元宇宙中的“數字航空”

文/ 劉凡（杭州圓通貨運航空有限公司）

元宇宙 (Metaverse)概念最早出自于尼爾·斯蒂芬森1992年出版的科幻小說《雪崩》，Metaverse一詞由前綴 meta（意為超越、元）和源于universe（宇宙）的詞根verse組成，意指在一個脫離于物理世界卻始終在線的平行數字世界中，人們能夠在其中以虛擬人物角色（avatar）自由生活。元宇宙的快速發展將不斷改變航空產業發展的環境，對傳統的航空產業眾多方面產生影響。

當前，人們對元宇宙存在諸多不同的理解。但總的來說，元宇宙主要具備以下特征 ：一是元宇宙本身不是一種技術，而是多項技術（如 VR、AR、MR等）的疊加與應用 ；二是元宇宙能夠將現實世界中的場景完整而精確地鏡像化至虛擬世界中，從而實現虛實相融 ；三是人們可利用穿戴設備沉浸于元宇宙場景并參與活動 ；四是交互技術的快速發展，為元宇宙用戶提供了從物理到生理、從現實到虛擬的無縫鏈接。

元宇宙不僅可以提供更智能化的仿真演示和分析手段，還可以通過體系仿真、協同設計、數字孿生、高效管理等手段打造出面向未來的集高效、敏捷、集約和安全于一體的“數字航空”，從而使傳統邏輯語境下的航空運營及監管模式面臨一定的沖擊與改變。

元宇宙的航空價值多元化

未來，元宇宙將逐步應用于航空娛樂、航空制造、航空培訓以及航空管理等領域。

在航空娛樂方面，機上娛樂（IFE）的概念首次出現于1921年。2007年，小型屏幕被鑲嵌在座椅靠背后，形成了我們最常見到的IFE形式?，F今，機上Wi-Fi的普及使 IFE進入了流媒體時代，而元宇宙又為IFE帶來了更多的想象空間。

德國VR機上娛樂公司Inflight VR近日宣布與中國春秋航空達成合作協議，從2022年3月開始為上海至白山航班的旅客提供基于Pico VR頭顯的沉浸式娛樂服務，成為航空業IFE發展的一個重要里程碑。

對航空業來說，機上娛樂一直是留住客戶的重要手段之一。通過將機上IFE體系進一步延伸到高度擬真沉浸式的元宇宙架構中，無疑將使消費者能以更低的成本獲取更豐富的機上體驗，同時從商業宣傳、產品布局、技術延伸和運營利潤等諸多方面來看，都將帶來較好的反饋和預期。不斷追求更加新奇、精彩、夸張和自由的數字航空新體驗，成為未來一種可行的 IFE 新方式。

航空制造場景有待探索

航空智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合的新型生產方式，這一過程囊括航空設計、生產、管理和服務等制造活動的各環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行和自適應等功能。航空智能制造的本質是企業面向產品全生命周期，建立和運行具備人工智能特征（局部或整體）的智能制造系統，以滿足客戶需求的一種新模式。

雖然航空制造與元宇宙在應用場景上有很大不同，但在技術層面又有許多互通之處，如在算力、通信、AR/VR、人機接口等方面兩者均涵蓋了已用、未用以及有待探索的技術。這為航空制造業借力元宇宙，通過發揮技術和數字孿生優勢加速產品的研發提供了可能。

第一，可提供可視化的解決方案。隨著飛機通信、集成和數據系統的不斷升級，飛機艙內布線的復雜性也隨之增加。在日常的維修過程中，專業人員必須要搞清楚線路的走向、安裝、連接等環節，否則細微的差錯也會帶來極大的隱患和風險。而AR/VR 在此過程中就可以成為建模、模擬和制造的絕佳媒介，由于大多數VR平臺需要頭顯及許多其他特殊設備，而AR則只需依靠智能手機或平板電腦，能以更形象的運行方式為制造檢測帶來可視化的解決方案。

第二，數字技術貫穿于產品制造的整個生命周期。數字技術的發展始終與生產制造息息相關，從電子計算機誕生伊始，即很快被應用于生產和經濟管理體系。

在此過程中，人們亦常常關注數字技術的進步與未來航空制造間的緊密關聯。早在2014年，美國《航空周刊》的一篇文章就描繪出了 2035年新飛機出廠時的場景：“客戶從廠家接收全新飛機的同時，還會收到一套與之高度吻合的數字飛機模型，該模型涵蓋了飛機設計、研發、測試和生產環節中的數據，并將同時貫穿于該飛機的全生命周期。而數字模型的作用就是貼近真實、反映制造缺陷，通過與真實飛機的數據對比，及時識別異常情況，預測維修需求及剩余壽命等。顯然，航空業既可以將成熟的航空技術衍生應用到元宇宙，也可以將元宇宙中成熟的技術引入到航空產品開發中，兩者的融合將進一步促進航空技術的快速發展與廣泛應用。

第三，實現虛擬環節下的生產協作。隨著元宇宙概念催生大量 VR/AR 技術落地，用戶可以通過穿戴 VR 頭盔等設備進入虛擬現實場景中，實現沉浸式體驗。當這一技術應用于工業場景時，現代工業制造過程有望打破時空限制，實現虛擬環節下的生產協作。首先在飛機設計階段，數字技術的作用主要體現在總體布局分析、人機工效分析和裝配維修性仿真還原等環節。其次在工程研制階段，設計師可以利用VR 技術，通過沉浸式體驗對飛機設計進行再修改和再設計，從而實現工藝的最優化。最后在裝配階段，通過飛機裝配的數字化模擬，將設計的零部件以三維模型的形式加以展現，利用虛擬環境的仿真裝配，實現對飛機零部件的精準組裝，從而從源頭有效避免了研發制造過程中存在的缺陷及失誤。

以波音公司為例，由于其設計使用的737MAX機動特性增強系統（MCAS）反復出現故障，導致兩起致命墜機事故。

對此，專家認為數字技術可能是其解決自身飛機設計瓶頸的完美途徑。因而，波音公司在支付了25億美元的罰款和賠償金之后，繼續投資150 億美元開發數字技術，并將借鑒767飛機發動機3D建模經驗，基于3D模型和微軟HoloLens改進飛機設計方案，通過全數字化虛擬設計和打造數字化體系來進一步優化飛機設計。此舉不僅可以有效降低波音未來新機的研發時間及成本，還可提升效能，降低失誤。

沉浸式航空培訓的優勢

元宇宙與航空技術的結合不僅能夠實現傳統意義上仿真系統的參數分析、故障還原等功能，還能夠實現人機互動、互聯應用、場景預設及沉浸式體驗等功能。因此，未來航空專業人才（飛行運行、適航維修、客艙安全、空管指揮、機場運營、簽派放行等方面）的培訓與元宇宙結合將是必然趨勢。

以飛行員訓練為例，科技雖在不斷進步，但仍無法完全替代飛行員在駕駛艙中的主導性角色，飛機的自動化程度越高，對飛行員的技能要求也就越高。而確保飛行員技能的唯一途徑就是訓練，唯有經過反復培訓、認真體會、循序漸進，量變最終才能轉換為技能的質變。

作為元宇宙技術之一，VR具有打破現實與虛擬界限的應用功能。臉譜網CEO扎克伯格曾用一段影片為全世界展示了如何利用元宇宙技術來進行教學— 學員只要戴上智能眼鏡，眼前就能夠投射出太陽系的八大行星，它們仿佛近在咫尺，學員可以用手勢調出它們的詳細信息，或者將圖像進一步放大進行細致觀察。原來紙質教材中靜態的內容，將會升級成為3D 圖片、動畫、音視頻等，從視、聽、觸摸的角度強化學員對知識的認知。

AR藝術展覽場景

可以設想未來飛行初學者的訓練場景— 從訓練的第一天起，可能就要同VR 頭顯形影不離，學員通過在虛擬的環境中熟悉飛機駕駛艙布局、了解飛機各系統構造、掌握各種不正常情況下的故障顯示，然后操縱飛機并體驗起飛和降落，進而再逐漸過渡到駕駛真實飛機完成實際操作。就各種煩瑣復雜的標準操作程序而言，元宇宙可以有效拓展不同專業學員的知識面，提高其在系統認知、故障識別、變化感應以及理解力等方面的技能，確保其在初級學習階段就能夠掌握在傳統訓練環境下需要花費大量時間及精力才能積累的知識和經驗。

傳統飛行運行、適航維修、客艙安全等環節存在培訓成本高、周期長等弊端。以A320模擬機為例，按照CCAR-141部、121部及142部等訓練大綱開展培訓的一臺飛行模擬機的市場售價近1億元人民幣，除日常維修保養外，飛行員每小時訓練費用需3500～4000元人民幣（對某些小眾公務機機型而言小時訓練費用更高）。相比之下，如果應用VR技術，可以縮短培訓周期，降低學習成本。學員利用穿戴設備，足不出戶就可以實現訓練、教學及體驗活動。VR訓練系統的成本僅僅體現在前期的設計開發環節，一旦VR技術運用于培訓后，其成本幾乎為零。因而同傳統訓練模式相比，元宇宙不僅強化了個體技能還縮短了學員的訓練周期，為訓練機構及個人節省大量資金。

航空培訓是數字技術自誕生以來就被充分應用的領域，疫情之下，隔離使得互動式遠程在線課堂成為航空企業培訓的新形態。課堂上的雙向互動和教員的注意力分配對培訓效果非常重要，然而現有的在線互動始終無法解決全身心浸入的問題，而元宇宙通過浸入式的教學體驗使上述問題迎刃而解。

機組資源管理（CRM）是一種非技術能力。人們可以通過VR技術建立虛擬訓練仿真系統，利用逼真的 CRM 協同場景，幫助不同專業學員制定多角色、多工種協同運營的場景，以更加沉浸直觀的方式培訓學員，提升CRM協同能力。元宇宙還可以同行業或公司的不安全事件與事故、個人訓練數據等相結合，利用聲、光、熱、震等效果組建場景預設，就多系統故障場景開展個性化訓練。2020年，日本全日空航空公司(ANA)全面引進了采用3D模擬工作環境的VR安全培訓系統，旨在幫助員工識別和預測潛在的風險源，以提升飛機運行質量。

提升航空管理能力

現代生活的多樣性極大地提升了航空管理的復雜度，賦予航空管理更多的空間和內涵，也催生出更多數字應用場景。

基于數字孿生，元宇宙可以實現更多在物理世界中無法展現的優勢。元宇宙可以科學嚴謹、及時準確地還原出事故經過，實現“數字還原”，幫助查清事故原因、性質及責任，還可以總結經驗教訓，從而提升航空業安全管理的能力。

隨著元宇宙概念催生大量VR/AR 技術落地，用戶可以通過穿戴 VR 頭盔等設備進入虛擬現實場景中，實現沉浸式體驗

航空智慧出行則可縮短旅客綜合出行時間，構建便捷舒心的旅客服務生態和高效快捷的物流服務體系。

在數字孿生的基礎上，元宇宙強調了多元主體的互動，使得原有的虛擬平臺不僅可提供可視化能力，更實現了虛擬和現實的鏈接與協同。基于數字孿生與GPS定位、智能傳感、智能攝像等技術，機場以及空中交通管理可以實現航站樓服務智能化、飛行保障無人化、旅客聯程貨物聯運數字化、空中飛機流量直觀化。

此外，還可通過機場、空管信息模型建立起機場、航線三維空間模型，實現規劃、建設、運行管理的全方位空地立體可視化管理，從而提升航空出行的全局化、精細化、智慧化運行水平，推進更多“全流程數字追蹤及預測”服務，助力更多航空“無紙化”“無證化”和“便捷高效”的智慧出行方式落地。

在政府智慧服務以及行業資質審定（如 IOSA審計）等方面，元宇宙支持更多航空服務場景，實現“智慧監管”。比如“數字人”的引入將實現航空智能前臺、智能顧問、智能流程等服務，從而通過優化將政務人員從大量重復性的航空業務中解放出來，

而AR智能眼鏡、無人機+地面全景相機遠程監測等技術，使得在線實時航空安全監管及運行合格審定成為可能，現場一線航空監管人員通過AR智能眼鏡、VR攝像頭采集聲音、影像及數據，實時回傳精準的現場航空運營情況，實現遠程航空運行審定及持續監督。這都有助于推進以一體數字化為目標、以數據驅動和融合創新為工具、以公共服務和高效運轉為重點的航空智慧監管體系建設。

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未來，利用更多的傳感器和體感設備讓遠程操作者更安全和更真切地感知所在環境和信息，從而進一步提升航空安全管理能力將是必然趨勢。而擁有更好的元宇宙治理體系的國家，也具備了更強大的航空管理態勢和感知能力，而更為通暢的航空管理數據鏈、遠程操控技術以及AI，勢必又會促進更強的航空管理優勢。

受制于高昂的社會成本、有限的管理資源和長期形成的參與慣性，傳統的航空管理體系容易導致出現以下缺陷：一是公眾參與度較低，使得行業管理往往成為少數人而非多數人的行為；二是行業政策往往只能先期開展小范圍試點及在推行后進行評估，無法做到早期的系統性社會試驗，使得管理精度不高。而元宇宙可以通過全景式的信息展現，幫助每一個關心航空業管理的個體搭建知識體系和參與環節，開展虛擬管理試驗，從而迅速完成早期公共政策評估及管理缺陷預測。

多樣化的場景凸顯數字孿生的重要性，龐大的算力需求成為航空業發展的底層動力。管理半徑的增加既考驗著技術發展水平，也考驗著行業管理者的智慧，因而如何協調跨專業、跨區域、跨部門的管理半徑，共享航空數據將變得愈為關鍵。

元宇宙航空面臨的挑戰

元宇宙擁有眾多航空應用前景和優勢的同時，也面臨著三方面的挑戰。

在屬性層面，首先，由于元宇宙是利用數字技術對真實航空世界的模擬和再造，元宇宙中所有生成的知識是已知的，因而從構成結構來看，元宇宙可能導致航空知識的停滯。由于本質上人類在元宇宙內無法產生新的航空知識，意味著就航空娛樂、制造、培訓以及安全管理等領域而言，大量的時間投入將會浪費在對已知航空數字世界的重復挖掘中，從而可能導致難以形成創新性的結果。

未來航空專業人才的培訓與元宇宙結合將是必然趨勢

其次，除了知識的封閉外，元宇宙本質上是一個確定的、虛擬的航空數字世界，而航空物理世界則是一個包括物體、空間、時間、事件等多維度的概率場。由于航空數字化程序無法生成一個真正的隨機數，因而元宇宙中的概率場只能是依賴于偽隨機數產生的偽概率，這就從源頭決定了在元宇宙中對航空業相關領域及技術性的探索，將難以突破人們在物理航空世界中所開展的類似嘗試與創新。

在應用層面，第一，元宇宙仍然充滿不確定性，也缺乏相應的產品支持。雖然區塊鏈、5G 通信、人工智能、3D引擎、VR/AR/MR、人機接口等底層支撐技術已取得較大進步，但目前頭顯、眼鏡、手柄等穿戴設備不便攜帶，操作比較復雜，軟件的功能設計和實際應用門檻矛盾突出，距離流暢的“沉浸感、低延遲、無眩暈”等體驗還有很大差距。因此，要建立完整的元宇宙航空生態系統，航空業仍需大量的基礎性研究和應用場景為支撐。

第二，在政府監管方面，元宇宙給現有航空監管模式和航空培訓體系等方面也帶來了新挑戰，將可能產生諸如航空平臺管控、航空數據監管、航空政策立法等一系列新問題。從行業管理角度看，元宇宙將深刻影響現有航空監管和運營方式，并通過虛與實的航空管理模式，從虛擬維度對航空實體運營產生一定沖擊。因而行業需要從全局性出發，針對航空平臺壟斷、航空監管審查、航空數據安全和個人航空隱私等一系列法律問題開展相應的航空立法及前瞻性工作。

第三，在培訓規范方面，要防范元宇宙營造的沉浸式航空體驗成為“沉淪式、成癮式”游戲生活的借口，從而導致航空培訓質量下降。因此，基于元宇宙的航空培訓必須要遵循一定的航空價值規范，在元宇宙中所構建的虛擬身份、場景、程序等，也必須納入到相關規范與標準中來。

在技術層面，就航空業而言，元宇宙的發展還面臨著其他技術性難題：一是現階段的航空網絡支撐能力不能滿足實時航空數據傳輸需求 ；二是航空智能終端及接入設備無法實現便攜無感，技術的成熟度有待提升 ；三是航空AI技術的發展與AR/VR/XR 技術的推進并不同步 ；四是5G技術還無法大范圍適應航空應用模式和創新性場景 ；五是大數據、云服務、算法算力、區塊鏈、AI 等迫切需要協同發展。

航空智能制造的本質是企業面向產品全生命期，建立和運行具備人工智能特征（局部或整體）的智能制造系統，以滿足客戶需求的一種新模式

當前，由于元宇宙還處于初始階段，對航空業元宇宙的過程建構，至少需要從“數字孿生—虛擬原生—虛實共生—虛實聯動”四個步驟入手。

對于航空業來說，元宇宙的真正落地可能還需要較長的時間，在它真正成熟前，還需要經歷從底層各項技術的突破至硬件及平臺的建構完善，才會迎來市場和需求的真正爆發。而彼時，元宇宙將如同一個3D 的巨型互聯網，通過同航空的融合為人們帶來豐富的場景體驗。因而航空運營人、飛行學校、訓練中心、飛機制造商及政府監管方都需著眼于未來發展，思考元宇宙為行業所帶來的機遇、風險、挑戰，并做好與此相關的戰略性長遠規劃。