Comprehensive Academic Report

本报告介绍了一项发表于 Experimental Technology and Management 期刊（2024年第41卷第9期）的研究，论文题目为“基于数字孪生的液压回路虚拟实验系统”（Digital Twin-Based Virtual Reality Experiment System for a Hydraulic Circuit）。作者包括简正豪（南昌工学院机械与车辆工程学院）、陈卓贤、刘云鸿及通信作者刘继忠（均来自南昌大学先进制造学院）。本文主要研究基于数字孪生（Digital Twin）技术在液压回路虚拟实验系统中的设计与应用，旨在提高工程教育中的教学效率及学生对液压系统原理的掌握能力。

研究的学术背景

液压传动是机械类专业课程中的核心内容，具有较强的实践操作性与多学科交叉特性。在传统教学中，实验设备的物理条件和安全风险限制了学生的学习深度，不利于学生对液压系统动态特性和控制原理的理解。同时，“新工科”兴起背景下，工程教育不仅重视专业知识，更注重实践能力和创新思维的培养。

数字孪生技术作为一种新型方法，为工程教育中理论与实践相结合提供了全新可能。数字孪生技术通过在虚拟空间创建物理实体的实时副本，实现高度互动的仿真实验环境，从而使得学生能够更加直观、安全且深入地学习复杂的工程系统。本文紧扣液压回路节流调速控制（throttling speed control circuit）的关键内容，开发了数字孪生液压虚拟实验系统，以解决传统教学中的不足并促进创新型实践教育的发展。

研究工作流程

本文的研究工作主要分为以下几个核心阶段：系统功能设计、架构设计、实验验证。

系统功能设计

研究者提出了一种沉浸式的液压回路数字孪生系统，旨在为学习者提供高互动性和沉浸感的学习平台。该系统的核心功能包括：

1. 虚实交互的实时同步：通过数字孪生模型的构建，实现真实液压系统与虚拟场景之间的互动。
2. 实验原理的模拟与数据可视化：模拟节流调速回路的关键功能，包括压力、流量控制及活塞运动速度等，并通过直观的三维可视化界面展示实验结果。
3. 虚拟与物理实验的结合：系统支持在虚拟环境中进行实践操作，同时实现对真实实验平台的远程操控（虚控实）。

系统的模块设计分为三个主要部分： - 物理实体模块：构建液压回路的关键组件，包含压力阀、节流阀、液压缸和电磁阀等。 - 数据连接映射模块：包括感知层（压力、流量传感器采集）、数据层（数据的存储和管理）及服务层（提供实验监测和交互功能）。 - 孪生模型模块：采用Unity 3D的三维渲染技术构建数字模型，实现液压系统动态行为的实时演示。

系统架构设计

论文提出了一个分布式的数字孪生系统架构，包含四大部分：数据感知、云服务、孪生模型可视化和虚实映射。

1. 数据感知
   利用压力传感器、流量传感器和位置传感器，实时监测液压系统的关键参数，这些信息被传输到数据采集模块，并通过物联网无线通信模块（Wi-Fi，ESP8266-01s）上传至云服务。

2. 云服务
   云服务平台负责数据的存储、管理及分析，包括使用InfluxDB（时序型数据库）存储数据，并通过Mosquitto消息代理实现数据的高效发布与订阅，确保虚实场景间的通信畅通。

3. 孪生模型可视化
   使用Unity平台构建高度仿真的液压节流调速回路三维孪生模型。该模型支持实时更新实验数据并配备了互动管理功能（如调整阀门状态、显示数据变化等）。

4. 虚实映射
   通过计算机端与PLC控制器的通信桥梁，将虚拟操作同步映射到物理系统中。采用Mitsubishi PLC的通信控件（MX Component），实现对真实液压系统的操控。

实验验证

实验系统的搭建包括硬件设备（液压实验台、传感器、数据采集电路）和软件工具（Unity 3D平台、MQTT协议）。论文采用以下流程验证系统的有效性：

1. 在虚拟环境中搭建节流调速回路，学生通过VR设备完成实验装配。
2. 数据实时采集与双向同步。在虚拟操作过程中，传感器收集的压力、流量和活塞位置数据通过云服务平台反馈到Unity平台，确保数字孪生模型的行为与物理系统对应。
3. 进行实验操作及虚实交互。例如，实验者可点击虚拟电磁换向阀按钮，实现对物理液压缸活塞方向的远程控制；反之，液压系统的实时状态也反馈至虚拟场景供学习者观察。

主要研究结果

研究开发的数字孪生液压回路虚拟实验系统具备以下特点：

1. 实时数据同步
   系统实现了虚拟场景与物理系统间的数据实时交互。例如，实验者通过修改虚拟阀门参数后，物理系统随之响应，液压缸活塞运动的状态变化被实时反映在虚拟模型上。

2. 增强的教学效果
   学生通过实验系统能够更深入地理解液压回路的工作原理，并掌握节流调速功能的实现过程。

3. 丰富的交互功能
   系统提供了持续的实验监控、虚拟环境中的组装指引以及液压流体的动态粒子可视化模拟，使实验具有较高的沉浸感。

研究的意义与价值

1. 工程教育的革新
   该系统通过结合数字孪生与虚拟现实技术，突破了传统教学的时空与安全限制，不仅提升了学习效率，还激发了学生的学习兴趣。

2. 新工科教育的实践辅助
   系统的设计为教学内容数字化提供了新思路，可广泛用于工程教育的虚拟实验课程，例如流体力学、自动化控制等。

3. 数字孪生技术的推广
   论文提出的分布式架构为数字孪生技术在工业控制和工程教育的结合提供了参考，为不同领域的工业设备与教学系统开发数字孪生模型提供了实践案例。

研究亮点

1. 首创性的组合模块架构
   系统创新性整合了数据感知、孪生模型可视化和虚拟场景交互，不仅增强了用户体验，还实现了虚实间的双向实时控制。

2. 基于Unity的复杂模型优化
   采用Unity 3D与多种传感器支持的三维虚拟环境，实现了复杂液压系统的精确动态建模与实时监控。

3. 新颖的交互功能设计
   油液流动的粒子模拟及方向变化通过可视化展示，不仅提供实验沉浸感，还直观表现了液压回路动态特性。

结语

本文研究成果为液压传动课程提供了一种数字化、现代化的教学工具，融合了数字孪生技术与虚拟现实，既改善了学生的实践操作条件，也增强了对液压系统动态行为的理解，为新工科教育的探索与实践提供了参考模型。这一系统的开发与应用具有重要的工程教育推广价值，为未来类似虚拟实验与工业控制系统结合的开发提供了理论与实践支持。