萬力勇

（中南民族大學 教育學院， 湖北武漢430074）

對于創(chuàng)客空間（Makerspace），學術界并不存在一個統(tǒng)一的概念或者比較通用的定義。 從空間功能視角，美國著名雜志Make 將創(chuàng)客空間定義為一個真實存在的物理場所，一個具有加工車間、工作室功能且能用于開放交流的實驗室、工作室；從空間活動視角，Colegrove 將創(chuàng)客空間定義為以創(chuàng)意實現(xiàn)為目的，開展原型設計、加工制作、協(xié)同創(chuàng)作等多種活動的連續(xù)統(tǒng)[1]；從空間所具有的教育屬性視角，楊緒輝等認為創(chuàng)客空間是以應用實踐為導向、 以學習者為中心的融合式創(chuàng)新學習環(huán)境[2]。 一般來說，大多數(shù)創(chuàng)客空間包含如下共同要素：空間用戶共同的愿景和利益；相互協(xié)作的社群；用戶開展個體或群體項目的機會；用戶之間的廣泛交流和互動； 自我驅動的開放式項目；開展項目設計所需的設備和資源等。

高校創(chuàng)客空間特指以高校為主體創(chuàng)建的創(chuàng)客空間，其以創(chuàng)客項目的運行與開展為主導，著力推進跨學科知識的融合與應用， 對大學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力生成和提升具有積極的促進作用[3]。從創(chuàng)客空間概念首次被提出至今， 高校創(chuàng)客空間經歷了由物理空間形態(tài)到混合空間形態(tài)的發(fā)展歷程， 為無數(shù)大學生創(chuàng)客提供了知識分享、思想碰撞、創(chuàng)意交流、協(xié)同創(chuàng)造、跨界協(xié)作、技術創(chuàng)新、自主創(chuàng)業(yè)等機會，成為高校推動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)的一道亮麗風景。 時下， 隨著5G 通信、物聯(lián)網、XR（擴展現(xiàn)實）、全息、人工智能、物聯(lián)網等新技術的集群式突破， 一種推動全球制造業(yè)數(shù)字化轉型的關鍵技術——數(shù)字孿生（Digital Twin，DT），正逐步走進研究者和實踐者的視野。

數(shù)字孿生作為一種能實現(xiàn)物理世界與信息世界交互與融合的技術手段， 借力于5G、AR/VR/XR、物聯(lián)網等新技術， 實現(xiàn)現(xiàn)實情境與虛擬情境的多模態(tài)融通與互促，進而實現(xiàn)“以虛映實、以虛控實”，為改造物理世界提供數(shù)據與決策依據。 全球知名的IT 研究與咨詢服務公司高德納（Gartner）連續(xù)三年（2016年-2018 年） 將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢， 認為其將在未來五年里對全球各項產業(yè)發(fā)展產生破壞性創(chuàng)新[4]。 作為一種變革性的信息技術，數(shù)字孿生與創(chuàng)客空間相關功能模塊具有良好的契合性，能有效整合到現(xiàn)有的高校創(chuàng)客空間中， 促進高校創(chuàng)客空間功能的轉型升級， 進而實現(xiàn)從混合空間形態(tài)向映射空間形態(tài)的演進。

一、高校創(chuàng)客空間的發(fā)展歷程

（一）物理空間

物理空間是指實實在在存在的創(chuàng)客空間，為開展多種形式的創(chuàng)客活動提供場所。該場所既能提供包括辦公場地、工具設備、互動交流等基礎服務，還能提供包括創(chuàng)新訓練、創(chuàng)意咨詢、創(chuàng)業(yè)輔導等衍生服務，具備深度研討、專家指導、成果展示等工作區(qū)域和功能。 國內相關學者按照運營形態(tài)將高校創(chuàng)客空間劃分為Community 形態(tài)、FabLab 形態(tài)和Techshop 形態(tài)[5]。 在這三種基本形態(tài)的基礎上，根據應用場景的不同又演化出其他一些分類形態(tài)，如，美國高校創(chuàng)客空間又可分為機械工作室（Machine Shop）、項目空間（Project Space）和社區(qū)空間（Community Space）三種形態(tài)[6]：機械工作室是專門用于復雜系統(tǒng)和精細組件的制作以及開展與之相關的培訓和指導活動的空間； 項目空間主要是指支持課程項目開展的空間；社區(qū)空間主要指通過用戶群體努力促進無限創(chuàng)意和創(chuàng)作的空間[7]。 這三種形態(tài)的創(chuàng)客空間分別與高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)中的技術范式、科學范式和工程范式相對應[8]。

（二）混合空間

隨著網絡技術的發(fā)展，單純的物理空間已無法滿足創(chuàng)客們開展創(chuàng)意設計和制作活動的需求，在保持物理空間的實踐功能不變的基礎上，構建具有線上服務與支撐功能的虛擬空間，形成虛實結合的混合空間成為了時代所需[9]。 混合空間最大的特點是線上空間與線下空間進行集成，最終形成了一個混合式的學習和實踐環(huán)境。 線下空間除了提供硬件設備和制作材料外，還擁有開展面對面研討、教師一對一指導以及創(chuàng)客作品演示等的專門場地；線上空間除了具有線上同步或異步交流討論功能外，同時還可以為創(chuàng)客提供豐富的在線學習資源和參考資料[10]。與此同時，一些新的數(shù)字化設計和制造技術也被引入到創(chuàng)客空間中，比如，數(shù)字樣機（Digital Prototype，DP）技術等。

相較于單一物理空間，混合空間的主要優(yōu)勢在于：增強了創(chuàng)客之間交流互動的便捷性，以啟發(fā)性的、虛實結合的空間為支持，鼓勵多方通過正式和非正式的互動、 合作參與創(chuàng)造和設計創(chuàng)新制品、持續(xù)應用新興技術來改進設計制造過程，從而實現(xiàn)多途徑的共創(chuàng)。 但混合空間形態(tài)的高校創(chuàng)客空間仍存在一些不足：其一，混合空間中的線上線下融合主要指創(chuàng)客交流方式和知識共享方式的融合，而創(chuàng)客的實際創(chuàng)意設計和制造過程主要是在線下物理空間中完成， 很難進行線上實時的協(xié)同設計和制造；其二，高校創(chuàng)客空間中的創(chuàng)客行為既是一種設計實踐， 同時也是一種以實踐情境為依托的學習行為，如何讓大學生創(chuàng)客的學習行為更具有沉浸感，是高校創(chuàng)客空間發(fā)展過程中需要解決的問題； 其三，以數(shù)字樣機為代表的數(shù)字成型技術無法建立虛擬產品與物理產品之間的交互映射和互動控制關系，無法對物理產品在各種現(xiàn)實環(huán)境中運行狀況進行預測和模擬，致使創(chuàng)客產品的運行檢驗仍需在物理空間中完成。

結合混合空間存在的不足和高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)以及創(chuàng)新型工程技術人才培養(yǎng)的實際需求，高校創(chuàng)客空間新一輪的轉型升級迫在眉睫。 而數(shù)字孿生所具有的虛實映射、虛實互動、虛實融合等特性和功能，能有效解決混合空間所存在的問題和短板。將數(shù)字孿生融入到高校創(chuàng)客空間的構建中， 將有助于實現(xiàn)高校創(chuàng)客空間從混合空間形態(tài)向映射空間、融合空間形態(tài)的轉變，真正實現(xiàn)數(shù)據聯(lián)通、虛實互動、資源共享和協(xié)同創(chuàng)作。

二、數(shù)字孿生融入高校創(chuàng)客空間構建的可行性

（一）數(shù)字孿生及其特性

與其他眾多新興技術一樣， 數(shù)字孿生在學術界尚未有一個公認的定義。 具有代表性的定義如：“德國工業(yè)4.0（Industry 4.0）術語編寫組”認為，數(shù)字孿生是一種充分利用物理模型、傳感器數(shù)據、歷史運行數(shù)據，以多物理量、多尺度、多概率仿真的方式完成虛擬模型與實體模型的映射， 并刻畫出實體模型的全生命周期狀態(tài)的過程[11]；國內數(shù)字孿生研究領域知名學者陶飛將數(shù)字孿生界定為一種集成多物理、多尺度、多學科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性， 能夠實現(xiàn)物理世界與信息世界交互與融合的技術手段[12]。 可見，數(shù)字孿生技術具有對象性和過程性、高保真復現(xiàn)和交互性、多維融合性等特點。

（1）對象性和過程性。 “孿生體”對象可實時復現(xiàn)現(xiàn)實物理對象的行為， 利用現(xiàn)實物理對象的行為數(shù)據及情境數(shù)據進行分析與預測， 進而操控現(xiàn)實物理對象[13]。 同時，數(shù)字孿生能夠按時間維度對現(xiàn)實物理對象從產生到消亡的全部發(fā)展歷程進行無差異刻畫。

（2）高保真復現(xiàn)和交互性。 數(shù)字孿生能面向不同的用戶需求， 提供與之相適應的高保真專用模型； 結合全息技術與虛擬現(xiàn)實等新興交互技術，數(shù)字孿生可以提供全方位的信息感知體驗和實時人機交互效果。 此外，數(shù)字孿生還可以實現(xiàn)仿真模型與現(xiàn)實對象的交互。

（3）多維融合性。 首先是信息與物理的融合，通過在物理實體上部署各種傳感器， 實時監(jiān)測其環(huán)境數(shù)據和運行狀態(tài)， 實現(xiàn)諸如物理模型構成要素的智能感知與互聯(lián)、 多源異構數(shù)據的融合等[14]；其次為多維實時互聯(lián)，以孿生數(shù)據為紐帶，將物理實體、虛擬模型、應用服務系統(tǒng)連接為一個有機整體；最后是多維應用的整合，將由數(shù)字孿生技術所生成的數(shù)據服務、管理服務和運維服務整合起來并提供給用戶。

（二）數(shù)字孿生融入高校創(chuàng)客空間構建的途徑與功效

一個典型的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架如圖1 所示，其包括四個主要構成要素和六個處理步驟[15]。

圖1 一個典型的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架

四個主要構成要素分別為：傳感器（Sensors）、數(shù)據（Data）、分析器（Analytics）、執(zhí)行器（Actuators）[16]。基于物聯(lián)網的傳感器是數(shù)字孿生技術的基礎， 可以實時獲取有關物理實體參數(shù)的信息，將設備、產品、過程和環(huán)境信息用于數(shù)字孿生；數(shù)據是指將傳感器數(shù)據及其他相關的系統(tǒng)數(shù)據融合，這些數(shù)據具有多源異構的特點；分析器負責利用先進的數(shù)據分析技術，如，模式識別、非結構化和多模態(tài)數(shù)據分析，來分析數(shù)據并獲得對可利用數(shù)據的深刻見解；執(zhí)行器是數(shù)字孿生對物理實體發(fā)出指令并使其產生行動的手段。

六個處理步驟按照其產生順序依次為： 創(chuàng)建（Create）、通信（Communicate）、聚 合（Aggregate）、分析（Analyze）、洞見（Insight）、行動（Act）[17]。 創(chuàng)建是指創(chuàng)建物理實體和虛擬模型， 并由傳感器獲得物理實體信息； 傳輸是指實現(xiàn)虛擬實體與物理模型之間的無縫的、實時的雙向通信；聚合是指傳感器數(shù)據與其他系統(tǒng)或其他制造環(huán)節(jié)數(shù)據進行聚合； 分析是指對集成數(shù)據進行統(tǒng)計、分析、預測等；洞見是指發(fā)展對現(xiàn)有流程或產品性能的認知度， 并據此明晰物理實體與虛擬模型之間的表現(xiàn)差異； 行動是指基于物理實體與虛擬模型的表現(xiàn)差異， 采取相關行動進行干預并不斷優(yōu)化。

基于數(shù)字孿生系統(tǒng)框架和原理， 結合高校創(chuàng)客空間的主要結構和功能， 數(shù)字孿生可通過以下三種途徑融入到高校創(chuàng)客空間的構建中：

第一，傳感器和物聯(lián)網融入。通過在創(chuàng)客空間底層布置各種傳感器，組建物聯(lián)網，能夠將機器設備的具體位置和運行狀態(tài)、制作工具、制作材料狀態(tài)等重要信息以及噪聲、振動、氣體信息等環(huán)境信息，進行實時采集并做可視化處理， 使其具備超寫實性。 第二，多層模型融入。從要素、行為、規(guī)則等多層面構建創(chuàng)客產品模型，要素層面負責進行物理屬性的刻畫，行為層面負責對創(chuàng)客產品內部行為細節(jié)進行刻畫，規(guī)則層面包括對創(chuàng)客產品演化規(guī)律進行評估、 優(yōu)化和溯源等[18]。 第三，大數(shù)據融入。 融入多來源、多類型、多粒度的設計大數(shù)據和創(chuàng)客空間運行大數(shù)據，可對數(shù)據進行清洗、融合和分析，并將分析結果應用到產品設計和空間運行優(yōu)化之中。

融入數(shù)字孿生的創(chuàng)客空間可對現(xiàn)實創(chuàng)客空間環(huán)境進行高保真復現(xiàn)， 對創(chuàng)客的創(chuàng)意設計與制作過程進行實時監(jiān)控[19]；通過孿生體模型預測實體產品的性能參數(shù)和預期運行狀態(tài)， 在設計制作過程中實現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界之間的雙向互動； 隨時調用孿生數(shù)據對制作過程進行分析修改， 不斷挖掘產生新穎、獨特、具有價值的創(chuàng)客制品概念，不斷降低制品實際行為與設計期望行為間的不一致性， 使之對物理產品的設計不斷優(yōu)化， 通過全生命周期的虛實設計融合，全面提高創(chuàng)客設計質量和產品制作效率。在此過程中，數(shù)字孿生的具體功效體現(xiàn)在“實時監(jiān)控、動態(tài)交互、迭代進化”等三個方面。

1.實時監(jiān)控

監(jiān)控是指在創(chuàng)客設計過程中對物理實體產品參數(shù)進行實時刻畫和呈現(xiàn)。 數(shù)字孿生技術應用于創(chuàng)客空間后， 所形成的監(jiān)控作用在全面性和精準性方面遠遠超過傳統(tǒng)監(jiān)控攝像頭。 此外，監(jiān)控數(shù)據的推送方式和呈現(xiàn)方式可任意定制化，如，以數(shù)值形式直接顯示、 通過二維柱狀圖或雷達圖呈現(xiàn)、以顏色標注不同參數(shù)等級等。當某項運行或制作指標不在規(guī)定閾值范圍內時， 虛擬空間將進行提示和預警[20]。 同時，還可通過集成化的數(shù)據仿真、分析等功能，對采集到的各類監(jiān)控信息進一步挖掘，以實時掌握創(chuàng)客空間的深層運行狀態(tài)。

2.動態(tài)交互

動態(tài)交互是融入數(shù)字孿生的創(chuàng)客空間不同于混合空間的關鍵性特性。在創(chuàng)客空間中，數(shù)字孿生通過傳感設備或相關終端， 實現(xiàn)與所設計物理產品的動態(tài)交互， 使物理產品與該產品的數(shù)字化虛擬模型融為一個整體[21]。 虛擬模型可以實時、準確地獲取物理產品的所有參數(shù)和屬性信息， 通過對這些信息進行集成分析和處理，同步得出物理產品的性能情況，并通過虛擬模型將物理產品的內部結構和細節(jié)展示出來；設計者可以通過沉浸式技術，觀察和了解物理產品在虛擬仿真環(huán)境中的運行情況，更準確、及時、客觀地把握其狀態(tài)以及在設計方面存在的不足， 并將結果反饋給物理實體， 為物理產品的優(yōu)化設計提供信息參考和決策支持， 進一步增強虛擬模型與物理實體之間的耦合時效。

3.迭代進化

隨著創(chuàng)客空間中創(chuàng)意設計活動的不斷推進，物理產品經歷了從創(chuàng)意設計到成型的生命歷程。 在這個過程中， 數(shù)字孿生體首先表現(xiàn)為基于用戶需求的概念設計，隨著設計活動的展開，逐步變成一個具有一定信息量的虛擬模型， 繼而隨著物理產品不斷成型、材料的產生和加工裝配，虛擬模型也日漸豐滿，同步生長出完備的信息組件。 在該數(shù)字孿生體隨著物理產品生命歷程不斷完善的過程中， 物理產品在設計開發(fā)過程中所經歷的點點滴滴都被記錄了下來。 在數(shù)字孿生體迭代進化的過程中，一方面，忠實映射了物理產品的設計開發(fā)和制造過程， 全面記錄物理產品全生命周期內的屬性、狀態(tài)、行為等靜態(tài)或動態(tài)信息；另一方面，可將物理產品迭代進化的所有歷史記錄隨時提取， 回溯和復現(xiàn)物理產品在其生命周期中任一時刻的狀態(tài)， 并可根據相關規(guī)則來推演或模擬其在未來時刻的“假設”場景，并預判其運行狀態(tài)和性能情況[22]。

三、映射空間：融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間框架

數(shù)字孿生技術可以把在線創(chuàng)客空間和物理創(chuàng)客空間進一步融合，形成一個無縫的映射空間，該創(chuàng)客空間不僅僅是創(chuàng)客們開展協(xié)同創(chuàng)作、互動共享、展示成果的創(chuàng)作空間和社交空間；同時，也可以對創(chuàng)客創(chuàng)作方式進行“模式創(chuàng)新”和“流程再造”，從而有效改進和增強原有創(chuàng)客空間的“廣度”“深度”“速度”[23]。

首先在廣度上， 數(shù)字孿生有利于打破傳統(tǒng)校園創(chuàng)客空間的設備局限性和空間規(guī)模的局限性， 構建一個對于參與其中的大學生創(chuàng)客來說能夠“處處能做、時時可學、樣樣可試”的無限制、全方位創(chuàng)客學習與實踐環(huán)境，使大學生能夠更經濟、高效地使用數(shù)字孿生，開展創(chuàng)客制品的設計。

其次在深度上，數(shù)字孿生技術可用于深層次的“展示”和探索所設計產品的內部結構，學生在受控的、模擬驅動的環(huán)境中，更深刻地理解并探索虛擬產品在各種模擬條件下的運行狀態(tài)，從而及時發(fā)現(xiàn)容易出現(xiàn)的故障及容易忽略的漏洞。 以設計汽車的制動系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)的計算機仿真主要用于了解車輛模型在不同的實際場景中的性能，往往僅限于當前事件和大多數(shù)已知的操作環(huán)境，無法預測車輛對未來設想方案的反應。 而數(shù)字孿生會將測試階段擴展到從設計到實際使用的整個物理車輛全生命周期中，通過在物理車輛上連接的傳感器數(shù)據，深度再現(xiàn)物理車輛的關鍵事件、維護歷史、操作歷史，從而精準分析故障原因。

最后在速度上，其一，可以通過三維數(shù)字化模型設計及3D 打印技術快速得到創(chuàng)建產品的外形原型，以供概念展覽或設計評價；其二，對虛擬產品進行測試的速度比對物理產品的更快； 其三， 先虛后實、虛實結合的產品開發(fā)，比完全在物理空間中的設計要快捷高效。

（一）基于構成要素的空間框架

在借鑒有關數(shù)字孿生車間系統(tǒng)組成要素研究的基礎上，從空間構成要素角度看，融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間主要由物理空間、虛擬空間、空間服務系統(tǒng)和孿生數(shù)據構成，其框架如圖2 所示[24-26]。其中，孿生數(shù)據是創(chuàng)客空間架構的核心要素， 能同時驅動物理空間、虛擬空間和空間服務系統(tǒng)的運行及交互。

1.物理空間

圖2 融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間框架

物理空間主要指創(chuàng)客空間中人、機、物等物理實體，以及創(chuàng)客空間對應創(chuàng)客活動的集合，負責創(chuàng)意設計和制作的實體化實現(xiàn)。 與傳統(tǒng)的創(chuàng)客空間相比，融入數(shù)字孿生的創(chuàng)客空間除具備傳統(tǒng)空間所擁有的功能和作用外，其物理空間還需具備多源異構實時數(shù)據的獲取和融合能力，具有自感知和底層數(shù)據采集與傳輸?shù)裙δ堋?在實現(xiàn)多源異構數(shù)據的采集和集成方面，需要一套標準化的數(shù)據通信與轉換裝置，以實現(xiàn)對不同通訊接口和通訊協(xié)議的統(tǒng)一轉換以及數(shù)據的統(tǒng)一封裝[27]。在此基礎上，通過相應裝置對收集到的多源數(shù)據進行處理，使其可以實時上傳至虛擬空間和空間服務系統(tǒng)。 該裝置可對多類型、多尺度、多粒度的物理空間數(shù)據進行規(guī)劃、清洗及封裝等，并通過統(tǒng)一的規(guī)范化處理，使數(shù)據具備可操作性和可溯源性。

2.虛擬空間

虛擬空間基于與物理空間實體高度逼近的模型， 能夠真實模擬創(chuàng)客創(chuàng)作過程中的物理實體的全過程，具體包括虛擬空間的各類模型、規(guī)則、知識等；同時，它還負責創(chuàng)作活動在虛擬空間的仿真、分析、優(yōu)化、決策等。虛擬空間作為虛擬模型存在與生成的依托環(huán)境，一方面，不斷為虛擬模型的構建，積累實時數(shù)據與知識， 使虛擬模型伴隨物理產品的設計不斷迭代進化。另一方面，虛擬空間作為一種高度情境化的在線學習環(huán)境，其逼真的三維可視化效果，可使學生在探索物理產品機理與性能的過程中， 產生深度的沉浸感與舒適的交互感， 有利于激發(fā)學生的學習興趣和學習效能， 在操作虛擬模型與物理產品交互的過程中，將知識學習與實踐檢驗有機融合。

3.空間服務系統(tǒng)

空間服務系統(tǒng)是創(chuàng)客空間中各類服務系統(tǒng)功能的集成，其主要職責是在孿生數(shù)據驅動下，對空間中的主體和對象提供相應的支持和管理服務，如，對空間設計要素、 設計活動、 制作過程等的管控與優(yōu)化等；同時，協(xié)調物理空間與虛擬空間的交互關系[28]。在創(chuàng)客設計活動開展的過程中， 物理空間的運行狀態(tài)和虛擬空間對物理產品的實時仿真、 檢驗與預測數(shù)據，被及時反饋到空間服務系統(tǒng)，空間服務系統(tǒng)據此作出決策，對設計制作方案進行實時調整。創(chuàng)客空間服務系統(tǒng)通過優(yōu)化配置創(chuàng)客空間物理資源和信息資源，整合與協(xié)調各操作要素的運行機制，從而在整體上提高創(chuàng)客空間的運行效率。

4.孿生數(shù)據

從圖2 可看出， 創(chuàng)客空間孿生數(shù)據主要由物理空間、虛擬空間、空間服務系統(tǒng)三個部分所產生的數(shù)據構成，具有多源異構、海量化等特點。 來自物理空間的數(shù)據主要有設備方位數(shù)據、設備狀態(tài)數(shù)據、制作材料數(shù)據、操作活動數(shù)據和制作流程數(shù)據等；來自虛擬空間的數(shù)據有虛擬模型的詳細參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據、性能數(shù)據以及針對虛擬模型的測評和預測數(shù)據等[29]；來自空間服務系統(tǒng)的數(shù)據則主要包括各類資源的配置數(shù)據和對各類要素的管理數(shù)據等，比如，用戶管理數(shù)據、資源管理數(shù)據、過程管理數(shù)據等。此外，孿生數(shù)據還包括對以上三類數(shù)據進行統(tǒng)計、挖掘、分析后所產生的二次衍生數(shù)據。

（二）基于構成層級的空間框架

從空間構成層級角度看， 融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間主要由物理層、數(shù)據層、模型層、服務層和應用層構成，具體如圖3 所示。

圖3 融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間構成層級

（1）物理層主要指創(chuàng)客空間中客觀存在的物理實體，包括機器、設備、制作工具、制作材料和未制作完成產品的半成品，以及大學生創(chuàng)客完成制作活動的場地和環(huán)境；同時，還包括安裝在物理實體上的數(shù)據采集設備（如傳感器）等。 物理實體具有可觸摸性、可感知性、可建模性等特點；（2）數(shù)據層負責創(chuàng)客空間孿生數(shù)據的采集及其集成，負責為物理空間、 虛擬空間和空間服務系統(tǒng)運行提供數(shù)據來源，并具備空間孿生數(shù)據的實時采集、 處理、 傳輸、清洗、集成等功能[30]；（3）模型層主要指虛擬創(chuàng)客空間模型構建及其對應承擔的虛擬創(chuàng)客活動，包括數(shù)字孿生體機理模型和數(shù)據驅動模型的構建及應用等，通過運行數(shù)字孿生體機理模型和數(shù)據驅動模型，來實現(xiàn)創(chuàng)作活動在虛擬空間的仿真和分析；（4）服務層負責根據創(chuàng)客活動之需求，為創(chuàng)客空間提供活動規(guī)劃、質量管理、創(chuàng)作管控、優(yōu)化分析等各類服務；（5）應用層負責對已開發(fā)成型的創(chuàng)客活動產品進行對外輸出和對接，同時，包括一系列的反饋驗證、故障檢測及后期運維等。

四、融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間之功能

（一）基于數(shù)字孿生的創(chuàng)客協(xié)同設計

協(xié)同設計是指為了完成某一設計目標，由兩個或以上設計主體，通過一定的信息交換、資源共享和彼此協(xié)同機制，共同完成設計目標的過程[31]。協(xié)同設計的基本要素包括協(xié)作、信任、交流、折衷、一致、不斷提高與協(xié)調等。 它被認為是當前產品設計領域極具推廣價值的設計模式，是產品設計技術發(fā)展的必然趨勢。 在以協(xié)同創(chuàng)新為主要使命的創(chuàng)客空間活動中， 協(xié)同設計有助于創(chuàng)客空間成員集思廣益，以提高產品設計質量；同時，也能最大限度提高設計效率。 然而，在傳統(tǒng)創(chuàng)客空間中，要實現(xiàn)協(xié)同設計還存在一定的困難。

首先，協(xié)同設計的過程是非常復雜的。 一個設計人員在設計過程中會產生多個設計版本，每一個版本都有其價值。 比如，在被設計者舍棄的某一設計版本中，極有可能在后續(xù)設計流程中因為重新評估被重啟或采納。 這樣，如何對多個設計人員數(shù)量龐大的設計版本與設計歷史記錄進行管理，是一個必須考慮的問題。其次，協(xié)同設計是不同設計人員之間相互合作、相互影響和制約的過程， 設計人員對其產品開發(fā)的考慮角度、評價標準和領域知識不盡相同，在協(xié)同設計過程中不同設計者之間的潛在沖突不可避免。 如何合理解決這種沖突也是不可忽視的問題。

但在融入數(shù)字孿生的創(chuàng)客空間中，眾多的設計人員可圍繞公認、公開的同一產品的數(shù)字化模型進行設計。 這一公開的數(shù)字模型便是產品數(shù)字孿生體的雛形[32]，該數(shù)字孿生體與一般三維仿真模型的不同之處在于： 它從一開始就具備了追溯歷史設計狀態(tài)的機制， 可以隨時切換到任一歷史版本狀態(tài)。 隨著協(xié)同設計的不斷推進， 該數(shù)字孿生體會實時更新其各個組件信息并以可視化方式呈現(xiàn)出來， 使所有設計人員看到的產品設計信息都是最新版本， 可以即時判斷設計版本的合理性和最優(yōu)性，由此，可以克服設計版本的管理問題。同時，整個創(chuàng)客團隊通過對數(shù)字孿生體進行協(xié)同評估，可以快速查找設計中的短板，在不需要制作出產品原型的情況下， 迅速優(yōu)化或變更產品設計方案，使設計任務能夠以高效率的方式保質保量完成。

以某創(chuàng)客團隊設計一款無人機為例， 該團隊包括3 名大學生創(chuàng)客， 每個創(chuàng)客負責設計數(shù)字化無人機模型的一個模塊，具體如圖4 所示[33]。 在設計過程中， 每個創(chuàng)客都可以隨時將自己的設計數(shù)據上傳到數(shù)字孿生平臺， 設計數(shù)據會自動生成三維顯示的數(shù)字孿生模型。 因此，只要有創(chuàng)客提交了更新數(shù)據，所有創(chuàng)客都可以實時看到最新生成的無人機模型及其詳細設計參數(shù)， 甚至可以讓數(shù)字孿生體模擬其在不同環(huán)境中的運行情況。同時，數(shù)字孿生體的每一個歷史更新狀態(tài)也都被記錄下來， 創(chuàng)客可以隨時回溯到設計中的任意狀態(tài)， 并查看該狀態(tài)時的數(shù)字孿生模型參數(shù)及性能情況。而不同設計方案的優(yōu)劣，可以從不同版本的數(shù)字孿生體參數(shù)和性能的比較中輕易得出， 這就避免了設計中不同設計人員理念沖突的發(fā)生。在此過程中，每個版本的設計方案比較也擴充了大學生創(chuàng)客的設計知識和設計經驗， 使其設計能力不斷得到提升。

（二）基于數(shù)字孿生的創(chuàng)客設計全生命周期管理

圖4 基于數(shù)字孿生的無人機協(xié)同設計

傳統(tǒng)的產品設計開發(fā)過程， 主要包括了從設計到測試再到生產這一過程。 同樣以無人機的設計開發(fā)為例，其設計階段主要包括需求設計、概念設計、詳細設計等環(huán)節(jié)， 測試階段包括材料測試、 系統(tǒng)測試、結構測試等環(huán)節(jié)。 通過測試后，則進入“產品原型—樣品—小批量制造—大批量制造”的生產環(huán)節(jié)。通常要打造出成熟的無人機產品或一套生產流程，會經歷多次迭代設計， 有時為了測試和驗證產品的某一尺寸、部件間的裝配關系或流程的一環(huán)，不得不制造出多個中間產品或重新設計流程， 耗費大量人力、物力和財力。同時，還存在的一個問題是：量產的產品進入市場后的具體運行情況往往無法跟蹤，一般要通過售后維護環(huán)節(jié)， 才能發(fā)現(xiàn)產品在實際運行中的問題，從而使得產品的更新和升級相對滯后。

與傳統(tǒng)創(chuàng)客空間產品設計不同的是， 基于數(shù)字孿生的產品設計通過全生命周期的虛實融合， 以及超高擬實度的虛擬模型構建等方法， 全面提高了設計的質量和效率。 在融入數(shù)字孿生的創(chuàng)客空間產品設計中，將產品生命周期變?yōu)閿?shù)字孿生生命周期，產品生命周期中的設計、測試、生產、維護等階段分別映射為模擬、驗證、分析、預測等階段，如圖5 所示。

圖5 產品生命周期與數(shù)字孿生生命周期之映射

在產品設計階段， 通過高保真度的三維數(shù)字化仿真模型，實時呈現(xiàn)設計產品的最新可視化狀態(tài)，幫助大學生創(chuàng)客對不同參數(shù)設計情況下的產品性能情況進行了解和判斷，并通過不同設計方案的比對，獲得更加完善的設計方案。在產品測試階段，基于數(shù)字孿生體的虛擬運行情況， 可有針對性地即時修改其每一處部件的尺寸、參數(shù)和裝配關系，使產品幾何結構的檢驗和裝配可行性的驗證工作大為簡化， 從而可以大幅度減少迭代過程中物理樣機的制造次數(shù)、時間和成本。在產品生產制作階段，數(shù)字孿生技術可以通過實時映射的方式，將產品內部結構中不可見、不可測的狀態(tài)變量， 以可視方式標注并進行全方位分析， 從而精細地呈現(xiàn)產品制作過程中的每一個細節(jié)， 并對生產過程中可能存在的異常情況進行預警[34]。 在產品維護階段，通過讓數(shù)字孿生體再現(xiàn)物理產品在不同場景情況下的運行狀況， 可以對所設計產品的相關參數(shù)和指標進行測評， 對其將來在實際場景中運行的總體性能進行預測。 從而及時發(fā)現(xiàn)產品的早期故障和設計缺陷情況并進行反饋， 以優(yōu)化產品的后期運維和故障預防工作。

（三）基于數(shù)字孿生的創(chuàng)客設計沉浸式體驗

與一般創(chuàng)客空間不同的是， 高校創(chuàng)客空間除了具有創(chuàng)意設計功能外， 同時還具有一定的教育教學功能， 即通過創(chuàng)新設計實踐來提高學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和使用所學知識來解決現(xiàn)實生活中實際問題的能力。在將知識結構與現(xiàn)實問題進行鏈接的過程中，可以將需要解決的問題或設計任務視為一種學習情境，讓學生在體驗和實踐中開展學習，體驗知識的創(chuàng)造過程，獲得知識自我建構能力及技能方法的提升。體驗式學習理論認為， 體驗式學習過程是一個環(huán)形結構，包括具體體驗、反思觀察、抽象概括和主動檢驗四個階段[35]。 其中，具體體驗是讓學習者完成反思觀察、抽象概括和主動檢驗的基礎和前提。體驗式學習尤其強調體驗的沉浸性， 即學習者全神貫注地將自己具身到相應的學習和實踐場景中去實際感受。沉浸是讓人專注在當前的目標情境中以感到愉悅和滿足，有一種置身于虛擬世界之中的快感。沉浸式體驗是體驗式學習的一種理想狀態(tài)， 能有效提升體驗式學習的效果。 數(shù)字孿生能夠給創(chuàng)客空間中的大學生創(chuàng)客提供良好的人機交互全息環(huán)境， 使他們獲得身臨其境般的沉浸式體驗。

首先， 通過高保真度三維數(shù)字孿生體屬性的具象可視化， 大學生創(chuàng)客能清晰地了解和掌握物理實體的微觀構成信息和信息組件拼接信息， 從而獲得對物理實體產品從微觀到宏觀、 從部分到整體全方位的認知印象。

其次，隨著相關技術的不斷突破，大學生創(chuàng)客對數(shù)字孿生體的感知不僅僅局限于視覺角度的觀察和聽覺角度的信息獲取，同時，還可以擴展到全感官融合。 比如，將基于數(shù)據手套的觸摸感知、壓力感知以及通過手勢識別技術的肢體動作感知等多方面的信息和感應進行融合， 使大學生創(chuàng)客在進行學習體驗和設計實踐時， 能完全再現(xiàn)真實的物理實體及其所在的具體物理場景， 從而了解和學習到真實物理系統(tǒng)本身所不能直接反映的系統(tǒng)屬性和特征[36]。 尤其是在操作具有一定危險性的機器設備來開展設計時， 通過在使用前以虛擬體驗的方式對設備操作方法進行了解和學習，有助于有效防范可能存在的操作風險。 同時，在沉浸體驗過程中，通過學習和了解在實體對象上接觸不到或采集不到的物理量的分析和仿真結果，大學生創(chuàng)客能夠對物理實體產生更全面、更深入的認識和理解，其創(chuàng)造性設計的靈感也將被觸發(fā)和驗證。

（四）基于數(shù)字孿生的創(chuàng)客空間運行實時監(jiān)控

對高校創(chuàng)客空間運行情況進行有效監(jiān)控， 是確保創(chuàng)客空間運行質量和運行績效的重要途徑。 現(xiàn)有的創(chuàng)客空間多采用“層級主體”和“查評控結合”的運行監(jiān)控模式。 “層級主體”模式重在自上而下層層監(jiān)控，確保創(chuàng)客空間有序、高效運行；“查評控結合”模式強調“檢查與抽查相結合、評估與評比相結合、監(jiān)控與建設相結合”的監(jiān)控思路。但以上兩種運行監(jiān)控模式均需要投入較多的人力和物力，且工作量較大，監(jiān)控精準度也不夠。

基于數(shù)字孿生對物理實體的實時刻畫和復現(xiàn)能力，高校創(chuàng)客空間可充分利用其在數(shù)據的實時采集、處理、傳輸、清洗、融合等方面的優(yōu)勢，借助數(shù)據挖掘和信息可視化等技術， 實時監(jiān)控和評估創(chuàng)客空間人員和設備的具體運行情況， 實時排查空間中存在的異常運行情況，提高創(chuàng)客空間的運行效率。其監(jiān)控框架依據“建?！O(jiān)控—評估”三個操作步驟，具體包括空間靜態(tài)監(jiān)控模型構建、 空間實時監(jiān)控信息處理和空間運行狀態(tài)實時評估三個主要功能[37]。

靜態(tài)監(jiān)控模型構建， 主要包括幾何維度的三維模型和行為維度的創(chuàng)客空間系統(tǒng)模型，用于提供監(jiān)控模型構建、孿生數(shù)據獲取與傳輸模型搭建等支持[38]?？臻g實時監(jiān)控信息處理是空間運行監(jiān)控的核心，基于傳感器和數(shù)據交互技術獲取人員數(shù)據、空間訪問數(shù)據、設備數(shù)據、設計過程數(shù)據、資金數(shù)據、成品輸出數(shù)據等實時數(shù)據并進行分析處理。 空間運行狀態(tài)實時評估，為空間運行優(yōu)化提供了依據，具體包括安全性能評估、 設計制作性能評估和運行績效評估。 其中，安全性能評估指標主要用來評估空間的安全運行狀態(tài)， 包括設備安全性和人員安全性；設計制作性能評估指標由實時評估指標和過程評估指標共同組成； 運行績效評估指標則從空間利用率、設備利用率、設計制作效率、空間產出效益等方面進行衡量與評價。

五、實踐案例與應用前景

目前， 國外已有少數(shù)高校在將數(shù)字孿生融入創(chuàng)客空間建設方面進行了有效探索。 從文獻查閱情況來看， 具有部分創(chuàng)客空間功能的高校實習實訓中心是這些實踐案例的主要形態(tài)。 這些案例尚處于高校創(chuàng)客映射空間的雛形階段，功能較為單一，主要應用于大學生創(chuàng)客或工科學生的操作能力訓練與培訓，尚不具備映射空間的完整功能。這里，筆者選取芬蘭坦佩雷理工大學（Tampere University of Technology，TUT）的柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）培訓中心為案例，進行簡要分析。

FMS 是由信息控制系統(tǒng)、 物料儲運系統(tǒng)和數(shù)字控制加工設備組成的， 能適應加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)[39]。 該培訓中心將數(shù)字孿生引入到FMS 操作培訓中， 主要目的是讓學生快速掌握FMS的操作和使用技巧。 同時培訓中心包括物理形態(tài)和虛擬形態(tài)兩個操作空間， 物理空間由實體狀態(tài)的FMS 構成， 位于設計和交付FMS 的供貨商所在地；虛擬空間由與該實體系統(tǒng)完全一致化的數(shù)字孿生模型構成，具體如圖6 所示[40]。

圖6 FMS 培訓中心的物理空間（上）和虛擬空間（下）

FMS 培訓中心在具體運行上， 同時支持線上和線下操作模式。 線上模式通過FMS 的數(shù)字孿生功能實現(xiàn)， 允許學生在制造管理系統(tǒng)（Manufacturing Management System，MMS）中通過控制器（Controller）來操作數(shù)字孿生模型，而實體FMS 系統(tǒng)會跟隨虛擬模型發(fā)生實時聯(lián)動。 線上空間可以實時監(jiān)視系統(tǒng)事件，允許用戶跟蹤起重機和其他設備的運行情況；控制器鏈接到代表物理FMS 的模擬器（Simulator），模擬器跟隨MMS 控制器實時更改狀態(tài)信息和通信信息[41]。在線下模式中， 數(shù)字孿生模型只作為獨立的系統(tǒng)模擬裝置，不與真實系統(tǒng)發(fā)生關聯(lián)，此時MMS 控制器將替換為簡單的控制器； 新的控制器允許學生向模型中引入生產訂單和工作例程， 這對于設定制造系統(tǒng)的容量尤其有用。

在兩種操作模式下， 數(shù)字孿生模型都具有FMS信息可視化的功能。可視化的途徑之一是數(shù)字孿生模型能向操作者提供各種“興趣點”（Points of Interest）功能，這些興趣點給出了系統(tǒng)各組成部分的簡要說明和附加信息。 其中，附加信息可鏈接到外部資源，例如，相關文檔或網站等。 可視化的另一途徑是基于事件的描述，比如，在FMS 中，僅通過跟隨移動的托盤（Pallet），操作者很難理解系統(tǒng)中正在發(fā)生的事情，此時，可以通過運行時描述（Run-time Description）來進行詳細的解釋說明[42]。實踐證實，基于數(shù)字孿生的FMS 培訓空間對學生的FMS 操作技能培訓非常有效。 首先，它消除了學習環(huán)境的位置依賴性和實體設備依賴性，從而使系統(tǒng)能在短時間培訓更多的學生，提高了培訓效率；其次，通過將FMS的操作數(shù)據鏈接到數(shù)字孿生模型，使學生的操作體驗比單獨定義的場景更為逼真，對操作技能的訓練效果也更好。

雖然該案例只是實現(xiàn)了高校創(chuàng)客映射空間的部分預期功能，還無法完全實現(xiàn)實體FMS 系統(tǒng)與虛擬模型的雙向交互以及對FMS 系統(tǒng)的全生命周期管理和實時監(jiān)控，但基于數(shù)字孿生的FMS 培訓中心的實用價值已體現(xiàn)出來，受到該校學生的青睞。由此可以預見， 融入完整數(shù)字孿生功能模塊的高校創(chuàng)客空間具有廣泛的應用前景， 不僅可以扮演創(chuàng)客資源空間、設計空間、制造空間、交流空間、共享協(xié)作空間等多種角色， 同時可以最大限度提升現(xiàn)有創(chuàng)客空間在創(chuàng)新和創(chuàng)意設計上的“廣度”“深度”和“速度”，使其成為名副其實的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才和創(chuàng)新型工程技術人才培養(yǎng)“操作平臺”和“孵化平臺”。同時，融入數(shù)字孿生的創(chuàng)客空間， 還可以扮演工科專業(yè)實習實訓中心的角色，大力推動高校新工科建設與發(fā)展。

六、結束語

數(shù)字孿生是一種朝陽技術，是與全息、5G、物聯(lián)網、AR/VR/XR 等技術協(xié)同發(fā)展產生的新技術的代表，它正成為人們認識、解構和改造物理世界的新型技術和工具。當前，許多國際著名企業(yè)已經在推動數(shù)字孿生在產品設計、制造和產品服務等方面的應用，如，達索公司、西門子公司、參數(shù)技術（PTC）公司等。

本文提出嘗試將數(shù)字孿生融入到高校創(chuàng)客空間建設之中， 在對高校創(chuàng)客空間的發(fā)展歷程進行梳理的基礎上， 分析了將數(shù)字孿生融入高校創(chuàng)客空間來構建“映射空間”的可行性，并從構成要素和構成層級兩個維度， 設計了融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間框架，具體為“創(chuàng)客協(xié)同設計”“創(chuàng)客設計全生命周期管理”“創(chuàng)客設計沉浸式體驗”“創(chuàng)客空間運行實時監(jiān)控”四個方面，對融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間具體功能，進行了詳細闡述。

從整體上而言，融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間將推動現(xiàn)有創(chuàng)客空間實現(xiàn)如下變革：（1） 變革創(chuàng)意設計驅動方式，由傳統(tǒng)創(chuàng)客空間中基于個人經驗與知識驅動的創(chuàng)意設計，轉變?yōu)閷\生數(shù)據驅動；（2）變革創(chuàng)客空間產品的數(shù)據管理方式，由傳統(tǒng)創(chuàng)客空間中以設計開發(fā)階段的數(shù)據管理為主，擴展到產品設計的全生命周期數(shù)據管理；（3）變革創(chuàng)意設計方式，由基于物理空間的實體產品設計，轉變?yōu)樘搶嵢诤系漠a品協(xié)同設計；（4）變革創(chuàng)客學習方式，由傳統(tǒng)的基于知識經驗的學習，轉變?yōu)榛诔两教摂M體驗的學習；（5）變革創(chuàng)客操作技能的實訓方式， 由傳統(tǒng)的基于真實場地的實訓，轉變?yōu)榛谔搶嵱成淇臻g的實訓。

隨著各種新技術進一步向前發(fā)展，5G 條件下以AR/VR/XR 為主的信息交互方式將逐步演進為基于全息通信的交互，視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺乃至情感將通過高保真XR 充分被調動， 為用戶呈現(xiàn)完全沉浸式的全息體驗[43]。 在不久的將來，面向人類個體復現(xiàn)的數(shù)字孿生技術有望完全實現(xiàn)，彼時大學生創(chuàng)客也將成為映射空間的一部分，形成無處不在的創(chuàng)客空間和學習空間。 雖然，融入數(shù)字孿生的高校創(chuàng)客空間的發(fā)展前景和應用前景非常廣闊，但從當前的技術發(fā)展和實踐情況來看，其離具體落地實施和推廣還存在一定的差距，需要學術界和產業(yè)界持續(xù)協(xié)同推動。 我們應選擇適應長期、可持續(xù)建設要求的建設模式和運作思路，達成分階段實現(xiàn)高校創(chuàng)客映射空間的建設目標。