汽车制造数字工厂虚拟仿真实验教学项目建设与实践

陈 峰，韩晓英，杜玉晓，蔡述庭，彭祖群

（1.广东工业大学自动化学院，广州510006；2.广州大学实验中心，广州510006）

0 引 言

新工业革命对工程教育提出了新的需求和挑战［1-4］。广东工业大学近年依托“中国制造2025国际智能制造试点示范基地”，新建了汽车制造“数字工厂”实验产线和“面向应用领域的大数据云平台”私有云系统。充分利用智能制造与大数据云平台领域的先进实验资源，在云平台上部署工业级设计及仿真软件，开展“数字工厂”虚拟仿真实验教学，所建的“基于智能制造的数字工厂”虚拟仿真实验教学项目成功入驻教育部“实验空间”官方网站［5］，在“新工科”实验教学领域开展了有益的探索。

1 实体实验教学存在的问题

汽车制造数字工厂为新型成套实验教学设备，涵盖汽车工业定制化生产的原料仓库、冲压、焊装、涂装、总装、成品输送6大主要流程，使学生全面掌握从工业机器人到数字工厂的整个生产制造信息化流程［6-9］。实体实验产线如图1所示。

图1 汽车制造数字工厂实体实验系统

该实体实验系统构成复杂，相同设备台套数少，单体设备造价昂贵。实体实验教学存在以下问题：

（1）实体实验成本高昂。汽车制造数字工厂实体实验系统分两期投资2 000余万元，由工业流水线、工业机器人以及对应的控制与监测系统共同构成。设备购置和维护费用高，冲压、焊接、涂装、总装等实验流程的实验耗材消耗多，实验成本昂贵。

（2）实体实验教学效率低。汽车制造数字工厂实验教学内容相对复杂，涉及RobotStudio机器人编程、WinCC控制软件、Tecnomatix工业设计等多种复杂软件编程和调试。编程与调试时间长、教学效率低。

（3）设备台套数少，难以满足实验教学需要。由于实体实验设备、相关工业级设计软件价格昂贵，目前只投资建设了一条工业流水线系统及6套工业机器人系统用于模拟汽车工业生产的原料仓库、冲压、焊装、涂装、总装、成品输送6大主要流程。本科班50名学生，只能分为7组，每组7～8人开展实体验证性实验教学。学生工程实践能力提升有限。

2 虚拟仿真实验教学项目建设内容

2.1 虚拟仿真实验教学资源池建设

汽车制造数字工厂虚拟仿真实验教学资源以某工厂生产线为建模对象，采用RobotStudio实现对工业机器人的动作规划数字化设计；WinCC控制软件实现对控制流程的数字化设计，采用Tecnomatix工业设计软件将以上分立模型串联、融合、建立仓库、冲压、焊装、涂装、总装、成品输送整套虚拟产线模型，建立整体虚拟化汽车制造“数字工厂”计算机仿真模型。部分模型界面如图2、3所示。

2.2 基于私有云的虚拟仿真实验平台建设

（1）利用“面向应用领域的大数据云平台”大数据计算机机房强大的计算能力，在大数据云平台上建设50～100台高性能虚拟机，设置对应的登录账号，为学生搭建良好的虚拟仿真硬件环境［10-12］。

图2 基于Robotstudio的机器人焊接工作站虚拟仿真界面

图3 基于Tecnomatix的汽车产线虚拟仿真界面

（2）将昂贵且对计算机性能要求较高的专业设计和仿真软件RobotStudio、Tecnomatix、PLM、MES 等部署在多台虚拟机上，使得多人可同时通过远程登录开展工业机器人及智能制造系统的虚拟仿真，以自主学习的方式实现工程设计与应用能力的提高。

（3）通过先进物联网络，将多台虚拟机上的工业仿真实验程序远程下载到机器人与智能制造实验设备中，通过远程控制与监测系统实现对实体实验对象的远程操作使学生获得直观的、形象的、生动的知识。

该“先进物联网+大数据云平台+机器人与智能制造实验设备”的半实物虚拟仿真平台的成功建设，使得学生在远端即可开展从虚拟仿真到实物验证的工程实践锻炼，对以学生为中心的实验教学模式探讨提供了有效的技术解决方案。

汽车制造数字工厂虚拟仿真实验平台见图4。

2.3 虚拟仿真实验管理体系

在数字工厂虚拟仿真实验教学管理平台中建设“实验预约、资源共享、师生交互、教学管理、设备管理”等功能，实现实验时间、空间、内容的开放。

在实验时间上，中心实验室除了满足必修的实验教学内容外，其他时间向全校学生开放，在时间上为学生提供了保障。

在实验空间上，通过网络平台中多种形式的交互方式、辅助实验教学功能，如网络教学、网上元件查询、课程群网站等形式，打破空间的限制，学生可进行远程学习和实验预习。

在实验内容上，学生可根据自己的专业和兴趣，合理、自主地选择实验项目。在各个层次的实验项目中还设有基本要求、提高要求和探究环节，学生都可以根据自己的情况自主选择。

在综合设计实验中，学生也可以自拟实验题目和实验内容，进行自主探究实验等。

图4 汽车制造数字工厂虚拟仿真实验平台与实物实验设备

3 虚拟仿真实验应用范围与效果

资源建设在“大数据应用联合实验室”云平台上，60个服务器节点采用千兆网卡进行连接，采用万兆核心交换机实现远程数据交互，云平台教育网出口带宽为5 KM，云平台硬件带宽足以满足万人同时访问需求。目前，虚拟仿真实验教学项目资源分配为可支持1 000人同时在线，及50人并发访问同一资源服务。

虚拟仿真教学资源目前主要有2种共享方式：

（1）校内共享。资源目前主要面向校内开设了这些实验内容的教学班级进行共享。在指定的授课时间内，学生可以通过课堂电脑登陆大数据中心机房，集中开展虚拟仿真实验。

有兴趣的本校师生均可按照身份信息在中心教学管理平台上注册后，便可通过中心网站，在校园内、外授权使用虚拟仿真实验教学系统和实训平台。资源使用方式灵活多样，可以借助于PC等终端设备，不受人数、时间、空间限制，在提升资源利用效率的同时，较好地满足了校内多学科、多专业、不同层次的实验教学需求，切实提高了学生工程实践能力［13-15］。

在正常上班时间，只要中心机房没有安排教学任务，学生可以随时使用，开展虚拟实验，不需要预约。

（2）校外共享。2017年，学校申报的“基于智能制造的数字工厂虚拟仿真实验教学项目”成功入驻教育部“实验空间”官方网站（相关界面如图5所示）。在全国范围内，有兴趣的用户均可通过教育部“实验空间”官方网站登录开展数字工厂相关知识体系的学习和在线实验。

图5 教育部“实验空间”官方网站“数字工厂”虚拟仿真实验界面

在外网登录时，项目采用以下原则实现多人访问时的在线排队提示服务：

登录项目界面后，取号服务器给访问者一个排队号，同时检查系统中当前在线人数是否饱和，如果没有饱和，则把访问者引导至虚拟仿真实验页面，如果已饱和，则提示前面还有多少人在等待，预计需要等待多少时间。

当轮到访问者进入仿真实验页面后，需在规定时间内完成仿真实验操作。如超过规定时间，系统则认为仿真实验操作已经结束，强制访问者退出仿真实验页面。

4 结 语

汽车制造“数字工厂”虚拟仿真实验教学资源的建设与开放共享，在我校自动化综合课程设计实验教学中效果显著。该教学资源具有良好自主性、交互性和可扩展性，集创新设计、虚拟资源、教学管理和智能指导于一体。

学生通过远程登录虚拟仿真实验教学平台，可有充分的时间学习昂贵的主流“数字工厂”相关设计软件，在充分数字化仿真设计的基础上，将相关程序远程下载到实体实验资源开展验证性实验，使专业技能和解决实际问题的能力得到显著提升。