数字孪生技术在产教融合中的应用研究

摘要：数字孪生技术作为一种新型的虚拟仿真技术，可以助力企业实现数字化转型和智慧工厂的建设。产教融合中出现的学生培养和企业发展“两张皮”，以及高校和企业资源不平衡和利益分配等问题，随着数字孪生技术的应用均可以得到解决，包括师生能力的培养和虚拟仿真实验室建设以及企业资源和成本的节省，助力企业更高效健康的发展。借助数字孪生技术的产教融合创新模式仍需进一步完善，推动产业发展和人才培养迈向更高水平。

关键词：数字孪生；产教融合；创新模式；人才培养

中图分类号：G712 收稿日期：2024-03-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408031

1 前言

数字孪生技术是一种新兴的技术，它将物理世界中的实体或系统与其数字化的虚拟副本相结合，进行映射与联动，可以应用于各种领域，为实体系统的监测、管理和优化提供了全新的方法和工具，对各个行业带来重大的变革。产教融合通常是指生产和教育的一体化，在生产实境中教学，在教学中生产，生产和教学密不可分，水乳交融[1]。

应用型本科院校通常与行业企业紧密合作，注重培养学生的实践能力和创新精神，而产教融合已经成为应用型高校培养学生、自我发展及服务经济发展的重要途径。数字孪生技术在产教融合中的应用可以促进产业界和教育界之间的合作与交流，提升人才培养质量，推动产业升级与创新发展。

2 产教融合实践中存在的问题

21 学生培养和企业发展“两张皮”

学生培养和企业发展应该是相互交织、相辅相成，共同促进及互利共赢的双赢局面，在实践中却出现“两张皮”的问题，不能很好地融合在一起。产教融合各种工作及项目在启动会召开之后基本处于停滞状态，学校仍是学生培养的固定场所，在有实习实践任务时带领学生到企业进行简单的参观式实习，学生无法对知识的实践有深入的认知，也无法对企业有促进和发展。企业在成为产教融合实践基地或联合培养单位之后也是进行简单的挂牌，并无后续的工程师入课堂等类似的活动，仅是在企业的生产发展中对于遇到的难题打包成课题的形式推送到学校，高校在完成之后再反馈给企业，缺乏日常性的合作和交流。

22 资源不平衡与利益分配问题

高等学校与企业在资源配置方面存在差异，包括资金、人才、技术设备等。这导致在合作中出现资源不平衡的情况，造成学校对合作的依赖过度，企业则难以得到实质性的利益回报。

对于普通地方性应用型高校，本身在资金支持和科学研究方面就相对薄弱，学生的整体素质，以及学习和解决问题能力不突出。而企业则提供了大量实践资源，包括资金和人力资源以及时间的投入。在融合创造的过程中学生得到了创新精神和实践能力的培养，获得了良好的成长，学校也提高了育人的水平。

而由于学生的培养需要一定的时间周期，更需要资金支持，且融合培养结束后还达不到企业解决实质性问题的状态，故不能够对企业有所正向贡献。学校对此的资金支持也相对微薄，加之学校的科学研究不能及时反刍企业的创新发展，企业越来越像单方输出的培训机构，长期下来不能实现互利共赢。

23 资源不平衡与利益分配问题

浅层次产教融合模式下培养的学生缺乏良性的就业渠道，并且自身的竞争力不足，其原因在于学校和行业企业未建立起务实的长期合作关系，再加上区域地域限制，更是增加了困难。学生在进入到企业实践学习时，总是断断续续、阶段性的，未能系统性地了解到一个行业，也未能体系化地将自己所学知识和技能在实践中予以验证和提高。

企业方面所提供的实践岗位和内容也是偏于基础和局部，导致学生在实践中所学内容和经验在未来就业行业不匹配，毕业找工作时仍是四处投简历，很少能够留在实习实践公司和实习行业，增加学生就业的不确定性和难度。更有融合实践企业受制于地域限制，学生去到企业实践的时间和频次更少，难以有效的进行融合教育。最终学生的实习和就业缺乏一致性、接续性和前瞻性，出现一毕业就失业的现象。

总的来说，产教融合实践中缺少合理的体制机制，在现有资金、设备、时间等条件下，难以进行有效的融合，缺乏更有效的技术来解决现有的矛盾，实现产教融合的良性发展，达到一种多赢的局面。

3 数字孪生技术内涵

在智能制造行业中，数字孪生技术是实际产品或流程的虚拟表示，用于理解和预测对应物的性能特点。数字孪生技术不需要搭建实体原型即可展示设计变更、使用场景、环境条件和其他无限变量所带来的影响，缩短开发时间，提高成品或流程的质量[2]。

西门子系列数字孪生工业软件包括Tecnomatix、NX MCD、Simcenter Amesim、SIMIT、PLCSIM Advanced。其中Tecnomatix是数字孪生技术中的领先解决方案，由零部件制造、装配规划、资源管理、工厂设计与优化、人力绩效、产品质量规划与分析以及生产管理等核心软件构成。Tecnomatix软件可以对生产制造系统进行建模、仿真以及优化，其主要作用就是分析和优化生产制造系统的布局、物流和供应链，提高资源利用率、产能和效率等[3]。

通过数字孪生技术，工艺人员可以在虚拟的环境中构建一个三维可视化的工厂，如图1所示，用户可以在虚拟的环境中对制造过程进行仿真模拟以及技术优化，结合工艺规划、设计和仿真功能，可以模拟物料在车间的流转路线，帮助工艺人员优化工厂布局和工艺路线，在产品工程、制造工程、生产与运营之间实现同步，可以以最少的成本提升生产效率，使得工厂的生产线效率更高。

在制造企业运营中，其中三个领域会用到数字孪生技术。在产品研发领域，可以虚拟数字化产品模型，对其进行仿真测试和验证，以更低的成本做出更好的样机。在生产管理领域，可将数字化模型构建在生产管理体系中，在运营和生产管理的平台上对生产进行调度、调整和优化。在设备管理领域，可以通过模型来模拟设备的运动和工作状态，实现机械和电气的联动。

4 数字孪生技术的产教融合应用

41 工科类高等院校应用

工科类高等院校的教育目标是培养具有理论基础和实践能力的创新型工程技术人才，而数字孪生技术恰恰可以满足这一需求。

通过开设数字孪生系列课程和数字孪生实验室的建设打造软硬一体化平台，引进企业的兼职培训师，对本校教师进行数字孪生技术培训，由考核优秀的老师对学生进行基础性理论知识和技能的授课，之后由优秀教师团队和考核优秀的学生共建数字孪生实验室，推动实验室进步和发展。

在老师和部分学生熟练掌握西门子Tecnomatix数字孪生技术后，一方面扩展课程体系，推出高阶课程，并引导学生加入数字孪生开放实验室，由已掌握的高阶学生带领低阶学生进行学习；另一方面即可引入企业中的基础性生产实例进行项目式教学和实验室研究，以提升师生的能力和工程素养，如图2所示。

在此产教融合前期阶段学校整体投入资金较少，利用数字孪生技术建立虚拟仿真实验室，降低实验成本，提高实验安全性，又起到了培养学生、增长知识和技能的作用。生产实例化教学激发了学生的学习兴趣，配合实验室研究，增强了育人效果，将企业的前沿技术带到了学校，而且减少了对企业的物理资源依赖，给企业“减负”，缩减了成本和时间上的硬开支，包括企业之间的距离成本，不再受制于距离限制。

随着数字孪生实验室整体水平的提高，产教融合进入到一个新的阶段，在对整个特定的行业企业进行大量系统性的生产实例合作研究之后，学校的师生能力又提高了一个层次，能够在产教融合中和企业“平起平坐”，进行更加深入的交流与合作，并在某些特性项目和问题上成为企业的融合合作伙伴，共同推动项目的实施和问题的解决，能够初步为高校及师生带来正向的收益，又助力了企业健康发展，减少时间和资源的投入，学生的培养及师资力量的增强得到了有质的跨越。

在行业企业随着同头部企业合作的密切和深入，就相当于把企业的产线、生产制造工厂虚拟映射了一份，形成无形的资产存放在实验室，将企业先进的技术和高校的教育、学生的培养时刻融合在一起，实验室的资源库一直都是最新的，久经合作，学校就成了行业企业的智库和引领者，辐射相关的制造领域，也会有越来越多的学生得到锻炼并和众多企业建立密不可分的联系，获得相应的报酬来帮助自己完成学业。

在数字孪生技术的加持下，学校的品牌效应会更加凸显，产教融合更为坚实，将推动产教融合走向第三个阶段，吸引更多的小微企业加入进来，成为产教融合的坚实合作者，将公司的研发、设计工作设置在高校的实验室。高校通过产教融合服务更多不同层次的企业，如此一来，学生在经过课程的学习，实验室的实践和企业实际生产项目的历练之后，分别同和自己能力相配合的企业建立了深入的联系，实习实践常态化，毕业后就可以留在所服务的企业，并且基于自己的能力经验获得不错的薪酬，从而使产教融合落地，极大提高了毕业生的就业率。

42 制造行业企业应用

制造业在进行大规模的转型升级，智能制造成为工业40的发展方向，在有效利用数字孪生技术的情况下进行智能制造工作，可以帮助企业将整个生产过程进行智能化和统一化，并融入自动化技术，节省人力资源成本，减少对工人的需求[4]。

不仅如此，在产教融合发展中，帮助企业减少了资金、培训人员以及时间的投入，高校师生不再频繁进入到企业进行实习实践，对正常的生产经营没有任何影响，工程师培训人员也有更充分的时间去进行改进创新和研究设计。

在借用数字孪生技术进行更高层级的产教融合时，智能制造生产企业还可以将前置研发分析通过立项的方式借助高校的平台来进行超前的可行性分析，对于未来的大发展战略由高校来进行前置的数字孪生模拟分析，通过多维度的分析来做出合理的决定，从而帮助企业进行试错，节省企业的人力物力资源，有效降低成本进行投资和做出合理决策部署，极大提高了企业投资的信心和创新能力。

待数字孪生技术深入产教融合且达到更高水平时，企业将部分非重要的工作和岗位以临时工的形式借助高校的学生来做，这就降低了用人成本，缩减开支，而且在实习生毕业后会有部分留在企业工作，从而保证了人力资源的连续性，省去了高昂的校招及HR工作支出，更重要的是高校毕业生都是以标准工程师的规格进来的，省去了实习生的培养期和培训专项资金。

企业在数字孪生技术产教融合模式的加持下会发展的更为健康，既提高了效率又降低了成本，形成更强劲的竞争力，助力企业做大做强。

43 创新融合模式“1+1>2”

工程教育以面向社会生产活动培养人才为根本特征，加快发展新经济必须建设发展新工科，健全新经济发展人才支撑体系[5]。基于数字孪生技术的产教融合正是新工科的有力支撑，助力“中国制造2025”，以创新驱动发展应对新一轮科技革命与产业变革，不仅解决了广大应用型本科院校以及职业技术院校所面临的困难，而且提高了人才培养的质量。

同时通过这种融合创新模式，解决了传统制造业及转型升级中的企业所面临的现实问题，助力企业高质量发展、提质增效，起到了1+1>2的效果，真正地将产教融合发挥其应有的作用，从而对整个社会的发展起到促进作用，助力实现中国式现代化。

5 结语

数字孪生技术在产教融合中的合理应用可以有效解决目前高校和企业所共同面对的问题，不仅能够模拟真实的工作场景，帮助学生更好地理解和掌握实际操作技能，还能够在数据分析、决策支持等方面发挥重要作用，推动产业的创新发展。未来随着技术的不断进步和成本的降低，数字孪生技术将在更多领域得到应用，为产教融合提供更加有效的支持。

参考文献：

[1]柳友荣，项桂娥，王剑程应用型本科院校产教融合模式及其影响因素研究[J]中国高教研究，2015（5）：64-68

[2]宋海鹰，岑健西门子数字孪生技术[M]北京：机械工业出版社，2022

[3]西门子（中国）有限公司西门子Tecnomatix Process Simulate软件用户帮助文档[Z]2020

[4]宋浩鸿简析数字孪生在智能制造中的应用[J]计算机与自主智能研究进展，2023（1）：13-15

[5]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J]高等工程教育研究，2017（1）：1-8

作者简介：

魏顶，男，1992年生，助教，研究方向为自动化、智能制造技术。

基金项目：黄淮学院校级教育教学改革研究项目（2024XJGLX50）