数字孪生 为机场和航空器打造“双胞胎”兄弟

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。

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

“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。

数字孪生智慧园区的实现，是打造基础设施智能化、规划管理信息化、公共服务便捷化、社会治理精细化和产业发展现代化。整个园区的能耗情况、环保监测、照明情况、安防情况等，都可以通过智慧一体化平台展示，实现园区运行安全“一屏通览”、园区综合治理“一网统管”。

其搭建的科技园数据可视化监控平台将园区的基础设施进行 3D 展示，再将环境、能耗、人员、停车等数据通过 2D 面板呈现，有效、及时地做到事前预警、事中监测、事后分析，提高园区管理效率，提升园区的安全指数，推动园区的智能化发展。

可视化利用丰富的图表、图形和设计元素将相对复杂、抽象的温度数据通过可视的方式以更直观理解的形式展现，便于园区运维人员统计各楼栋的室内温度，无需通过人工核算等复杂形式进行园区的运维分析。智慧园区管理平台能够对各子系统的数据进行统一化的采集，并按业务需求对数据进行分析，助力业务持续改进。

3D 主场景显示楼栋温度及冷却水泵、冷却塔、空调主机的位置，便于检修人员巡查。通过信息传感器、射频识别技术、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集设备运行数据，分析每栋楼的能效情况。将室外环境实时监测系统接入可视化大屏，让运营人员及时掌握太阳辐射、风速的数据，在恶劣天气来临时提醒园区居民外出时做好防护。

智慧电梯管理平台监管不同类型电梯运行，动态展示电梯移动情况。电梯故障风险提前预警，能第一时间在系统地图上定位故障电梯所在位置，为救援、排障缩短时间。通过底层应用接口，将获取到的各电梯位置分布、状态、速度、质检等信息进行同步上传，准确掌握电梯实际运行时间和易损件的使用次数。也可 HT 2D 可视化技术，“一张图”式切换园区电梯的运行参数，输出不同维度的数据解释。

采用信息化与人工智能等先进技术，通过数据感知采集、网络信息应用、集中汇总分析、应用决策服务等环节，集成园区“安环能”、经济运行、应急管理一体化联动平台，对园区安全风险、环境污染、能源消耗以及应急指挥等各个环节，实现科学预警、测管联动、动态防控、智慧决策。构建多维一体的综合管控体系，提升了园区系统化、科学化、精细化和信息化管理水平。

在“新基建”驱动的数字经济热潮下，智慧园区建设发展成为实现园区管理绿色化、现代化、智慧化的核心抓手。通过利用云计算、物联网、大数据等新一代技术手段，充分聚合园区内各类资源，全面提升园区的综合管理效率，打通园区人、事、物运行管理全要素的动态感知、实时共享、高效应用。

围绕公共管理、产业发展、生活服务等业务，提供能耗环境监测、设备安防监管、综合态势监测等功能，使园区内原本独立的各系统根据管理特性形成联动预案，可广泛应用于工业园区、政府社区、校园运营等场景。

为完善园区内整体消防事件统计和消防状态（报警率/故障率/屏蔽率）的记录，满足对园区消防资源分布、安全态势、消防设施状态的宏观监管， 2D 面板支持绑定园区内各类消防器材数据，如各楼宇内手动报警器、烟感、灭火装置的报警次数、故障次数及设备总数等，将相对抽象复杂的数据通过可视化图表进行清晰反馈呈现，在为消防管理工作提供远程高效的监督管理手段的同时，保障了园区消防信息的完整性、真实性和可追溯性。

运用三维仿真停车场场景，接入停车场管理系统数据，可直观查看园区内外部访客、预约等车辆的进出、停泊、空位情况。支持迎合当前新能源汽车发展趋势，根据停车场内部车位的真实规划，运用 3D 可视化技术在场景中同步设置车辆充电桩，展示园区充电桩分布区域及有无空位，结合 2D 面板展示充电占比、里程、功率等情况。帮助园区提升进出效率及用户停车体验，降低人工管理成本。

运用自主研发的二三维可视化引擎、BIM、GIS、视频融合等技术，合力打造智慧园区数字底板，建立集消防、能耗、安防、设备、服务等多维信息一体化监控机制，打破数字边界，提炼数据规律，推进园区运营治理和自动化设备全流程的感知、可控、分析、共享，协助园区企业走向生态化、集约化、创新化的发展道路。Hightopo 数据可视化亦深度融合电力能源、电信机房、城市园区、工控等各个领域，赋能其运行可监管、历史可追溯、远程可遥控，助推产业数字化转型，为一体化管理模式提供轻量化的解决方案。

一、建模
目前大部分厂商建模是在特定领域进行开发和熟化，然后在后期采用集成和数据融合的方法将来自不同领域得模型融合。快速三维建模技术分为两种，一种是基于倾斜摄影的三维建模，适用于大区域环境模型的构建，另外一种是基于三维激光点云数据辅助的逆向建模，适用于单体建筑、设备的逆向建模。
数字孪生应用案例及常用技术
二、三维视频融合
三维视频融合技术是虚拟现实技术的一个分支，或者说是虚拟现实的一个发展阶段。三维视频融合技术指把一个或多个由摄像机图像序列视频和与之相关的三维虚拟场景加以匹配和融合，生成一个新的关于此场景的动态虚拟场景或模型，实现虚拟场景与实时视频的融合。这种融合不会随着对三维模型的倾斜、旋转等 *** 作而产生错位，充分发挥出三维场景的直观特点。视频融合后，还可以进行一些高级管理，比如球机追视功能，可以使用鼠标在三维画面上点击目标，比如一辆行进的车或一个人，最近的球机会自动锁定并跟踪人或车。
三、人工智能
在数字孪生应用中，需要在虚拟空间对现实物理映射做到多概率的仿真，这就离不开算法模型和人工智能的开发。非常复杂的设计模型放到神经网络中，借助深度学习可以把高自由度的模型削减为低自由度且仍能够提供我们所需要的模型能力。从原理上来说，所有物理映射的虚拟必须进行模拟，这些模拟非常耗时耗力。而使用人工智能可以高效的选择可用性最高的仿真选项。
数字孪生应用案例及常用技术
四、云渲染
云渲染是将3D程序放在远程的服务器中渲染，用户终端通过Web软件或者直接在本地的3D程序中点击一个“云渲染”按钮并借助高速互联网接入访问资源，指令从用户终端中发出，服务器根据指令执行对应的渲染任务，而渲染结果画面则被传送回用户终端中加以显示。
云渲染技术解放了时间和空间的限制，只要网络允许，在任何空间和时间内都可以实现随时随地 *** 作服务器上的程序，查看效果，方便做各种演示和决策。因为实时云渲染技术的运用，可以支持多并发，尤其是围观模式更适合参与人数更多的场景下使用。
数字孪生应用案例及常用技术
五、高性能计算
数字孪生系统复杂功能的实现在很大程度上依赖其背后的算力平台，实时性是衡量数字孪生系统性能的重要指标。因此如何考量系统搭载的计算平台的性能、数据传输网络的时间延迟及云计算平台的算力能力，设计最优的系统计算架构，满足系统实时性分析要求，是应用数字孪生的重要内容。平台算力的高低直接决定系统的整体性能

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数字孪生作为实现虚实之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径，可将物理实体和系统的属性、结构、状态、性能、功能和行为映射到虚拟世界，为观察物理世界、理解物理世界、改造物理世界提供了一种有效手段。

虽然数字孪生在很多场景还只能作为决策辅助或参考，但是在未来，数字孪生将是数字化转型的重要内容。结合物联网、5G、大数据、云计算、虚拟现实等技术，数字孪生的应用空间正在不断扩展。

主讲人

陶飞： 北京航空航天大学教授

科普中国中央厨房

新华网科普事业部

科普中国- 科技 前沿大师谈

联合出品

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一、数字孪生发展背景

“孪生”的概念起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”，即构建两个相同的航天飞行器，其中一个发射到太空执行任务，另一个留在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态，从而辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件。当然，这里的两个航天器都是真实存在的物理实体。

2003年前后，关于数字孪生（Digital Twin）的设想首次出现于Grieves 教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上。在该设想中数字孪生的基本思想已经有所体现，即在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射，忠实地描述物理实体全生命周期的运行轨迹。

直到2010 年，“Digital Twin”一词在NASA 的技术报告中被正式提出。近年来，数字孪生得到越来越广泛的传播。同时，得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生的实施已逐渐成为可能。

现阶段，除了航空航天领域，数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、 健康 医疗、环境保护等行业。特别是在智能制造领域，数字孪生被认为是一种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段。

二、数字孪生的定义及典型特征

（1）标准化组织中的定义
数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。
（2）学术界的定义
数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助 历史 数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段a。
（3）企业的定义
数字孪生是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。

三、数字孪生特征

保真性：数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。
实时性：数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。
互 *** 作性：数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。
闭环性：数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此数字孪生具有闭环性。

四、数字孪生与仿真技术的区别

仿真技术是应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验，借助某些数值计算和问题求解，反映系统行为或过程的模型技术，是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的方法，目的是依靠正确的模型和完整的信息、环境数据，反映物理世界的特性和参数。仿真技术仅仅能以离线的方式模拟物理世界，不具备分析优化功能，因此不具备数字孪生的实时性、闭环性等特征。

数字孪生需要依靠包括仿真、实测、数据分析在内的手段对物理实体状态进行感知、诊断和预测，进而优化物理实体，同时进化自身的数字模型。仿真技术作为创建和运行数字孪生的核心技术，是数字孪生实现数据交互与融合的基础。在此基础之上，数字孪生必需依托并集成其他新技术，与传感器共同在线以保证其保真性、实时性与闭环性。

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