建设者。

VR（Virtual Reality，虚拟现实）[2-5]是仿真技术与计算机图形学、人机交互和网络技术等多种技术的综合体。操作者需要戴上头盔，手持操控手柄或者利用数据手套等设备进入由计算机生成的虚拟环境，在该模拟环境中进行交互，使用户沉浸到该环境中，并且能够感知和操作模拟环境中的各种与真实世界一一对应的对象，从而获得身临其境的体验。

数字孪生体（Digital Twin，数字双胞胎）的概念自2003年由Grieves教授在密歇根大学产品全生命周期课程上提出后，逐步被业界关注。从本质上来理解，数字孪生体是以数字化方式复制一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对产品、制造过程乃至整个工厂的运行进行虚拟仿真，从而达到提高产品研发和制造效率的目的[6-7]。随着研究的进一步深入，陶飞等[8-10]提出数字孪生体在产品设计和数字孪生车间等方面的运用构想。但迄今为止，数字孪生体的构建和应用还主要集中在产品全生命周期的前端，即设计阶段，而对中后段包括生产运行、包装发货和后期正常运行以及维护阶段的应用和开发尚未有相关研究报道。

本文利用VR技术和数字孪生技术，结合高校智能制造实验室的设计和建设目标，给出相应的设计方案。该方案兼顾实践教学、实验和科研工作的需求，让学生在基于VR和数字孪生技术搭建的全生命周期设计理念中，结合智能制造实验室多个跨学科内容，掌握所学内容并了解最新的科技和发展方向，同时能够让教师基于该智能制造实验进行多学科交叉科研工作。另外，该方案也为VR和数字孪生技术首次在智能制造实验中的应用和发展提供了一条可行的思路和参考。

2 高校教学和科研并存的主要问题

教学方面的问题

1）人才培养模式比较单一，缺失面向工程实际的设计能力，且人才培养的内容偏离行业实际需求，也在很大程度上脱离了当前行业主流的技术发展方向。

2）师资队伍结构不合理。由于师资力量主要来源于直接从高校获得博士学位的应届毕业生，他们并不具备现代化企业所需要的项目管理和生产管理能力，也缺乏工程实际开发经验，导致在实践教学中脱离行业实际发展需求。

3）实验室的建设定位还停留在传统方式，资源配置效率低下，使得实验室资源不能得到充分高效的利用。另外，以教学为主的实验室是基于课程内容而建立的专业实验室，由于形式和功能单一，导致不利于甚至无法开展跨学科实验，也不利于交叉学科的协同创新，极大地限制了其功能。

科研方面的问题  由于功能单一，无法开展跨学科或交叉学科相关领域的科研工作，从而使得传统实验室无法满足当前科技发展带来的科研需求。

3 智能制造实验室建设的目标和组成

本文从教学、实验和科研三个方面来确立智能制造实验室建设的目标。

首先，从教学角度来说，可以考虑达成如下目标：

1）生产系统数字孪生概念、建模与仿真教学;

2）机械加工/数控加工教学;

3）数字化工艺规划与仿真教学;

4）智能制造系统概念、组成与功能教学。

其次，从实验角度来说，应达到如下目标：

1）数控加工实验;

2）生产系统运行监控实验;

3）生产过程智能调度实验;

4）生产系统运行流程仿真实验;

5）AR/VR虚拟加工流程仿真实验。

最后，从科研方面则可以从如下几个方向开展：

1）生产系统方案设计、仿真、分析;

2）加工程序仿真验证;

3）生产流程数字化仿真、分析、优化;

4）AI/大数据/云制造的理论研究和实验验证;

5）工业互联网/物联网方向的理论研究和实验验证。

为了达到教学、实验和科研等三个方向的目标，智能制造实验室须具备完备的软件和硬件配置：从硬件角度来说，主要包括立体仓库、物流AGV、加工中心、视觉检测设备、自动包装设备、上下料机器人、集中控制系统、数控机床AR虚实结合训练系统、VR集中显示环境;软件主要包括生产系统数字孪生软件（总控平台）、生产系统集中控制软件、数控机床AR虚实结合训练软件、数控加工编程软件、MES系统、CAPP系统、ERP系统、刀具管理与加工实时监测软件、PLM产品全生命管理系统。

当智能制造实验室从上述软件和硬件角度都达到相应要求时，则可以基本满足教学、实验和科研需求，并符合当前行业所具有的最新技术特点，同时可让学生在实验学习过程接触到最新的技术发展和态势。

4 智能制造实验的建设方案以及VR和数字孪生技术在其中的应用

建设方案  图1为智能制造实验室的技术路线。由图1可以看出，该技术路线包含了完备的软件系统和硬件系统，以及由对应的虚拟硬件系统和控制系统组成的数字孪生体。经分析可知，方案可以完成五大子功能：

1）基于数字孪生技术的本地/远程智能生产监控;

2）智能调度生产监控;

3）工艺规划和刀库管理;

4）在线检测和故障物料预测报警;

5）可视化数据管理采集分析和预测。

另外，所有的本地显示和数据可以用基于VR技术的大屏显示中心输出。

图2为基于图1所示技术路线而展开的智能制造实验室的详细建设方案和组成部分分解。由图2可以看出，该智能制造系统集成了外部物料输入、基于AGV的内外物料输送、基于中心主控机器人的环形制造线体（车、铣、刨、磨、镗等典型数控机床、3D打印、雕铣机）、地轨机器人搬运、质量检测系统、自动化包装系统等相关子模块。所有硬件系统均由数字孪生管控平台智能管控，并集成了相关的软件系统。数字孪生平台负责相关数据的采集、分析、判断、执行，优化产线安排以及智能检测与报警。另外需要特别说明的是，该总控平台所实现的各项功能是基于数字孪生技术而定制化开发，在该平台上可以开展相关教学、实验和科研工作。

VR和数字孪生技术在智能制造实验室中的应用  数字孪生技术是智能制造物理实验室的数字镜像，将物理设备、控制系统以及运行参数和数据以三维模型和数据形式输出，即具有智能制造实验室所有的功能属性。同时，该孪生数据也是VR显示输出的基础数据。值得注意的是，所有物理运动和控制数据可以通过实时数据传输驱动对应的3D数字模块进行相应的动作和运行，这样就可以起到对实验室运行状态的实时监控作用。另外，当有必要通过数字模型来反向驱动控制实验室物理设备的运行状态时，可以通过数字孪生平台实行反向驱动与控制。科研人员也可以基于该孪生数据进行相关的科研工作，如生产流程数字化仿真分析与优化、AI/大数据/云制造的理论研究和实验验证、工业互联网/物联网方向的理论研究和实验验证等相关领域的研究。

圖3为某智能制造实验室现场图。该实验室利用VR和数字孪生技术，并集成了主流MES生产管理系统和PLM产品全生命管理系统，既满足了具备最新行业技术的教学功能要求，又满足了相关科研工作的需求。

图4是以数字孪生技术输出的基础数据而建立起来的VR环境，通过戴上VR眼镜，可沉浸在和现场物理环境完全一样的虚拟环境中，体验完全一致的现场感，了解每个工位的运行情况和物料数据等信息，同时可以通过该虚拟环境对真实物理系统进行反向控制等相关操作。

5 结论

本文以高校智能制造实验为研究对象，分析高校实践教学、实验和科研并存的几个主要问题，总结了基于教学、实验和科研功能需求并具备跨行业最新技术特点的智能制造实验室建设的目标和软硬件组成要素，最后提出基于VR和数字孪生技术的智能制造实验室的技术路线和建设方案，并分析VR和数字孪生技术在智能制造实验室中所具有的功能特点以及相应优势，为各工科院校智能制造实验室的建设提供有益参考。

参考文献

[1]杨南粤，李争名，蔡智圣，等.面向创新实践的智能制造实验室的构建[J].实验技术与管理，2017（11）：236-240，267.

[2]曾一帆，黄仁纲，姚波.沉浸式虚拟现实技术在高校图书馆虚拟教学中的应用与展望[J].图书馆界，2019（5）：69-72.

[3]王文韬，谢阳群，李力.虚拟现实技术在图书馆中的应用前景分析[J].图书馆，2016（5）：10-14，20.

[4]赵立承，刘国有.可视化教学中VR技术在课件制作中的应用[J].黑龙江科学，2017（17）：152-153.

[5]黄鑫.基于VR技术的虚拟教学应用研究[D].武汉：华中师范大学，2005.

[6]周有城，武春龙，孙建广.面向智能产品的数字孪生体功能模型构建方法[J].计算机集成制造系统，2019（6）：1392-1404.

[7]一文读懂“数字双胞胎”[J].智慧工厂，2019（8）：21-22.

[8]陶飞，刘蔚然，刘检华，等.数字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统，2018（1）：1-18.

[9]陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用[J].计算机集成制造系统，2019，25（1）：1-18.

[10]陶飞，程颖，程江峰，等.数字孪生车间信息物理融合理论与技术[J].计算机集成制造系统，2017（8）：1603-1611.