在科幻世界里，賽博常常被用來描述數(shù)字化、虛擬化的未來世界。隨著新一代信息技術(shù)融合應(yīng)用的不斷發(fā)展，數(shù)字世界正在越來越清晰地展現(xiàn)在人們面前。航空業(yè)也不例外。

近年來，受新冠疫情影響，航空業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，不少企業(yè)虧損嚴重。進入后疫情時代，各航空企業(yè)都希望能夠盡快恢復(fù)元氣。為此，無論是國內(nèi)還是國外，大家都開始將更多注意力放在數(shù)字孿生這項革命性的數(shù)字技術(shù)上。通過該技術(shù)，飛行器性能以及運行和維護效率大幅提高，從而提升了航班安全和盈利水平。

數(shù)字孿生技術(shù)正在顛覆航空業(yè)。

連接數(shù)字世界和物理世界的橋梁

“數(shù)字孿生”概念誕生于20多年前，由美國密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里夫斯與美國國家航空航天局（NASA）專家約翰·維克斯共同提出。

2003年，格里夫斯在產(chǎn)品生命周期管理課程上首次引入這一概念。之后，NASA與美國空軍聯(lián)合開展了面向未來飛行器的數(shù)字孿生示范，并將數(shù)字孿生定義為一個集成了多物理場、多尺度、概率性的仿真過程。

數(shù)字孿生的核心是建立虛擬數(shù)字孿生體，進而反哺優(yōu)化物理實體。例如，數(shù)字孿生可以基于飛行器的高保真物理模型、歷史數(shù)據(jù)以及傳感器實時更新數(shù)據(jù)，構(gòu)建完整映射的虛擬模型，實現(xiàn)對飛行器健康狀態(tài)、剩余使用壽命以及任務(wù)可達性的預(yù)測。同時，通過比較預(yù)測結(jié)果與真實響應(yīng)，數(shù)字孿生技術(shù)能夠及時發(fā)現(xiàn)未知問題，進而激活自修復(fù)機制或任務(wù)重規(guī)劃，以減緩系統(tǒng)損傷和退化。

換句話說，在一定程度上，數(shù)字孿生技術(shù)具有“預(yù)見未來”的能力，而這種預(yù)見性正是民航業(yè)所需要的。從宏觀視角來看，數(shù)字孿生的預(yù)見性可以幫助企業(yè)制定更好的發(fā)展戰(zhàn)略。例如，利用數(shù)字孿生技術(shù)，拜耳作物公司為其在北美地區(qū)的9個玉米種子生產(chǎn)基地構(gòu)建了包括設(shè)備、流程、產(chǎn)品流特性、物料清單以及操作規(guī)則等信息在內(nèi)的數(shù)字孿生系統(tǒng)。通過由數(shù)字孿生打造的“虛擬工廠”，該公司可以對每個執(zhí)行環(huán)節(jié)進行“假設(shè)”分析，從而對整個生產(chǎn)銷售業(yè)務(wù)戰(zhàn)略進行重新構(gòu)想。

同時，數(shù)字孿生的預(yù)見性還可以幫助企業(yè)構(gòu)建更加強大的供應(yīng)鏈系統(tǒng)。即便是在科技高度發(fā)達的現(xiàn)代社會，環(huán)境氣候仍然難以準確預(yù)測。然而，很多行業(yè)的供應(yīng)鏈都與之息息相關(guān)。為應(yīng)對這種不確定性，國際食品加工公司瑪氏為其供應(yīng)鏈構(gòu)建了數(shù)字孿生系統(tǒng)，以提升對氣候和其他因素的預(yù)見性，減少原料產(chǎn)量波動對生產(chǎn)和銷售造成的影響。

對航空業(yè)來說，這些案例提供了思考的方向。作為沉浸在大數(shù)據(jù)中的行業(yè)，民航業(yè)不僅擁有海量歷史和實時數(shù)據(jù)，更是一個從業(yè)人數(shù)多、生產(chǎn)鏈條長的行業(yè)。更重要的一點是，民航業(yè)所服務(wù)的客戶也是多元化的。因此，通過數(shù)字孿生技術(shù)為數(shù)字世界和物理世界架設(shè)一座互聯(lián)互通的橋梁，對于全面推動行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。

預(yù)防潛在問題的“過濾器”

隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多航電設(shè)備和操作系統(tǒng)以及復(fù)合材料的應(yīng)用使飛機的復(fù)雜性日益提升。在此背景下，從設(shè)計、生產(chǎn)到運營、維護等環(huán)節(jié)，航空業(yè)逐漸意識到數(shù)字孿生的價值。

通過數(shù)字孿生技術(shù)，民航業(yè)可以有效提升航班運行的安全性。發(fā)動機是確保航班飛行安全的核心零部件之一。作為全球知名的航空發(fā)動機制造商之一，羅爾斯-羅伊斯公司（以下簡稱“羅羅公司”）已經(jīng)將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機監(jiān)控和維護環(huán)節(jié)。通過這項技術(shù)，羅羅公司一方面可以全面分析發(fā)動機的性能數(shù)據(jù)并預(yù)測潛在問題；另一方面，根據(jù)其提供的預(yù)警信息部署維護任務(wù)，在減少計劃外停機時間的同時，提升發(fā)動機可靠性和性能。

同樣感受到科技力量的還有航空公司。在2022年舉辦的中國國際航空博覽會上，東航技術(shù)公司通過一個模擬沙盒，展示了運用數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)構(gòu)建的智能互聯(lián)機庫系統(tǒng)。通過這個沙盒，旅客可以直觀地看到數(shù)字孿生技術(shù)如何為民航業(yè)賦能——在檢查環(huán)節(jié)，一輛搭載高性能攝像頭的小車代替機務(wù)人員繞機巡視，并通過人工智能技術(shù)分析飛機外立面是否存在構(gòu)型異常、漆面破損等問題；在診斷環(huán)節(jié)，當實時采集的影像數(shù)據(jù)被傳回后臺時，系統(tǒng)很快就給出了相關(guān)診斷結(jié)果和維修方案建議；在維修環(huán)節(jié)，另外一輛小車頻繁往返于貨架與飛機之間，根據(jù)維修工單自動裝卸航材、工具……在這些看得見的行動背后，看不見的數(shù)據(jù)正運行在一個數(shù)字化的孿生空間內(nèi)，為系統(tǒng)的決策提供驗證支撐。

無論是對航空發(fā)動機制造商還是對航空公司來說，數(shù)字孿生帶來的預(yù)測性維護水平提升都十分重要?；跀?shù)字孿生技術(shù)提供的數(shù)據(jù)，機務(wù)維修單位可以密切監(jiān)控飛機性能和健康狀況，盡早發(fā)現(xiàn)潛在問題，并在必要時提醒相關(guān)工作人員檢查并更換零部件，以滿足飛機不間斷運行需求。在后疫情時代，這將切實幫助航空公司實現(xiàn)降本增效。

在提升盈利水平方面，數(shù)字孿生的另一個重要應(yīng)用場景是優(yōu)化地面服務(wù)運行保障流程。去年8月，東航地服運行保障數(shù)字化（GCS）3.0項目完成驗收。該項目應(yīng)用運籌算法建模、數(shù)字孿生等技術(shù)，可智能化滿足東航地面服務(wù)部資源預(yù)測、調(diào)配和安全保障等需求，能夠?qū)崿F(xiàn)航班資源投放分析、機坪航班保障車輛運行調(diào)度和監(jiān)控、值機柜臺開放預(yù)測、駕駛員不安全行為告警等。其中，在機坪資源分配方面，數(shù)字孿生技術(shù)可對保障航班的車輛、人員、設(shè)備進行定位、集成和任務(wù)關(guān)聯(lián)，并實時監(jiān)控車輛位置、狀態(tài)、軌跡，對駕駛員車輛越界和超速進行告警，并根據(jù)機型、機位、航班計劃動態(tài)設(shè)置電子圍欄，該系統(tǒng)還能對上述任務(wù)節(jié)點狀態(tài)數(shù)據(jù)進行自動采集，從而提高航班保障節(jié)點的反饋效率和準確性。

應(yīng)對復(fù)雜發(fā)展環(huán)境的探路者

在物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)支持下，數(shù)字孿生為航空器制造商提供了加速發(fā)展的新工具。作為備受關(guān)注的國產(chǎn)大型客機，C919應(yīng)用了不少新技術(shù)，其中就包括建成了飛控系統(tǒng)功能測試、人機協(xié)同線束安裝、多工序協(xié)同等典型場景的數(shù)字孿生系統(tǒng)。隨著C919飛機進入商業(yè)運營階段，該系統(tǒng)可支持多機型總裝生產(chǎn)線研發(fā)和建設(shè)，實現(xiàn)更多旅客早日坐上國產(chǎn)大飛機的愿望。

與此同時，面對日益復(fù)雜的發(fā)展環(huán)境，數(shù)字孿生也為航空制造業(yè)發(fā)展提供了解決問題的新思路。眼下，全球航空業(yè)面臨巨大減排壓力，而最先直面這一挑戰(zhàn)的無疑是航空器制造商。一方面，全球民航業(yè)仍在持續(xù)發(fā)展，全球航空旅客數(shù)量不斷增加；另一方面，全球民航飛機碳排放量約占全球碳排放總量的2%。因此，航空公司傾向于采購更加環(huán)保的機型。

在提高飛機效率和性能方面，數(shù)字孿生發(fā)揮了積極作用。眾所周知，飛機的燃油效率和性能在很大程度上依賴于空氣動力學(xué)。通過仿真模擬，工程師可以準確識別高阻力和湍流區(qū)域，并對其進行精確調(diào)整，以減小阻力、改善機翼形狀并加強氣流控制，從而實現(xiàn)減少燃油消耗和碳排放的目標。

與此同時，在航空器制造商看來，已經(jīng)投入市場的產(chǎn)品同樣可以通過數(shù)字孿生提升運營效率。以空客A350 XWB為例。在數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，空客公司能夠?qū)υ摍C型進行持續(xù)監(jiān)控和分析，并收集來自各種傳感器和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括油耗、發(fā)動機效率和飛機整體性能等。通過分析這些數(shù)據(jù)，空客公司可以對飛機的設(shè)計、運行和維護進行戰(zhàn)略性調(diào)整，如細化飛行參數(shù)、優(yōu)化發(fā)動機設(shè)置和加強維護等，從而顯著減少飛機的燃料消耗和碳排放量。

對涉及人員多、生產(chǎn)鏈條長的民航業(yè)來說，每一個環(huán)節(jié)的不確定性都會給生產(chǎn)運營帶來巨大損失。但有了數(shù)字孿生技術(shù)，當數(shù)字世界的虛擬模型能夠與物理世界的實體同步運行時，更多風險點將在數(shù)字世界中被提前監(jiān)測、反饋并修正，從而有效降低風險的發(fā)生概率。可以說，在高速發(fā)展的商業(yè)社會中，孿生的數(shù)字世界，有如現(xiàn)實世界的探路者。通過對物理世界的高精度映射，它可以減少實際錯誤的發(fā)生概率、降低企業(yè)的試錯成本，也可以讓生產(chǎn)設(shè)備變得更加“健康長壽”、讓飛機等產(chǎn)品的設(shè)計制造更加貼合客戶的需求。越來越多的實際應(yīng)用表明，數(shù)字孿生技術(shù)將為民航業(yè)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造條件，為旅客航空出行提供新的體驗。