基于数字孪生技术的汽车智能制造实训基地建设探索

熊继芬，彭朝晖，倪炳林

（广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007）

0 引言

2020 年4 月，中共中央政治局常务委员会会议明确：在常态化疫情防控前提下，要促进汽车制造、电子信息、新材料、生物医药等支柱产业恢复发展[1]。在如此特殊的时期，汽车产业作为制造产业的排头兵被放到了“稳住经济基本盘”的重要高度上。此时，职业教育作为人才供给侧更应为汽车制造产业培养大量技术技能型人才以支撑我国经济社会持续健康发展。

2020 年9 月，教育部等九部门印发《职业教育提质培优行动计划（2020—2023 年）》的通知中明确指出，要推动信息技术与教育教学深度融合，遴选100个左右示范性虚拟仿真实训基地，加快推进职业教育现代化，为助力经济发展增值赋能[2]。因此，示范性虚拟仿真实训基地建设项目是否侧重于汽车制造产业人才培养，服务经济发展是被广泛关注的。

2021 年，通过各职业院校自愿申报、省级教育行政部门推荐、专家遴选等环节，教育部印发《关于公布职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目名单的通知》，确定了215 个职业教育示范性虚拟仿真实训基地培育项目，其中汽车领域项目5 个，占比2.3%，明确聚焦汽车制造业的项目仅有1 个，即常州机电职业技术学院的“汽车关键零部件智能制造虚拟工厂”项目[3]。显然，针对汽车制造产业领域的示范性虚拟仿真实训基地建设及发展空间还有很大，值得职教圈不断探索和实践，有效提升职业教育对汽车产业的支撑力。

1 汽车智能制造实训基地建设思路

根据国家政策导向，中共广西壮族自治区党委，自治区人民政府在《关于推进工业振兴三年行动方案（2021—2023 年）的通知》文件中指出要打造包括先进装备制造产业（以汽车、机械装备制造产业为主）在内的2 个万亿元产业集群，做强汽车产业等重点支柱产业，并明确学校应在新能源汽车研发、汽车制造与汽车维修专门人才培养中发挥主要作用以此支撑该任务的实现[4]。因此，回归人才培养服务当地的现实需要，利用数字孪生技术开展汽车智能制造实训基地建设是紧紧围绕广西重点发展的14 个千亿元产业之一的汽车产业，属于广西工业振兴三年行动（2021—2023 年）中的重点工作任务，是紧密贴合国家政策导向的重要建设内容。

结合区域经济发展需求以及涉足汽车制造产业的示范性虚拟仿真实训基地建设项目紧缺的现状，充分对接汽车制造产业链，服务区域经济发展，提出汽车智能制造示范性虚拟仿真实训基地建设新思路，创新性地探索出一种将真实产线、虚拟仿真、数字孪生、精益生产等要素有机融为一体的，虚实结合的“整车装配线+装配工艺仿真系统+数字孪生系统”三位一体汽车智能制造示范性虚拟仿真实训基地建设新模式，有效支撑汽车制造企业转型升级对技术技能型人才的需求，解决了职业教育普遍缺少精益生产要素、忽略生产管理能力培养的问题，培养既具备汽车智能制造技术技能水平，又掌握汽车智能制造生产管理能力的复合型人才，赋能教育教学改革。

2 汽车智能制造实训基地建设内容

2.1 总体架构

汽车智能制造实训基地具体包含以下三大模块：

（1）现实整车装配线。满足汽车产业重点发展新能源汽车的现实需求，选取某款新能源汽车建设配套的真实整车装配线，若受限于教学场地可选择轴距较小的微型车，根据实际情况调整工位数以及作业内容进行针对性开发。考虑前期制造成本与后期使用及维护成本，可将各装配部件模块化为外形特征与实物件相同的特制件，提高特制零部件可靠性，避免易损件频繁更换带来的高使用成本。

（2）装配工艺仿真系统。根据整车装配线（现实生产线）补充开发成体系的装配工艺仿真系统。它既能实现整车装配工艺的离线独立使用，涵盖练习、培训、考核等功能；也能在生产调整时，与装配线数字孪生系统进行“虚-虚”验证，与现实生产线进行“虚-实”验证。其主要用于对学生开展整车装配工艺流程、装配工艺调整、技术标准等项目的训练。装配工艺调整、工序拆分等生产过程管理常用措施在只有现实产线这一单一训练资源的情况下，属于典型的高投入、高损耗、难实现训练项目，所以配套的虚拟端模拟系统的开发非常必要。

（3）数字孪生系统。开发配套的整车模拟装配线数字孪生系统，它是整车装配线（现实端）在虚拟空间的映射系统，与现实装配线在数据交互时，可以实现对现实装配线的运行监控；它独立运行时，可以在虚拟空间对产线运行节拍调整、工序平衡、车型柔性生产等进行仿真。主要用于对学生开展生产过程管理控制、生产调整、生产改进提升等生产管理能力的训练[5]。尤其是创新性开发了融入精益生产管理能力培养的功能，为提升职业院校毕业生职业素养进行有益的探索和尝试。最终将汽车智能制造虚拟仿真实训基地建设成为如图1 所示的架构。

图1 汽车智能制造示范性虚拟仿真实训基地架构图

2.2 实训环境条件建设

充分对接汽车制造产业链，服务区域经济发展，满足汽车产业重点发展新能源汽车的现实需求，以微型新能源汽车装配线为基础，建设配套数字孪生装配系统（数字孪生技术）、装配工艺虚拟仿真系统；应用智能传感（自动扭力控制）、机器视觉（自动防错）、工业机器人（AGV）、工业网络（暗灯系统）、PLC（分拣指示系统）、工厂云（制造执行系统）等智能制造技术，建设集智能生产、智能质量、智能物流为一体的汽车智能制造示范性虚拟仿真实训基地。

实训基地涵盖整车模拟装配中心、智能物流中心、全面客户评审中心（质量）及虚拟仿真中心四大部分，主要开展新能源汽车整车装配工艺、生产过程管理、物流仓储、全面客户评审等项目训练。

（1）整车模拟装配中心

面向新能源汽车领域，建设一条数字孪生整车模拟装配线，以车身（特制车身框架）为整车装配载体，实现车辆相关部件的装配，全面涵盖汽车装配的力矩、插接器、管路、内饰件、线束等典型安装工艺。整车模拟装配线设计由上线、装配、检测、拆装构成的环形循环产线，集成装配线控制、轮胎扭力控制、错落装检测、尺寸控制等智能技术应用，能实现工艺设计、工作平衡、生产控制、节拍管理、标准化作业、岗位自主保全、暗灯系统、统计过程控制等应用实训。

（2）智能物流中心

智能物流中心包含物料接收、存储、配送等三个环节，实现窗口接收、物料存储管理、物料拉动系统、排序送料系统、SPS 配送系统、AGV 配送等实训。

（3）全面客户质量评审中心

全面客户质量评审中心是以客户的眼光，对产品按照质量标准进行全面评审的场所，包含评审灯光系统、零件陈列台、评审平台等。可以实现产品拆装工艺设计、标准化操作单编写、产品质量评审等实训。

（4）虚拟中心

装配工艺仿真系统主要面向汽车智能制造类专业的教师和学生，可在虚拟端实现整车装配工艺、技术标准训练及生产过程调整后全新装配工艺的验证，为学校或企业技能人才的培养提供企业文化、岗位技能、职业素养、工艺流程的沉浸式体验和仿真实训。借助虚拟现实技术模拟生成三维空间的产品装配过程，学生可身临其境的体验整车装配操作工艺流程，在培养学生装配工艺、标准的同时大大降低了教学成本、难度和风险，提高实训教学效益。

数字孪生系统对应整车模拟装配线设计多个数字孪生应用工位。利用虚实互联技术，可在生产计划及生产各环节中虚拟和判断出所有的工艺流程可能出现的矛盾、缺陷、不匹配，为生产调整提供依据，大大缩短方案设计及安装调试时间，为数字孪生教学过程输出真实的典型素材。该系统接收各类传感器传输的整车模拟装配线实时数据，具备后台数据监控、整理及分析能力，并反向动态指导现实生产，实现现实端的虚拟仿真，仿真结果生成的数据又反向与整车模拟装配线建立联系，输出指令以指导生产，两者通过信息交互不断优化生产过程，方便且具像地培训学生生产管理能力[6，7]。

2.3 配套资源建设

（1）完善虚拟仿真实训教学课程

联合校企合作企业共建虚拟仿真实训教学课程体系，开发融入精益生产要素及课程思政元素的“新能源汽车装配技术”“精益生产管理”“仓储物流”等系列课程及配套课程资源，使其适用于汽车制造相关专业的教学。

（2）开发融入精益生产要素的典型实训项目

借助校企合作优势资源，结合企业真实生产过程的各岗位需求以及生产环节的实际问题，整合现有“汽车总装技术”“电控发动机装配技术”“新能源汽车技术”实训项目，融入精益生产元素开发对应的“装配工艺实训+精益生产管理实训”的典型实训项目，真实还原整车生产现场，针对性培养学生生产过程管理控制、生产调整、生产改进等生产管理能力以及整车装配工艺流程、装配工艺调整、技术标准等技术技能。

建设系列模块化装配工艺实训项目。包括驱动电机、车载充电机、电机控制器、仪表、整车线束、车门等部件的装配工艺训练，涵盖力矩、插接器、管路、内饰件、线束等典型安装工艺项目。

建设系列模块化精益生产管理实训项目。包括作业现场布置（5S）、目视化管理、标准化操作、全员生产维护、团队协作、实际问题解决、生产节拍调整、质量/工艺防错、线平衡改进等多个精益生产方法和工具的实训项目。

（3）实训教学体系科学合理，教学资源新颖实用，可交互共享

教学体系科学合理。项目以虚拟仿真实训环境、资源、团队、平台四个维度为建设核心，根据人才培养技能养成的特点，构建对应“整车装配线（实）-装配工艺仿真系统（虚）-数字孪生系统（虚）”的全新实训教学体系，以解决专业（群）实习实训环节中的痛点、难点问题，全方位培养学生职业素养与专业技能。

教学资源实用新颖、必要可行。建设创新性源融入了精益生产内容，开发既包括新能源汽车装配技术，又包含精益生产管理的实训项目及配套资源，部分素材取自本项目实际应用过程的真实案例，具有原创新和创新性，适用学生人才培养全周期的新能源汽车认知实训、新能源汽车装配实训、生产管理实训、物流仓储实训等内容，弥补了高职院校在生产管理应用方面教学资源的不足。而往往生产过程调整及装配工艺调整的现场验证又是周期长、成本高的项目，能将这些工作前置到虚拟仿真系统（装配工艺仿真系统、数字孪生系统）进行虚拟验证和调试，再转移至真实装配线进行现实应用，是高效降低成本、提高效率和质量的有效手段，也是各大汽车制造企业普遍采用虚实交替验证方法，高职院校人才培养涉足这方面的能力培养是及有必要的。

虚拟仿真资源具有交互性、智能性、共享性特点。虚拟仿真系统利用虚实互联技术，可智能化在生产计划及生产各环节中虚拟和判断出所有的工艺流程可能出现的矛盾、缺陷、不匹配，同时为教学平台输出真实的典型素材，实现“机-机交互”。学生可置身于虚拟生产场景中进行整车虚拟生产、装配工艺调整及生产过程调整验证等虚拟实训活动，实现“人-机交互”。虚拟仿真系统及其配套数字资源共享性强，在校校间、校企间实现资源共建共享。

3 结语

广西机电职业技术学院针对汽车智能制造转型升级的现实需要，在实训基地建设方面进行了全面思考和反复尝试，充分利用学校“机”“电”的深厚底蕴和特色优势，进一步与本土汽车领跑企业上汽通用五菱汽车股份有限公司合作，依托校企共建的“汽车产业学院”平台，升级高水平专业群虚拟仿真建设项目，建设汽车智能制造虚拟仿真实训基地，将其打造成集汽车智能制造类专业人才培养、企业员工培训、企业管理咨询服务于一体的综合型实训基地，选取五菱宏光mini 车身为整车装配线装配载体，配套建设其装配工艺仿真系统与数字孪生系统，校企双方持续深化前期合作，共同开发融入精益生产要素及课程思政元素的课程，共享师资队伍，在探索和实践过程中形成了以下经验：

（1）将虚拟仿真、数字孪生、实体产线三者有机结合，创新了传统意义上的虚拟仿真项目建设，创新性地提出了专业技术技能与生产管理能力兼备的能力培养模式，有效将整车装配线（实）、装配工艺仿真系统（虚）、数字孪生系统（虚）三者有机结合，在虚拟端和现实端实施人才培养。装配工艺仿真系统注重培养学生岗位基本技术技能，在虚拟端熟练掌握工艺标准、技术要点，为现实端应用奠定基础；数字孪生系统的虚拟产线注重学生生产管理的培养，可实现真实生产过程模拟及各生产环节的模块化实训项目训练；整车装配线则是注重“技能+管理”能力的双重应用，为培育专业技术技能与生产管理能力兼备的复合型人才提供了保障，而将生产管理能力培养作为高职院校人才培养质量标准的重要组成部分，是有效区分了中职与高职教育同类专业在人才培养规格上差异性的重要举措。

（2）为更好地发挥出汽车智能制造虚拟仿真实训基地的功效，在汽车智能制造领域，运用数字孪生等智能化与信息化高度融合的虚拟技术，植入了精益生产及标准化管理要素，开发了精益生产过程中典型的实训项目和配套资源，实现了“精益化、智能化、信息化”的有机融合，弥补了现实技术背景下虚拟仿真应用在人才培养中的局限性，扩充了虚拟仿真的功效。

换句话说，广西机电职业技术学院在探索和实践过程中提出的汽车智能制造虚拟仿真实训基地建设模式是传统意义虚拟仿真项目建设在功能上的升级，升级后效能更符合技术技能型人才培养需求，在职业院校教育教学活动中发挥更明显的作用，为高职院校汽车类及机电类学生从事相对高端岗位工作打牢基础。