A didactic Digital Twin for engineering education: design and application
A. S. de Campos, G. R. Santos, E. Y. Hioki, and E. Zancul
Department of Production Engineering, University of S~ao Paulo (USP), S~ao Paulo, Brazil
数字孪生已成为工业4.0转型中的关键技术，通过加强物理域与数字域之间的连接，为实时监测和系统优化等应用提供支持。随着数字孪生研究和工业应用不断发展，对相关教育与专业培训的需求也日益增长。然而，面向教育场景的教学数字孪生，其设计与实施仍不够成熟，开放且可复现的教学平台尤其缺乏。
本文提出并实现了一套教学数字孪生系统，包括实体结构和数字平台。该系统将实体抓取—放置演示设备与数字平台相结合，实现物理系统与数字系统之间的实时双向数据同步，并在本科课程中进行了实验应用。研究同时开放了实体设备模型和软件平台，以支持其他教育工作者和研究人员进行复制与进一步开发。研究成果包括教学数字孪生方案、数字平台及其教育应用分析，为构建开放、可扩展和可复现的数字孪生教育基础设施提供了实践参考。
数字孪生通过实时数据交换实现机器、机器人、工具和智能产品之间的连接，为制造业数字化和智能化提供支持。与此同时，数字孪生的发展也对相关人才的建模、开发、运行和维护能力提出了新的要求，因此，将数字孪生及其相关技术融入工程教育具有重要意义。现有研究已经探索了数字孪生课程、培训项目、学习生态系统和实验平台，但面向教育环境的开放、透明且可复制的数字孪生平台仍较为缺乏。
为此，本文提出一个开放的教学型数字孪生设备和软件平台，并设计相应的数字孪生培训课程，通过试点教学评估其应用效果，同时公开物理设备模型和软件平台，以支持复制、调整和进一步研究。
2.1 数字孪生概念
本文将数字孪生定义为一种具有双向同步能力的网络物理系统，通过物理实体与数字表示之间持续的数据交互，实现闭环运行。作者指出，数字孪生并非单纯的数字建模，而是由物理、虚拟、连接、数据和服务等多个技术层共同构成。持续的双向数据交换是区分数字孪生与静态数字模型、数字影子的重要特征。
2.2 数字孪生在教育中的应用
数字孪生能够将工程教育与真实工业环境联系起来，使学生接触实时连接、网络物理系统、工业自动化等工业4.0技术。已有研究涵盖数字孪生课程设计、模块化培训、学习生态系统、工业过程控制、机器人教育以及远程实验等多种形式。学习工厂等实践环境则进一步为学生提供了接近真实生产场景的实验条件。总体而言，数字孪生教育正在从课程概念逐渐发展到实际实验和培训平台，但不同研究在双向通信、工业设备集成、项目开放性以及教学效果评估等方面仍存在差异。
本文采用设计科学研究（Design Science Research，DSR）框架，将数字孪生平台开发与教学应用两个过程并行推进。研究首先确定研究问题和目标，随后开发数字孪生平台，并通过教育部署获得反馈，再根据实际应用中发现的架构限制进行第二轮设计。
3.1 研究成果的定义
研究开发的核心成果是一套由物理系统和数字基础设施组成的数字孪生平台。物理部分采用可远程操作的气动抓取装置，并以工业自动化中的PLC作为物理系统与数字平台之间的集成组件。研究在多轮设计过程中保持物理装置不变，将主要改进集中于数字集成层，从而能够更清晰地评估平台架构的变化。
3.2 初始平台集成与教育部署
第一阶段将物理装置接入已有的外部数字孪生平台，通过PLC实现物理域和数字域之间的双向同步。该系统随后被部署到巴西一所本科课程中，8名学生参与了数字孪生配置与运行相关课程。学生能够操作实体设备、观察数字表示并监控系统状态，但通信协议、后台逻辑和数据结构等关键技术被平台封装，学生无法深入了解数字孪生背后的系统架构。
3.3 开放数字孪生平台开发
针对第一阶段发现的限制，研究开展第二轮设计，重新开发数字平台。新的平台强调架构透明性、集成自主性、文档可访问性和可复制性，同时保留物理系统不变。代码采用Git进行版本控制，并通过结构化文档支持平台后续复制和修改。
4.1 第一轮实施：初始平台集成
初始系统采用工业级气动设备和Siemens S7-1500 PLC，数字端通过网页界面实现远程操作。系统实现了物理域与数字域之间的双向同步，但后台和通信基础设施由外部平台管理，学校对系统底层架构的控制能力有限。
4.2 第一版数字孪生平台的教学试点
学生通过本地操作和远程控制与数字孪生系统交互，观察系统状态同步并监控运行过程。试点表明，学生能够较好地理解可直接操作的物理和控制层，但对于数据结构、通信基础设施和后台架构等被隐藏的技术层缺乏深入理解。因此，初始平台虽然能够完成数字孪生功能演示，却在教学透明性方面存在不足。
4.3 发现的架构限制
研究发现，外部平台架构的主要问题并非系统无法运行，而是缺乏机构自主控制能力。后台服务、通信配置和数据层均受到外部平台限制，VPN依赖也增加了运行复杂性。这使学生主要接触到数字孪生的运行结果，而无法充分学习其通信、数据处理和系统集成机制，因此成为重新设计平台的重要依据。
4.4 开放数字孪生平台开发
第二版平台采用模块化Web架构，将前端、后端、三维表示、实时通信和工业协议进行整合。系统采用React实现前端界面，以Unity WebGL实现三维可视化，Node.js负责后台处理，并通过OPC UA实现PLC与后台之间的通信，通过WebSocket支持前后端实时双向数据交换。平台还支持安全远程访问和视频流，从而使学生能够远程观察实体设备。
图 5. 采用内部可控架构与用户界面的开放式数字孪生平台
4.5 开放架构的技术验证
技术验证表明，重新设计的平台能够持续实现物理设备与数字表示之间的双向同步。通信、同步逻辑和数据处理均转移至学校自身基础设施中，消除了原有的外部后台依赖，提高了架构透明度和机构自主性。研究团队进一步将平台代码和开发文件以开放许可发布，并提供GitHub项目，以支持其他教育机构复制和扩展。
4.6 讨论与贡献
与已有研究相比，本文更加关注物理集成型数字孪生平台在教育环境中的实际开发与应用。研究表明，开放的数字孪生平台不仅能够展示数字孪生的运行机制，还能够让学生接触通信、数据处理和系统集成等底层技术，从而支持工业4.0相关能力培养。不过，教学试点仅在单一机构的一门本科课外课程中开展，学生数量较少，且没有采用前测和后测，因此研究结果的推广仍受到限制。
本文提出并实现了一套面向教育应用的开放数字孪生平台，将物理硬件与数字软件进行集成，并通过本科教学试点不断改进平台架构。研究主要贡献包括：弥补教育和实验环境中开放、可复制数字孪生平台的不足；探索物理集成型数字孪生支持数字孪生和工业4.0能力培养的可能性；提供包含物理和数字组件的开放源码及文档化方案，以支持其他机构复制和调整。
未来研究将进一步在不同教育和实验环境中复制和调整该平台，并推动形成开放源码协作社区。同时，可增加计算机视觉等感知能力，进一步测试平台的延迟、连接性、可靠性和网络安全性能，并探索预测性维护、过程优化等数字孪生教育应用。此外，平台还可扩展至更复杂的生产场景，例如学习工厂中的装配线。
