2022-04-05
数字孪生作为普适的理论技术体系，可以在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用。这项技术需要在数字空间中根据现实各项数据与参数建立模型，通过传感器实现状态同步，既可以帮助航空公司实现航空器监控、维护与保障，还可以提高机场运行效率。接下来，让我们在中国民航科学技术研究院研发中心副主任杨杰的带领下揭开这项技术的神秘面纱。
技术有前景
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、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，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。通俗地说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，通过采集各项数据，创造一个数字版的孪生体。
“目前民航业内的数字孪生系统应用大多基于三维地理信息，还停留在静态数字孪生阶段，数据更新频率低，主要功能是信息集成和数据可视化。”杨杰介绍道，“下一步将做到动态数字孪生，以这项技术为载体，集成机场与航空器的数据，在将接入的数据可视化展示后，通过孪生体反向控制实体世界，达到流程控制的目的。未来，还可能结合5G、人工智能、泛在感知等技术，实现精准控制。”
在数字孪生技术中，一个系统存在于现实的物理世界，一个系统存在于虚拟的计算机世界。在理想状态下，本体与孪生体可以建立全面的实时或准实时联系。二者并不是完全独立的，映射关系也具备一定实时性、双向性，根据孪生体反馈的信息，对本体采取进一步的行动并实施干预。以飞机维修为例，首先在数字空间中建立真实飞机的模型，通过传感器实现其与飞机真实状态完全同步，每次飞行后根据结构情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次的任务载荷等。
“飞机维修只是数字孪生的一个点，点点相连就会形成面。目前国内很多机场都上线了全景视频系统，通过该系统能够在塔台或运行指挥中心看到机场场面的实时情况。但在雨、雪、雾霾等恶劣天气下，部分摄像头受到遮蔽，可能对关键动态目标监控产生影响。在应用数字孪生系统后，通过传感器实时采集数据，可反映目标的运行情况，为工作人员提供更准确的信息，从而提升运行保障能力。未来，随着技术的发展，点点相连成面，面面相连成体，传统的金字塔式结构将不复存在，万物互联成为现实，感知无处不在，数字孪生技术将有更大的发挥空间。”杨杰说。
目前，多数机场在执行任务时仍然依靠终端平台作出决策。例如，当车辆侵入跑道时，塔台工作人员需要分别指挥航空器和车辆，以达到避让目的。未来，传感器将部署在航空器和车辆上，两个不同类型的终端都够获取彼此的数据。一旦存在跑道侵入风险，通过边缘计算，数字孪生系统将直接通知车辆驾驶员避让并提供撤离路线，响应速度快，安全系数高，毫秒级的告警响应时间将消除延时带来的安全隐患。
研发有基础
今年初，民航局印发了《智慧民航建设路线图》，将智慧民航总体设计分解为五大主要任务、四个核心抓手、三类产业协同、十项支撑要素与48个场景视点。智慧民航建设需要数字孪生技术的开发和应用，而数字孪生技术能够以全流程便捷出行、基于四维航迹的精细运行、机场全域协同运行、数据驱动的行业监管等场景试点为切入点，助力产业协同，在智慧民航建设中大显身手。
高楼大厦并非凭空而起，技术的研究与发展同理。自2013年起，航科院开始建立ADS-B地面站，ADS-B所收集的数据对数字孪生技术应用大有裨益。除此之外，广州白云机场、深圳宝安机场等使用的机场场面飞行区车辆监控系统，国航、川航等应用的全球航班追踪监控系统，不仅为航空器追踪监控与车辆追踪监控积累了丰富的经验，也为数字孪生技术的开发与应用打下了坚实基础。
杨杰告诉记者：“在数字孪生技术系统开发之前，结合之前的经验，航科院研发了一套应用于机场的时空云平台，集成了机场所有静态数据，航站楼、机坪、道面标志等数据每隔一段时间便会实现同步更新。以时空云平台为基础开发的数字孪生技术应用，更偏向于动态数据集成与处理，将车辆数据、航空器位置数据等与机场相关信息相结合，以跑道防侵入系统为试点，逐步建立起了数字孪生系统。”
5G时代的来临让数字孪生技术如鱼得水。万物互联让数据传输速度变得越来越快，传感器和摄像头随处可见，能捕获的信息细节也越来越多，以三维地理信息为蓝本的传统机场运控系统已经无法满足时代的需求。据了解，航科院此次的数据孪生技术开发以游戏引擎为载体，将相关数据接入后，不仅能够实现数据集成和可视化，还可以让系统运行更加顺畅，孪生世界与真实世界的关键信息在感官体验层面上做到了同步与一致。
目前，数字孪生技术的开发和应用还停留在信息集成和数据可视化阶段，但已经为机场和航空器运行带来不小的影响。动态的数字孪生技术将触及民航业的所有流程，为各个流程提效赋能。
基于数字孪生，机场、人员、航空器、车辆等数据可以生成实时孪生画面，让人员培训更加便捷。车辆驾驶员不再需要拿着教材走进教室学习机场驾驶规则，而是在系统实时运行场景中习得；无人驾驶将更加智能，设备和车辆将首先经过数字孪生系统的测试，之后才正式量产应用，从而最大限度地降低成本……
数据是关键
从与杨杰的交流中，记者了解到，有关数字孪生技术的美好未来能否真正实现的关键在于数据。数据的采集、回传频率、精度、处理能力等决定了数字孪生技术未来的发展。
“数据采集得越全，可以实时分析的数据越多，就越接近真实情况”。一方面，ADS-B等技术所收集的数据与数字孪生技术相辅相成，但每项技术都有使用倾向，采集数据存在局限性。ADS-B传输的数据仅限于航空器位置、高度、航向、速度、爬升率等，该技术的设计初衷更偏向于空中管制使用，而油量、发动机参数、飞行管理计算机输出信息等数据则无法从中获得，数据需要多接口接入。另一方面，真实世界的数据采集还未实现全面覆盖，摄像头与传感器随着时代的发展不断增加，接入设施设备的数量也将慢慢增加。此外，对人位置数据的实时采集涉及隐私等多方面问题，需要更加谨慎地对待。
“空间数据采集的关键指标是精度和采集频率。在GPS系统和正在逐步投入使用的北斗卫星系统中，位置精度和定位精度都可以达到分米级甚至厘米级，能够满足机场在运行中的大部分需求。”杨杰介绍道，“但技术发展的主要桎梏在于位置的回传频率。虽然现在的技术已经可以达到20赫兹的标准，也就是每秒回传20次数据信息，但是很多机场还停留在每秒一次、几秒一次的回传状态。”
传统雷达监控与数据站监视等方式数据回传频率差异较大，短则4秒一次，长则15分钟一次，无法做到真实世界的实时反映。在加装ADS-B后，数据回传最快可以达到1秒两次，但与20赫兹的技术能力仍相去甚远。
“20赫兹在国内机场基本没有应用，能达到5赫兹的都少之又少。回传频率越高，消耗的网络带宽越大，后台处理器的处理压力也就越大。从这个角度来看，想要数字孪生技术发挥更大作用首先要解决这些问题。”杨杰解释道。
只有处理好数据采集、回传频率、精度、处理等问题，数字孪生技术才会真正为智慧机场建设添砖加瓦，而不是一个提供数据可视化平台的“花瓶”。这类信息化技术与传统基建有机融合，将云计算、大数据、物联网、人工智能、5G通信等作为核心手段，推动我国机场高质量发展、跨越式进阶。
未来，云与端之间可以建立更紧密的联系，这意味着更多数据将被采集并集中在一起。这些数据将助力打造更强大的数字孪生体，不仅可以是一架数字孪生航空器、一个数字孪生机场，还可以是一座数字孪生城市。（中国民航报 记者张人尹）
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