数字孪生仿真与调试实训平台的设计

路东兴

摘要：随着“中国制造2025”的推进，制造业正进行数字化转型。柔性生产线应用广泛，但实际操作常不达预期，影响效率和投资。因此，数字孪生仿真与调试实训平台的设计研究显得尤为重要。数字孪生技术能够构建实体产品的虚拟模型，在虚拟环境中模拟实际生产过程，从而实现对生产线的优化和调整。通过数字化样机虚拟调试降低风险和工作量，推动数字孪生技术发展，促进制造业技术进步和社会经济发展。关键词：数字孪生仿真 调试实训平台  产业数字化  信息可视化

中图分类号：TP277

Design of the Digital Twin Simulation and Debugging Training Platform

LU DongxingLanzhou Petrochemical University of Vocational Technology， Lanzhou， Gansu Province， 730060 China

Abstract： With the advancement of "Made in China 2025"， the manufacturing industry is undergoing digital transformation. Flexible production lines are widely used， but their actual operation often falls short of expectations， which affects efficiency and investment， so the design research of a digital twin simulation and debugging training platform is particularly important. Digital twin technology can construct a virtual model of a physical product， and simulate the actual production process in the virtual environment， so as to optimize and adjust production lines. This paper reduces risks and workloads through the virtual debugging of digital prototypes， so as to promote the development of digital twin technology， and promote the technological progress of the manufacturing industry and socioeconomic development.

Key Words： Digital twin simulation; Debugging training platform; Industrial digitalization; Information visualization

在現代工业生产中，数字孪生技术已经成为了不可或缺的一部分。不仅能够提高产品质量和效率，还能够降低成本并减少环境污染。因此，数字孪生技术的发展对于制造业来说具有重要的现实意义。

1 数字孪生仿真与调试实训平台的设计优势

1.1实现信息可视化，设计并实现FML虚拟调试平台

在数字孪生仿真的设计中，信息可视化的实现是至关重要的一环。信息可视化是指将数据转换为图形或图像的形式进行展示和分析的过程。它可以帮助用户更好地理解数据的结构和关系，从而提高决策制定的能力。因此，如何有效地实现信息可视化成为了数字孪生仿真的一个重要问题。目前，常用的信息可视化工具包括图表、饼图、散点图等多种形式。其中，图表是最常见的一种方式之一。通过对数据进行分类、统计和排序后，将其转化为相应的图表形式，如条形图、折线图、柱状图等。这些图表不仅能够直观地展现数据之间的关系，还能够让读者更加容易地理解数据的趋势和变化规律。

此外，可以使用颜色增强信息可视化的效果，如用不同顏色表示不同的类别或者变量值的变化趋势等。以FML设备为研究对象，结合典型模块结构特点和动作特性，对 FML 功能、模块、系统流程等进行分析设计；以数字孪生技术对 FML 进行机械三维建模和多维建模，利用虚拟调试等技术，对FML进行可视化的虚拟调试系统构架设计，对信号接口和机构运动学建模等系统核心问题进行分析研究，完成结构、功能、行为过程、运动动态模拟；有效结合虚拟调试与机电概念设计，实现虚拟调试系统的实验验证，模拟生产线的动作过程，进行程序调试、数据监控等[1]。

1.2 实现信息共享化，在环虚拟调试关键技术

随着信息技术的不断发展，越来越多的企业开始采用数字孪生技术进行数据采集和分析，以实现更好的业务决策和优化资源配置。因此，数字孪生仿真的出现和发展也就顺理成章。数字孪生仿真实现了一个虚拟的世界，在这个世界中可以模拟出各种不同的场景和环境，并通过实时的数据传输和处理来获取所需的信息。这种仿真技术不仅可以用于产品设计和开发，还可以用于培训和教育领域，为学生提供更真实的学习体验。同时，数字孪生仿真的应用范围还包括工程设计、城市规划、医学研究等方面。环虚拟调试技术分为两大部分，“虚—实”硬件在环虚拟调试和“虚—虚”软件在环境虚拟调试。其中，硬件在环虚拟调试是用真实的PLC 设备来控制虚拟的机电设备，在“虚—实”结合的闭环反馈回路中进行程序编辑与验证调试；而软件在环虚拟调试是用虚拟 的PLC 来控制虚拟的机电设备，在“虚—虚”结合的闭环反馈回路中进行程序编辑与验证调试。通过对比分析，研究了“硬件在环”和“软件在环”虚拟调试在数字孪生FML平台中的搭建方法[2]。

2 数字孪生仿真与调试实训平台的设计分析

2.1 需求分析

在数字孪生仿真的过程中，需要对系统的性能进行全面测试和验证。为了实现这一目标，提出了一种基于虚拟现实技术的数字孪生仿真与调试实训平台。该平台可以模拟真实系统中的各种情况，包括硬件设备故障、软件错误等多种场景。通过这种方式，可以有效地发现并解决实际问题，提高产品质量和可靠性。在需求分析阶段，首先考虑实际现场环境和教学实操要求，广泛调研机电设备运行功能、硬件模块组成及生产线流程，重点对系统结构特点和动作特性进行需求分析。同时，考虑到其他可能出现的问题，如网络连接中断、数据传输延迟等，以便更好地应对各种复杂的环境。除了用户的需求外，还需要考虑一些其他因素，如成本效益、安全性等方面的要求。为了降低成本，技术方案采用开源软件，并且采用云端存储的方式减少服务器的维护费用。此外，安全问题要注意防范，确保平台数据不被泄露或篡改。

2.2 总体结构设计

2.2.1总体框架

设计选取目前FML 实际现场具有典型代表意义的模块和各个组成环节，体现如供料、搬运、分拣等柔性生产流程。虚拟调试平台中各模块的电气和机械设备结构要最大程度上贴合实际现场的设备条件，如符合实际设备的单元结构、组成部件等要求。基于虚拟现实技术的数字孪生仿真与调试实训平台。该平台旨在通过模拟真实设备的状态和行为来实现对设备的功能测试和故障诊断。为了实现这一目标，需要对其进行整体设计规划[3]。

首先，将数字孪生仿真的功能分为三个主要模块：硬件仿真模块、软件仿真模块以及数据采集模块。其中，硬件仿真模块主要用于模拟设备的物理状态和行为；软件仿真模块则负责模拟设备的操作系统及其应用程序的行为；而数据采集模块则是用于收集设备的各种数据并进行分析处理。这些模块之间相互协作，共同完成整个系统的工作。其次，针对每个模块进行了详细的设计规划。例如：对于硬件仿真模块，采用了先进的计算机视觉技术和三维建模技术，实现了对设备内部各个部件的位置和运动情况的实时跟踪和再现。同时，为硬件仿真模块提供了多种可编程接口，以便于与其他系统进行集成和交互[4]。最后，在平台上加入了一些实用的功能，如虚拟环境设置、用户管理等。这些功能可以帮助使用者更好地控制和操作平台，提高其使用效率。

2.2.2 硬件设计

该平台旨在通过对实时数据进行采集和分析来实现对系统的精确模拟和测试。为实现到这一目标，需要对其硬件部分进行详细设计。首先，采用了先进的嵌入式处理器作为核心部件，以保证系统性能和稳定性。同时，为系统配备了高速存储器和高带宽通信接口，以便于快速的数据传输和处理。此外，在系统中加入了多种传感器模块，如温度、压力、加速度等，以满足不同领域的需求。其次，针对系统的可靠性进行了严格的故障诊断和预防措施。例如：在系统中设置了多个备份电源和备用器件，以确保即使发生故障也能够及时恢复正常运行；同时还采用冗余控制策略，减少单点故障的影响范围。最后，为系统提供了丰富的编程接口和开发工具支持，方便用户进行定制化操作和应用扩展。这些功能不仅提高了系统的使用效率，也增强了其可维护性和可扩展性。因此，数字孪生仿真与调试实训平台具有高效率、稳定可靠、灵活易用等多种优点，能够广泛地用于各种领域中的仿真和调试任务。

2.2.3 软件设计

数字孪生仿真是指通过虚拟仿真实现一个完整的物理系统来测试和验证系统的可行性和性能。这种技术的应用可以大大缩短产品开发周期，降低研发成本，提高产品的质量和可靠性[5]。为了实现数字孪生仿真，需要构建一套完整的软件体系架构。该体系结构包括数据采集模块、模拟建模模块、仿真运行模块以及结果分析模块等方面。其中，数据采集模块主要负责获取实时数据并将其存储到数据库中；模拟建模模块则用于建立物理模型，并将其转换为计算机可读的形式；仿真运行模块则是用来控制仿真过程，同时记录仿真过程中的数据；结果分析模块是用来处理和展示仿真结果的。在实际应用中，数字孪生仿真与调试实训平台还需要与其他相关工具配合使用，如CAD/CAE、PLM等。在整个项目生命周期内，这些工具能够更好地管理工程文件、协同工作、优化流程等。因此，数字孪生仿真与调试实训平台的设计必须考虑其他工具的支持和集成性。数字孪生仿真与调试实训平台是一个复杂的系统，需要综合考虑多个方面的因素才能够得到完美的解决方案[6]。在这个过程中，目标就是打造一款高效、可靠、易于使用的数字孪生仿真与调试实训平台，以满足客户需求和市场需求。

2.3 功能模块设计

该模型通过将虚拟仿真的数据和实际设备的数据进行匹配，实现对真实设备的实时监控和控制。同时，该模型还可以用于模拟各种复杂的实验场景，为学生提供更加真实的学习体验。为了实现这一目标，本研究采用了多种功能模块的设计方案。其中，最核心的是数字孪生仿真模块。该模块主要负责对虚拟仿真的数据进行采集和处理，并将其与实际设备的数据进行匹配。此外，该模块还包括了数据分析和可视化展示功能，以帮助教师更好地理解和掌握教学内容。另外，本研究还针对不同领域的教学需求进行了相应的功能模块设计。例如：对于电子工程类课程，加入了数字电路仿真模块；对于机械工程类课程，增加了机械结构仿真模块等。这些功能模块可以满足不同的教学需要，提高教学效果和效率。总之，数字孪生仿真与调试实训平台是一种全新的教学方式，具有很高的实用性和创新性。

3 数字孪生仿真与调试实训平台的设计实现

3.1 平台测试

首先，针对该平台的功能进行全面的性能测试，包括硬件设备的兼容性、软件程序的稳定性以及网络连接的质量等方面。在此基础上，对该平台的用户界面进行了优化和改进，以提高其易用性和操作效率。同时，为了更好地模拟真实生产环境，增加了一些特殊场景的设置，如恶劣天气条件、突发事件等。其次，将该平台应用于实际工程项目中，并与其他相关工具进行集成，以便更准确地反映系統的功能和效果。在这个过程中，发现该平台具有很高的可扩展性和灵活性，可以很好地处理各种复杂的数据和模型，并且支持多种编程语言和开发框架，为工程师提供了更便捷和高效的工作方式。最后，对该平台进行了安全性方面的测试，以保证用户的数据安全和隐私保护。在此基础上，进一步完善了该平台的管理和维护机制，使其具备更好的长期使用价值和社会影响力。

3.2 平台应用

通过将虚拟系统和实物系统之间的接口建立起来，可以实现对虚拟系统的实时控制，从而使虚拟系统和实物系统之间实现了同步操作。同时，由于虚拟系统可以在不影响硬件的情况下进行修改和优化，因此可以大大缩短开发周期并提高软件质量。数字孪生仿真主要应用于电子产品研发过程中，如汽车、手机、电视机等。数字孪生仿真是一种非常有效的工具，它不仅可以简化产品的开发流程，而且可以显著提升产品的可靠性和稳定性。在未来的发展中，数字孪生仿真将会越来越多地被应用到各个行业的产品研发工作中。

4 结语

综上所述，为进一步培养智能制造技术技能人才，服务区域产业转型升级，本文研究的数字孪生仿真技术的发展方向，一是支持3D打印等前沿数字化制造技术的研究与开发；二是大力推进传统装备产业的改造升级，同时培育新兴装备产业、发展智能制造，并加快装备制造业在研发与制造模式上的创新步伐。通过这两个方向的协同作用共同促进数字孪生仿真技术的发展和推广。

参考文献：

[1] 孙学民. 数字孪生驱动的高精密产品装调理论研究与应用[D].上海：东华大学，2022.

[2] 易扬. 基于数字孪生的复杂产品装配精度预测关键技术研究[D].南京：东南大学，2023.

[3] 陶飞，张贺，戚庆林等.数字孪生模型构建理论及应用[J].计算机集成制造系统，2021，27（1）：1-15.

[4] 聂蓉梅，周潇雅，肖进，等.数字孪生技术综述分析与发展展望[J].宇航总体技术，2022，6（01）：1-6.

[5] 王建楹，郝登运.硒鼓自动化生产线设计[J].制造业自动化，2020.42（7）：102-105.

[6] 王建军，向永清，何正文.基于数字孪生的航天器系统工程模型与实现[J].计算机集成制造系统，2019，25（6）：1348-1360.