前沿科技丨数字孪生，打开飞行的“赛博世界”

在科幻世界里，赛博常常被用来描述数字化、虚拟化的未来世界。随着新一代信息技术融合应用的不断发展，数字世界正在越来越清晰地展现在人们面前。航空业也不例外。

近年来，受新冠疫情影响，航空业面临巨大挑战，不少企业亏损严重。进入后疫情时代，各航空企业都希望能够尽快恢复元气。为此，无论是国内还是国外，大家都开始将更多注意力放在数字孪生这项革命性的数字技术上。通过该技术，飞行器性能以及运行和维护效率大幅提高，从而提升了航班安全和盈利水平。

数字孪生技术正在颠覆航空业。

“数字孪生”概念诞生于20多年前，由美国密歇根大学教授迈克尔·格里夫斯与美国国家航空航天局（NASA）专家约翰·维克斯共同提出。

2003年，格里夫斯在产品生命周期管理课程上首次引入这一概念。之后，NASA与美国空军联合开展了面向未来飞行器的数字孪生示范，并将数字孪生定义为一个集成了多物理场、多尺度、概率性的仿真过程。

数字孪生的核心是建立虚拟数字孪生体，进而反哺优化物理实体。例如，数字孪生可以基于飞行器的高保真物理模型、历史数据以及传感器实时更新数据，构建完整映射的虚拟模型，实现对飞行器健康状态、剩余使用寿命以及任务可达性的预测。同时，通过比较预测结果与真实响应，数字孪生技术能够及时发现未知问题，进而激活自修复机制或任务重规划，以减缓系统损伤和退化。

换句话说，在一定程度上，数字孪生技术具有“预见未来”的能力，而这种预见性正是民航业所需要的。从宏观视角来看，数字孪生的预见性可以帮助企业制定更好的发展战略。例如，利用数字孪生技术，拜耳作物公司为其在北美地区的9个玉米种子生产基地构建了包括设备、流程、产品流特性、物料清单以及操作规则等信息在内的数字孪生系统。通过由数字孪生打造的“虚拟工厂”，该公司可以对每个执行环节进行“假设”分析，从而对整个生产销售业务战略进行重新构想。

同时，数字孪生的预见性还可以帮助企业构建更加强大的供应链系统。即便是在科技高度发达的现代社会，环境气候仍然难以准确预测。然而，很多行业的供应链都与之息息相关。为应对这种不确定性，国际食品加工公司玛氏为其供应链构建了数字孪生系统，以提升对气候和其他因素的预见性，减少原料产量波动对生产和销售造成的影响。

对航空业来说，这些案例提供了思考的方向。作为沉浸在大数据中的行业，民航业不仅拥有海量历史和实时数据，更是一个从业人数多、生产链条长的行业。更重要的一点是，民航业所服务的客户也是多元化的。因此，通过数字孪生技术为数字世界和物理世界架设一座互联互通的桥梁，对于全面推动行业发展至关重要。

随着技术的发展，越来越多航电设备和操作系统以及复合材料的应用使飞机的复杂性日益提升。在此背景下，从设计、生产到运营、维护等环节，航空业逐渐意识到数字孪生的价值。

通过数字孪生技术，民航业可以有效提升航班运行的安全性。发动机是确保航班飞行安全的核心零部件之一。作为全球知名的航空发动机制造商之一，罗尔斯-罗伊斯公司（以下简称“罗罗公司”）已经将数字孪生技术应用于发动机监控和维护环节。通过这项技术，罗罗公司一方面可以全面分析发动机的性能数据并预测潜在问题；另一方面，根据其提供的预警信息部署维护任务，在减少计划外停机时间的同时，提升发动机可靠性和性能。

同样感受到科技力量的还有航空公司。在2022年举办的中国国际航空博览会上，东航技术公司通过一个模拟沙盒，展示了运用数字孪生、物联网、人工智能等技术构建的智能互联机库系统。通过这个沙盒，旅客可以直观地看到数字孪生技术如何为民航业赋能——在检查环节，一辆搭载高性能摄像头的小车代替机务人员绕机巡视，并通过人工智能技术分析飞机外立面是否存在构型异常、漆面破损等问题；在诊断环节，当实时采集的影像数据被传回后台时，系统很快就给出了相关诊断结果和维修方案建议；在维修环节，另外一辆小车频繁往返于货架与飞机之间，根据维修工单自动装卸航材、工具……在这些看得见的行动背后，看不见的数据正运行在一个数字化的孪生空间内，为系统的决策提供验证支撑。

无论是对航空发动机制造商还是对航空公司来说，数字孪生带来的预测性维护水平提升都十分重要。基于数字孪生技术提供的数据，机务维修单位可以密切监控飞机性能和健康状况，尽早发现潜在问题，并在必要时提醒相关工作人员检查并更换零部件，以满足飞机不间断运行需求。在后疫情时代，这将切实帮助航空公司实现降本增效。

在提升盈利水平方面，数字孪生的另一个重要应用场景是优化地面服务运行保障流程。去年8月，东航地服运行保障数字化（GCS）3.0项目完成验收。该项目应用运筹算法建模、数字孪生等技术，可智能化满足东航地面服务部资源预测、调配和安全保障等需求，能够实现航班资源投放分析、机坪航班保障车辆运行调度和监控、值机柜台开放预测、驾驶员不安全行为告警等。其中，在机坪资源分配方面，数字孪生技术可对保障航班的车辆、人员、设备进行定位、集成和任务关联，并实时监控车辆位置、状态、轨迹，对驾驶员车辆越界和超速进行告警，并根据机型、机位、航班计划动态设置电子围栏，该系统还能对上述任务节点状态数据进行自动采集，从而提高航班保障节点的反馈效率和准确性。

在物联网和大数据支持下，数字孪生为航空器制造商提供了加速发展的新工具。作为备受关注的国产大型客机，C919应用了不少新技术，其中就包括建成了飞控系统功能测试、人机协同线束安装、多工序协同等典型场景的数字孪生系统。随着C919飞机进入商业运营阶段，该系统可支持多机型总装生产线研发和建设，实现更多旅客早日坐上国产大飞机的愿望。

与此同时，面对日益复杂的发展环境，数字孪生也为航空制造业发展提供了解决问题的新思路。眼下，全球航空业面临巨大减排压力，而最先直面这一挑战的无疑是航空器制造商。一方面，全球民航业仍在持续发展，全球航空旅客数量不断增加；另一方面，全球民航飞机碳排放量约占全球碳排放总量的2%。因此，航空公司倾向于采购更加环保的机型。

在提高飞机效率和性能方面，数字孪生发挥了积极作用。众所周知，飞机的燃油效率和性能在很大程度上依赖于空气动力学。通过仿真模拟，工程师可以准确识别高阻力和湍流区域，并对其进行精确调整，以减小阻力、改善机翼形状并加强气流控制，从而实现减少燃油消耗和碳排放的目标。

与此同时，在航空器制造商看来，已经投入市场的产品同样可以通过数字孪生提升运营效率。以空客A350 XWB为例。在数字孪生技术的支持下，空客公司能够对该机型进行持续监控和分析，并收集来自各种传感器和系统的数据，包括油耗、发动机效率和飞机整体性能等。通过分析这些数据，空客公司可以对飞机的设计、运行和维护进行战略性调整，如细化飞行参数、优化发动机设置和加强维护等，从而显著减少飞机的燃料消耗和碳排放量。

对涉及人员多、生产链条长的民航业来说，每一个环节的不确定性都会给生产运营带来巨大损失。但有了数字孪生技术，当数字世界的虚拟模型能够与物理世界的实体同步运行时，更多风险点将在数字世界中被提前监测、反馈并修正，从而有效降低风险的发生概率。可以说，在高速发展的商业社会中，孪生的数字世界，有如现实世界的探路者。通过对物理世界的高精度映射，它可以减少实际错误的发生概率、降低企业的试错成本，也可以让生产设备变得更加“健康长寿”、让飞机等产品的设计制造更加贴合客户的需求。越来越多的实际应用表明，数字孪生技术将为民航业的可持续发展创造条件，为旅客航空出行提供新的体验。