基于数字孪生的开放教育远程实训教学应用研究*——以“智能制造数控机床加工”为例

刘永刚

（1.辽宁开放大学，辽宁 沈阳 110034；2.辽宁装备制造职业技术学院机械工程学院，辽宁 沈阳 110161）

随着现代科学技术的发展，开放教育从最初的广播电视教学，发展到现在的集网络教学、课堂教学等多种媒体技术于一体的现代远程开放式教学。开放教育采用排除对学习地域限制和障碍的教育教学方法，以教师、学校教学为引导，以学生自主学习为主，培养学生的主动自学能力。这种教学模式不受教学时间和空间限制，可以使学生在自主学习时选择更为实用和丰富的教学资源内容。开放教育作为现代社会教育新模式的远程教育，已成为我国实现高等教育大众化、构建终身教育体系和学习型社会的重要途径之一[1-2]。在知识理论学习方面，开放教育已经有非常完善的教育教学体系，但是在开放教育实训方面，由于受时间、空间的限制，目前还存在很多问题，开放教育实训是目前亟需完成的重大课题。

1 开放教育实训现状

实训教学作为开放教育教学系统中的重要组成部分，重点在于培养学生解决实际问题的能力，提高学生的实际操作能力，是针对理论教学设定的必不可少的教育教学环节[3-4]。同时，开放教育的实训教学环节事关学生实操能力、技能水平的提高，直接关系到教育教学质量。完成理论教学只是达到课程培养和专业设置预期目标中的一部分，实训教学是实现现代远程教育人才培养目标的不可缺少的另一部分。

由于受时空限制，开放教育的实训环节大部分都只是理论上的实训，在课程实训过程中创建逼真的模拟实训场景，学生通过在模拟的实训场景中创建实训内容，完成实训任务，这种实训方式也可以提高学生的参与积极性。但是这种实训没有与实际设备进行有效的信息交互，很难对学生实训任务完成的合理性做出有效判断，学生的创新度也不高。

目前，开放教育实训受到自身存在的诸多因素限制，还存在一些问题，如缺乏可供学生和教师使用的实施方案，教学体系构架不够完整，没有专门的教材，教学资源又相对不足等[5]，同时实训教学形式上又比较单一，缺乏足够的实训基地、实验室、实验仪器等，并且实训教学的时间安排随意性较大。此外，学生的绝对人数和相对人数都在增加，教育越详细，需要的专业教师越多，因此教育成本也在增加。

影响开放教育远程实训教学、教育的因素有很多，主要因素是数据信息的传输以及多媒体技术。探索新技术，缩小理论探索与实际应用之间的差距，哪些技术能在最短的时间内让学生掌握更多的知识。针对这些问题，笔者以数字孪生技术为手段、以实物设备为基础，开展孪生设计和真实设备实训，既创设与企业相同的工作情境，又与理论教学相融合，对当前开放教育发展而言十分必要。

2 数字孪生

2020—2030年，是数字孪生体技术的深度开发和大规模扩展应用期。在PLM领域，或者说以航空航天为代表的离散制造业，是数字孪生体应用和概念的发源地。目前，数字孪生体技术的应用领域也正在从智能制造等工业化领域向数字政府、智慧城市、孪生教育等数字化、城市化、全球化领域拓展[6]。

数字孪生可以模拟现实世界的具体事物，是基于传感器所建立的某一物理实体的数字化模型[7]，是集成多概率、多尺度、多物理量、多学科的仿真过程，利用运行历史、传感器更新、物理模型等数据，从而反映相对应的实体设备的全生命周期过程，在虚拟空间中完成映射[8]。在智能制造环境下，数字孪生搭建了车间中物、机、人之间的互联互通，实现物理实体的可交互、可跟踪、可识别[9]。数字孪生（Digital Twin, DT）技术则构建了车间“情境感知—仿真计算—协同决策—生产执行”的闭环逻辑，使得制造业生产管控模式发生了显著变化。

通过实时数据在数字孪生模型中推动工业全业务流程闭环优化，并持续通过数据修正、完善物理模型。技术层面，在工业自动化的基础上，数字孪生在实时性、参与度和闭环性等方面提出了更高的要求，因此将会由许多独立工具、平台、基础设施、协议等来支持其运行。随着工业互联网、边缘计算、5G、云计算等技术的成熟度的提升，数字孪生逐渐从概念走向现实。

数字孪生基于精准物理模型可提升企业的综合决策能力，推动全业务流程闭环优化，其结构包括连接层、映射层和决策层。连接层具备采集感知和反馈控制功能，是数字孪生赋能制造业的关键环节；映射层具备信息互通、模型互通和数据集成功能，基于信息模型构建和融合实现工业通信优化，实现大数据融合；决策层以低成本的方式将指令反馈至物理实体，实现闭环控制。

数字孪生是以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，从而实现从产品设计到制造执行全过程的数字化，创建一条数字线程，关联全过程所有步骤[10]。目前，对工厂车间内设备的工作进行智能化管理和控制，是通过结合VR技术、数字孪生技术、云技术以及互联网技术对工厂内的生产设备状态进行实时监控，从而实现虚拟场景远程控制的目的。本研究以数字孪生技术为支撑，通过搭建远程实训教学模型，解决开放教育远程实训的问题。

3 远程教学实训模型搭建

要进行远程实训教学，需要进行相应的软硬件平台的建设，需要建立设备端与应用端，实现设备端与应用端的信息互通。建立数字孪生远程开放教育实训教学平台，首先开发与远程教育科目相符的物理设备平台，开发的物理平台与数据接口接入开放教育远程网络。开放数据接口，将物理实体中的数据在数字孪生环境中展示和调用，真正实现双向互通。同时，物理平台周边要布置相应的AI摄像头，以便于远程授课时学生能实时查看设备运行状态。

远程实训教学架构如图1所示，针对不同的专业方向，在远程数字孪生实训平台上进行相应的实训教学。对远程实训教学进行应用研究，实现从产品的智能化设计、仿真到实训的整体架构建设。数控专业，在数字孪生平台进行数控编程加工，导出NC代码到物理实训区或与实训工厂数控机床实现联动，进行加工实训训练。模具专业，通过远程数字孪生实训平台进行模具设计，设计完之后与生产线单元实现联动。机电专业，在数字孪生平台进行机械结构和产品设计，并且对零件进行装配，完成机电设备的虚拟设计，同时与生产线单元进行联动。自动化专业，在数字孪生平台进行PLC编程，编程完后与实体PLC控制单元或三轴设备单元进行联动。工业机器人专业，在数字孪生平台进行机器人的离线编程和应用训练，编制完程序后，与现场机器人进行联动。

图1 远程实训教学架构

针对不同的专业，开放教育的学生可以通过数据交互，使自己搭建的数字孪生模型与实训室设备进行联动。以不同专业的教学理念为标准，在远程实训教学中，根据企业实际的生产运行情况，设置各种职业角色及实训岗位，与企业人才需求实现无缝对接，为企业培养实战人才。根据远程实训教学架构需要建立设备端和应用端，分别对设备端和应用端进行研究。

1）设备端。创建实体物理设备实训环境，实训环境与实体工厂相似，并且将实训设备分成相同或不同的多个功能单元部分，以便更多的学生能够同时进行实训。开放教育的学生通过与实体设备的联动实训，能够获得实际的创新能力、技能等。将物理实体设备按照工厂实际工作岗位的情况进行设计，实施工作任务。具备不同的实训单元，培养学生在不同工作场景下解决实际问题的能力。构建一套层级式、教学思路清晰、工业高度真实的教学系统，为学生工程实践教学提供一个先进的、创新的、密切联系工业生产实际的工程实践实训设备端。设备端由智能制造虚拟仿真系统、计算机信息系统、加工制造执行系统、生产物流及仓储系统、质检系统、监控系统等组成。同时，设备端建设了基于创新型、综合型、技能型的多功能实训室，既贴近于工业化生产，又立足于创新实践。

2）应用端。应用大数据分析技术，在云平台服务器上搭建一个开放教育的数字孪生教学平台。开放教育的学生通过登录数字孪生平台，可以在平台上进行相应的教学设计任务。当任务完成后，可以通过数据接口与现场的设备进行对接，完成远程实训工作。学生通过数字孪生教学平台能快速掌握实体实训设备的物理特性，并获得相应的数据分析决策支持，能识别实体设备的异常运行情况，并及时向实体实训设备下发控制指令，以便有效通过数字孪生模型对实训设备进行操作。同时，在应用端，学生能通过视频监控实时监控物理实体设备的运行状态。利用数字孪生技术，学生可以在平台上将学校现有实训工厂的实训设备或者企业的生产线设备搭建起来，并且通过数据传输连接到实体设备，实现真正意义上的实训。应用端的数字孪生平台能全面补充、设计与真实设备相同的虚拟设备，并贯穿于整个实训教学过程。应用端需要在虚拟系统中建设与真实环境一致相融的岗位角色关系、规范、要求、标准、工作内容等，使开放教育的学生充分体验真实的生产制造环境。

4 实践应用

设备端以实体设备智能制造数控机床加工单元为例，应用端以数字孪生模型设计为主，以理论学习为辅。在开放教育远程实训教学过程中，数字孪生模型设计与实训工厂设备的联动是实训教学的核心。

4.1 实训流程

根据智能制造数控机床加工单元的工作流程与控制工艺，在应用端数字孪生平台设计机床加工的生产过程程序。通过数字孪生模型与实体设备相结合的模式进行远程实训教学，实现理论与实践的无缝连接。实训流程基于设备端和应用端同步运行，设备端是一套集系统认知、设计、制造、创新于一体的智能化教学实践平台或工厂设备。学生可通过应用端提供的3D零件模型设计搭建任意系统组合，也可通过平台提供的实物模型搭建不同的制造应用场景，真正实现从简单机构到组合工作站及组合系统的各种形式组合设计。开放教育的实训流程如图2所示。

图2 开放教育的实训流程

根据开放教育的远程实训课程内容，教师通过数字孪生教学平台发布一套实训任务。学生在接收到实训任务后，要对任务的内容进行规划，并进行相应的原始方案设计。在设计过程中，教师要实时指导学生的方案内容，对方案内容不完善的地方提出指导意见，并协助学生进行修正。在方案设计审核合格之后，学生要按照实训的内容进行与实训工厂实物相匹配的数字孪生体模型的设计。数字孪生体模型设计完之后，学生首先要进行虚拟仿真验证，验证结论需正确，再由系统给出具体指导意见；然后学生要把数字孪生体上传到开放教育的教学平台上。教师会根据学生虚拟仿真验证的结论给学生开通与物理实体设备进行数据交互的部分功能权限，学生再将搭建的数字孪生体与实训工厂的设备进行对接，实现远程实训操作。并且在实训过程中，视频监控系统会进行全方位的视频记录，以便于后期学生自查问题。

4.2 应用端数字孪生平台

数字孪生平台如图3所示，功能包含对象容器与程序容器的配置、机器人或PLC的信号配置、机器人数据与PLC数据之间的通信、硬件连接、仿真功能的控制与视频录制功能的使用等。

图3 数字孪生平台

在应用端数字孪生平台设计与实体设备匹配的数字孪生模型。对象容器用来实现模型的机械运动，主要用于对场景中的电气元器件或机械执行机构进行配置，配置完成的模型才能完成机械仿真运动。程序容器用来控制设备的一系列运动，实现对工业机器人和数控机床仿真运行的控制，包含工业机器人程序容器、数控车床程序容器和加工中心程序容器。

学生在数字孪生体平台进行实训时，可以通过控制数字孪生体来实际控制实训工厂的设备，实训工厂的物理设备与数字孪生体是完全匹配运行的。同时，由于在现场设备周围布置了多组摄像头，学生也能更直观地观察设备的运行情况。针对不同水平的学生，设计不同的教学任务。对于低年级的远程教育的学生，在开放教育的平台上，可以直接使用数据库中一些简单的数字孪生体来对接实训工厂的单一物理实体进行远程实训操作。对于高年级的学生，要求其能独立设计数字孪生实训模型，并能进行远程实操实训。

5 结论

综上所述，基于数字孪生的开放教育远程实训的应用研究可解决目前远程教育实训难的问题，能极大地解决由于实训难造成的学生实际操作能力差、独立思考能力差的问题。通过数字孪生技术，学生能够实际掌握从设计到实操的整个实训过程，对于后期在企业工作有极大的价值，可以让更多学生在无法接触实际设备的情况下，通过数字孪生技术了解更多学科融合技术，并学习数字孪生这一先进的科研测试手段。同时，基于该研究学生可以开展各种创新型实验活动，有利于培养学生的动手操作、分析调试、设计的能力和创新意识。