中智观察：​“数字孪生”技术能否拯救遇险的飞机？

真实物体，对应着模拟影像。通过传感技术与数字技术，在实体与虚体之间建立关联，可以为真实物体创立完全相同的另一身，即“数字孪生体”。这项技术如果应用于人们的生产和生活，可以根本性地改变构筑世界的传统方式。

“数字孪生”技术最先起步于航空领域，可以缩短制造飞机的流程，也可以对飞机的飞行路线、机体状态进行实时检测，对危险提供预警。当飞机在飞行过程中出现故障或遭遇险情，地面人员可以通过飞机的“数字孪生体”做出应急反应，指令飞机做出应变措施，从而避免灾祸的发生。

但是，从近日发生在广西藤县的坠机事故来看，当今的主流客机还停留在固有的操作模式上，并没有实现“数字孪生”技术的应用。当飞机在空中遭遇险情，地面人员无法进行判断并实施救援。飞机坠毁后，地面人员对飞机上的情况一无所知，除了寻找“黑匣子”，没有办法破解事故的真相。

飞机失事找不到“黑匣子”，无法判断事故真相

3月21日，一架从昆明起飞的波音737客机MU5735航班在飞过广西藤县上空时，从8800米高空垂直坠落，机身彻底损毁，机上132人踪迹无觅。视频中，只能看到飞机垂直跌落的一点影像，而对于飞机内部发生了什么，外界一无所知。就连东方航空公司内部的运转体系，也只是“飞机对发出的追问信号没有回应”，完全不清楚飞机在空中遭遇了什么险情，或者机身发生了什么故障，不知道机组人员实行了怎样的应对措施。

对于飞机坠毁，破解事故真相的唯一办法就是找到飞机上配置的两部“黑匣子”。“黑匣子”是飞机的飞行信息记录系统，记录25小时的飞行参数，包括飞行速度、高度、磁角等信息，其中的驾驶舱语音记录器用来记录最后两小时驾驶舱机组人员的言谈、各种可以听到的声音、机组人员同地面操控人员的对话等。

两天过去了，搜救人员找到了两部“黑匣子”中的一部，盒子有一定的损毁。到第七天，另一部“黑匣子”终于被找到。两部“黑匣子”先后被送往北京，由专业机构进行数据破译。如果“黑匣子”找不到，或者保存的数据被损毁，那么飞机上发生的事故就成了不解之谜，没有任何直接的办法能够破知真相。

可是，即便找到“黑匣子”，也只是记录了飞机最后一段时间飞机内部的各种语音和声响，并不能直接反映遇险的实情。“黑匣子”需要由专业机构进行数据下载、读取数据、分析数据、模拟现场、重现事故过程、分析事故原因，最后才能查清楚事故真相。并且，这个破解分析的过程需要几个星期之久，这对当事飞机来说，已经完全没有救助作用了。

不得不说，直到发生了这个坠机事故，我们才知道飞机的预警系统、干预措施、后期调查等方面的能力是如此的薄弱。

波音737-800机型是中国民航机队中的主力客运机型，目前在国内飞行的737-800客机超过千架。可见，如此主流的机型，它的预警设备、地面感知设备及避险功能，依然沿用着过去的模式，没有启用先进的数字化设备。当飞机在空中遭遇险情时，地面人员竟然一无所知，无计可施。

论证、宣传了多少年的“飞机数字孪生体”技术，重要目标就是为了对飞机险情提供预警和应急避险，可是在实际的航空运行中，基本还是零应用，完全没有发挥作用。

“数字孪生”技术，能否全时监控飞机的每一个变化？

面对飞机事故，为什么要提到“数字孪生”技术？因为，它作为一项技术理论最先被引入到航空领域。通过为飞机创建“数字孪生体”，地面人员可以实时获知飞机在飞行中的变化或遭遇，从而即时发出预警，并指令飞机做出应对措施，用来避免可能发生的种种灾祸。

“数字孪生”概念形成于2002年。当时，美国密歇根大学教授迈克尔·格利福斯（MichaelGrieves）提出，在计算机的虚拟世界建立一个跟实物一模一样的模型，两者就像一对双胞胎。他建议将此概念应用于工业制造，从而形成“数字孪生”的相关软件。

2010年，美国宇航局专家约翰·威克斯（JohnVickers）正式提出“数字孪生”一词，并将这个技术应用于航天器的设计和运行，有效地降低了建造成本和运维成本。

它的原理就是，利用数字技术，在地面呈现一架与飞行中的飞机完全相同的另一架虚拟飞机，实体飞机在空中飞行的任何变化，都会如实地反应到地面的虚拟机体上。空中的飞机是实体，地面的飞机是虚体，实体与虚体之间通过感应和传达，形成数字化的信息共识，当实体飞机在空中遭遇险情，就会如实反应在地面的虚体上。地面人员通过对虚体飞机实施操控，对空中飞机发出遥控指令，以便对故障或险情进行抵御。

假如飞机的“数字孪生体”投入应用，它将是一架完整的虚拟飞机，它将用来服务实体飞机的一切动态。它所追求的目标，就是全时监控、实时守护飞机的一切变化。

“数字孪生”技术贴近飞机制造业，探求虚实体联动

一百多年前，莱特兄弟造飞机的时候，是用笔在纸上画出飞机的结构图，然后按着图纸一步一步把飞机造出来。后来的飞机制造基本延续了这种模式，每一款新飞机在成型之前，都要经历无数次的修改和检验。当计算机工具出现以后，工程师可以使用特别的软件来设计飞机模型，这样就变得省时省力，效果也更强。

而“数字孪生”技术，又让飞机制造进入了智能化的阶段。以性能极好的美式F22战斗机为例，该机型设计好之后，在投入制造前耗费了1.2万小时进行风洞试验，成本非常高。而通过“数字孪生体”对飞机的一些情况进行分析，就极大地减少了风洞试验的次数，减低了成本，缩短了研发的周期。

再如波音787客机的设计过程中，也是利用了“数字孪生体”全三维技术，使飞机的研发周期比波音777节省了三分之一，研发成本也降低了一半。

实现飞机的“数字孪生体”，是一个国家工业实力的象征。当一款新型飞机亮相之时，它的数字化孪生体也同时成型。真实机体与数字化孪生体之间，是交互和共生的关系，就像影子一样，飞机的数字化同体会永远跟随，共生共失。“孪生”一词，最初是用来形容两者之间完全相同，而更确切地说，飞机的“数字孪生体”并非两者，并非双胞胎，而是实体飞机的另一身，就是它自己。当这架飞机进入飞行的时候，它的所有状态，都会实时反映到这个数字体当中。

并且，数字体还具备思考的能力。它会分析、判断实体飞机的航线、飞行姿态是否出现了一些偏差，也会预先感知飞机的机身可能要出现的故障。如果飞机的发动机、机翼、零部件等某个部位出现故障，虚体飞机在捕获信息后会做出反馈，及时向实体飞机发出警报，提醒机组人员解决故障。

如果我们有一架飞行多年的飞机，我们通过数字化的方式来判断它的发动机是否有安全隐患，或者预测它的使用寿命，我们就可以建立一个它的数字孪生体的发动机，然后在它的孪生体里面对它进行数据分析。这种情况，就属于先有物理体后有孪生体。

当我们设计下一代飞机或者发动机的时候，这个过程就会反过来，我们首先利用数字三维的技术，对飞机进行模拟打造，然后以此造出实体的飞机。这种情况，就属于先有孪生体后有物理体。

实现“数字孪生体飞机”有多难？

“数字孪生”技术，理论上可以实现真实物体与虚拟物体之间的动态关联，但是它的实现却需要一定的条件基础，比如高质量的6G技术、零延时的感应技术等。业界正在对这一过程进行梳理。

在近期举办的第二届全球6G技术大会上，发布了一份《ICDT融合下的6G网络2.0》系列白皮书，指出6G技术对信息处理效率的影响，辩证了6G能力在通信、计算、感知、AI、安全等层面的作用。白皮书也指出，“数字孪生”技术实现通用，6G网络是最重要的途径。

“数字孪生”系统是典型的感知、通信、计算的融合系统，首先需要感知技术来读取物理系统的某个维度某个层次的属性与状态，然后低时延、高可靠性地传输到虚拟系统，以进行计算、建模、分析、测评，从而形成决策命令，然后再将命令低时延、高可靠性地传递到物理系统，驱动物理系统做出动作，完成指令的任务目标。

6G网络能够支持物理系统与虚拟系统之间的信息关联，也支持虚拟系统各种元素、组件之间的信息关联，让多个虚拟系统之间形成信息交互，实现“数字孪生”的聚合体。以此来看，在不同的阶段，“数字孪生”都具有很重要的价值，虽然“数字孪生”对于6G来说是一个理想化的东西，但还是分阶段、分层次合理可行的，具体如何实现，需要通过不断的实践来检验。

现实应用：塑造信息维度上的同一体来控制真实的场景

“数字孪生”理论自出现以来，已经在各个领域开始了尝试。除了航空领域，其他如智慧医疗、新城市建设、监控设备等领域也展开了对“数字孪生”技术的实践。

在阿波罗计划中，美国宇航局就设置了两个完全相同的宇宙飞船，为了预测飞船的飞行状态，先在地面上进行模拟试验和数据分析。这种预测方式被定性为“数字孪生”技术的投入，所采用的实物逐渐转变为虚拟数字形态，提高了效率也节俭了财政支出。2022年3月又有新消息，美国佛罗里达空军基地正式投入Holoab数字孪生实验室的使用，用以探索基地的数字化改造。

中国在“数字孪生”技术上的应用，突出体现在雄安新区智慧城市建设、北京冬奥场景建设等方面，通过塑造一个信息维度上的同一体，便于操控真实的建设场景。中国一些科技公司也根据“数字孪生”理论进行探索，先后推出了视频融合、位置智能、三维可视化、3d建模等技术，自主研发了如实景孪生解决方案、Paas平台、实景孪生虚实融合一体机等产品。中国东方航空公司也曾明确表示，要在信息化、数字化方面加大投入力度。

在欧洲，欧洲航空安全局（EASA)、民用空中航行服务组织（CANSO）近年来也提出了“欧洲数字天空”的概念，希望利用最新的数字技术改造航空基础设施，对未来的空中交通提供安全的保障。

据Gartner研究机构的一份调研报告，目前全球有50%的大型制造企业涉及“数字孪生”项目，这个比例还在扩大。《航空周报》也做出预测，到2035年，航空公司可以实现“数字孪生体”在客机上的全面使用。

反对的理由：虚拟飞机难以操控实体飞机

不过，“飞机数字孪生体”理论在大力推进的同时，也遭到了航空界一些人士的反对。反对观点认为，“数字孪生”技术虽然在普通的工业制造中发挥作用，但是对于高精准高强度的航天航空事业来讲，是极难完成的事情，依靠虚拟影像去处理实体飞机的险情，是一种不靠谱的臆想。

首先，技术上无法为真实飞机创建一个100%逼真的虚拟体，实体与虚体之间几乎不可能达到完全相似。然后，飞机在飞行过程中，所经受的气压、气流、温度会发生无数次的变异，机组人员凭直觉与经验可以轻易地掌握这些变异，而对虚拟机器来说，则是十分庞大且难以完成的计算。

理由在于，虽然是一个理论设想，但是要让飞机上的每一个部件、每一次变化都得到虚拟体1:1的感应，那么，所有信号、信息、传感器都要进行1:2的装置备份，这必然会增加工作的难度和强度。要确定这些装备是否工作、是否精准，就要增加更多的装备和更多的工作，这样，就容易陷入一种装备的悖论、陷坑，为附庸增加更多的附庸。

并且，当传感器失去作用时，必须由人对飞机进行直接操控。如果人在险情中已经失去操控，那么飞机仍然面临灾祸，这时，这一套设备的作用仍然是零。就好比说，无人驾驶汽车如果偏离了设定的道路，数据操控就失去了作用。如果驾驶人不能及时接管汽车，它仍然是一场灾祸。而其时，驾驶人已经出事！

这不啻为回到问题的原点，过分依靠智能化设备而忽视人的决策，反而是事故的最基本原因。

至3月27日，失事飞机的两部“黑匣子”都已经找到，已送往北京专业机构进行数据破解。我们期待查明真相，看清楚飞机坠毁的一刻到底发生了什么。

本文来自微信公众号“中智观察”（ID：Hapiweb-soft6），36氪经授权发布。