從人工飛行到自動(dòng)駕駛

董建民

自動(dòng)駕駛究竟能不能代替人工飛行，這是個(gè)老生常談的話題，從飛機(jī)第一次安裝上航空地平儀，人們就開始思考這個(gè)問題。不得不說，飛機(jī)自動(dòng)駕駛儀的出現(xiàn)，極大減輕了飛行員的工作負(fù)荷，提高了飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)諸元的精度?？梢宰岋w行員在復(fù)雜的天氣環(huán)境下維持長時(shí)間的飛行，大大減少了人為因素對飛機(jī)操作性能的影響，諸如速度偏差，高度控制誤差等，自動(dòng)駕駛對航空安全的貢獻(xiàn)有目共睹。

在軍用無人機(jī)上，自動(dòng)駕駛還可以在惡劣的工作條件下，能以最佳的方式操縱飛機(jī)，而且無須考慮飛機(jī)的過載，以最短的時(shí)間飛到最有利的地理位置。在無人機(jī)攻擊目標(biāo)時(shí)，自動(dòng)駕駛儀可以配合制導(dǎo)系統(tǒng)識別敵友、分析敵情變化并做出最優(yōu)決策等，這就要求自動(dòng)駕駛儀具有智能的功能。

隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，早已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)落地、自動(dòng)修正偏航、自動(dòng)改出非正常姿態(tài)等功能，再加上現(xiàn)在經(jīng)常出現(xiàn)由于人為因素造成的不安全事件，如CFIT（可控飛行撞地）等，于是越來越多的人開始思考，是不是將來有一天自動(dòng)駕駛能完全代替人工飛行？曾經(jīng)有一個(gè)段子，說一次因人為原因墜機(jī)事件發(fā)生之后，民航當(dāng)局?jǐn)M在駕駛艙取消飛行員，人們一時(shí)不能接受，表示反對，因?yàn)閺男睦砩线m應(yīng)不了自己乘坐的飛機(jī)駕駛艙沒有飛行員，總是突破不了心理的一個(gè)障礙。因此民航當(dāng)局說為了給大家一些心理安慰，在駕駛艙安排一個(gè)飛行員也可以，但有必要再放一條狗，專門看著這名飛行員不要亂動(dòng)！當(dāng)然這只是一個(gè)笑話，但也說明關(guān)于自動(dòng)駕駛是否能代替人工飛行的爭論一直都在進(jìn)行。至少這說明了兩個(gè)問題，一是自動(dòng)駕駛已經(jīng)發(fā)展到可以討論能不能代替人工飛行的水平上來了，二是人工智能到底能不能取代人工，涉及的領(lǐng)域不只是技術(shù)層面，還有心理和倫理層面的。

那么，到底自動(dòng)駕駛能不能完全代替人工飛行，或者將來有一天完全代替人工飛行？筆者認(rèn)為，自動(dòng)駕駛不可能完全代替人工飛行，將來也不可能。在這里，我們需要糾正一個(gè)觀念，在英語上我們雖然稱自動(dòng)駕駛是autopilot，但要想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行，必須有人的組成部分，自動(dòng)駕駛的管理必須靠人操作，綜合起來才叫自動(dòng)飛行。簡單講，自動(dòng)駕駛幫飛行員操縱飛機(jī)，人再去管理自動(dòng)駕駛，這才叫自動(dòng)飛行，所以自動(dòng)飛行永遠(yuǎn)離不了人的參與。

自動(dòng)駕駛的發(fā)展歷史

我們先來了解一下自動(dòng)駕駛的發(fā)展歷史。1914年，美國發(fā)明家斯派雷（SPERRY）制成了電動(dòng)陀螺穩(wěn)定裝置，利用地平儀上的陀螺指針作為飛機(jī)平飛的標(biāo)準(zhǔn)，用電器裝置測出飛機(jī)飛行時(shí)和這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的偏離，再用機(jī)械裝置予以校正，就使飛機(jī)保持在平飛的狀態(tài)上。這就是世界上第一臺自動(dòng)駕駛儀，是自動(dòng)駕駛的雛形。

隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛的應(yīng)用范圍己越來越廣泛

20世紀(jì)30年代，為減輕駕駛員長時(shí)間的飛行疲勞，開始使用三軸穩(wěn)定的自動(dòng)駕駛儀，用于保持飛機(jī)平直飛行。20世紀(jì)50年代，通過在自動(dòng)駕駛儀中引入角速率信號的方法制成阻尼器或增穩(wěn)系統(tǒng)，改善飛機(jī)的穩(wěn)定性，自動(dòng)駕駛儀發(fā)展成飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)。50年代后期，又出現(xiàn)自適應(yīng)自動(dòng)駕駛儀，能隨飛行器特性的變化而改變自身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。20世紀(jì)60年代末，數(shù)字式自動(dòng)駕駛儀在阿波羅飛船中得到應(yīng)用。現(xiàn)在自動(dòng)駕駛儀的種類已經(jīng)很多，可按能源形式、使用對象、調(diào)節(jié)規(guī)律等分類，現(xiàn)代自動(dòng)駕駛儀的趨勢是向數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。

自動(dòng)駕駛的工作原理是讓自動(dòng)駕駛儀一直保持模仿駕駛員的動(dòng)作進(jìn)行飛行。20世紀(jì)70年代，電子計(jì)算機(jī)進(jìn)入飛機(jī)，飛機(jī)有了自己的電子“大腦”。首先使用了3個(gè)電子計(jì)算機(jī)（飛行控制計(jì)算機(jī)，或者叫FCC）分別控制飛機(jī)3個(gè)軸的飛行狀態(tài)。此時(shí)的飛機(jī)不僅能被控制平飛，而且可以控制轉(zhuǎn)彎和升降?？紤]到飛機(jī)在做轉(zhuǎn)彎和升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的推力必須發(fā)生相應(yīng)的變化，為了要順利完成這些過程，就有必要同時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，這就是自動(dòng)油門A/T。于是第二步又在飛機(jī)上加裝了管理推力的推力控制計(jì)算機(jī)。

為了使飛機(jī)真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制飛行的全過程，也就是能“獨(dú)立自主”，這就需要統(tǒng)一管理上述兩套系統(tǒng)（姿態(tài)和推力）并且與其他儀表系統(tǒng)實(shí)行大聯(lián)合。所以第三步是在飛機(jī)上又安裝了一臺能力更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，全面管理和協(xié)調(diào)飛行。這臺統(tǒng)管全局的計(jì)算機(jī)叫飛行管理計(jì)算機(jī)（FMC），它是飛機(jī)的神經(jīng)中樞。在這個(gè)中樞的數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲著各個(gè)機(jī)場及各條航路的數(shù)據(jù)。駕駛員只要選定航路的起點(diǎn)和終點(diǎn)，將命令輸入這臺計(jì)算機(jī)內(nèi)，它就可以代替駕駛員指揮飛機(jī)起飛、爬升、巡航、下降直到降落在目的地機(jī)場。這套系統(tǒng)還可以在飛行全過程中即時(shí)發(fā)出指令，使飛機(jī)按照最佳的飛行狀態(tài)、最合理的使用推力、最經(jīng)濟(jì)的油耗飛完全程，從而實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)化飛行。聽起來，由這套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的飛機(jī)飛得比由駕駛員控制飛得還好，各種先進(jìn)的顯示屏幕取代了種類繁多的儀表盤，直觀地顯示出沿途檢驗(yàn)點(diǎn)和飛機(jī)航向等信息。

自動(dòng)駕駛相比人工飛行的優(yōu)勢

現(xiàn)在相當(dāng)一部分人認(rèn)為自動(dòng)駕駛將來是可以代替人工飛行的，他們有自己可參考的依據(jù)，例如無人機(jī)能自動(dòng)完成各種復(fù)雜任務(wù)，航天飛機(jī)能實(shí)現(xiàn)太空自由翱翔，民航飛機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)落地等。但持這種觀點(diǎn)的人無疑過多強(qiáng)調(diào)或放大了以下幾個(gè)方面：

首先，自動(dòng)駕駛出錯(cuò)概率小，按照固定的計(jì)算機(jī)程序，基本不會出錯(cuò)。聯(lián)想到近些年來因?yàn)槿说囊蛩卦斐傻膫鍪录?，如果全部使用自?dòng)駕駛可能就會完全避免，例如韓亞航空的波音777在美國的墜機(jī)事件，或者2008年土耳其的波音738墜機(jī)事件，都是由于人工操縱出現(xiàn)偏差，修正不及時(shí)，最終錯(cuò)過最佳補(bǔ)救時(shí)機(jī)。如果都使用自動(dòng)駕駛落地的話，可能這種事件就不會發(fā)生。

其次，自動(dòng)駕駛可以長時(shí)間飛行，無須考慮疲勞因素。這一點(diǎn)在越洋航線上尤為重要，動(dòng)輒十幾個(gè)小時(shí)的長時(shí)間飛行，可以想象，如果全部采用人工飛行，別說十幾個(gè)小時(shí)，哪怕只有幾個(gè)小時(shí)，它所造成的疲勞程度也是飛行員所無法接受的。尤其是夜間飛行，為了持續(xù)維持高精度飛行而投入的精力早已超過了人體的生理極限。

再次，自動(dòng)駕駛飛行精度高。自動(dòng)駕駛由于是計(jì)算機(jī)控制，有著先天性的速度優(yōu)勢，同樣的人工飛行，可能幾秒鐘才能對高度、速度、航向信息進(jìn)行掃描一次。而自動(dòng)駕駛則可以一秒鐘掃描上百次，這種速度優(yōu)勢自然可以帶來精度上的優(yōu)越性，可以在凈空條件差、精度要求高的航線上進(jìn)行飛行，例如RNP AR飛行等。

自動(dòng)駕駛不能滿足全部飛行要求

雖然以上三個(gè)方面都是人工飛行所無法比擬的，但自動(dòng)駕駛?cè)绻耆嫒斯わw行的答案仍然是否定的，我們不能以己之長比人之短，必須辯證、客觀、公正地看待問題。他們只能是一對親密的隊(duì)友，互為補(bǔ)充，各自取長補(bǔ)短，以下幾個(gè)方面是計(jì)算機(jī)的固定程序永遠(yuǎn)無法完全滿足人工飛行要求的重要體現(xiàn)。

一是科技程度再高的產(chǎn)品也只能是產(chǎn)品，是由人設(shè)計(jì)與開發(fā)的，必須由人去管理，人不在時(shí)，只能是一堆半導(dǎo)體與二極管組成的物體。飛機(jī)的航行線路要由駕駛員事先設(shè)定并輸入到飛行管理計(jì)算機(jī)中去的，飛機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別自己所要執(zhí)飛的航線后，自動(dòng)完成飛行。

二是飛機(jī)在起飛和降落這兩個(gè)階段中，變化因素太多，計(jì)算機(jī)只能按預(yù)先編好的程序動(dòng)作，不具備快速靈活反應(yīng)的能力。剛才提到航天飛機(jī)雖然可以在太空翱翔，那也是地面使用了固有的火箭推進(jìn)器幫助升空和固定的計(jì)算機(jī)編碼程序，把它送上太空，而不是自己飛到太空。在返回地球時(shí)，還是由人操作落地的，這就是它必須具備飛機(jī)外形的原因，只有少許動(dòng)力，但基本靠滑翔落地。民航飛機(jī)在巡航過程中，并不是天高任鳥飛，而是要遵守管制員的指令，上升與下降必須隨時(shí)嚴(yán)格服從。在繞飛雷雨時(shí)也必須由人來判斷危險(xiǎn)天氣的類型、安全間隔等因素來選擇最佳繞飛路線。

自動(dòng)駕駛作為自動(dòng)化智能的產(chǎn)物。只能是人工飛行的補(bǔ)充

這里有必要提一下自動(dòng)駕駛進(jìn)近著陸。在大側(cè)風(fēng)進(jìn)近及亂流天氣進(jìn)近過程中，自動(dòng)駕駛操縱的并不如人工好，或者說不如人工安全。自動(dòng)駕駛修正偏差靠的是固定程序，根據(jù)外力對飛機(jī)造成的擾動(dòng)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算，傳遞到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過作動(dòng)各自液壓系統(tǒng)反作用于飛機(jī)操縱舵面，期間總有幾秒鐘的延遲。而飛行員靠的是“感覺”，是長時(shí)間在操縱飛機(jī)過程中形成的本能反應(yīng)，能自然而然的根據(jù)飛機(jī)的狀態(tài)變化立即做出反應(yīng)。這也就是為什么自動(dòng)駕駛落地有著嚴(yán)格的風(fēng)速限制的原因，自動(dòng)駕駛落地只能在氣流平穩(wěn)、風(fēng)速較小、沒有降水等相對理想的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)，大的氣流變化會嚴(yán)重削弱自動(dòng)駕駛的落地性能，直接危及飛行安全。

原因之三是即使飛機(jī)在巡航狀態(tài)時(shí)，飛行員可以不做任何動(dòng)作去控制飛機(jī)，但他必須監(jiān)視這個(gè)機(jī)器“大腦”的工作。一旦這臺“大腦”出現(xiàn)什么故障或反應(yīng)不夠及時(shí)，飛行員要立刻接管駕駛飛機(jī)的任務(wù)。最典型的狀況就是帶故障飛行，自動(dòng)駕駛是一套電腦加機(jī)械合成系統(tǒng)，當(dāng)有影響其工作狀態(tài)的部件發(fā)生故障，自動(dòng)駕駛會直接不能使用，這時(shí)候恢復(fù)人工飛行，盡快帶故障著陸，才能保證飛行安全。飛行員每年進(jìn)行不止一次的模擬機(jī)應(yīng)急處置訓(xùn)練就是為了在飛機(jī)故障的情況下，如何代替自動(dòng)駕駛安全運(yùn)行。

也許將來的某一天，自動(dòng)駕駛可以幫飛行員實(shí)現(xiàn)飛行駕駛中的任何操作，但我們?nèi)祟惖拇竽X始終是世界上最復(fù)雜的事物，任何人工智能都不可能超越這個(gè)限制。就像量子物理學(xué)中光速的概念一樣，在我們所能理解的認(rèn)知范疇內(nèi)，這個(gè)速度就是我們認(rèn)知的極限，任何事物都不能超越。因此自動(dòng)駕駛和人腦的相對關(guān)系也是一樣的，人腦是計(jì)算機(jī)認(rèn)識的極限，人工飛行是人腦活動(dòng)的外延，自動(dòng)駕駛作為自動(dòng)化智能產(chǎn)物，只能是人工飛行的補(bǔ)充，不可能完全代替人工飛行，更不可能超越人力所能觸及的認(rèn)知領(lǐng)域。