《一種基于數(shù)字孿生的虛擬仿真教育系統(tǒng)及其交互方法》

宙思科技發(fā)明專利證書

　　專利發(fā)明背景

　　隨著VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)使用VR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)和實(shí)訓(xùn)。特別在工業(yè)領(lǐng)域，VR技術(shù)能讓學(xué)生不再受時間和地域的限制，隨時隨地進(jìn)入虛擬工廠進(jìn)行沉浸式的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)。

　　然而，目前VR實(shí)訓(xùn)仿真課程制作普遍存在著教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際脫節(jié)的問題，主要體現(xiàn)在兩個方面：

　　一是時間脫節(jié)，一個VR仿真課程的開發(fā)時間往往比較長，而后更新速度也比較慢，這就導(dǎo)致了虛擬仿真教學(xué)中的場景、工藝、生產(chǎn)邏輯都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于數(shù)字化工廠情況，仿真教學(xué)的工藝可能是數(shù)年前甚至是被淘汰的。

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)對于教育領(lǐng)域具有巨大的促進(jìn)作用，

但要注意控制開發(fā)周期，緊跟企業(yè)和工廠的實(shí)際運(yùn)作狀況

　　另外一個是教學(xué)內(nèi)容與工廠的實(shí)際運(yùn)行情況脫節(jié)，這是因?yàn)橐粋€仿真軟件往往是由老師和仿真技術(shù)實(shí)施團(tuán)隊(duì)一起完成的，老師對理論和教學(xué)方法很熟悉，開發(fā)團(tuán)隊(duì)只對VR技術(shù)熟悉，兩者都缺乏在工廠實(shí)際的經(jīng)歷及對工廠工藝、管理的經(jīng)驗(yàn)，這就導(dǎo)致做出來VR仿真教學(xué)內(nèi)容往往似是而非，沒有體現(xiàn)其核心意義。

　　面對上述瓶頸般的問題，僅僅識別和指出它們是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。要真正的解決這些問題，不僅需要深入了解虛擬仿真教育的實(shí)際需求，還需要有技術(shù)上的突破和創(chuàng)新。

　　專利發(fā)明的技術(shù)基礎(chǔ)

　　長期以來，宙思科技致力于為各行業(yè)提供VR虛擬仿真軟件、數(shù)字孿生系統(tǒng)、三維數(shù)字化營銷的綜合解決方案。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于數(shù)字工廠、數(shù)字新基建、教育培訓(xùn)、展覽演示、互動營銷、三維可視化等眾多領(lǐng)域，為全國數(shù)十家高等院校和智能制造型企業(yè)提供數(shù)字化三維仿真解決方案。經(jīng)過多年積累，對于解決VR實(shí)訓(xùn)仿真課程制作普遍存在著的“教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際脫節(jié)”的問題，產(chǎn)生了獨(dú)到和深刻的見解，即：

　　通過引入數(shù)字孿生技術(shù)，對現(xiàn)有的虛擬仿真教育方式進(jìn)行改進(jìn)，提供一種實(shí)時性、真實(shí)性更強(qiáng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)方案。

智能制造數(shù)字孿生系統(tǒng)案例合集，宙思科技

　　“數(shù)字孿生”（Digital Twin），簡而言之，是通過將真實(shí)世界的物理對象和過程轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型來實(shí)現(xiàn)的。這種模型不僅能夠?qū)崟r反映真實(shí)環(huán)境的狀態(tài)和行為，而且還可以預(yù)測未來的變化和發(fā)展。其核心特點(diǎn)在于其實(shí)時性、動態(tài)性和互動性。

數(shù)字孿生系統(tǒng)重現(xiàn)車間生產(chǎn)流程

　　在虛擬仿真教育當(dāng)中引入數(shù)字孿生技術(shù)，不僅能有效克服教學(xué)軟件與真實(shí)環(huán)境脫節(jié)的問題，確保教學(xué)內(nèi)容的實(shí)時性和真實(shí)性。同時教育者可以為學(xué)生提供一個既真實(shí)又安全的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生能在此環(huán)境中進(jìn)行各種實(shí)訓(xùn)，得到即時的反饋，深化理解。此外，數(shù)字孿生的動態(tài)和互動特點(diǎn)也使得學(xué)習(xí)過程更為生動和有趣，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

　　在這個思路引導(dǎo)之下，宙思團(tuán)隊(duì)經(jīng)過嚴(yán)密的可行性評估、反復(fù)的“頭腦風(fēng)暴”交流、詳盡的技術(shù)方案撰寫，以及應(yīng)用于實(shí)踐的檢驗(yàn)和調(diào)試，最終產(chǎn)出“一種基于數(shù)字孿生的虛擬仿真教育系統(tǒng)及其交互方法”，并于2023年7月成功取得發(fā)明專利，有效破解了當(dāng)前VR實(shí)訓(xùn)仿真課程制作普遍存在著的“教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際脫節(jié)”的問題，為推動高職院校的虛擬仿真教學(xué)貢獻(xiàn)出自己的力量。

　　專利內(nèi)容介紹及應(yīng)用案例

　　總體而言，該發(fā)明提供了一種基于數(shù)字孿生的虛擬仿真教育系統(tǒng)及其交互方法，涉及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，系統(tǒng)包括數(shù)字化工廠、數(shù)字孿生系統(tǒng)、仿真教育后臺和客戶端。它的基本邏輯是：

　　一、通過數(shù)字化工廠采集實(shí)時數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)建立數(shù)字化工廠的3D場景模型并確定實(shí)時數(shù)據(jù)的特征事件數(shù)據(jù)，基于特征事件數(shù)據(jù)將實(shí)時數(shù)據(jù)保存為歷史數(shù)據(jù)；

　　二、仿真教育后臺基于特征事件數(shù)據(jù)建立行為樹數(shù)據(jù)；

　　三、通過客戶端調(diào)用數(shù)字化工廠的3D場景模型，對3D場景模型進(jìn)行渲染，得到數(shù)字化工廠的3D虛擬場景，從數(shù)字孿生系統(tǒng)中獲取歷史數(shù)據(jù)驅(qū)動3D虛擬場景中的虛擬物體運(yùn)動，并從仿真教育后臺拉取行為樹數(shù)據(jù)，以對用戶在3D虛擬場景中的操作行為進(jìn)行模擬反饋。

　　為了讓讀者更為直觀地理解該技術(shù)在實(shí)際操作中的效用，我們將分享幾個具體的應(yīng)用案例：

　　1.微波遠(yuǎn)場測試仿真虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。該軟件為用戶提供了基于數(shù)字孿生技術(shù)的微波遠(yuǎn)場測試體驗(yàn)，介紹了微波遠(yuǎn)場測試實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)部件，通過構(gòu)建三維虛擬場景幫助用戶系統(tǒng)掌握微波遠(yuǎn)場測試的各項(xiàng)操作流程。

　　2.AR數(shù)字孿生系統(tǒng)。在該軟件中，用戶僅需通過手機(jī)或平板電腦上的操作界面，即可實(shí)時控制現(xiàn)實(shí)中的小車進(jìn)行前后左右的移動。該軟件依托數(shù)字孿生技術(shù)，能夠捕獲小車的實(shí)時數(shù)據(jù)，為用戶呈現(xiàn)出直觀的3D虛擬場景，讓用戶能夠在一個高度仿真的環(huán)境中學(xué)習(xí)和實(shí)踐工業(yè)機(jī)器人的簡單操作。

　　3.PERC單晶硅太陽電池生產(chǎn)工藝虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件。該軟件深度應(yīng)用了基于數(shù)字孿生的虛擬仿真教育系統(tǒng)原理，將Perc太陽電池制造的完整流程三維化，使學(xué)習(xí)者能夠?qū)崟r地觀察和參與從多晶硅片的制絨技術(shù)、擴(kuò)散工藝，到PECVD鍍膜，以及單晶硅的激光開槽、絲網(wǎng)印刷和電池的分揀包裝等各環(huán)節(jié)。

結(jié)語

　　隨著科技的快速發(fā)展，教育領(lǐng)域亦迎來了前所未有的變革。宙思科技基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)的虛擬仿真教育系統(tǒng)，為虛擬教學(xué)帶來了一場革命?？梢灶A(yù)見，隨著更多先進(jìn)技術(shù)的涌現(xiàn)和應(yīng)用，教育將不再受限于傳統(tǒng)框架，而是走向一個更加開放、靈活和智能的未來。