智能装备技术虚拟仿真实训基地建设研究

刘晶 邓其贵

摘  要  职业教育虚拟仿真实训基地可以有效解决实训中看不到、进不去、成本高、危险性大等问题。以柳州职业技术学院为例，按照“校企合作、虚实结合”的建设思路，以企业生产制造环节产品设计、装备制造、生产与物流、设备运维的生产制造装备工程链为主脉络，探讨高职院校智能装备技术虚拟仿真实训基地建设。

关键词  高职院校；智能装备技术；虚拟仿真实训基地；实践教学；“三教”改革

中图分类号：G484    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）07-0010-05

0  引言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》《教育信息化“十三五”规划》《教育信息化2.0行动计划》以及教育部等九部门印发的《职业教育提质培优行动计划（2020—2023年）》等政策文件提出，提质培优、增值赋能、以质图强、加快推进职业教育现代化，遴选100个左右示范性虚拟仿真实训基地等作为重要发展任务；加强职业院校、高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，服务信息化教学需要；加快建设在线智能教室、智能实验室、虚拟工厂等智能学习空间。虚拟仿真实训基地建设顺应国家职业教育改革潮流，有助于国家教育信息化的实现。本文以柳州职业技术学院为例，探讨高职院校智能装备技术虚拟仿真实训基地建设。

1  虚拟仿真相关概念解析

1.1  虚拟现实

虚拟现实也称虚拟实在，是利用计算机产生一种高度逼真的，模拟人在现实环境中进行视、听、动等行为的虚拟环境，通过多种传感设备使人（用户）“投入”该环境中，实现人与该环境间的自然交互。传感设备包括立体头盔、立体声耳机、数据手套、数据衣等穿戴于人身上的装置，以及设置于现实环境中、不直接穿戴在人身上的传感器，如摄像机、地板压力传感器、声音设备、位置跟踪器及其他手控输入设备等。

1.2  增强现实（AR）

增强现实（AR）是将现实世界信息和虚拟世界信息无缝集成的一种人机界面技术，是对在现实世界的一定时空范围内很难体验到的某些实体信息（如视觉、声音、味道、触觉等），通过计算机等技术模拟仿真后，再叠加到现实世界。通过增强现实，真实的环境和虚拟的信息实时叠加到同一个画面或空间中，被人类感官所感知，达到某种超越现实的感官体验。

1.3  虚拟仿真技术（VR）

虚拟仿真是由我国学者对Virtual Reality（简称VR）翻译而来的，也称虚拟现实。有学者认为，虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。它是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于使用者，使之产生身临其境的交互式视景的仿真。它综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学，是现代仿真技术的高级发展和突破，使用者借助必要的设备自然地与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验，使人机交互更加自然、和谐。

目前，虚拟仿真被大家广泛接受，但对虚拟仿真的认识都偏向虚拟仿真技术，该技术有几个特点：基于计算机系统创造，需要借助头盔显示器（HMD）、数据手套等辅助传感设备，具有沉浸感、造价昂贵、更新换代快。

为了实现体验真实世界的目的，解决目前虚拟仿真设备造价昂贵、更新换代快的不足，柳州职业技术学院设计构建模拟实训工厂、虚拟技术实训室、真实实训基地等“虚拟+真实”的智能装备技术虚拟仿真实训基地。

2  智能装备技术虚拟仿真实训基地建设的必要性

《中国制造2025》明确了新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人等十大重点领域的强国战略。智能制造是新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自适应等功能的新型生产方式。高职院校智能装备技术类专业要紧跟产业发展，建立智能装备技术虚拟仿真实训基地。

2.1  完善职业教育体系与专业群建设的需要

智能装备技术虚拟仿真实训基地建设，将完善智能装备技术相关专业建设规划，有助于确立人才培养目标，有助于课程内容建设、教材建设、师资队伍建设、产学研建设、教学模式改革等，为打造中国特色高水平专业提供助力。

2.2  人才培养模式创新，缓解结构性就业矛盾的需要

社会对高技能复合人才的需求越发强烈，建立起与技术技能人才培养要求相适应的创新模式和评价体系尤为关键。智能装备技术虚拟仿真实训基地可建成校企合作、共享共用的平台，吸引企业参与实训中心的管理，与企业签订人才培养订单协议。企业选派高级技术人才到学校，与教师共同组织生产和实训，与教师互相取长补短、相互提高，形成理论新、技能强、水平高的双师队伍。融“产、教、研”为一体，形成一个可以满足竞赛、培训、考核等的多功能实训中心，充分利用新一代信息技术，实现中心智慧管理。借鉴先进企业管理模式，规范实训标准、章程和实训基地管理体系，形成良好的实训中心运行机制。实训中心的建设，将缓解领军人才和大国工匠紧缺以致支撑制造业转型升级能力不强的问题。

2.3  课程与资源建设需要

传统的教学方式下，教学环境及实训条件存在严重的局限性，课堂传授的知识往往局限在某一特定应用中，与学生就业后的企业生产应用不匹配。智能装备技术虚拟仿真示范基地建设，以职业能力培养为目标，以企业岗位工作能力训练为主线，制定工业机器人与智能制造专业群的课程体系和教学内容，为师资培养提供实验教学一体化课程指导方案，为大学生科研创新及各类实践应用技术竞赛提供支撑训练环境。

2.4  双师队伍建设的需要

以实训基地建设为依托，落实专业师资建设，通过竞赛服务、企业实践、项目研发、进修，聘请企业专业技术人才、能工巧匠和管理人员担任兼职教师等措施，构建以专业带头人为引领、专业骨干教师为核心、专兼职教师相结合的双师结构教学团队，双师素质教师占比达95%以上。

3  智能装备技术专业群实训基地建设存在  的问题

3.1  虚拟技术高速发展，智能制造技术高度融合，教学难以深入实质

汽车、机械制造企业在产业升级过程中逐渐形成诸如智能工厂、无人工厂、柔性制造工厂等典型的技术高度融合生产制造载体，虚拟仿真、虚拟现实、数字孪生等技术被应用贯穿于包括产品设计、装备制造、运行与物流、升级改造等环节的整个装备生命周期。但是由于智能制造技术的多样化及高度融合、控制的复杂性，给教学以及企业员工培训带来很大的难度。

3.2  智能制造装备昂贵，有些工艺有危险性，教学难以涵盖多种典型工艺应用

在汽车、机械制造行业中，有着点焊、弧焊、喷涂、涂胶、搬运、冲压、车、铣、刨、磨、钻等诸多典型的工艺应用，每种应用对应一种或者多种应用装备，并且诸如喷涂、焊接等制造工艺存在有害气体、粉尘、噪声、有害物质。单靠物理实体设备投入形成足够工位成本过大，同时有些工艺从安全环保的角度看不宜长期现场开展。

3.3  控制技术抽象，实践教学效率低

在智能制造装备应用过程中，设备控制以及工业网络涉及信号传送、控制逻辑、控制节拍等元素，由于此类元素抽象不可见，学生难以获得直观的感受，在日常实践教学和培训中效率不高、效果欠佳。

4  高职院校智能装备技术虚拟仿真实训基地建设思路

4.1  以生产与教学问题为导向

实训基地围绕汽车、工程机械等智能制造数字孪生、虚实结合设计、供应链协同等新业态变化，数字孪生、工业互联、远程运维等新技术应用需求，以及智能制造技术实训教学体系中存在的装备昂贵、生产现场危险大、智能控制技术抽象等问题的解决来建设。

4.2  与区域产业合作共建共享

实训基地依托智能装备技术专业群，联合区域汽车生产制造、工程机械等领域龙头企业，引入华为、ABB、阿里云等智能控制、工业机器人、数字孪生、虚拟现实、云计算、AR/VR等先进技术手段，确保基地建设的技术起点高，应用性、共享性强。

4.3  虚拟和真实相结合

按照“以实带虚、以虚助实、虚实结合、软硬并进”原则，整合学校原有汽车、机械制造过程产品设计、装备制造、生产与管理、装备运维升级改造的完整工程链实体实训体系以及现有虚拟仿真资源。围绕汽车、机械生产制造环节生产制造装备工程链，建成实体实训体系的智能装备技术虚拟仿真实训基地“一院一平台四中心”，包括虚拟仿真技术研究院、智能制造云管理平台、产品设计虚拟仿真中心、装备制造虚拟仿真中心、生产与物流虚拟仿真中心、设备运维虚拟仿真中心，如图1所示。

4.4  以高质量的教学和研发服务产业高质量发展

通过构建虚拟和真实结合的实训操作环境，营造开放、自主、交互的虚拟学习环境，促进专业群高质量教学开展，促进高质量开展技术研发，服务区域产业高质量发展。

5  智能装备技术虚拟仿真实训基地整体设计

5.1  服务生产模式和教学模式的转变

智能装备技术虚拟仿真实训基地结合区域汽车、工程机械智能制造工程链虚拟网络—实体物理系统开展建设，既适应了生产模式变革，也促进了教学模式转变。

5.2  对接汽车与工程机械完整工程链

整合原有的智能制造实体实践教学体系及部分数字化、虚拟仿真教学内容，完善智能装备技术虚拟仿真实训教学内容，形成完整服务汽车、工程机械工程链的虚实结合育训教学体系。

5.3  基地整合虚拟仿真技术研究、管理和实训

重点建设“一院一平台四中心”，新建虚拟仿真技术研究院、智能制造云管理平台、汽车工程机械VR体验区、生产线虚拟与调试区、数字双胞胎仿真区、智能工厂MR区、物流配送虚拟仿真区、智能装备故障维修虚拟仿真区。完整的虚拟仿真实训基地如图2所示。

5.4  服务“三教”改革

基于虚拟仿真实训基地建设，开展“三教”改革，进行教师的培养提升，推进“理论+虚拟+上机”教学模式改革，编写新型活页式教材，开发虚拟仿真教学资源。“一院一平台四中心”架构与作用如下。

虚拟仿真技术研究院：虚拟仿真技术开发、教学资源开发、技术项目服务。

智能制造云管理平台：产品数据管理、知识库构建、项目管理、教学管理、教学评价、用户管理。

产品设计虚拟仿真中心：实现“创新思维—协同工作—机电模型创建—运动仿真—生命周期仿真”的产品设计。

装备制造虚拟仿真中心：为产品的机电一体化并行设计与调试提供平台，实现虚拟设计、虚拟制造、虚拟调试、优化与节拍验证，降低产品复杂性风险，减少生产操作危险系数，减少调试维护工作量。

生产与物流虚拟仿真中心：真实制造现场与虚拟仿真场景虚拟协同，生产与物流环节远程监控。

设备运维虚拟仿真中心：工业机器人、数控机床、生产线的拆装、故障诊断、调试运行、升级改造等。

6  智能装备技术虚拟仿真实训基地建设内容

与柳工集团、广西汽车集团、上汽通用五菱深度合作，在智能装备技术专业群实训基地基础上，整合基地原有虚拟仿真资源，围绕智能装备工程链，针对智能制造技术中的信号看不到、进不去、装备成本高、生产现场危险性大等教学痛点难点，开发虚拟仿真教学资源，虚实结合打造智能装备技术虚拟仿真实训基地，服务育训结合的复合型技术技能人才培养以及企业员工的终身教育，建设“一院一平台四中心”。

6.1  虚拟仿真技术研究院

整合学校现有的虚拟现实技术专业资源，新建VR生产实践区、视觉前沿技术研发区、动作表情捕捉实验区、VR教学资源项目开发区、数字资产管理中心，柔性引进新加坡南洋理工大学蔡奕渔博士等国内外知名专家，搭建技术团队成长平台，建成虚拟仿真技术研究院，重点解决虚拟仿真教学资源种类偏少、数量不足、教学针对性不够，难以满足教学、培训、生产服务需求等问题。开展三维模型构建技术、虚拟仪器技术、实验场景虚拟构建技术等技术研究，开发虚拟仿真教学资源及教学应用服务，满足智能装备技术教学的多方面需求，实现虚拟仿真实训基地的自我“造血”“驱动”功能。

6.2  智能制造云管理平台

基于大数据技术和工业互联网等先进技术，新建智能制造云管理平台，将智能装备生产数据和实训教学资源接入云管理平台，实现产品数据管理、知识库构建、项目管理、用户管理、实验预约、实验管理、教学评价等功能，有效提升基地的装备、软件、资源等信息化管理水平，实现硬件资源的集约化和成本降低，提高区域教学数字资源的整合与共享能力，促进信息技术与教育教学的融合。

6.3  产品设计虚拟仿真中心

围绕上汽通用五菱、柳州工程机械有限公司新产品研发过程中产品创新构思难、试制材料费高、试制周期长、试制效率低、参数验证工程量大、性能及寿命预测无处下手等难点，在现有汽车产品逆向设计中心、达索CATIA PLM V6数字化设计与制造中心基础上新建汽车、工程机械VR体验区，完善创新思维训练区、机械协同创新设计区，实现汽车、工程机械零部件的建模设计与仿真、工程机械虚拟操作与维修VR体验、创新产品虚拟装配等功能，有效解决机械类专业产品设计环节实践教学功能不足的问题。

6.4  装备制造虚拟仿真中心

联合上汽通用五菱、西门子公司、ABB公司、北京思维科公司等单位，围绕生产制造装备工程链的装备制造环节，结合现有精密制造车间、数控机床实训车间、工业机器人系统集成实训中心、机电一体化集成实训中心等实体实训基地，新建生产线虚拟设计与调试区，完善现有工业机器人虚拟仿真区、数控机床虚拟仿真区、机电一体化技术虚拟仿真区，构建虚实结合的装备制造虚拟仿真中心，解决企业生产线设计与调试人才培养难、学校实训型或教学型实训基地设备投入费用高、实训设备台（套）数不足、危险工业机器人应用工艺不能教学、智能装备人才培养与企业智能产线应用人才脱节等问题。

6.5  生产与物流虚拟仿真中心

目前，学校拥有的生产与物流环节相关的实体基础有汽车零部件柔性制造工厂、工程实践中心等，很难满足学生现场实践教学需求，在专业实践教学中存在诸多不足，生产和物流系统难以和教学培训体系对接，如生产流程难以介入教学、生产设备难以使用、物流系统范围过大、实体设备设施难以远程教学、现场作业危险性大、设备零散、设备昂贵等。

生产与物流虚拟仿真中心在现有的典型机械加工工艺仿真区基础上，新建数字双胞胎仿真区、智能工厂MR仿真实训区、物流配送AR仿真实训区，将更为有效地为生产与物流运行环节的实践教学提供补充。生产与物流虚拟仿真中心在装备制造工程实践教学链中处于中心位置，在学生的职业岗位能力形成中发挥着重要的核心作用。在虚拟仿真技术研究院的支持下，与合作企业联合，持续开发虚拟仿真教学资源，为虚拟仿真基地提供教学保障。

6.6  设备运维虚拟仿真中心

设备运维虚拟仿真中心在现有的现实基础（如赋能中心、工程实践中心、数控机床维修实训室、维修电工实训室、工业机器人拆装实训室）上进行虚拟建设，旨在有效补充设备运维与保障环节的实践教学功能。中心进一步完善现有的工业机器人拆装仿真区、数控机床拆装仿真区，新建智能装备故障维修虚拟仿真区，以进一步完善生产设备运维与保障实践环节的教学功能、通过虚拟的方式实现工业机器人、数控机床、生产线的拆装、故障诊断、调试运行、升级改造等功能，可视化、动态化展示各种正确或错误操作的结果及各处细节，降低运维技术学习困难，提升维修实训教学效率。

参考文献

[1] 戴晓燕，刘超.基于BIM技术的建筑工程虚拟仿真实训中心的建设研究[J].实验技术与管理，2018（12）：237-241.

[2] 王景馨.铁道交通运输虚拟仿真实训中心建设的探索：以山东职业学院为例[J].科技视界，2020（21）：141-143.

*项目来源：2018年度广西职业教育专业发展研究基地“广西职业教育机电一体化技术专业及专业群建设研究基地”（桂教职成〔2018〕37号）。

作者：刘晶，柳州职业技术学院教务与实训管理处副处长，讲师，研究方向为教育技术、职业教育；邓其贵，柳州职业技术学院，教授，研究方向为机械自动化（545006）。