數字孿生作為普適的理論技術體系，可以在產品設計、產品制造、醫學分析、工程建設等領域應用。這項技術需要在數字空間中根據現實各項數據與參數建立模型，通過傳感器實現狀態同步，既可以幫助航空公司實現航空器監控、維護與保障，還可以提高機場運行效率。接下來，讓我們在中國民航科學技術研究院研發中心副主任楊傑的帶領下揭開這項技術的神秘面紗。
技術有前景
數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行 歷史 等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。通俗地說，數字孿生就是在壹個設備或系統的基礎上，通過采集各項數據，創造壹個數字版的孿生體。
“目前民航業內的數字孿生系統應用大多基於三維地理信息，還停留在靜態數字孿生階段，數據更新頻率低，主要功能是信息集成和數據可視化。”楊傑介紹道，“下壹步將做到動態數字孿生，以這項技術為載體，集成機場與航空器的數據，在將接入的數據可視化展示後，通過孿生體反向控制實體世界，達到流程控制的目的。未來，還可能結合5G、人工智能、泛在感知等技術，實現精準控制。”
在數字孿生技術中，壹個系統存在於現實的物理世界，壹個系統存在於虛擬的計算機世界。在理想狀態下，本體與孿生體可以建立全面的實時或準實時聯系。二者並不是完全獨立的，映射關系也具備壹定實時性、雙向性，根據孿生體反饋的信息，對本體采取進壹步的行動並實施幹預。以飛機維修為例，首先在數字空間中建立真實飛機的模型，通過傳感器實現其與飛機真實狀態完全同步，每次飛行後根據結構情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。
“飛機維修只是數字孿生的壹個點，點點相連就會形成面。目前國內很多機場都上線了全景視頻系統，通過該系統能夠在塔臺或運行指揮中心看到機場場面的實時情況。但在雨、雪、霧霾等惡劣天氣下，部分攝像頭受到遮蔽，可能對關鍵動態目標監控產生影響。在應用數字孿生系統後，通過傳感器實時采集數據，可反映目標的運行情況，為工作人員提供更準確的信息，從而提升運行保障能力。未來，隨著技術的發展，點點相連成面，面面相連成體，傳統的金字塔式結構將不復存在，萬物互聯成為現實，感知無處不在，數字孿生技術將有更大的發揮空間。”楊傑說。
目前，多數機場在執行任務時仍然依靠終端平臺作出決策。例如，當車輛侵入跑道時，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據。壹旦存在跑道侵入風險，通過邊緣計算，數字孿生系統將直接通知車輛駕駛員避讓並提供撤離路線，響應速度快，安全系數高，毫秒級的告警響應時間將消除延時帶來的安全隱患。
研發有基礎
今年初，民航局印發了《智慧民航建設路線圖》，將智慧民航總體設計分解為五大主要任務、四個核心抓手、三類產業協同、十項支撐要素與48個場景視點。智慧民航建設需要數字孿生技術的開發和應用，而數字孿生技術能夠以全流程便捷出行、基於四維航跡的精細運行、機場全域協同運行、數據驅動的行業監管等場景試點為切入點，助力產業協同，在智慧民航建設中大顯身手。
高樓大廈並非憑空而起，技術的研究與發展同理。自2013年起，航科院開始建立ADS-B地面站，ADS-B所收集的數據對數字孿生技術應用大有裨益。除此之外，廣州白雲機場、深圳寶安機場等使用的機場場面飛行區車輛監控系統，國航、川航等應用的全球航班追蹤監控系統，不僅為航空器追蹤監控與車輛追蹤監控積累了豐富的經驗，也為數字孿生技術的開發與應用打下了堅實基礎。
5G時代的來臨讓數字孿生技術如魚得水。萬物互聯讓數據傳輸速度變得越來越快，傳感器和攝像頭隨處可見，能捕獲的信息細節也越來越多，以三維地理信息為藍本的傳統機場運控系統已經無法滿足時代的需求。據了解，航科院此次的數據孿生技術開發以 遊戲 引擎為載體，將相關數據接入後，不僅能夠實現數據集成和可視化，還可以讓系統運行更加順暢，孿生世界與真實世界的關鍵信息在感官體驗層面上做到了同步與壹致。
目前，數字孿生技術的開發和應用還停留在信息集成和數據可視化階段，但已經為機場和航空器運行帶來不小的影響。動態的數字孿生技術將觸及民航業的所有流程，為各個流程提效賦能。
基於數字孿生，機場、人員、航空器、車輛等數據可以生成實時孿生畫面，讓人員培訓更加便捷。車輛駕駛員不再需要拿著教材走進教室學習機場駕駛規則，而是在系統實時運行場景中習得；無人駕駛將更加智能，設備和車輛將首先經過數字孿生系統的測試，之後才正式量產應用，從而最大限度地降低成本……
數據是關鍵
“數據采集得越全，可以實時分析的數據越多，就越接近真實情況”。壹方面，ADS-B等技術所收集的數據與數字孿生技術相輔相成，但每項技術都有使用傾向，采集數據存在局限性。ADS-B傳輸的數據僅限於航空器位置、高度、航向、速度、爬升率等，該技術的設計初衷更偏向於空中管制使用，而油量、發動機參數、飛行管理計算機輸出信息等數據則無法從中獲得，數據需要多接口接入。另壹方面，真實世界的數據采集還未實現全面覆蓋，攝像頭與傳感器隨著時代的發展不斷增加，接入設施設備的數量也將慢慢增加。此外，對人位置數據的實時采集涉及隱私等多方面問題，需要更加謹慎地對待。
“空間數據采集的關鍵指標是精度和采集頻率。在GPS系統和正在逐步投入使用的北鬥衛星系統中，位置精度和定位精度都可以達到分米級甚至厘米級，能夠滿足機場在運行中的大部分需求。”楊傑介紹道，“但技術發展的主要桎梏在於位置的回傳頻率。雖然現在的技術已經可以達到20赫茲的標準，也就是每秒回傳20次數據信息，但是很多機場還停留在每秒壹次、幾秒壹次的回傳狀態。”
傳統雷達監控與數據站監視等方式數據回傳頻率差異較大，短則4秒壹次，長則15分鐘壹次，無法做到真實世界的實時反映。在加裝ADS-B後，數據回傳最快可以達到1秒兩次，但與20赫茲的技術能力仍相去甚遠。
“20赫茲在國內機場基本沒有應用，能達到5赫茲的都少之又少。回傳頻率越高，消耗的網絡帶寬越大，後臺處理器的處理壓力也就越大。從這個角度來看，想要數字孿生技術發揮更大作用首先要解決這些問題。”楊傑解釋道。
只有處理好數據采集、回傳頻率、精度、處理等問題，數字孿生技術才會真正為智慧機場建設添磚加瓦，而不是壹個提供數據可視化平臺的“花瓶”。這類信息化技術與傳統基建有機融合，將雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G通信等作為核心手段，推動我國機場高質量發展、跨越式進階。