数字孪生技术在专业课教学中的探索与实践

［摘 要］ 普通高等院校的部分专业课涉及军民用大型设备，但大部分普通高等院校无法为学生提供全部的大型设备，只能通过图像或视频为学生讲解，教学效果欠佳。结合最新的数字孪生技术的发展，分析数字孪生技术在各个领域中的应用，提出将数字孪生技术应用到专业课教学中，解决高等院校由于大型设备实物不足，实物训练操作平台更新换代慢、易发生故障、维护困难等问题导致的专业课教学效果欠佳的实际困难。同时结合数字孪生系统可靠性强、训练效率高、动态更新升级快、硬件损耗小等特点，进一步探讨了采用数字孪生进行实际操作的可行性。

［关键词］ 专业课教学；数字孪生系统；技术探索

［基金项目］ 2020—2024年国家自然科学基金面上项目“非最小相位高超声速飞行器全服役期精细容错控制与预测维护技术研究”（62073265）

［作者简介］ 扈晓翔（1982—），男，山东寿光人，博士，西北工业大学自动化学院副教授，博士生导师，主要从事飞行器智能控制及其教学研究；肖 冰（1986—），男，江西赣州人，工科博士，西北工业大学自动化学院教授，博士生导师，主要从事卫星智能博弈及其教学研究；刘美洁（1985—），女，山东烟台人，硕士，西安科技大学工程训练中心讲师，主要从事控制课程相关实验设计与教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）01-0086-04 ［收稿日期］ 2023-09-12

近年来，教育部的相关文件对大学生的综合素质提出了更高要求［1］，不仅要求大学生提高专业能力和实践能力，同时要求大学生能够独立运用所学知识解决实际问题，通过实践掌握专业领域内的基本技能和操作技巧，这对于工科专业，尤其是航空航天航海等专业的专业课教学提出了更高要求。由于高等院校经费与场地等的限制，航空航天航海等专业的学生在进行专业课学习时，很难直接接触到实际中的设备仪器，影响教学效果。目前，用人单位对高校毕业生的要求已经不满足于仅了解基本理论知识，同时还需要学生具备一定的专业知识甚至设备使用知识［2］。在这种情况下提升高等院校学生的专业基础能力迫在眉睫。

数字孪生技术的快速发展应用，为高等院校专业课教学提供了新平台与新方式，成为高等院校立足自身优势与发挥职能特长的重要手段。数字孪生是指通过数学建模等手段，将实际物理系统映射到虚拟空间，并通过数据的交互实现物理实体与数字孪生体的匹配，从而通过数字孪生体实现对物理实体的实时监测、预测和优化。数字孪生的概念最早可以追溯到20世纪60年代，是当时美国航空航天局为了解决太空探索中的通信和控制问题提出的［3］，随后得到世界各国的认可并获得广泛的发展，目前数字孪生技术已经成为世界各国研究的热点。作为新兴的计算机技术，数字孪生技术广泛运用于各领域，并且由于其对物理实体的完全精确反映、可靠性强、训练效率高、硬件损耗及安全隐患极小等特点，成为解决目前专业课教学中的重要手段，具有良好的应用前景。

一、数字孪生技术简介

数字孪生技术是在数字化平台建立与物理实体系统相一致的数字化表达，产生一个与物理实体相对应的数字孪生体。物理实体向数字孪生体传递可监测的数据信息，以便数字孪生体进行对物理实体各种运行状态、性能和功能的模拟，而数字孪生体则根据从物理实体获得的监测信息，不断优化修正，从而完全反映物理实体的运动状态。数字孪生体并非只接收物理实体的信息，而是同时根据自身的优化结果对物理实体提供优化的信息，进而促进物理实体的不断优化和改进。

二、数字孪生技术在各个领域的应用

（一）数字孪生农田智慧种植系统

数字孪生农田智慧种植系统是将数字孪生技术运用到现代农业管理中的新型系统，是提高农田的种植和管理效率的重要手段［4］。该系统将现实世界中的农田与其数字孪生体相结合，根据真实农田内部设置的传感器，不断采集各种土壤湿度、温度、天气等信息，并传输至数字化平台，对农田信息进行在线监测；基于监测数据进行农田的灌溉施肥，确保农田得到充足的水分和养料，提高生产效率。数字孪生农田智慧种植系统现已成功应用到京东农场、运城苹果基地等多个地方。

（二）数字孪生变电站

数字孪生变电站是利用数字孪生技术建立变电站的虚拟化数字模型，旨在提高电力系统的可靠性和运行的安全性［5］。数字孪生变电站包括各种变压器、电缆线路、开关设备等的数字化模拟，通过输入实际变电站的电压、电流、频率等的信息，利用变电站的数字化平台对上述信息进行在线监测，保障实际变电站的可靠运行。数字孪生变电站借助强大的数字化技术，可以实现操作管理人员的数字化培训，在数字化平台模拟可能发生的各种突发情况，可提高操作管理人员的应急反应能力，应对实际中出现的各种问题。

（三）数字孪生智慧园区

数字孪生智慧园区是利用数字孪生技术建立园区的虚拟化数字模型，目的是提高居民的生活质量，是优化园区的管理的重要手段［6］。根据实际园区的构成建立园区虚拟化模型，将实际园区中基础设施的各项信息输入数字化模型中，以便管理人员在线监测设施的健康状况，并能够及时采取有效措施进行设备的维护工作；同时利用数字化园区平台模拟紧急事件的发生，帮助管理者在应对真实发生的紧急情况时能够有效和及时地处理。

（四）数字孪生智慧交通系统

数字孪生智慧交通系统是利用数字孪生技术创建城市交通虚拟模型的新型系统，用以改善城市的拥堵情况，保障交通安全性［7］。数字孪生智慧交通系统通过创建城市道路，城市建筑，交叉路口等虚拟化模型，实现实际交通系统的数字化表达；通过传感器及摄像头将采集的各种车流量、车速、交通突发事故等信息传输给建立的交通数字化虚拟模型，通过技术手段分析和处理，自动调整信号灯的设置，帮助减少交通拥堵；通过数字化的管理平台，可实时监测交通安全状况，在发生突发事件时，可以及时做出响应，为救援争取时间。

三、数字孪生技术在教学训练中的应用

（一）数字孪生医疗培训

数字孪生技术在医疗培训中有着广泛的应用，借助数字孪生技术可实现医疗环境的数字化模型构建，便于医学生在虚拟的数字化环境中进行各种手术的模拟操作，提升其专业技能及手术的安全性；同时建立相应疾病的数字孪生系统，在数字孪生系统中进行病情的分析、影像报告的分析及治疗方案的设计；数字化平台还能够模拟各种紧急突发情况，促使医学生增强紧急事件快速处理的能力。

（二）数字孪生飞行员培训

数字孪生技术可应用在飞行员的培训和训练中，建立飞行模拟器，提供极具真实性的虚拟飞行环境，以使飞行员通过数字孪生模型进行训练以提高自身的专业技能。飞行员可借助虚拟的数字化模拟器进行起飞、降落等操作，检验自己的专业能力；同时模拟器还可以模拟各种突发事件，训练飞行员及时做出响应和处理，培养飞行员在突发情况下的应变能力；数字孪生系统可通过长时间的训练和模拟，形成属于飞行员自己的训练模式，对飞行员自身的表现进行评估，以帮助其更好地提升自己的技能。

（三）数字孪生交通培训

数字孪生交通培训是利用数字孪生技术建立交通模拟器用以培训交通从业人员的一项技术，旨在提高交通管理者的专业技能和决策能力。利用数字孪生技术模拟城市道路、信号灯设置、交叉路口等交通信息，建立交通体系模拟器，有助于交通管理者在虚拟化的环境中进行交通管理，驾驶员也可通过数字化平台不断锻炼提高自身的驾驶技能。同时数字化交通模拟器还可以模拟突发事件的情况，培训交通警察处理突发问题的能力。

四、数字孪生技术在专业课教学中的应用探索

数字孪生体反映的物理性质包括物理实体的电气性能、接口特性、空间环境等，所得到的复杂系统的内外部功用、组成及工作原理等都是可视的，从而验证复杂系统的电气参数、接口设计、测试方法等，这些信息在专业课教学中具有重要地位。在缺乏物理实体的专业课教学中，教师一般采用观看图片或者视频的方式进行讲解，学生很难完全掌握，而数字孪生技术则可以解决这个问题。下面结合具体的实例分析数字孪生技术在专业课教学中的应用与优势。

（一）数字孪生技术在大型飞行器测试课程教学中的应用探索

大型飞行器需要定期进行测试，测试的基本任务是得到飞行器健康状态的有效信息，测试方法是借助专门仪器，通过专门的测试流程对飞行器各部分的性能进行测试，获取飞行器的信息。但是大型飞行器的测试设备一般不具备普遍性，而是针对具体型号设计的具体测试设备和测试流程。如果在相关教学中只介绍通用的测试理论与测试方法，会导致测试专业课教学缺乏针对性。但高等院校不可能获取完整的大型飞行器测试设备，因此可以依托数字孪生技术进行教学。

在大型飞行器测控教学中，可以建立飞行器的数字孪生模型，通过数据的交互实时再现飞行器的运行状态、故障情况等，并可进一步反映飞行器的物理特性，如飞行器测试信号的电压、电流等，从而实现在无实物条件下对飞行器硬件的模拟。数字孪生技术的应用可以有效解决高等院校缺乏大型飞行器的相关测试设备，而同时又需承担测试课程教学的现实困难，从而有效促进大型飞行器测试相关课程的教学。

（二）数字孪生技术在“控制系统的分析与设计”课程教学中的应用探索

“控制系统的分析与设计”是自动化专业学生的必修课，针对具体对象的控制系统分析与设计是自动化专业大学生的重要技能。但目前的“控制系统的分析与设计”课程面对的对象一般为实际系统简化后的数学模型，甚至是传递函数模型；控制器效果的验证一般采用MATLAB等仿真软件。学生在课程学习时，面对的是经过简化的数字模型，控制器设计后进行验证得到的是仿真曲线，而学生对于控制系统的执行机构、敏感元件等组成部分不了解，非常不利于专业课教学。

在“控制系统的分析与设计”课程教学中，可通过数字孪生建立控制系统的物理结构模型，同时根据信号的传递关系构建被控对象的可视化数字孪生模型，并且明确模型中的测试机构、执行机构、信号传递机构及控制信号产生机构等。在教学中，通过信号的传递关系认识整个系统的工作原理，通过输入输出信号建立系统的传递函数模型，通过实际执行机构的数字孪生模型理解控制信号“控制计算机产生—执行机构接收—产生控制力和力矩—被控对象状态变化—测试机构测试—与期望对比产生负反馈—控制计算机”的全过程。数字孪生系统的应用，可以让学生更加明确地理解控制系统的各个组成部分，明白控制系统数学模型的来源，了解控制信号在实际系统中是如何产生作用并影响整个系统的，从而更好地促进针对具体对象的控制系统课程的教学工作。

（三）数字孪生技术在专业教学中应用的具体方法分析

鉴于数字孪生技术在专业课程教学中的优异表现，同时考虑到现有高等院校教学实验平台无法满足大型专业设备的教学与操作需求，将数字孪生系统应用于高等院校的教学中，主要包括两个方面：（1）利用编程语言，模拟实际系统并对其中功能进行复现，从而模拟实际系统的运行过程和结果；（2）利用可视化软件模拟各类仪器，通过操纵位于计算机屏幕虚拟面板上的“按钮”来完成复杂系统的检测或者控制任务。与以硬件为主的传统教学形式不同，在数字孪生系统中，数据采集和信号调理控制、信号处理以及结果显示等主要通过软件实现。

为了能够通过数字孪生系统进行相关的教学，需要首先构建复杂系统的数字孪生系统；而建立复杂系统的数字孪生系统，首先需要明确系统的用途，即要有针对性地建立功能级数字孪生系统或可视化数字孪生系统；之后结合系统的复杂程度进行逐步分解，通过复杂系统的功能对各个组成部分进行划分，按照从上到下的顺序，最终得到复杂系统的最小功能单元，如测量、滤波、统计、信号生成、信号处理等基础功能单元。在构建数字孪生模型时，则需要从下到上，建立子系统的数字孪生模型，明确各个子系统的信号传递关系与逻辑关系，最终建立整个系统的数字孪生模型。