楊彬

摘 ? 要：近年來，全球航空制造業(yè)已逐步邁入以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）概念為顯著標志的工業(yè)4.0時代。在全球制造業(yè)智能化發(fā)展的時代背景下，各類新技術(shù)的誕生也令全球航空產(chǎn)業(yè)處于變革之中。航空制造與運營正變得更加安全、高效和便捷，人們在享受著不斷提升的旅行體驗之時，也在促進著智能航空的發(fā)展。如何實時處理如此龐大的信息量，已成為工業(yè)4.0時代航空產(chǎn)品設(shè)計和運營帶給人們的新問題。

關(guān)鍵詞：智能航空 ?區(qū)塊鏈 ?數(shù)字孿生 ?增強現(xiàn)實

中圖分類號：V474 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0001-05

近年來，全球航空制造業(yè)已逐步邁入以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）概念為顯著標志的工業(yè)4.0時代。信息物理系統(tǒng)、區(qū)塊鏈、云計算等概念正成為制造和維修車間的熱點，高度自動化、數(shù)字化和實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍卣饕褲B透至制造執(zhí)行系統(tǒng)的每個單元。以航空發(fā)動機為例，裝備有近5000個不同功能傳感器的新一代齒輪傳動發(fā)動機每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)超過10GB，安裝兩臺該發(fā)動機的單通道飛機在12h飛行時間內(nèi)累計數(shù)據(jù)釋放可達844TB;如何實時處理如此龐大的信息量，已成為工業(yè)4.0時代航空產(chǎn)品設(shè)計和運營帶給人們的新問題。

1 ?航空4.0時代

同工業(yè)革命的發(fā)展類似，商用航空的歷史也可以劃分為四個階段[1]：自航空器誕生之日起，以目視飛行規(guī)則為主的人類飛行探索主導了第一階段，此時人們關(guān)注的焦點尚處于如何設(shè)計和制造出高效能的飛機產(chǎn)品;隨后，自動油門、氣象雷達、甚高頻全向信標（VOR）等用于替代傳統(tǒng)膜盒式航空儀表的各類先進電子設(shè)備的出現(xiàn)使人類航空史進入到了第二階段，這些設(shè)備在可以引導飛機實現(xiàn)儀表著陸的同時也首次對駕駛艙人機交互體驗和實時信息處理提出了需求;在第三階段，飛機具備了高度集成的航空電子顯示和數(shù)據(jù)傳輸總線，增強型近地告警（EGPWS）、空中防撞（TCAS）系統(tǒng)等先進設(shè)備已經(jīng)可以為飛行員的操作提供一定程度上的決策建議;如今，機載信息物理系統(tǒng)的出現(xiàn)和應(yīng)用標志著航空飛行史進入了第四發(fā)展階段，人工智能在飛行決策環(huán)節(jié)的介入度達到了前所未有的高度，數(shù)字化和智能化成為了飛機設(shè)計、制造與運行環(huán)節(jié)的主要特征。

2 ?工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生

未來20年全球航空市場將增加近40，000架新飛機，面對如此龐大的交付需求，傳統(tǒng)的制造環(huán)節(jié)已難以滿足其短時裝配的要求。以波音B747飛機為例，每架飛機的組裝完成需要裝配600萬個部件，整個過程不但耗時長久，還對裝配環(huán)節(jié)過程檢驗提出了較高要求。如今，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)極大地提高了飛機的裝配效率，這一點已在空客A350飛機的組裝過程中得到充分體現(xiàn)。通過聯(lián)結(jié)設(shè)計、生產(chǎn)與供應(yīng)鏈人員的3D Experience軟件平臺，產(chǎn)品線上所有相關(guān)人員可以共享數(shù)模、工藝等即時信息，并將裝配進程實時反饋至上下游各環(huán)節(jié)，從而降低了等待時間和出錯概率。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變革中，數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用進一步縮短了虛擬和現(xiàn)實的距離[2]。數(shù)字孿生技術(shù)集成了人工智能、機器學習和分布式傳感技術(shù)，通過將眾多傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進行收集整理并建立特征模型來實現(xiàn)物理域到數(shù)字域的映射，從而將產(chǎn)品設(shè)計、裝配流程等實時反映在虛擬平臺;當需要對被控流程進行干涉或調(diào)整時，制造執(zhí)行系統(tǒng)將根據(jù)人工指令作動，反向?qū)崿F(xiàn)數(shù)字域到物理域的反饋。利用傳感器在真實使用環(huán)境中積累的大量數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生具備持續(xù)學習和自我升級特點，可以被視為虛擬-現(xiàn)實世界的理想傳輸接口。目前，該項技術(shù)已將波音公司商用和軍用飛機制造環(huán)節(jié)中零部件的一次質(zhì)量合格率提高了40%，GE公司則不僅在其LeapX發(fā)動機零組件的裝配上采用了該技術(shù)，還利用數(shù)字孿生所采集的數(shù)據(jù)持續(xù)監(jiān)控發(fā)動機交付后的使用性能。發(fā)動機在飛行過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)通過飛行管理系統(tǒng)、氣象衛(wèi)星等被下載收集，再利用預(yù)知性分析模型來提供下一次進場維護所需的操作等級和時間間隔;這種方式為GE公司在發(fā)動機維修計劃控制方面提供了極大幫助，并通過增加發(fā)動機的在翼時間為航空公司提高了收益。在GE公司交付的約65，000臺發(fā)動機中，超過35，000臺發(fā)動機在持續(xù)回傳性能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅可以幫助分析人員診斷某一具體的發(fā)動機產(chǎn)品，也可以對整個機隊的健康狀態(tài)進行預(yù)測。針對飛機碳纖維增強復合材料（CFRP）大部件在裝配過程中需要精確保證加工容差的要求，空客公司通過引入數(shù)字孿生自動控制技術(shù)，在裝配型架上安裝了多處位移和形狀控制傳感器，這些傳感器所發(fā)送出的數(shù)據(jù)可以用來準確計算工裝作動筒的行程和時序，從而實現(xiàn)對裝配的實時監(jiān)控，有效降低復材部件在裝配過程中引入的彈性變形和殘余應(yīng)力，進而提高了整機的裝配效率。

除了在航空產(chǎn)品的設(shè)計與制造中得到應(yīng)用以外，數(shù)字孿生技術(shù)還被引入機場建設(shè)領(lǐng)域以評估機場的使用效率[3]。通過收集安裝于機場各個關(guān)鍵設(shè)備上的傳感器所發(fā)出的數(shù)據(jù)，可以對機場建設(shè)和使用環(huán)節(jié)的流程進行優(yōu)化，比如通過加寬通道以進一步提高安檢通過時間、設(shè)置前置分流點以緩解局部通道上的旅客擁堵情況等。與在飛機制造領(lǐng)域的應(yīng)用類似，能否最大限度獲取數(shù)字孿生技術(shù)的收益關(guān)鍵在于后期的大數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。在這些傳感器不斷進行數(shù)據(jù)積累的同時，需要人工進行噪聲篩查和信號復驗，才能將可用數(shù)據(jù)作為輸入來不斷修正機場運行效率的預(yù)測模型。當未來數(shù)字孿生模型成為機場建設(shè)的一項新標準時，航空公司就可以通過在線數(shù)據(jù)共享來實現(xiàn)機隊進駐前地面運行保障的模擬，甚至可以將飛機、發(fā)動機外場維護的孿生模型嵌入其中，進而監(jiān)控整個公司機隊保障的工作效能。

通過與博世公司合作，空客公司充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在裝配車間開展了“未來工廠”試驗項目[4]。該項目涉及到超過400，000個螺釘?shù)难b配和1，100多項不同工具的使用，利用遍布車間的無線網(wǎng)絡(luò)，裝配技師、各站位專用工具及測量數(shù)據(jù)組成了一個完整的IIOT平臺;隨著裝配關(guān)鍵信息在整個組裝線上的無縫流轉(zhuǎn)，原有裝配效率得到了本質(zhì)性提升。在工作中，人們可以利用穿戴終端（如AR眼鏡、手持平板）設(shè)備直接掃描飛機蒙皮孔洞來自動獲取配套鉚釘?shù)陌惭b規(guī)格和操作力矩信息，這些信息又同步傳送給手持工具來進入下一裝配操作。工具的位置信息和裝配測量結(jié)果可以實時反饋至“未來工廠”的中央數(shù)據(jù)處理單元，在實現(xiàn)裝配環(huán)節(jié)工具追溯性和操作規(guī)范性監(jiān)控的同時提供了實時裝配質(zhì)量分析結(jié)果。此外，該IIOT平臺完美實現(xiàn)了航空產(chǎn)品組裝環(huán)節(jié)中只有經(jīng)過特定培訓且被授權(quán)的人員才能進行具體工裝操作的特點，確保了飛機裝配環(huán)節(jié)的生產(chǎn)安全性要求。

3 ?區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用

為了解決飛機零部件在全壽命周期的追溯性問題，波音公司充分利用了區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)兩種新興技術(shù)特點，將零部件從制造裝配到維修處置各個環(huán)節(jié)的信息進行系統(tǒng)收集和處理，以進一步提升客戶資產(chǎn)管理效率[5]。一直以來，對成千上萬的飛機零部件信息進行全流程追溯和管理都是整個航空產(chǎn)業(yè)的一大挑戰(zhàn)，而區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生則在強化零部件的供應(yīng)鏈管理和降低非計劃維修率方面有著天然優(yōu)勢。通過使用嵌入?yún)^(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，波音公司、供應(yīng)商、航空公司、維修站和監(jiān)管局方可以獲取每個零部件的特征數(shù)據(jù)，航線保障人員可以對潛在失效部件提前開展預(yù)知性維護，飛機拆解公司則可以借助上述信息在購買目標機型之前合理評估整機的購置費用。同時，飛機在每次飛行過程中所積累的大量數(shù)據(jù)也可應(yīng)用于機隊大數(shù)據(jù)分析過程，其結(jié)果可直接存入航空公司的安全管理系統(tǒng)。

區(qū)塊鏈技術(shù)的使用為航空公司在航空維修（MRO）、飛行數(shù)據(jù)安全管理和旅客信息處理方面帶來了革命性改變。該技術(shù)本質(zhì)上是一種分布式數(shù)據(jù)庫模式，可以被同一使用群體共享和維護，具備點對點的加密傳輸功能，并且在數(shù)據(jù)的透明性和追溯性方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。區(qū)塊鏈可以被用于追蹤旅客行李和航空貨運的位置與狀態(tài)，使航空公司和托運人均可以實時查看上述信息;借助于事先存儲在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的旅客個人身份信息和行程單，可以讓登機人僅憑借驗證碼便完成繁瑣的身份驗證環(huán)節(jié);對于整個產(chǎn)品生命周期可能會經(jīng)歷5～6次所有權(quán)變更的飛機來講，區(qū)塊鏈可以準確記錄飛機的每次維修時間和修理狀態(tài)報告。此外，各大航空公司均在區(qū)塊鏈技術(shù)最直接的應(yīng)用領(lǐng)域——便捷支付業(yè)務(wù)上表現(xiàn)出了濃厚興趣，并紛紛進行了嘗試。比如，新加坡航空公司同微軟公司合作開發(fā)出KrisPay數(shù)字錢包程序，可以讓旅客使用加密數(shù)字貨幣便捷完成旅程兌換操作。

早在2018年，PwC公司便預(yù)測引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)提高運行效率可使航空產(chǎn)業(yè)年收入增幅4%以上，同時維修成本每年的降低幅度可達5%。Accenture公司研究報告顯示，到2021年會有超過86%的航空航天領(lǐng)域公司將在其現(xiàn)有運營系統(tǒng)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)。該技術(shù)所能提供的準確、透明的飛機構(gòu)型數(shù)據(jù)記錄與追溯功能可以將主制造商、零部件供應(yīng)商、MRO企業(yè)和航空公司用戶緊密關(guān)聯(lián)起來，打破當前數(shù)據(jù)在各個業(yè)務(wù)單元單獨維護的割裂局面，降低信息在某一單元存儲和傳遞過程中失真的風險，從而重塑出一條全新高效的航空產(chǎn)品供應(yīng)鏈。目前，泰雷斯、霍尼韋爾、漢莎技術(shù)等公司已在利用數(shù)字化區(qū)塊鏈技術(shù)重構(gòu)零部件供應(yīng)鏈方面積累了大量經(jīng)驗，國泰航空、港機集團（HAECO）、國際航空電訊集團（SITA）等企業(yè)更是參與成立了業(yè)界首個MRO區(qū)塊鏈聯(lián)盟，期望進一步制定該技術(shù)在航材制造、采購與維修更換中保持其追溯性的國際標準。區(qū)塊鏈技術(shù)可以讓波音、空客、羅羅公司等主制造商第一時間得到零部件和單元體的出廠制造信息，加速入場檢驗流程，而如果基于傳統(tǒng)信息傳遞手段這一過程則會明顯滯后;同時，監(jiān)管局方也可以借助區(qū)塊鏈共享從制造階段便對每一機型的構(gòu)型檔案進行了解，從而簡化了初始適航批準和持續(xù)運行監(jiān)察之間飛機關(guān)鍵追溯性信息的傳輸路徑，極大方便了局方的飛行監(jiān)管工作。

4 ?人工智能

根據(jù)波音與空客公司對未來飛行員需求的預(yù)計，截止到2035年全球新增飛行員將超過500，000人。在當前飛行員培養(yǎng)速度顯然無法滿足這一需求的今天，基于人工智能（AI）的自動飛行技術(shù)成為了理想的替代方案。不同于當前飛機上安裝的自動油門等輔助飛行裝置，AI自動駕駛技術(shù)將成為第四階段航空歷史的典型產(chǎn)品特征，并逐漸接替現(xiàn)有飛行員的工作。傳統(tǒng)自動飛行設(shè)備通過將人工預(yù)置的氣動模型操控應(yīng)用于低感知度硬件來實現(xiàn)自動化飛行輔助功能，多用于飛機除起降之外的中途飛行，且功能執(zhí)行高度依賴于輸入信號的準確性，缺乏系統(tǒng)自我糾正能力，在異常事件發(fā)生時需要人為干預(yù);而人工智能輔助駕駛功能的實現(xiàn)則基于遍布于飛機各系統(tǒng)數(shù)以萬計傳感器所感知的大量數(shù)據(jù)（比如，空客A350XWB飛機安裝有50，000個傳感器，每天發(fā)送數(shù)據(jù)超過2.5太字節(jié)），通過人工智能算法操作執(zhí)行機構(gòu)來完全掌控飛機，并具備類似于人腦的分析糾偏能力，具備異常數(shù)據(jù)容錯和自我感知功能。當前，AI自動飛行技術(shù)在實際推廣中所遇到的最大挑戰(zhàn)便是如何教會機器在前期算法訓練過程中缺乏足夠異常數(shù)據(jù)樣本的情況下可以自如應(yīng)對突發(fā)的異常事件;這一難題同樣也吸引著AI算法領(lǐng)域眾多從業(yè)者不斷投身其中。一個明顯的例證便是 2018年發(fā)生的Lion Air 航空公司B737 max墜毀事件，其攻角傳感器發(fā)出的錯誤數(shù)據(jù)誤導了機動特征增強系統(tǒng)（MACS）的執(zhí)行邏輯，連同其它一系列原因一起釀成了該慘案的發(fā)生。盡管如此，鑒于AI駕駛技術(shù)所具備的廣闊前景和經(jīng)濟效益，各大飛機主制造商均將其視為未來產(chǎn)品設(shè)計的戰(zhàn)略性技術(shù)革新而不斷加大投入。

5 ?增強現(xiàn)實技術(shù)

除了在航空產(chǎn)品的設(shè)計與制造環(huán)節(jié)帶來深遠影響之外，IIOT技術(shù)也在航空維修領(lǐng)域提出了新的業(yè)務(wù)解決方案。這其中，增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)在MRO工作中的廣泛應(yīng)用便是一個顯著的案例。盡管該技術(shù)的首次提出可以追溯到20世紀90年代，但得益于技術(shù)的不斷成熟，最近幾年才迅速在航空業(yè)界得到推廣。利用AR技術(shù)，操作者通過眼鏡、手持終端等設(shè)備可在拍攝得到的真實場景基礎(chǔ)上看到疊加的維修操作要求和合格性判據(jù)，AR軟件會自動識別觀測物并傳回測量數(shù)據(jù)，接收維修人員的語音和手勢來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工卡信息記錄流程，從而將繁瑣復雜的維修工作變成一種藝術(shù)性操作。AR技術(shù)在簡化維修操作流程、提升工作效率的同時還引入了遠程專家支持功能，可以給予操作者傳統(tǒng)工作方式中難以提供的實時排故指導功能，第一次將立體化維修概念變成了現(xiàn)實[7]?，F(xiàn)有實例顯示，AR技術(shù)可以幫助波音公司將飛機布線檢查環(huán)節(jié)所需的時間減少25%，而GE公司則估計該技術(shù)可令其發(fā)動機維修效率提高約10%左右。當然，任何技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用都存在著局限和挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段，相比于人眼識別具備水平190°、垂直120°的寬幅視角而言，AR眼鏡的視場多局限在90°范圍內(nèi);同時，現(xiàn)場光線強度、網(wǎng)絡(luò)傳輸遲滯等問題也會影響視頻識別的準確性和使用體驗。此外，AR技術(shù)中針對細節(jié)目標（比如裂紋長度、凹痕深度等）的識別算法還有較大的改進空間，目前圖像顯示的結(jié)果依然會受到觀測位置、手部震動等因素影響而局部偏移。從用戶使用的角度來講，AR技術(shù)的出現(xiàn)還給使用者提出了數(shù)字化經(jīng)驗積累和大數(shù)據(jù)處理的問題，這就要求采用該技術(shù)的航空公司和維修站加速其內(nèi)部信息存儲的數(shù)字化變革。

6 ?虛擬現(xiàn)實技術(shù)

自2017年起，波音、漢莎、法航等公司均針對如何將虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)更好引入航空業(yè)務(wù)領(lǐng)域進行了大量嘗試。VR技術(shù)最大的特點便是可以提供給使用者沉浸式體驗，使人在虛擬場景中感受現(xiàn)實世界的操作反饋;該特點使其成為了飛行訓練、旅客服務(wù)、維修培訓等工作的絕佳選擇。一個典型的應(yīng)用案例便是VR眼鏡正逐漸成為機載娛樂設(shè)備（IFE）的換代產(chǎn)品，該設(shè)備提供的強烈視覺和聽覺體驗可以令乘客暫時忘記所處位置的嘈雜與局促，在不覺中度過略顯枯燥的長程旅行。為了更加便利地滿足飛行員培訓需求，空客公司研發(fā)了內(nèi)部飛行培訓系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含頭戴式耳機、手持操作桿等VR設(shè)備，可以完全模擬A320飛機飛行訓練大綱中的所有操作。在MRO培訓領(lǐng)域，VR場景已經(jīng)可以在虛擬環(huán)境中高精度實現(xiàn)部件、工具和操作動作的還原，甚至可對操作力矩、振動等感知提供準確反饋;相比傳統(tǒng)維修培訓經(jīng)常受困于機型資源（比如A320neo、A350XWB等）有限的問題，VR技術(shù)可以讓修理人員隨時展開實操模擬。對于某些涉及到安全原因而特別強調(diào)距離感知的操作，VR場景也能提供給操作者與真實世界無異的空間感。此外，對于在真實飛機上由于代價昂貴而難以進行的飛行事故應(yīng)急操作，用VR技術(shù)模擬起來也駕輕就熟。對于航空公司來講，VR技術(shù)應(yīng)用的另一個重要途徑便是飛機內(nèi)飾選型?？蛻舸砜梢酝ㄟ^VR場景觀看飛機的內(nèi)飾設(shè)計和座艙布置，提出個性化需求，在飛機真正下線之前便確定其想要的客艙展示效果。

7 ?結(jié)語

如今，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)為特征的第四次工業(yè)革命已將航空產(chǎn)業(yè)帶入了一個嶄新的時代，我們在努力適應(yīng)這些新生變革的同時也享受著時代發(fā)展帶來的便利。航空產(chǎn)品的設(shè)計、制造和使用在這些新技術(shù)引領(lǐng)下正向著更加安全、便捷、高效的方向邁進，航空4.0時代帶給人們無限想象和憧憬。未來已來，讓我們拭目以待。

參考文獻

[1] Rosa A.V.， Victor F.G.C， Aviation 4.0： More Safety Through Automation and Digitalization[J]， Safety and Security Engineering， 2018（174）： 225-236.

[2] Digital twins in commercial aviation[R]. IFS white paper， 2019.

[3] Fergus Baird， Digital Twin-ception： How SITA is Building the Virtual Airport of Future[EB/OL]， 2019， www.sita.aero.

[4] Industry 4.0 in Aeronautics： IoT applications[R]. Europe Commission， Digital Transformation Monitor， 2017.

[5] Carlo Gutierrez， Boeing Improves Operations with Blockchain and the Internet of Things[EB/OL]， 2017， www.artoros.com.

[6] John McKenna， A ‘robot pilot has landed a Boeing 737 in a simulator[EB/OL]， 2017， www.weforum.org.

[7] 郭子豪， 邢詩怡， 王宇等. 基于 AR 技術(shù)的飛機維修可視化遠程協(xié)助系統(tǒng)研究[J]， 計算機與信息技術(shù)， 2019（10）： 129-133.