数字孪生课程理论与实践教学探索

李 浩，王保升，闫注文

（南京工程学院智能装备产业技术研究院 江苏 南京 211167）

党的十九大提出“加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”[1]。数字孪生能够驱动智能制造的发展，契合我国以信息技术为产业转型升级赋能的战略需求。数字孪生日趋成为各界研究热点及众多企业业务布局的新方向，应用发展前景广阔。国内高校也将数字孪生设置为智能制造工程、自动化专业的核心课程，机械工程、信通工程、计算机工程等专业的一门重要的选修课程。数字孪生课程能够开启学生对数字孪生技术的兴趣、了解数字孪生的发展概况和我国制造业的发展现状、掌握相关技术以及在制造领域的应用，使不同专业学生能够将数字孪生技术应用在自身专业领域中。同时，通过数字孪生课程的理论和实践教学，使相关专业学生具备与智能制造技术应用或研发的专业素养，符合新工科建设的新要求[2]。

数字孪生是随着智能制造发展而提出的一门新兴课程，具有强烈的时代特征[3]。数字孪生[4-5]最终需要落实在工程教育实践中，而其成效关键在于工程专业教师。工科教师自身要有在孪生空间融合数字和物理世界的意识，如此才能更好地引导学生并向学生传递融合所需的意识。目前，对自动化、机械工程等专业的教师，除了少数在数字孪生领域有研究经历外，多数教师对此了解不够全面深刻，不能够较好地展开理论教学和实践教学活动。因此，笔者通过开展“数字孪生及其在智能制造中的应用”课程[6-7]的教学工作，从理论教学内容和实践教学内容两个方面，研究总结了数字孪生课程理论与实践教学的经验。

1 数字孪生课程理论教学内容

数字孪生是三维数字建模的一种高级形态，主要作用是服务于工业4.0建设，是当前智能制造的核心技术之一，代表高端制造业未来的发展趋势，并且适用于航空航天、船舶、电力、汽车、医疗、城市等多个领域。数字孪生理论教学内容旨在帮助学生深入理解数字孪生的发展概况、掌握相关技术以及在制造领域和其他领域的应用，拓宽学生的视野。理论教学的目标如下：①熟悉数字孪生的概念、发展和应用现状；②掌握典型数字孪生系统的架构，掌握三维模型和五维模型的构成；③熟悉数字孪生涉及的建模、模型驱动、信息采集与传输、计算等关键技术；④掌握数字孪生在设备与产线状态监测、产品装配、工艺分析与控制、产品追溯与运维中的应用；⑤了解数字孪生在智慧城市等领域的应用。

据此展开的数字孪生技术理论教学内容包括：

①数字孪生概论。了解数字孪生的发展历程；掌握数字孪生的定义和内涵；熟悉数字孪生的工程应用价值；了解数字孪生的应用现状；了解数字孪生与智能制造之间的关系；了解数字孪生与CPS等平行系统之间的关系。

②数字孪生系统的体系结构。掌握数字孪生的三维模型和五维模型的构成，了解两种模型适用的范围；了解典型数字孪生系统的参考架构；了解数字孪生系统的应用框架；了解数字孪生不同应用层次的特点。

③数字孪生的关键支撑技术。了解数字孪生的关键支撑技术有哪些；熟悉常用的建模与仿真软件；了解VR、AR、MR、数字线程、物联网、云计算、雾计算、边缘计算、大数据、机器学习、区块链的基本概念以及对数字孪生的支撑。

④数字孪生在智能制造中的应用。了解产品数字孪生、制造过程数字孪生和设备数字孪生的定义、内涵、基本特征和基本需求；了解三种数字孪生系统的基本构成与关键技术；了解产品数字孪生与数字化样机、数字化产品之间的区别；了解制造过程孪生与虚拟制造的区别；了解设备数字孪生与SCADA和DCS的区别；熟悉典型应用的流程。

⑤数字孪生在其他领域的应用。了解数字孪生在交通、电力、航空航天、智慧城市等十大领域的应用；熟悉相关专业领域的典型应用场景；了解数字孪生在智慧城市中的应用；了解孪生城市的基本概念、典型应用场景和典型案例。

数字孪生课程的核心内容采用直接讲授的方式，对于重要的理论结合当前前沿应用进行讲解，降低理解难度，并有选择地介绍专业性强的知识点，注重激起学生的兴趣，比如，增加纪录片鉴赏环节，节选《我们的智造》《工业传奇》等进行播放，在学习专业知识的同时，了解国内外的最新发展趋势。

2 数字孪生课程实践教学内容

应用Unity3D软件，设计开发了基于数字孪生的三维型材拉弯平台。平台能够在系统运行时对实体设备进行实时监控，了解设备的运行状态。如图1所示，实验实体为具有十二个自由度的三维型材拉弯设备，设备左右两侧为对称结构，包括六个线性轴（左侧x、y、z轴，右侧x、y、z轴）和六个旋转轴（左侧A、B、C轴，右侧A、B、C轴），主体上安装有压力、拉力、温度等多种传感器用于监测三维型材拉弯过程中各种物理数据的实时变化情况，设备末端为气压卡盘抓手用于固定待拉弯的三维型材；实验实体对应的数字孪生体使用Unity3D软件进行虚拟场景建模，包括车间、设备、零件、灯光等，SoftServo模块能够实时采集实体设备整个生命周期的各种信号数据，包括各个轴位置、压力、拉力、误差和振动等，并通过Unity3D将实验实体的状态实时同步到虚拟设备，同时，也可以通过编写C#程序驱动虚拟设备十二个轴和两个卡盘运动，并利用Soft Servo模块将运动同步到实验实体，实现实体设备的反向控制。

图1 基于数字孪生的三维型材拉弯平台

基于三维型材拉弯平台，数字孪生课程实践教学包含三个阶段，初级、进阶和高级。

①初级。包括了解三维型材拉弯平台布局、各个设备的结构、功能和运行方式以及传感器的类型和特征，该阶段主要是为了让学生熟悉平台的构成；同时，让学生学习Unity3D软件的使用，了解数字孪生系统架构和数字孪生涉及的建模、模型驱动、信息采集与传输、计算等关键技术。

②进阶。进一步深入学习三维型材拉弯设备和传感器的使用，结合三维型材拉弯平台，利用Unity3D软件，在保证相应刚体属性的前提下，完成设备某个部件的数字模型构建，例如气压卡盘、线性轴或旋转轴等；然后，学习SoftServo模块的通信接口，实现对实验实体实时数据的读取功能，并同步驱动数字孪生体进行相应运动；该阶段主要是为了让学生掌握数字孪生体建模、信息采集与传输、模型驱动的方法。

③高级。进一步深入学习三维型材拉弯平台的使用，根据设备的行程、精度、拉力负载，让学生设计被拉弯的型材和夹具，并利用Unity3D软件完成数字模型的构建，保证相应的刚体属性；然后，学习多轴运动轨迹规划控制方法，通过编写C#程序，在Unity3D软件中进行动态模拟仿真，驱动虚拟设备的各个轴和卡盘运动，验证三维型材拉弯的可行性和正确性；最后，通过SoftServo模块对实体设备实现反向控制，完成实际三维型材的拉弯；该阶段主要是为了让学生掌握数字孪生体模拟仿真验证的方法和从数字孪生体到实验实体的反向控制方法。

通过上述三个部分的学习，学生能够基于三维型材拉弯平台实现虚拟模型的创建、掌握基于逻辑事件驱动的虚拟仿真技术和从虚拟模型到实验实体的反向控制方法，深刻理解数字孪生的概念、架构和实现方式。

3 结语

笔者通过开展“数字孪生及其在智能制造中的应用”课程的教学工作，研究总结了数字孪生课程理论与实践教学的经验，结合新工科人才培养要求，给出以下建议：

①采用国内外纪录片鉴赏、前沿工业应用案例讲解、课堂讨论等多种方式，寓教于乐，融学于趣，化教于心，提高课程的趣味性，激起学生对数字孪生技术的学习兴趣；

②注重基础知识的讲授，对于重要的理论结合当前前沿应用进行讲解，并通过动画演示的方式，降低理解难度，确保每一位学生都能够掌握相关知识，为后续的实践课程打下坚实的基础；

③通过项目实战的方式进行实践教学，学生自主分析设计、编程实现和测试验证，突破了传统数字孪生课程只有理论教学的局限，有利于学生探索精神、自主学习能力和实践能力的培养。三维型材拉弯平台构建了一个基于数字孪生的工业智能制造案例，展示了机械制造与计算机技术深度融合的应用示范，促进了数字孪生技术在机械、生物、化学等学科的应用，提高了学生对知识融会贯通的能力。