數(shù)字孿生作為普適的理論技術(shù)體系，可以在產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用。這項技術(shù)需要在數(shù)字空間中根據(jù)現(xiàn)實(shí)各項數(shù)據(jù)與參數(shù)建立模型，通過傳感器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)同步，既可以幫助航空公司實(shí)現(xiàn)航空器監(jiān)控、維護(hù)與保障，還可以提高機(jī)場運(yùn)行效率。接下來，讓我們在中國民航科學(xué)技術(shù)研究院研發(fā)中心副主任楊杰的帶領(lǐng)下揭開這項技術(shù)的神秘面紗。

  技術(shù)有前景

  數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。通俗地說，數(shù)字孿生就是在一個設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過采集各項數(shù)據(jù)，創(chuàng)造一個數(shù)字版的孿生體。

  “目前民航業(yè)內(nèi)的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用大多基于三維地理信息，還停留在靜態(tài)數(shù)字孿生階段，數(shù)據(jù)更新頻率低，主要功能是信息集成和數(shù)據(jù)可視化。”楊杰介紹道，“下一步將做到動態(tài)數(shù)字孿生，以這項技術(shù)為載體，集成機(jī)場與航空器的數(shù)據(jù)，在將接入的數(shù)據(jù)可視化展示后，通過孿生體反向控制實(shí)體世界，達(dá)到流程控制的目的。未來，還可能結(jié)合5G、人工智能、泛在感知等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。”

  在數(shù)字孿生技術(shù)中，一個系統(tǒng)存在于現(xiàn)實(shí)的物理世界，一個系統(tǒng)存在于虛擬的計算機(jī)世界。在理想狀態(tài)下，本體與孿生體可以建立全面的實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時聯(lián)系。二者并不是完全獨(dú)立的，映射關(guān)系也具備一定實(shí)時性、雙向性，根據(jù)孿生體反饋的信息，對本體采取進(jìn)一步的行動并實(shí)施干預(yù)。以飛機(jī)維修為例，首先在數(shù)字空間中建立真實(shí)飛機(jī)的模型，通過傳感器實(shí)現(xiàn)其與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步，每次飛行后根據(jù)結(jié)構(gòu)情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。

  “飛機(jī)維修只是數(shù)字孿生的一個點(diǎn)，點(diǎn)點(diǎn)相連就會形成面。目前國內(nèi)很多機(jī)場都上線了全景視頻系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能夠在塔臺或運(yùn)行指揮中心看到機(jī)場場面的實(shí)時情況。但在雨、雪、霧霾等惡劣天氣下，部分?jǐn)z像頭受到遮蔽，可能對關(guān)鍵動態(tài)目標(biāo)監(jiān)控產(chǎn)生影響。在應(yīng)用數(shù)字孿生系統(tǒng)后，通過傳感器實(shí)時采集數(shù)據(jù)，可反映目標(biāo)的運(yùn)行情況，為工作人員提供更準(zhǔn)確的信息，從而提升運(yùn)行保障能力。未來，隨著技術(shù)的發(fā)展，點(diǎn)點(diǎn)相連成面，面面相連成體，傳統(tǒng)的金字塔式結(jié)構(gòu)將不復(fù)存在，萬物互聯(lián)成為現(xiàn)實(shí)，感知無處不在，數(shù)字孿生技術(shù)將有更大的發(fā)揮空間。”楊杰說。

  目前，多數(shù)機(jī)場在執(zhí)行任務(wù)時仍然依靠終端平臺作出決策。例如，當(dāng)車輛侵入跑道時，塔臺工作人員需要分別指揮航空器和車輛，以達(dá)到避讓目的。未來，傳感器將部署在航空器和車輛上，兩個不同類型的終端都夠獲取彼此的數(shù)據(jù)。一旦存在跑道侵入風(fēng)險，通過邊緣計算，數(shù)字孿生系統(tǒng)將直接通知車輛駕駛員避讓并提供撤離路線，響應(yīng)速度快，安全系數(shù)高，毫秒級的告警響應(yīng)時間將消除延時帶來的安全隱患。

  研發(fā)有基礎(chǔ)

  今年初，民航局印發(fā)了《智慧民航建設(shè)路線圖》，將智慧民航總體設(shè)計分解為五大主要任務(wù)、四個核心抓手、三類產(chǎn)業(yè)協(xié)同、十項支撐要素與48個場景視點(diǎn)。智慧民航建設(shè)需要數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，而數(shù)字孿生技術(shù)能夠以全流程便捷出行、基于四維航跡的精細(xì)運(yùn)行、機(jī)場全域協(xié)同運(yùn)行、數(shù)據(jù)驅(qū)動的行業(yè)監(jiān)管等場景試點(diǎn)為切入點(diǎn)，助力產(chǎn)業(yè)協(xié)同，在智慧民航建設(shè)中大顯身手。

  高樓大廈并非憑空而起，技術(shù)的研究與發(fā)展同理。自2013年起，航科院開始建立ADS-B地面站，ADS-B所收集的數(shù)據(jù)對數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用大有裨益。除此之外，廣州白云機(jī)場、深圳寶安機(jī)場等使用的機(jī)場場面飛行區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)，國航、川航等應(yīng)用的全球航班追蹤監(jiān)控系統(tǒng)，不僅為航空器追蹤監(jiān)控與車輛追蹤監(jiān)控積累了豐富的經(jīng)驗，也為數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。

  楊杰告訴記者：“在數(shù)字孿生技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)之前，結(jié)合之前的經(jīng)驗，航科院研發(fā)了一套應(yīng)用于機(jī)場的時空云平臺，集成了機(jī)場所有靜態(tài)數(shù)據(jù)，航站樓、機(jī)坪、道面標(biāo)志等數(shù)據(jù)每隔一段時間便會實(shí)現(xiàn)同步更新。以時空云平臺為基礎(chǔ)開發(fā)的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，更偏向于動態(tài)數(shù)據(jù)集成與處理，將車輛數(shù)據(jù)、航空器位置數(shù)據(jù)等與機(jī)場相關(guān)信息相結(jié)合，以跑道防侵入系統(tǒng)為試點(diǎn)，逐步建立起了數(shù)字孿生系統(tǒng)。”

  5G時代的來臨讓數(shù)字孿生技術(shù)如魚得水。萬物互聯(lián)讓數(shù)據(jù)傳輸速度變得越來越快，傳感器和攝像頭隨處可見，能捕獲的信息細(xì)節(jié)也越來越多，以三維地理信息為藍(lán)本的傳統(tǒng)機(jī)場運(yùn)控系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足時代的需求。據(jù)了解，航科院此次的數(shù)據(jù)孿生技術(shù)開發(fā)以游戲引擎為載體，將相關(guān)數(shù)據(jù)接入后，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)集成和可視化，還可以讓系統(tǒng)運(yùn)行更加順暢，孿生世界與真實(shí)世界的關(guān)鍵信息在感官體驗層面上做到了同步與一致。

  目前，數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用還停留在信息集成和數(shù)據(jù)可視化階段，但已經(jīng)為機(jī)場和航空器運(yùn)行帶來不小的影響。動態(tài)的數(shù)字孿生技術(shù)將觸及民航業(yè)的所有流程，為各個流程提效賦能。

  基于數(shù)字孿生，機(jī)場、人員、航空器、車輛等數(shù)據(jù)可以生成實(shí)時孿生畫面，讓人員培訓(xùn)更加便捷。車輛駕駛員不再需要拿著教材走進(jìn)教室學(xué)習(xí)機(jī)場駕駛規(guī)則，而是在系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行場景中習(xí)得；無人駕駛將更加智能，設(shè)備和車輛將首先經(jīng)過數(shù)字孿生系統(tǒng)的測試，之后才正式量產(chǎn)應(yīng)用，從而最大限度地降低成本……

  數(shù)據(jù)是關(guān)鍵

  從與楊杰的交流中，記者了解到，有關(guān)數(shù)字孿生技術(shù)的美好未來能否真正實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集、回傳頻率、精度、處理能力等決定了數(shù)字孿生技術(shù)未來的發(fā)展。