中智觀察：?“數(shù)字孿生”技術(shù)能否拯救遇險的飛機？

真實物體，對應(yīng)著模擬影像。通過傳感技術(shù)與數(shù)字技術(shù)，在實體與虛體之間建立關(guān)聯(lián)，可以為真實物體創(chuàng)立完全相同的另一身，即“數(shù)字孿生體”。這項技術(shù)如果應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活，可以根本性地改變構(gòu)筑世界的傳統(tǒng)方式。

“數(shù)字孿生”技術(shù)最先起步于航空領(lǐng)域，可以縮短制造飛機的流程，也可以對飛機的飛行路線、機體狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，對危險提供預(yù)警。當(dāng)飛機在飛行過程中出現(xiàn)故障或遭遇險情，地面人員可以通過飛機的“數(shù)字孿生體”做出應(yīng)急反應(yīng)，指令飛機做出應(yīng)變措施，從而避免災(zāi)禍的發(fā)生。

但是，從近日發(fā)生在廣西藤縣的墜機事故來看，當(dāng)今的主流客機還停留在固有的操作模式上，并沒有實現(xiàn)“數(shù)字孿生”技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)飛機在空中遭遇險情，地面人員無法進(jìn)行判斷并實施救援。飛機墜毀后，地面人員對飛機上的情況一無所知，除了尋找“黑匣子”，沒有辦法破解事故的真相。

飛機失事找不到“黑匣子”，無法判斷事故真相

3月21日，一架從昆明起飛的波音737客機MU5735航班在飛過廣西藤縣上空時，從8800米高空垂直墜落，機身徹底損毀，機上132人蹤跡無覓。視頻中，只能看到飛機垂直跌落的一點影像，而對于飛機內(nèi)部發(fā)生了什么，外界一無所知。就連東方航空公司內(nèi)部的運轉(zhuǎn)體系，也只是“飛機對發(fā)出的追問信號沒有回應(yīng)”，完全不清楚飛機在空中遭遇了什么險情，或者機身發(fā)生了什么故障，不知道機組人員實行了怎樣的應(yīng)對措施。

對于飛機墜毀，破解事故真相的唯一辦法就是找到飛機上配置的兩部“黑匣子”。“黑匣子”是飛機的飛行信息記錄系統(tǒng)，記錄25小時的飛行參數(shù)，包括飛行速度、高度、磁角等信息，其中的駕駛艙語音記錄器用來記錄最后兩小時駕駛艙機組人員的言談、各種可以聽到的聲音、機組人員同地面操控人員的對話等。

兩天過去了，搜救人員找到了兩部“黑匣子”中的一部，盒子有一定的損毀。到第七天，另一部“黑匣子”終于被找到。兩部“黑匣子”先后被送往北京，由專業(yè)機構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)破譯。如果“黑匣子”找不到，或者保存的數(shù)據(jù)被損毀，那么飛機上發(fā)生的事故就成了不解之謎，沒有任何直接的辦法能夠破知真相。

可是，即便找到“黑匣子”，也只是記錄了飛機最后一段時間飛機內(nèi)部的各種語音和聲響，并不能直接反映遇險的實情。“黑匣子”需要由專業(yè)機構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)下載、讀取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、模擬現(xiàn)場、重現(xiàn)事故過程、分析事故原因，最后才能查清楚事故真相。并且，這個破解分析的過程需要幾個星期之久，這對當(dāng)事飛機來說，已經(jīng)完全沒有救助作用了。

不得不說，直到發(fā)生了這個墜機事故，我們才知道飛機的預(yù)警系統(tǒng)、干預(yù)措施、后期調(diào)查等方面的能力是如此的薄弱。

波音737-800機型是中國民航機隊中的主力客運機型，目前在國內(nèi)飛行的737-800客機超過千架。可見，如此主流的機型，它的預(yù)警設(shè)備、地面感知設(shè)備及避險功能，依然沿用著過去的模式，沒有啟用先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)備。當(dāng)飛機在空中遭遇險情時，地面人員竟然一無所知，無計可施。

論證、宣傳了多少年的“飛機數(shù)字孿生體”技術(shù)，重要目標(biāo)就是為了對飛機險情提供預(yù)警和應(yīng)急避險，可是在實際的航空運行中，基本還是零應(yīng)用，完全沒有發(fā)揮作用。

“數(shù)字孿生”技術(shù)，能否全時監(jiān)控飛機的每一個變化？

面對飛機事故，為什么要提到“數(shù)字孿生”技術(shù)？因為，它作為一項技術(shù)理論最先被引入到航空領(lǐng)域。通過為飛機創(chuàng)建“數(shù)字孿生體”，地面人員可以實時獲知飛機在飛行中的變化或遭遇，從而即時發(fā)出預(yù)警，并指令飛機做出應(yīng)對措施，用來避免可能發(fā)生的種種災(zāi)禍。

“數(shù)字孿生”概念形成于2002年。當(dāng)時，美國密歇根大學(xué)教授邁克爾·格利福斯（MichaelGrieves）提出，在計算機的虛擬世界建立一個跟實物一模一樣的模型，兩者就像一對雙胞胎。他建議將此概念應(yīng)用于工業(yè)制造，從而形成“數(shù)字孿生”的相關(guān)軟件。

2010年，美國宇航局專家約翰·威克斯（JohnVickers）正式提出“數(shù)字孿生”一詞，并將這個技術(shù)應(yīng)用于航天器的設(shè)計和運行，有效地降低了建造成本和運維成本。

它的原理就是，利用數(shù)字技術(shù)，在地面呈現(xiàn)一架與飛行中的飛機完全相同的另一架虛擬飛機，實體飛機在空中飛行的任何變化，都會如實地反應(yīng)到地面的虛擬機體上。空中的飛機是實體，地面的飛機是虛體，實體與虛體之間通過感應(yīng)和傳達(dá)，形成數(shù)字化的信息共識，當(dāng)實體飛機在空中遭遇險情，就會如實反應(yīng)在地面的虛體上。地面人員通過對虛體飛機實施操控，對空中飛機發(fā)出遙控指令，以便對故障或險情進(jìn)行抵御。

假如飛機的“數(shù)字孿生體”投入應(yīng)用，它將是一架完整的虛擬飛機，它將用來服務(wù)實體飛機的一切動態(tài)。它所追求的目標(biāo)，就是全時監(jiān)控、實時守護(hù)飛機的一切變化。

“數(shù)字孿生”技術(shù)貼近飛機制造業(yè)，探求虛實體聯(lián)動

一百多年前，萊特兄弟造飛機的時候，是用筆在紙上畫出飛機的結(jié)構(gòu)圖，然后按著圖紙一步一步把飛機造出來。后來的飛機制造基本延續(xù)了這種模式，每一款新飛機在成型之前，都要經(jīng)歷無數(shù)次的修改和檢驗。當(dāng)計算機工具出現(xiàn)以后，工程師可以使用特別的軟件來設(shè)計飛機模型，這樣就變得省時省力，效果也更強。

而“數(shù)字孿生”技術(shù)，又讓飛機制造進(jìn)入了智能化的階段。以性能極好的美式F22戰(zhàn)斗機為例，該機型設(shè)計好之后，在投入制造前耗費了1.2萬小時進(jìn)行風(fēng)洞試驗，成本非常高。而通過“數(shù)字孿生體”對飛機的一些情況進(jìn)行分析，就極大地減少了風(fēng)洞試驗的次數(shù)，減低了成本，縮短了研發(fā)的周期。

再如波音787客機的設(shè)計過程中，也是利用了“數(shù)字孿生體”全三維技術(shù)，使飛機的研發(fā)周期比波音777節(jié)省了三分之一，研發(fā)成本也降低了一半。

實現(xiàn)飛機的“數(shù)字孿生體”，是一個國家工業(yè)實力的象征。當(dāng)一款新型飛機亮相之時，它的數(shù)字化孿生體也同時成型。真實機體與數(shù)字化孿生體之間，是交互和共生的關(guān)系，就像影子一樣，飛機的數(shù)字化同體會永遠(yuǎn)跟隨，共生共失。“孿生”一詞，最初是用來形容兩者之間完全相同，而更確切地說，飛機的“數(shù)字孿生體”并非兩者，并非雙胞胎，而是實體飛機的另一身，就是它自己。當(dāng)這架飛機進(jìn)入飛行的時候，它的所有狀態(tài)，都會實時反映到這個數(shù)字體當(dāng)中。

并且，數(shù)字體還具備思考的能力。它會分析、判斷實體飛機的航線、飛行姿態(tài)是否出現(xiàn)了一些偏差，也會預(yù)先感知飛機的機身可能要出現(xiàn)的故障。如果飛機的發(fā)動機、機翼、零部件等某個部位出現(xiàn)故障，虛體飛機在捕獲信息后會做出反饋，及時向?qū)嶓w飛機發(fā)出警報，提醒機組人員解決故障。

如果我們有一架飛行多年的飛機，我們通過數(shù)字化的方式來判斷它的發(fā)動機是否有安全隱患，或者預(yù)測它的使用壽命，我們就可以建立一個它的數(shù)字孿生體的發(fā)動機，然后在它的孿生體里面對它進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這種情況，就屬于先有物理體后有孿生體。

當(dāng)我們設(shè)計下一代飛機或者發(fā)動機的時候，這個過程就會反過來，我們首先利用數(shù)字三維的技術(shù)，對飛機進(jìn)行模擬打造，然后以此造出實體的飛機。這種情況，就屬于先有孿生體后有物理體。

實現(xiàn)“數(shù)字孿生體飛機”有多難？

“數(shù)字孿生”技術(shù)，理論上可以實現(xiàn)真實物體與虛擬物體之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)，但是它的實現(xiàn)卻需要一定的條件基礎(chǔ)，比如高質(zhì)量的6G技術(shù)、零延時的感應(yīng)技術(shù)等。業(yè)界正在對這一過程進(jìn)行梳理。

在近期舉辦的第二屆全球6G技術(shù)大會上，發(fā)布了一份《ICDT融合下的6G網(wǎng)絡(luò)2.0》系列白皮書，指出6G技術(shù)對信息處理效率的影響，辯證了6G能力在通信、計算、感知、AI、安全等層面的作用。白皮書也指出，“數(shù)字孿生”技術(shù)實現(xiàn)通用，6G網(wǎng)絡(luò)是最重要的途徑。

“數(shù)字孿生”系統(tǒng)是典型的感知、通信、計算的融合系統(tǒng)，首先需要感知技術(shù)來讀取物理系統(tǒng)的某個維度某個層次的屬性與狀態(tài)，然后低時延、高可靠性地傳輸?shù)教摂M系統(tǒng)，以進(jìn)行計算、建模、分析、測評，從而形成決策命令，然后再將命令低時延、高可靠性地傳遞到物理系統(tǒng)，驅(qū)動物理系統(tǒng)做出動作，完成指令的任務(wù)目標(biāo)。

6G網(wǎng)絡(luò)能夠支持物理系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)之間的信息關(guān)聯(lián)，也支持虛擬系統(tǒng)各種元素、組件之間的信息關(guān)聯(lián)，讓多個虛擬系統(tǒng)之間形成信息交互，實現(xiàn)“數(shù)字孿生”的聚合體。以此來看，在不同的階段，“數(shù)字孿生”都具有很重要的價值，雖然“數(shù)字孿生”對于6G來說是一個理想化的東西，但還是分階段、分層次合理可行的，具體如何實現(xiàn)，需要通過不斷的實踐來檢驗。

現(xiàn)實應(yīng)用：塑造信息維度上的同一體來控制真實的場景

“數(shù)字孿生”理論自出現(xiàn)以來，已經(jīng)在各個領(lǐng)域開始了嘗試。除了航空領(lǐng)域，其他如智慧醫(yī)療、新城市建設(shè)、監(jiān)控設(shè)備等領(lǐng)域也展開了對“數(shù)字孿生”技術(shù)的實踐。

在阿波羅計劃中，美國宇航局就設(shè)置了兩個完全相同的宇宙飛船，為了預(yù)測飛船的飛行狀態(tài)，先在地面上進(jìn)行模擬試驗和數(shù)據(jù)分析。這種預(yù)測方式被定性為“數(shù)字孿生”技術(shù)的投入，所采用的實物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M數(shù)字形態(tài)，提高了效率也節(jié)儉了財政支出。2022年3月又有新消息，美國佛羅里達(dá)空軍基地正式投入Holoab數(shù)字孿生實驗室的使用，用以探索基地的數(shù)字化改造。

中國在“數(shù)字孿生”技術(shù)上的應(yīng)用，突出體現(xiàn)在雄安新區(qū)智慧城市建設(shè)、北京冬奧場景建設(shè)等方面，通過塑造一個信息維度上的同一體，便于操控真實的建設(shè)場景。中國一些科技公司也根據(jù)“數(shù)字孿生”理論進(jìn)行探索，先后推出了視頻融合、位置智能、三維可視化、3d建模等技術(shù)，自主研發(fā)了如實景孿生解決方案、Paas平臺、實景孿生虛實融合一體機等產(chǎn)品。中國東方航空公司也曾明確表示，要在信息化、數(shù)字化方面加大投入力度。

在歐洲，歐洲航空安全局（EASA)、民用空中航行服務(wù)組織（CANSO）近年來也提出了“歐洲數(shù)字天空”的概念，希望利用最新的數(shù)字技術(shù)改造航空基礎(chǔ)設(shè)施，對未來的空中交通提供安全的保障。

據(jù)Gartner研究機構(gòu)的一份調(diào)研報告，目前全球有50%的大型制造企業(yè)涉及“數(shù)字孿生”項目，這個比例還在擴大。《航空周報》也做出預(yù)測，到2035年，航空公司可以實現(xiàn)“數(shù)字孿生體”在客機上的全面使用。

反對的理由：虛擬飛機難以操控實體飛機

不過，“飛機數(shù)字孿生體”理論在大力推進(jìn)的同時，也遭到了航空界一些人士的反對。反對觀點認(rèn)為，“數(shù)字孿生”技術(shù)雖然在普通的工業(yè)制造中發(fā)揮作用，但是對于高精準(zhǔn)高強度的航天航空事業(yè)來講，是極難完成的事情，依靠虛擬影像去處理實體飛機的險情，是一種不靠譜的臆想。

首先，技術(shù)上無法為真實飛機創(chuàng)建一個100%逼真的虛擬體，實體與虛體之間幾乎不可能達(dá)到完全相似。然后，飛機在飛行過程中，所經(jīng)受的氣壓、氣流、溫度會發(fā)生無數(shù)次的變異，機組人員憑直覺與經(jīng)驗可以輕易地掌握這些變異，而對虛擬機器來說，則是十分龐大且難以完成的計算。

理由在于，雖然是一個理論設(shè)想，但是要讓飛機上的每一個部件、每一次變化都得到虛擬體1:1的感應(yīng)，那么，所有信號、信息、傳感器都要進(jìn)行1:2的裝置備份，這必然會增加工作的難度和強度。要確定這些裝備是否工作、是否精準(zhǔn)，就要增加更多的裝備和更多的工作，這樣，就容易陷入一種裝備的悖論、陷坑，為附庸增加更多的附庸。

并且，當(dāng)傳感器失去作用時，必須由人對飛機進(jìn)行直接操控。如果人在險情中已經(jīng)失去操控，那么飛機仍然面臨災(zāi)禍，這時，這一套設(shè)備的作用仍然是零。就好比說，無人駕駛汽車如果偏離了設(shè)定的道路，數(shù)據(jù)操控就失去了作用。如果駕駛?cè)瞬荒芗皶r接管汽車，它仍然是一場災(zāi)禍。而其時，駕駛?cè)艘呀?jīng)出事！

這不啻為回到問題的原點，過分依靠智能化設(shè)備而忽視人的決策，反而是事故的最基本原因。

至3月27日，失事飛機的兩部“黑匣子”都已經(jīng)找到，已送往北京專業(yè)機構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)破解。我們期待查明真相，看清楚飛機墜毀的一刻到底發(fā)生了什么。

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