数字孪生技术发展及其在自动化专业教学中的应用探讨

江吉祥

摘 要：随着数字孪生技术在自动化领域的应用，通过数字模型的设计和搭建、系统的模拟和仿真、虚拟现实技术的交互，可以让自动化专业教学通过低成本、低风险的途径，紧跟时代技术发展步伐。本文就数字孪生技术的发展及其在自动化专业教学中的应用进行探讨。

关键词：数字孪生    技工院校    自动化专业

数字孪生（digital twin），即现实世界（系统）的数字化，是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段在虚拟世界中构建一个完全相同的数字实体，借此来实现对物理实体的了解、分析和优化，同时可借助传感器数据了解物理实体的状态变化，并对变化做出响应，从而帮助实现改进操作。

一、数字孪生技术的发展现状

数字孪生技术初期主要应用于军事方面。现在数字孪生技术一方面向研发设计和生产制造领域延伸，覆盖产品全生命周期、全产业链;另一方面逐步向电力、汽车、医疗等民用领域拓展，并开始向建筑、交通、城市等更复杂的行业延伸，显示出广阔的应用前景。数字孪生生态正在加速形成，有望改变行业竞争规则。目前在产学研各方面的共同努力下，我国以数字孪生为核心的技术、产品、组织和产业也正在快速成长、成熟。

二、技工院校自动化专业教学面临的困境

目前，我国正在大力发展高端装备制造业，这个行业的核心就是工业自动化。由于市场缺口大、高端人才匮乏，所以各个技工院校甚至高校都非常重视自动化专业。而工业自动化技术日新月异，工业装备技术更迭周期越来越短，这给教学带来了巨大挑战。现在自动化专业在教学上面临几个亟待解决的问题。

（一）自动化设备成本高、需求量大

要保证自动化专业的教学质量，离不开先进的自动化设备，但这些设备一般价格高昂，对于学校来说有巨大的资金压力。另外我国技工院校学生数量多，每个班的学生少则二三十人，多则四五十人，这与西方发达国家的职业教育学情有很大不同，所以我国的技工教育大都无法实现小班化教学。学生多，需要的设备自然也多，这无疑会大大增加教学的成本。

（二）设备安装调试易出错、易损坏

一般情况下，设备的自动化程度越高，其所使用的控制线路和控制单元也越复杂，且往往伴随着复杂的安装、接线和调试工作。学生在学习和操作过程中难免出现失误而导致设备损坏，设备复杂程度越高损坏率也越高。

（三）自动化控制技术更新速度快、硬件設备淘汰周期短

当下，自动化技术随着人工智能等技术水平的提高，正由原先的自动化向信息化、智能化快速发展。技术更迭加快带动产业升级加快，设备淘汰周期也较以往大大缩短。

三、数字孪生技术在自动化专业教学中运用的优势

如果解决不了设备问题，自动化专业教学想要贴近企业实际就是空谈。随着数字孪生技术在各行各业的应用，越来越多的技工院校开始关注数字孪生这项技术，并开始尝试将这一技术应用到与之契合度很高的自动化专业中。

第一，应用数字孪生技术，可以解决现有自动化专业教学设备无法满足学生上课和实训需求的问题。有些自动化专业设备如五轴机床价格昂贵、购买难度大，而且可能因为操作不当或其他原因导致设备损坏，师生在进行这些大型设备的操作过程中也面临安全风险。而通过数字孪生中的虚拟仿真技术，用软件孪生多套数字化设备，就可以解决教学资源短缺、设备使用安全、师生人身安全等一系列问题。

第二，应用数字孪生技术，可以完成数字化模型，并将真实参数传给数字化控制系统，二者进行信息交互。教师和学生可以根据数字化模型的运行情况，提前模拟验证控制系统存在的问题，不断改进方案，直至全面验证无误后再进行设备和生产线的搭建，提高了学习效率、降低了教学风险和成本。

第三，应用数字孪生技术，可以将自动化专业群的课程教学调整为对接产品全生命周期的，以任务为驱动、产品为载体的一体化教学模式。教师在教学中借助数字孪生技术开展教学做一体化训练，基于数字孪生技术实训中心现场的生产线虚拟端和真实端实施各项任务，并实现两者的数据流动。借助数字孪生技术的专业群课程教学，可以显著提升工学一体化、项目式课程教学的效果，使学生掌握产品全生命周期各环节的知识和技能，并理解数字化制造的核心理念。

第四，应用数字孪生技术，可以将学校原有的设备经网络关联在一起进行数字化升级改造，形成一套可及时更新的完整系统，从而构建起教学工厂。在数字教学工厂中，一台计算机就可以完成整个自动化工程项目的实时流程模拟，再通过内置标准IO驱动程序，兼容多种品牌、多种型号工业机器人、PLC等相关通信协议，让学生顺利完成各种自动化系统知识的学习。由于全部生产线场景及部件均来自工业一线，具备CAD模型通用接口，教师和学生还可以根据教学实际需求确定自己的虚拟教学实训项目，盘活学校现有的教学资源，并通过数字孪生技术对接当下最前沿的工业技术。

四、数字孪生技术发展与应用展望

随着自动化技术、通信技术、AI技术等的快速发展，工业制造行业已经从机械化进入自动化，并从自动化开始逐渐向智能化领域延伸。数字孪生技术与自动化的紧密结合，将助力自动化向智能化更快发展。

应用数字孪生技术，技工院校可在原有实训课程基础上，进一步拓展、丰富教学资源，提升教师的教学科研能力。同时数字孪生的应用不仅可用于学生的专业学习，还可以培养学生以更抽象的层次和架构，以更广阔的视角来看待各种工业场景和案例。从前瞻性角度看，智能化工业体系需要网络化和数字化这两只轮子来支撑。应用数字孪生技术打造的自动化专业教学，最大限度地促进了网络和数字化的实现，可以让技工院校培养的学生紧跟时代步伐，紧贴技术前沿，成为当今社会真正需要的高素质技能人才。

参考文献：

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，2018，24（1）.

（作者单位：青岛市技师学院）