全世界都在谈论工业4.0或第四次工业革命。这就是制造技术中更高水平的自动化、数字化和数据交换的当前趋势。它包括网络物理系统、物联网、云计算、自动化、物联网、人工智能、机器学习、区块链、大数据分析、数字化等等技术资产。工业4.0的目标是创建智能工厂，实现更高效和互连的生产系统。工业4.0技术在航空航天制造业产生新的机制和转型，使其不仅更高效，而且更安全。新型现代飞机和发动机拥有5,000多个传感器，每秒可生成高达10GB的数据，而新的波音787在飞行中每秒生成500GB的数据，显然是数字化和飞机物联网可以提供的东西的代表。事实上，航空航天4.0(Aerospace and Defense 4.0)本来就是工业革命的一部分，是工业4.0概念在航空业特别是航空制造业中的延伸，它涉及应用先进技术和数字化解决方案来改进航空的各个方面，包括飞机设计和制造、维护和运营、航空安全性、效率和可持续性。有趣的是，西班牙马德里理工大学的罗莎·阿纳尔多·瓦尔德斯等在出版的《航空4.0：通过自动化和数字化提高安全性》一文中提出关于航空4.0(Aviation 4.0)的概念，从飞机与飞行安全的视角对整个历史上航空业的主要革命性发展阶段提供准确的解释。文章没有提及或阐明航空4.0与航空航天4.0的关系，但显而易见，两者属于同一范畴，只是从不同的角度来阐明在工业4.0的背景和技术的加持下，航空业的转型的一个方面。本文旨在从航空4.0的描述中，讨论它与目前正在发生的航空数字化转型的关系。工业4.0（Industry 4.0）是基于工业发展的不同阶段作出的划分。自 19 世纪以来，我们先后经历了三次工业革命。每一次工业革命都是由一项颠覆性的新技术驱动，之所以称之为工业“革命”，是因为推动变革的创新技术不仅提高了生产力和工作效率，而且彻底改变了商品的生产方式、人类的工作方式以及生活方式。按照共识，四次工业革命分别是，以机械化、蒸汽机和织布机为代表工业1.0，以电气化和流水线为代表的工业2.0, 和以计算机、电子化和自动化为代表的工业3.0。是信息化时代，和当前我们正在经历的以网络互联、人工智能和数字化为代表的工业4.0。
来源：The Fourth Industrial Revolution
and Aviation 4.0 by Sarosh Bhatti工业4.0的本质，就是通过数据流动自动化技术，通过智能技术对供应链的自动化、监控和分析进行了彻底的革新。工业4.0 由工业物联网(IIoT)和信息物理系统驱动，这些智能自治系统利用计算机算法监视和控制机器、机器人及车辆等实物。工业4.0 让供应链中的所有环节都变得智能，包括从智能制造和智慧工厂到智能仓储和智能物流。但工业4.0 并不局限于供应链领域。它还能与企业资源计划等后端系统互联，赋予企业前所未有的可视性与控制力。在工业4.0智能化工厂中，商品的生产趋于数字化，由传感器、物联网、人工智能等技术提供支持，大大减少了人工的消耗。因此，在人员的选配上，也从传统的体力劳动者向掌握先进设备的技术型工人转变。从根本上来说，工业4.0 是所有企业数字化转型的重要组成部分。
来源：Impact
of Industry 4.0 on Aerospace and Defense Systems, by Dr. Benjamin Durakovic, International
University of Sarajevo罗莎·阿纳尔多·瓦尔德斯等人认为，正如我们可以在工业革命中建立四个阶段一样，我们可以在商业航空的演变中建立四个阶段。这四个阶段与采用更高水平的机载自动化密切相关；并且有争议的是，它们并不对应于以稳定的方式有意识地改善航空安全的尝试，而是对应于通过试验和响应方法不断适应其环境所带来的挑战。
来源：西班牙马德里理工大学的罗莎·阿纳尔多·瓦尔德斯等出版的《航空4.0：通过自动化和数字化提高安全性》
追溯到20世纪初伴随着人类的第一次动力飞行，莱特兄弟在1903年12月17日成功进行了第一次有人驾驶、自主起飞和着陆的飞行，成为现代航空的奠基者。当时飞行都在目视飞行规则(Visual Flight Rules - VFR)下进行，飞行员通过观察地面的标志物、地形特征、水道、地面道路、建筑物和其他可识别的地标来确认飞机的位置和航向，天气条件如云层、日落或日出、星座、太阳的位置等视觉信号判断飞机在空间的位置和航向，从而操纵飞机完成飞行任务。1903年12月17日，莱特兄弟发明的“飞行者一号”试飞成功。图片来源：网络
由于20世纪初期航空制造业对于材料、制造工艺、发动机的研发不足，使得这个年代飞机的设计还基于手绘图纸，整机由木头、帆布和绳索等打造，甚至连发动机用的改装后汽车发动机。
在地面为空中飞机提供航向用的水泥箭头
图片来源：网络
不难想象，在航空1.0时代对飞机的制造及其飞行操纵在安全飞行都面临很大的技术挑战。1914年7月28日第一次世界大战爆发后，飞机作为刚刚才起步的航空技术被各国投入了战争，到一战后期飞机已经变成左右战争的决定性武器之一。其结果是到1918年大战结束的时候，典型的战斗机已经和开战之初的辅助军用飞机完全不同了。无论是气动设计、结构、发动机、飞机性能等，都有了显著的进步。飞机电子设备(即仪表系统)逐步替代了旧的飞机系统。在飞机的导航设备上，出现了非常原始而简单的仪器，诸如用风速计和高度计来指示空速和高度，用陀螺仪来测量姿态和航向。随着无线电导航设备的相继出现，才从真正意义上让飞机从目视飞行跨越到仪表飞行，这些设备包括自动定向仪(20-30年代)，全向信标接收机(30年代)，仪表着陆系统(40年代)和测距仪(50年代)，它们都在各自相对应的无线电频谱上工作。
1927年12月航空先驱杰普逊花了500美元购买了他的第一架飞机，1916款JN4D “Jenny" 图片来源：CAPT. JEPP and the Little Black Book在仪表飞行规则(Instrument Flight Rules - IFR)下，飞行员对飞机的操纵依靠仪表的指引，包括航向、高度和速度，同时遵守一系列的规定和程序，如航路规划、气象条件、通信协调等。仪表飞行主要应用于能见度较差或天气恶劣的情况下，无法依赖目视导航的情况下，以确保飞行的安全性和准确性。在云层密布、大雾或夜间等情况下，飞行员无法准确地观察到地面标志物或地理特征，这时仪表飞行就成为确保飞行安全至关重要的手段。在空中交通管制方面，通信、导航和监视技术的不断引入和升级使空管部门更加有效地为飞机提供服务，为安全飞机提供不可缺少的保障。随着航空电子技术的创新，新的功能不断增加到驾驶舱内，如惯性导航、自动驾驶仪、自动油门、机载气象雷达和飞行管理系统等，在很大程度上提高了安全性。另一方面这种演变伴随着驾驶舱各种设备和显示器，以及它们产生的信息种类和数量越来越多，飞行员、空中交通管制以及航空公司的运行和机务部门在如何有效处理、整合和分享这些信息和数据方面面临前所未有的挑战。
是商业航空革命的第三个阶段，其目的使如何采用数据处理和数据通信技术来有效地解决错综复杂的航空电子系统及其带来的大量数据信息，支持航空公司的飞行员、运行控制、机务以及空管人员在融合、可视化、可理解的信息的帮助下做出明智的决定。辅助决策系统和安全网络成为保障航空安全水平的关键要素。国际民航组织在全球推广的全系统信息管理(SWIM，也称广域信息管理系统)对于确保所有信息领域的互操作性和协调统一提供了至关重要的框架性指南。
国际民航组织全系统信息管理系统的定义
新技术极大地帮助减少了驾驶舱内仪器的混乱，数字式集成彩色显示器液晶显示器逐步取代了旧的模拟的机械式的模拟表盘与仪表，玻璃驾驶舱(Glass Cockpit)能够提供多个参数的综合和分析视图显示在驾驶舱中央仪表板区域，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System – GNSS)也集成在玻璃驾驶舱内。这些显示器可以根据需要调整以显示飞行信息。随着飞机显示器的现代化，提供给它们的传感器也现代化了，传统的陀螺飞行仪器已经被电子姿态和航向参考系统(AHRS)和大气数据计算机(ADCs)所取代，提高了可靠性，降低了成本和维护费用。所有这些技术简化了飞机的操作和导航，并允许飞行员只专注于最相关的信息。Glass Cockpit 图片来源：网络
在航空3.0阶段，航空业界的相互关联性日益增加，且越来越依赖于信息共享与协同决策，满足所有利害攸关方的运行需要并改善整体系统性能。业界期待一个基于公开可用的信息安全交换标准建立互可操作的系统，期待这些信息系统能够在一个具有网络复原能力的航空系统中进行无缝的信息转移。为满足这些期望，国际民航组织的全球空中航行计划(GANP)将运行信息的管理、交换和使用视为日益复杂的航空生态系统演进的关键因素，在全球推广全系统信息管理。全系统信息管理的目标之一是支持日益提高的自动化水平和决策支持系统，并促进系统之间的交互。全系统信息管理将成为基于互联网协议进行全球信息交换和提供信息服务的平台，信息可以分为四大关键领域，即航空、气象、飞行与流量、监视/位置，其中三个领域已经具有相关的信息交换模型标准。值得关注的是，西班牙马德里理工大学的罗莎·阿纳尔多·瓦尔德斯等在出版的《航空 4.0：通过自动化和数字化提高安全性》一文中提出，第三次航空革命带来了“电子回声系统(Electronic
Echo-System)”的现象。她举例说，一架A320飞机包含大约190台微处理计算机，几乎遍布飞机的全身，这些计算机在飞行员不知情的情况下进行数据交互。“电子回声系统”现象超出了飞行员和管制员的认知范围，由于它们有时会发生“不知情出格(out of the loop)”，这种情况可能会对飞机操作的安全产生不利影响。现实告诉我们，即便在自动化程度日益提高的环境中，人永远应该是系统设计和管理的一部分，应当在重要的运行决策过程中保持最终的权威性。类似于全系统信息管理的关键服务在很大程度上依赖于机载网络与地面网络之间的数据交换与共享，服务和系统具有复杂性和相互依赖性，数据需要进行跨境和跨部门传送。这就凸显了网络安全和对风险的管控能力的重要性。ICAO织指出航空网络安全(即与维持安全、可靠、适应力强的飞行操作有关的网络安全)仍然是行业的一个关键优先事项，呼吁各成员国在制定ICAO 网络安全框架方面进行合作，希望能够为应对挑战制定全球标准和机制。现代先进航空航天系统的特点是机载网络系统(例如数据处理、通信)和物理元素(例如飞机结构、传感器、驱动和环境)之间的紧密结合，取决于计算机信息处理和物理组件之间的交互协同工作。航空4.0关注的是信息物理系统(Cyber-Physical Systems - CPS)的设计，该系统能够通过帮助人类所要求的做出决策支持并自主完成任务，以及将信息物理组件集成到未来的航空信息系统中。信息物理系统(CPS)这个词是由美国国家科学基金会的海伦·吉尔在2006年首次提出的，她认为信息物理系统是通过计算核心(嵌入式系统)实现感知、控制、集成的物理、生物和工程系统。信息物理系统包含了将来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自主功能，通过人机交互接口实现和物理进程的交互，使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。在航空4.0中，制造过程中的监督控制和大数据采集和处理网络使自动化和与IT系统的集成成为可能。飞机的运行在很大程度上依赖于信息物理系统的使用。未来的空中交通管理系统被设想为一个信息物理系统的系统(CPS of System - CPSS)，需要紧密地整合以提供所需的容量、效率、安全和安保系统性能。很好理解，信息组件是指飞机的数据通信、天气/空中交通流量预报、飞行计划/优化算法、态势感知和决策支持软件等；而物理组件则是空中的飞机、飞行员、空中交通管制员、航空公司运控人员、动态空域交通、天气等等。飞行员的角色从飞行活动的“人-机-环”中的主体变成了物理组件中的一个部分。信息物理系统将使得Aviation 4.0时代的航空器成为数字化和智能飞机。商用飞机的无人驾驶(Auto Pilot)系统和遥控驾驶航空器系统(Remotely
Piloted Aircraft Systems - RPAS)就是这些技术发展的产物。波音737驾驶舱 图片来源 Aviation Today
波音737系列飞机装有先进的数字飞行控制系统(Digital Flight Control System - DFCS)，从起飞后达到400英尺高度到着陆，整个飞行过程都可以自动驾驶，而且飞机会自动优选的飞行航路。这期间，自动驾驶仪由飞行管理计算机系统来控制。在飞机上使用自动驾驶仪是为了减轻飞行员在操纵方面的负担，缓解飞行员在完成一次长距离飞行后的疲劳。当然，自动驾驶仪的存在并不意味着飞行员在飞行过程中无所事事。在飞行过程中飞行员需要集中精力去完成其他一些与飞行安全相关的工作，同时监控自动驾驶系统，确保可以随时接手飞机的操控。飞机的制造商并不满足与无人驾驶(Auto Pilot)技术，他们认为未来的驾驶舱最多一个人就足够了，甚至可以实现全程真正的“无人驾驶”。空客的ATTOL (Autonomous Taxi, Take-Off and Landing) 就是实现飞机从自主滑行及起降的一个项目，目标是通过开发一套视觉学习算法，通过机载摄像头、激光雷达(LiDAR)等传感器操控飞机实现自主完成起降。
空客CityAirbus电动垂直起降飞机(eVTOL) 来源：空客官网
2022年9月，波音与其合资伙伴Wisk发布了未来航空业的概念路线图，其中包括可以在城市和郊区间高效安全地进行客运和货运的自动驾驶和无人驾驶飞机。波音向Wisk投资4.5亿美元，支持Wisk先进交通出行(Advanced Air Mobility - AMM)的无人驾驶飞机项目。波音与其合资伙伴Wisk发布了未来城市交通出行生态系统路线图
大数据及其分析可被视为航空4.0的基石。目前，即使机载信息物理系统在实际中的采用还相对有限，但可获得是数据量已经很大了, 可以在机上和地面运行中采集的数据的种类和数量呈指数级增长。这些数据包括机务维修消息/故障代码、QAR所包含的飞行和系统参数、维修纪录/测试结果/航材供应信息、用于决策的实时数据和实时信息管理等。举个例子说，一台现代发动机(例如普惠的齿轮传动涡轮风扇GTF发动机)可以有多达成百上千个传感器，这些传感器每一秒将产生高达10GB的数据。一架平均飞行时间为12小时的双发飞机可以产生高达844TB的数据(数字来字《航空4.0：通过自动化和数字化提高安全性》)，这要比Facebook每天累计发生的数据多出20%！空客A320每次飞行传输大约15,000个参数，A380为25,000个，而A350则多达400,000个。因此，仅航空业产生的数据似乎很快就会超过消费互联网的规模。然而，如果没有针对性的分析和发掘，这些数据是“没有价值的”。需要指出的是，航空4.0依赖于网络，但同时也会受到网络安全的挑战。与信息保障和网络安全相关的挑战包括电子化(e-Enabled)飞机网络安全要求的认证；防篡改航空电子设备硬件和软件的开发以及行业和政府的合作，以解决对航空的网络威胁。区块链技术在这个方面提供了解决方案，它可以通过去中心化和共识机制等技术，实现数据在航空公司、机场、监管方及运营方等相关物理组件之间的传输。另一方面，区块链的分布式网络、高保密性和不可篡改性等技术特点适用于航空安全，通过加密、鉴权等技术控制对飞机和无人机的访问权限，从而确保航空安全。区块链的分布式存储技术使得每一个参与节点都有一份完整的数据，并且在传输与存储过程中都会通过加密算法加密。通过共识机制，确保数据的一致性，从而提高行业运营效率，降低各方运营成本，减轻数据安全压力。商业航空演化的四个阶段，这与工业革命的四个阶段相似。本文讨论从飞机飞行安全性角度去理解和解释航空发展的不同阶段，以及航空1.0到航空4.0阶段各个阶段的特征以及对航空安全的影响。从进化的角度分析了航空发展的各个阶段，从航空 1.0 的基本 VFR 飞行规则，到航空 4.0 阶段。这四个阶段与采用更高水平的机载自动化密切相关。第一个进化阶段，航空1.0，对应于商业航空的开始，飞机在目视飞行规则下，几乎没有任何辅助工具来帮助飞行员飞行。第二阶段，航空2.0以电子设备替代旧机制为主。航空3.0涉及驾驶舱中大量采用电子设备以及空基导航系统。最后，航空4.0关注信息物理系统的应用，这些系统能够通过帮助飞行员做出决定和自主完成任务、减轻飞行员的工作压力；将未来航空信息系统融合到信息物理系统中，使航空系统组件的特定的自主水平和安全水平上运行。航空4.0把现有系统转变为全数字化和智能化的生态系统。航空数字化转型和航空4.0是两个相辅相成的两个概念，它们都涉及到航空业在面对数字化技术和新兴趋势时的发展方向。可以说，航空4.0是伴随工业4.0、航天4.0发展起来的，它是工业4.0概念在航空业中的延伸，它涉及应用先进技术和数字化解决方案来改进航空的诸多方面(见下图)，其内涵与外延远超出本文讨论的内容。
来源：日利纳大学航空运输系运输与通信运营与经济学院雅各布·塞克拉等人所著《航空 4.0 环境下数据通信的未来》
航空数字化转型为航空4.0提供了数据驱动的基础和应用场景，是实现航空4.0的前提，航空4.0则通过利用人工智能、机器学习、自动化机器人、无人机等技术来提升航空系统的智能程度，使航空公司能够更好地管理和分析海量数据，并利用人工智能和大数据分析技术来提取和发掘信息的价值获得智能化的决策和运营，实现更高效的运营和更安全的航空服务，推动了整个航空系统的整体智能化、自动化和可持续发展。
图片来源：网络
作为航空业的关键参与者，航空公司正在采取数字化转型举措，将数字技术和数据驱动策略应用于航空公司运营的各个维度出发，提升其运营效率、降低成本、改善旅客体验和优化业务绩效，从而适应不断变化的市场需求，提高竞争力。如果您在探索和观察民航发展过程中，在您所专长的领域里有独到的见解和观点，并愿意与业内同行分享，欢迎您投稿。投稿请联系：info@topvisioncs.com，同时也欢迎关注我们的公众号，阅读更多文章。
