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1、课题数字享生技术和人工智能技术课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)认识数字享生技术和架构(2)熟悉数字学生系统的关键技术和应用(3)了解人工智能技术的概念(4)熟悉人工智能技术的研究领域和应用技能目标：(1)能总结出数字挛生、人工智能等信息技术的关键技术(2)能总结出不同信息技术在;气车智能制造中的应用素质目标：树立终身学习的理念教学重难点教学重点：数字挛生技术和人工智能技术的关键技术教学难点：数字挛生技术的架构教学方法案例分析法、问答法、讨论法、i并授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学
2、通过APP或其他学习软件，观看有关数字李生技术的应用场景和典型案例，梳理该技术在汽车智能制造行业的应用，并让学生在学习平台上留言讨论随着工业4.0、中国制造2025和“互联网+”行动计划的实施，越来越多传统制造企业正在转型升级，但又面临数字化方面的巨大挑战。数字挛生技术为企业升级带来生机.【学生】登录学习平台观看案例，思考并留言讨论考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到问题导入【教师】随机邀请学生回答以下问题数字挛生是什么？与生活中常见的双胞胎有什么关系？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生的回答，导入本节课课题：数字李生技术和人工智能技术传授新知【教师】讲解数字李生技术的
3、概述、架构和应用学习情境一数字李生技术一、数字李生技术概述1.数字学生数字挛生又称为数字双胞胎、数字化映射等，是在现有的虚拟制造、数字样机等基础上发展而来的。数字李生指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映出相对应的实体装备的全生命周期过程。数字享生是一种超越现实的概念,也可被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字挛生技术能实现从产品设计、生产计划到制造执行的全过程数字化，并将产品制造效率和有效性提升至T新高度。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：“数字学生”一词的来源是什么?背后
4、有什么故事?【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进彳五并解2.数字学生体数字挛生体是物理实体的工作状态和工作进展在虚拟空间全要素重建的数字化映射，是基于实体集成的多物理、多尺度、超写实的动态仿真模型。数字学生体具有多种特性,主要包括虚拟性、唯一性、多物理性、多尺度性、层次性、集成性、动态性、超写实性、可计算性、概率性和多学科性等。1）虚拟性数字挛生体是物理实体在信息空间的数字化映射模型，是一个虚拟模型，属于信息空间，不属于物理空间。2）唯T4一个数字学生体对应一个物理实体。3）多物理性因为数字学生体是具有实体物理特性的数字化映射模型，所以它不仅需要描述实体的几何特性（如形状、尺寸、公
5、差等）,还需要通过理论模型来描述实体的多种物理特性，这些理论模型包括结构动力学模型、热力学模型、应力分析模型、疲劳损伤模型等。4）多尺度性数字挛生体不仅可以描述物理实体的宏观特性（如几何尺寸），也可以描述物理实体的微观特性（如材料的微观结构、表面粗糙度等）.5）层次性组成物理实体的不同零件、部件、组件等，都可以具有其对应的数字学生体。6）集成性数字享生体是多种物理结构模型、几何模型、材料模型等集成的模型，有利于从整体上对物理实体的结构特性和力学特性等进行快速仿真与分析。7）动态性数字享生体在全生命周期的各环节可通过与物理实体的不断交互而不断改变和完善。8）超写实性数字学生体与物理实体在外观、内
6、容、性质上基本一致，写实性高，能够准确反映物理实体的真实状态。9）可计算性基于数字挛生体，可通过仿真、计算和分析实时地模拟和反映对应物理实体的状态和行为.10）概率性数字挛生体可以采用概率统计的方式进行计算和仿真。11）多学科性数字挛生体涉及计算机科学、信息科学、机械工程、电子科学、物理学等多个学科,具有多学科性。详见教材【教师】扩展讲解有关数字挛生体发展现状数字挛生针对的两大现实痛点,一是需要对物理现实进行持续的监测，二是应对物理现实构建过程中的不确定性，这都是虚拟仿真会加人工智能所能够帮助解决的.它们使我们能够更好地去管理和预测类似城市、交通、工厂、机器这样持续变化的物理实体，也能为医疗和
7、人体健康带来新发展、相信数字挛生会在这些领域找到产业落地的突破口。【学生】聆听、思考、记忆二、数字李生系统的架构整体来看，一个典型的数字享生系统应包含用户域、数字挛生体、测量与控制实体、现实物理域和跨域功能实体五个层级（详见教材）。】用户域用户域包括人、人机接口、应用软件及共智学生体，主要以可视化技术和虚拟现实技术为主，承担人机交互的职能。2 .数字学生体数字挛生体包括建模管理、仿真服务和挛生共智三部分，并能在这三部分之间传递状态顺口、诊断和预测所需的信息。数字学生体依托通用技术可实现模型构建与融合、数据集成、仿真分析、系统扩展等功能。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问翘：数字李生体的
8、建模包括哪些阶段？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行i井解3 .测量与控制实体测量与控制实体主要涵盖感知、测量、控制、标识等技术，作用是承担数字学生体与物理实体间上行感知数据的采集和下行控制命令的执行。4 .现实物理域现实物理域可观测物理实体的数据流，并控制信息流的传递。5 .跨啦能实体跨域功能实体是可以与用户域、数字享生体、测量与控制实体和现实物理域分别进行信息交换的实体，并能为它们的安全运行提供保障。三、数字李生的关握技术1 .建模技术数字李生的建模是将现实世界的对象数字化和模型化的过程。数字享生的建模模型包括生产模型、产品模型和工艺模型（详见教材）。2 .仿真技术数字挛生
9、的仿真是一种在线数字仿真技术。这种仿真技术可用软件建立含确定性规律和完整机理的模型来模拟物理世界。建立的模型拥有完整的信息和环境数据，可以正确地反映物理实体的特性和参数，对现实生产过程有着指导作用。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：数字李生的仿真技术与传统的仿真技术相比有哪些优势？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解3 .数字线程数字线程是在实体全生命周期中，可配置、可扩展、可组件化的连接模型和实体的通信框架。数字线程的目标就是在正确的时间，将正确的信息传递到正确的地方。数字线程可将整个组织的实物、系统和模型连接起来,并呈现详细的信息流（详见教材）o使用数字线程,
10、可以捕获每个步骤的相关数据，然后将其反馈给工程师。有利于工程师解决相关问题，并为后续改善产品设计和功能提供依据。四、数字李生技术在汽车智能制造中的应用数字挛生技术给汽智能制造的创新和发展提供了新的理念和工具。对汽车智能制造的发展产生了巨大的推动作用。【教师】播放数字挛生：汽车制造的魔法师”视频（详见教材），学习数字挛生技术的相关知识1 .预测通过数字享生体，可以在信息空间中对汽车的制造、功能和性能测试进行集成模拟、仿真和验证，预测汽车潜在的设计缺陷、功能缺陷和性能缺陷。针对这些缺陷，数字学生体支持对应参数的修改，并可在此基础上对i气车的制造、功能和性能测试再次进行仿真，直至问题得到解决。2 .
11、模拟I）模拟行驶过程葭型号汽车开始生产之前，使用其对应的数字学生体，在搭建的虚拟仿真环境中模拟汽车的行驶过程，可以掌握数字享生体在虚拟环境中的状态、行为、各部件运行参数，以及在设计阶段没有考虑到的问题，为后续实际生产汽车提供依据。2）模拟不同的环境数字享生体可通过改变虚拟环境的参数设置，来模拟汽车在不同服役环境下的运行情况，进而得出环境参数对汽车健康和寿命的影响。3 ）模拟故障数字挛生体可模拟和验证;气车不同的故障及损坏，对维护汽车健康和延长其服役寿命具有重要作用。4 .监控在汽车制造过程中，最新的制造数据（如汽车制造状态数据、环境数据）会实时地反映在数字享生体中，通过数字挛生体可以实现对汽车
12、制造过程的动态、实时、可视化监控。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：数字李生体是对每一台;气车都进行雌吗?【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解5 .诊断数字学物术可通过汽车生产过程中所得的实测监控幡和汽车运行的历史数据，为诊断故障和制订维修策略提供依据。6 .控制在;气车制造过程中，数字挛生体可通过分析制造过程的实时数据，实现对汽车质量和生产进度的控制，使生产过程达到最优；通过分析汽车运行时的内部和外懒掂（环境数据、路面数据、自身部件的承压和润滑度等数据），实现对汽车自身状态和行为的控制，使汽车运行模式达到最优。7 .改进机床机床是:气车制造过程中的重要设备。随着
13、消费者对汽车质量要求的提高，机床也面临着提高加工精度、减少次品率、降低能耗等严苛的要求。因此研发人员开发了机床的数字李生体，以优化和控制机床的加工过程。【学生】聆听、理解、记忆【教师】讲解人工智能技术的概述、研究领域和应用学习情境二人工智能技术一、人工智能技术概述人工智能（AI）是计算机科学的一个分支，它的目的是了解智能的实质，并生产一种新的、能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：什么是“智能？【学生】聆听、思考、回答【教师】总结学生回答并详细讲解智能是人类所特有的、区别于一般生物的主要特征，可以解释为人类感知、学习、理解、和思考的能力，通常被
14、解释为人认识客观实物并运用知识或经验来解决实际问题的能力。人工智能涉及控制学、语言学、神经学、心理学和哲学等学科，它试图改变人类的思维和生活习惯，延伸和解放人类智能，是一门有强大生命力的科学。人工智能技术的发展共经历了推理搜索、知识库系统建立、机器学习、深度学习和强化学习五个阶段。1）推理搜索推理搜索是人工智能研究的早期成果，主要是通过推理和搜索等简单的规则来处理问题，能够解决迷宫、汉诺塔等简单问题。2）知识库系统建立计算机程序设计的快速发展极大地促进了人工智能技术的发展。随着计算机符号处理能力的不断提高，知识可以用符号结构表示，推理也可简化为对符号表达式的处理。这一系列的发展推动了知识库系统
15、（或专家系统）的建立。但其缺陷在于知识描述非常复杂，且需要不断升级。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：知识库系统的建立有哪些注意事项？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解3）机器学习随着研究的深入和方向的改变,人们发现人工智能的核心应该是使计算机具有智能,使其学会归纳和总结，能够在识别现有知识的基础上获取新知识和新技能，而不仅仅是演绎出已有的知识。于是，人们开始研究一种能够通过经验自动改进的计算机算法，即机器学习，它可以自主更新或升级知识库。机器学习的本质是通过数学算法分析数据规律，学习相关规律，并利用这些规律进行预测和决策。4）深度学习深度学习是一种在机器学习的
16、基础上，建立的对数据进行表征学习的方法，是机器学习研究中的一个新领域，其核心在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络，并模仿人脑的机制来解释数据。深度学习与多层结构的学习算法相结合，能利用空间的相对关系，减少参数的数量，从而提高计算机的训练性能，使计算机能够收集、处理并分析庞大的数据，最终能通过自主学习来实现图像和语音识SlJ等智能行为。深度学习在视觉识别、语言识别、自然语言处理等方面取得了传统机器学习算法无法取得的成就。5）强化学习强化学习是一种在深度学习的基础上，进行智能试错训练的方法。强化学习可通过智能系统进行从环境到行为映射的学习，使奖励信号（强化信号）的函数值最大化。由于外界的信息很
17、少，强化学习系统必须依靠自己的经验数据进行分析和自我学习，通过这种学习获取知识，并改进行动计划以适应环境。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：机器学习、深度学习、强化学习有什么区别和联系？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解二、人工智能技术的研究领域人工智能技术是在计算机科学、控制论、信息论、心理学、语言学及哲学等多学科相互渗透的基础上，发展起来的一门新型边缘学科，主要用于研究机器如何实现人类智能行为，其研究领域主要有以下四个。I.智能感知智能膨口包括模式识别和自然语言理解。1）模式识别人工智能技术所研究的模式识别是指用计算机代替人类或帮助人类暗口的系统，也就是使一
18、个计算机系统具有能够模拟人类通过感官接受外界信息、识别和理解周围环境的感知能力。2）自然语言理解自然语言理解是让计算机通过阅读文本资料建立内部数据库，可以将句子从一种语言转换为另一种语言，实现从给定的指令中获取知识。其目的是建立一个可以理解和生成语言的软件环境。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：在汽车智能制造中有哪些智能感知方面的功能？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进彳/并解2.智能推理智能推理包括问题求解、定J里证明、知识库系统.1 ）问题求解问题求解是人工智能研究中最为突出的一个领域，主要涉及问题表示、搜索策略及归约策略的研究。2）定理证明定理证明是指对前提P和
19、结论Q,证明P-Q的永真性。3）知识库系统知识库系统是一种在特定领域内具有大量知识与经验的程序系统。详见教材3.智能学习智能学习是人工智能研究的重要方面，智能学习主要包括机器学习、人工神经网络和进化计算。智能学习是计算机求得智能的根本途径。1 ）机器学习机器学习研究的是使计算机旅取新知识、识别现有知识、不断改善性能及实现自我完善的方法，使计算机像人一样具有获得知识的能力。2）人工神经网络人工神经网络是一种模仿生物神经网络的结构和功能的数学模型或计算模型。它能基于外界信息改变内部结构，像人一样拥有决定能力和简单的判断能力.3）进化计算进化计算可采用拟物或仿生的手段使算法达到最优，呈现出一定的自适
20、应、自组织、自学习等智能的特征。4智能行智能行动是人工智能技术应用最广泛的领域，也是最贴近生活的领域，包括机器人、智能检索等。1 ）机器人机器人是人工智能研究的一个综合试验场。通过为机器人配置视觉、听觉、嗅觉及触觉传感器，使之具有环境感知能力；配置履带、轮子及机械手等执行器件，使之具有行为能力；配置存储设备，使之具有记忆能力；配置通信模块，使之具有交流沟通能力；配置智能决策算法，使之具有思维及解决问题的能力。2）智能检索在信息化社会，如何从浩如烟海的文献资料库及互联网上迅速检索到需要的信息，是亟待解决的问题。传统的检索系统都是针对词精准匹配，其缺点在于不能充分发挥同义词与近义词的作用（如电脑与
21、计算机），从而偏离人类的模糊语言体系,进而造成检索结果缺乏完整性。智能检索主要结合语义网与本体论等知识体系，着重研究上述问题的解决方案。【师生互动】【教师】随机遨请学生回答以下问题：在汽车智能制造中需要检索哪些信息？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解三、人工智能技术在汽车智能制造中的应用【教师】播放“人工智能不仅仅是机器人”视频（详见教材），让学生学习数字李生技术的相关知识2 .机器视觉技术的应用在汽车的涂装车间，机器视觉系统负责对每辆车的喷漆表面进行拍照和分析，10OS内可拍摄10万张照片。通过机器学习，该系统如同拥有了火眼金睛，能够越来越智能地识别漆面的微小瑕疵，以确保
22、部件和涂漆车身完美无缺。【师生互动】【教师】随机邀请学生回答以下问题：机器学习是在作业之前学习吗？还是边作业边学习？【学生】聆听、思考、回答【教师】结合学生的回答进行讲解3 .机器人的应用在汽车自动化生产线上，使用机器人代替传统的人力劳动，满足了生产效率和质量的双重要求。机器人能实现焊接、喷涂、装配、搬运、码垛等一系列的自动化生产工作.如图2-9所示（详见教材）为汽车焊接车间,在这里焊接机器人可根据不同的汽车配件选用合适的焊接工艺，以保证焊接质量。如图2-1（）所示（详见教材）为喷涂机器人在车体外表面进行喷涂作业。该机器人可以在开阔空间执行复杂运动轨迹，也可以伸入较小孔径进行喷涂作业，具备高灵
23、活性。装酉咖器人可应用于整车装配流程，它能提高汽车零部件配合的精度，保证整车装配速度和质量，如图2-11所示（详见教材）。【学生】聆听、理解、记忆视野拓展【教师】讲解有关“长春汽车产业集群踏上先进制造业新高地”的案例（详见教材），并让学生分组讨论在工信部2022年11月组织开展的先进制造业集群竞赛中，长春汽车产业集群在激烈的竞争中脱颖而出，入围制造业的“国家队。先进”是衡量产业是否走向高质量发展的关键词。历经数十年发展,到底是怎样的先进，让长春汽车产业集群踏上了先进制造业新高地?详见教材请思考：长春汽车为何能在汽车产业的竞争中崭露头角?【学生】聆听、思考、讨论【教师】随机邀请学生，阐述长春汽车案例的感想【学生】阐述、聆听课堂小结【教师】简要总结本节课的要点(I)数字挛生与数字挛生体，数字挛生技术的架构与关键技术，数字挛生技术在汽车智能制造中的应用(2)人工智能技术的概念、发展阶段、研究领域，以及人工智能技术在汽车智能制造中的应用【学生】总结回顾知识点作业布置【教师】布置课后作业人工智能的应用非常广泛，该项技术的发展正在改变我们的生活和工作方式,带来了诸多便利和创新。请同学们思考生活和工作中人工智能的应用场合有哪些？未来又可能产生哪些人工智能带来的应用？【学生】完成课后任务教学反思
