元宇宙中的“数字航空”

文/ 刘凡（杭州圆通货运航空有限公司）

元宇宙 (Metaverse)概念最早出自于尼尔·斯蒂芬森1992年出版的科幻小说《雪崩》，Metaverse一词由前缀 meta（意为超越、元）和源于universe（宇宙）的词根verse组成，意指在一个脱离于物理世界却始终在线的平行数字世界中，人们能够在其中以虚拟人物角色（avatar）自由生活。元宇宙的快速发展将不断改变航空产业发展的环境，对传统的航空产业众多方面产生影响。

当前，人们对元宇宙存在诸多不同的理解。但总的来说，元宇宙主要具备以下特征 ：一是元宇宙本身不是一种技术，而是多项技术（如 VR、AR、MR等）的叠加与应用 ；二是元宇宙能够将现实世界中的场景完整而精确地镜像化至虚拟世界中，从而实现虚实相融 ；三是人们可利用穿戴设备沉浸于元宇宙场景并参与活动 ；四是交互技术的快速发展，为元宇宙用户提供了从物理到生理、从现实到虚拟的无缝链接。

元宇宙不仅可以提供更智能化的仿真演示和分析手段，还可以通过体系仿真、协同设计、数字孪生、高效管理等手段打造出面向未来的集高效、敏捷、集约和安全于一体的“数字航空”，从而使传统逻辑语境下的航空运营及监管模式面临一定的冲击与改变。

元宇宙的航空价值多元化

未来，元宇宙将逐步应用于航空娱乐、航空制造、航空培训以及航空管理等领域。

在航空娱乐方面，机上娱乐（IFE）的概念首次出现于1921年。2007年，小型屏幕被镶嵌在座椅靠背后，形成了我们最常见到的IFE形式。现今，机上Wi-Fi的普及使 IFE进入了流媒体时代，而元宇宙又为IFE带来了更多的想象空间。

德国VR机上娱乐公司Inflight VR近日宣布与中国春秋航空达成合作协议，从2022年3月开始为上海至白山航班的旅客提供基于Pico VR头显的沉浸式娱乐服务，成为航空业IFE发展的一个重要里程碑。

对航空业来说，机上娱乐一直是留住客户的重要手段之一。通过将机上IFE体系进一步延伸到高度拟真沉浸式的元宇宙架构中，无疑将使消费者能以更低的成本获取更丰富的机上体验，同时从商业宣传、产品布局、技术延伸和运营利润等诸多方面来看，都将带来较好的反馈和预期。不断追求更加新奇、精彩、夸张和自由的数字航空新体验，成为未来一种可行的 IFE 新方式。

航空制造场景有待探索

航空智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合的新型生产方式，这一过程囊括航空设计、生产、管理和服务等制造活动的各环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行和自适应等功能。航空智能制造的本质是企业面向产品全生命周期，建立和运行具备人工智能特征（局部或整体）的智能制造系统，以满足客户需求的一种新模式。

虽然航空制造与元宇宙在应用场景上有很大不同，但在技术层面又有许多互通之处，如在算力、通信、AR/VR、人机接口等方面两者均涵盖了已用、未用以及有待探索的技术。这为航空制造业借力元宇宙，通过发挥技术和数字孪生优势加速产品的研发提供了可能。

第一，可提供可视化的解决方案。随着飞机通信、集成和数据系统的不断升级，飞机舱内布线的复杂性也随之增加。在日常的维修过程中，专业人员必须要搞清楚线路的走向、安装、连接等环节，否则细微的差错也会带来极大的隐患和风险。而AR/VR 在此过程中就可以成为建模、模拟和制造的绝佳媒介，由于大多数VR平台需要头显及许多其他特殊设备，而AR则只需依靠智能手机或平板电脑，能以更形象的运行方式为制造检测带来可视化的解决方案。

第二，数字技术贯穿于产品制造的整个生命周期。数字技术的发展始终与生产制造息息相关，从电子计算机诞生伊始，即很快被应用于生产和经济管理体系。

在此过程中，人们亦常常关注数字技术的进步与未来航空制造间的紧密关联。早在2014年，美国《航空周刊》的一篇文章就描绘出了 2035年新飞机出厂时的场景：“客户从厂家接收全新飞机的同时，还会收到一套与之高度吻合的数字飞机模型，该模型涵盖了飞机设计、研发、测试和生产环节中的数据，并将同时贯穿于该飞机的全生命周期。而数字模型的作用就是贴近真实、反映制造缺陷，通过与真实飞机的数据对比，及时识别异常情况，预测维修需求及剩余寿命等。显然，航空业既可以将成熟的航空技术衍生应用到元宇宙，也可以将元宇宙中成熟的技术引入到航空产品开发中，两者的融合将进一步促进航空技术的快速发展与广泛应用。

第三，实现虚拟环节下的生产协作。随着元宇宙概念催生大量 VR/AR 技术落地，用户可以通过穿戴 VR 头盔等设备进入虚拟现实场景中，实现沉浸式体验。当这一技术应用于工业场景时，现代工业制造过程有望打破时空限制，实现虚拟环节下的生产协作。首先在飞机设计阶段，数字技术的作用主要体现在总体布局分析、人机工效分析和装配维修性仿真还原等环节。其次在工程研制阶段，设计师可以利用VR 技术，通过沉浸式体验对飞机设计进行再修改和再设计，从而实现工艺的最优化。最后在装配阶段，通过飞机装配的数字化模拟，将设计的零部件以三维模型的形式加以展现，利用虚拟环境的仿真装配，实现对飞机零部件的精准组装，从而从源头有效避免了研发制造过程中存在的缺陷及失误。

以波音公司为例，由于其设计使用的737MAX机动特性增强系统（MCAS）反复出现故障，导致两起致命坠机事故。

对此，专家认为数字技术可能是其解决自身飞机设计瓶颈的完美途径。因而，波音公司在支付了25亿美元的罚款和赔偿金之后，继续投资150 亿美元开发数字技术，并将借鉴767飞机发动机3D建模经验，基于3D模型和微软HoloLens改进飞机设计方案，通过全数字化虚拟设计和打造数字化体系来进一步优化飞机设计。此举不仅可以有效降低波音未来新机的研发时间及成本，还可提升效能，降低失误。

沉浸式航空培训的优势

元宇宙与航空技术的结合不仅能够实现传统意义上仿真系统的参数分析、故障还原等功能，还能够实现人机互动、互联应用、场景预设及沉浸式体验等功能。因此，未来航空专业人才（飞行运行、适航维修、客舱安全、空管指挥、机场运营、签派放行等方面）的培训与元宇宙结合将是必然趋势。

以飞行员训练为例，科技虽在不断进步，但仍无法完全替代飞行员在驾驶舱中的主导性角色，飞机的自动化程度越高，对飞行员的技能要求也就越高。而确保飞行员技能的唯一途径就是训练，唯有经过反复培训、认真体会、循序渐进，量变最终才能转换为技能的质变。

作为元宇宙技术之一，VR具有打破现实与虚拟界限的应用功能。脸谱网CEO扎克伯格曾用一段影片为全世界展示了如何利用元宇宙技术来进行教学— 学员只要戴上智能眼镜，眼前就能够投射出太阳系的八大行星，它们仿佛近在咫尺，学员可以用手势调出它们的详细信息，或者将图像进一步放大进行细致观察。原来纸质教材中静态的内容，将会升级成为3D 图片、动画、音视频等，从视、听、触摸的角度强化学员对知识的认知。

AR艺术展览场景

可以设想未来飞行初学者的训练场景— 从训练的第一天起，可能就要同VR 头显形影不离，学员通过在虚拟的环境中熟悉飞机驾驶舱布局、了解飞机各系统构造、掌握各种不正常情况下的故障显示，然后操纵飞机并体验起飞和降落，进而再逐渐过渡到驾驶真实飞机完成实际操作。就各种烦琐复杂的标准操作程序而言，元宇宙可以有效拓展不同专业学员的知识面，提高其在系统认知、故障识别、变化感应以及理解力等方面的技能，确保其在初级学习阶段就能够掌握在传统训练环境下需要花费大量时间及精力才能积累的知识和经验。

传统飞行运行、适航维修、客舱安全等环节存在培训成本高、周期长等弊端。以A320模拟机为例，按照CCAR-141部、121部及142部等训练大纲开展培训的一台飞行模拟机的市场售价近1亿元人民币，除日常维修保养外，飞行员每小时训练费用需3500～4000元人民币（对某些小众公务机机型而言小时训练费用更高）。相比之下，如果应用VR技术，可以缩短培训周期，降低学习成本。学员利用穿戴设备，足不出户就可以实现训练、教学及体验活动。VR训练系统的成本仅仅体现在前期的设计开发环节，一旦VR技术运用于培训后，其成本几乎为零。因而同传统训练模式相比，元宇宙不仅强化了个体技能还缩短了学员的训练周期，为训练机构及个人节省大量资金。

航空培训是数字技术自诞生以来就被充分应用的领域，疫情之下，隔离使得互动式远程在线课堂成为航空企业培训的新形态。课堂上的双向互动和教员的注意力分配对培训效果非常重要，然而现有的在线互动始终无法解决全身心浸入的问题，而元宇宙通过浸入式的教学体验使上述问题迎刃而解。

机组资源管理（CRM）是一种非技术能力。人们可以通过VR技术建立虚拟训练仿真系统，利用逼真的 CRM 协同场景，帮助不同专业学员制定多角色、多工种协同运营的场景，以更加沉浸直观的方式培训学员，提升CRM协同能力。元宇宙还可以同行业或公司的不安全事件与事故、个人训练数据等相结合，利用声、光、热、震等效果组建场景预设，就多系统故障场景开展个性化训练。2020年，日本全日空航空公司(ANA)全面引进了采用3D模拟工作环境的VR安全培训系统，旨在帮助员工识别和预测潜在的风险源，以提升飞机运行质量。

提升航空管理能力

现代生活的多样性极大地提升了航空管理的复杂度，赋予航空管理更多的空间和内涵，也催生出更多数字应用场景。

基于数字孪生，元宇宙可以实现更多在物理世界中无法展现的优势。元宇宙可以科学严谨、及时准确地还原出事故经过，实现“数字还原”，帮助查清事故原因、性质及责任，还可以总结经验教训，从而提升航空业安全管理的能力。

随着元宇宙概念催生大量VR/AR 技术落地，用户可以通过穿戴 VR 头盔等设备进入虚拟现实场景中，实现沉浸式体验

航空智慧出行则可缩短旅客综合出行时间，构建便捷舒心的旅客服务生态和高效快捷的物流服务体系。

在数字孪生的基础上，元宇宙强调了多元主体的互动，使得原有的虚拟平台不仅可提供可视化能力，更实现了虚拟和现实的链接与协同。基于数字孪生与GPS定位、智能传感、智能摄像等技术，机场以及空中交通管理可以实现航站楼服务智能化、飞行保障无人化、旅客联程货物联运数字化、空中飞机流量直观化。

此外，还可通过机场、空管信息模型建立起机场、航线三维空间模型，实现规划、建设、运行管理的全方位空地立体可视化管理，从而提升航空出行的全局化、精细化、智慧化运行水平，推进更多“全流程数字追踪及预测”服务，助力更多航空“无纸化”“无证化”和“便捷高效”的智慧出行方式落地。

在政府智慧服务以及行业资质审定（如 IOSA审计）等方面，元宇宙支持更多航空服务场景，实现“智慧监管”。比如“数字人”的引入将实现航空智能前台、智能顾问、智能流程等服务，从而通过优化将政务人员从大量重复性的航空业务中解放出来，

而AR智能眼镜、无人机+地面全景相机远程监测等技术，使得在线实时航空安全监管及运行合格审定成为可能，现场一线航空监管人员通过AR智能眼镜、VR摄像头采集声音、影像及数据，实时回传精准的现场航空运营情况，实现远程航空运行审定及持续监督。这都有助于推进以一体数字化为目标、以数据驱动和融合创新为工具、以公共服务和高效运转为重点的航空智慧监管体系建设。

元宇宙NFT认证高级珠宝作品

未来，利用更多的传感器和体感设备让远程操作者更安全和更真切地感知所在环境和信息，从而进一步提升航空安全管理能力将是必然趋势。而拥有更好的元宇宙治理体系的国家，也具备了更强大的航空管理态势和感知能力，而更为通畅的航空管理数据链、远程操控技术以及AI，势必又会促进更强的航空管理优势。

受制于高昂的社会成本、有限的管理资源和长期形成的参与惯性，传统的航空管理体系容易导致出现以下缺陷：一是公众参与度较低，使得行业管理往往成为少数人而非多数人的行为；二是行业政策往往只能先期开展小范围试点及在推行后进行评估，无法做到早期的系统性社会试验，使得管理精度不高。而元宇宙可以通过全景式的信息展现，帮助每一个关心航空业管理的个体搭建知识体系和参与环节，开展虚拟管理试验，从而迅速完成早期公共政策评估及管理缺陷预测。

多样化的场景凸显数字孪生的重要性，庞大的算力需求成为航空业发展的底层动力。管理半径的增加既考验着技术发展水平，也考验着行业管理者的智慧，因而如何协调跨专业、跨区域、跨部门的管理半径，共享航空数据将变得愈为关键。

元宇宙航空面临的挑战

元宇宙拥有众多航空应用前景和优势的同时，也面临着三方面的挑战。

在属性层面，首先，由于元宇宙是利用数字技术对真实航空世界的模拟和再造，元宇宙中所有生成的知识是已知的，因而从构成结构来看，元宇宙可能导致航空知识的停滞。由于本质上人类在元宇宙内无法产生新的航空知识，意味着就航空娱乐、制造、培训以及安全管理等领域而言，大量的时间投入将会浪费在对已知航空数字世界的重复挖掘中，从而可能导致难以形成创新性的结果。

未来航空专业人才的培训与元宇宙结合将是必然趋势

其次，除了知识的封闭外，元宇宙本质上是一个确定的、虚拟的航空数字世界，而航空物理世界则是一个包括物体、空间、时间、事件等多维度的概率场。由于航空数字化程序无法生成一个真正的随机数，因而元宇宙中的概率场只能是依赖于伪随机数产生的伪概率，这就从源头决定了在元宇宙中对航空业相关领域及技术性的探索，将难以突破人们在物理航空世界中所开展的类似尝试与创新。

在应用层面，第一，元宇宙仍然充满不确定性，也缺乏相应的产品支持。虽然区块链、5G 通信、人工智能、3D引擎、VR/AR/MR、人机接口等底层支撑技术已取得较大进步，但目前头显、眼镜、手柄等穿戴设备不便携带，操作比较复杂，软件的功能设计和实际应用门槛矛盾突出，距离流畅的“沉浸感、低延迟、无眩晕”等体验还有很大差距。因此，要建立完整的元宇宙航空生态系统，航空业仍需大量的基础性研究和应用场景为支撑。

第二，在政府监管方面，元宇宙给现有航空监管模式和航空培训体系等方面也带来了新挑战，将可能产生诸如航空平台管控、航空数据监管、航空政策立法等一系列新问题。从行业管理角度看，元宇宙将深刻影响现有航空监管和运营方式，并通过虚与实的航空管理模式，从虚拟维度对航空实体运营产生一定冲击。因而行业需要从全局性出发，针对航空平台垄断、航空监管审查、航空数据安全和个人航空隐私等一系列法律问题开展相应的航空立法及前瞻性工作。

第三，在培训规范方面，要防范元宇宙营造的沉浸式航空体验成为“沉沦式、成瘾式”游戏生活的借口，从而导致航空培训质量下降。因此，基于元宇宙的航空培训必须要遵循一定的航空价值规范，在元宇宙中所构建的虚拟身份、场景、程序等，也必须纳入到相关规范与标准中来。

在技术层面，就航空业而言，元宇宙的发展还面临着其他技术性难题：一是现阶段的航空网络支撑能力不能满足实时航空数据传输需求 ；二是航空智能终端及接入设备无法实现便携无感，技术的成熟度有待提升 ；三是航空AI技术的发展与AR/VR/XR 技术的推进并不同步 ；四是5G技术还无法大范围适应航空应用模式和创新性场景 ；五是大数据、云服务、算法算力、区块链、AI 等迫切需要协同发展。

航空智能制造的本质是企业面向产品全生命期，建立和运行具备人工智能特征（局部或整体）的智能制造系统，以满足客户需求的一种新模式

当前，由于元宇宙还处于初始阶段，对航空业元宇宙的过程建构，至少需要从“数字孪生—虚拟原生—虚实共生—虚实联动”四个步骤入手。

对于航空业来说，元宇宙的真正落地可能还需要较长的时间，在它真正成熟前，还需要经历从底层各项技术的突破至硬件及平台的建构完善，才会迎来市场和需求的真正爆发。而彼时，元宇宙将如同一个3D 的巨型互联网，通过同航空的融合为人们带来丰富的场景体验。因而航空运营人、飞行学校、训练中心、飞机制造商及政府监管方都需着眼于未来发展，思考元宇宙为行业所带来的机遇、风险、挑战，并做好与此相关的战略性长远规划。