從人工飛行到自動駕駛

董建民

自動駕駛究竟能不能代替人工飛行，這是個老生常談的話題，從飛機第一次安裝上航空地平儀，人們就開始思考這個問題。不得不說，飛機自動駕駛儀的出現，極大減輕了飛行員的工作負荷，提高了飛機狀態參數諸元的精度。可以讓飛行員在復雜的天氣環境下維持長時間的飛行，大大減少了人為因素對飛機操作性能的影響，諸如速度偏差，高度控制誤差等，自動駕駛對航空安全的貢獻有目共睹。

在軍用無人機上，自動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，而且無須考慮飛機的過載，以最短的時間飛到最有利的地理位置。在無人機攻擊目標時，自動駕駛儀可以配合制導系統識別敵友、分析敵情變化并做出最優決策等，這就要求自動駕駛儀具有智能的功能。

隨著數據處理技術與計算機技術的發展，自動駕駛的應用范圍也越來越廣泛，早已實現了自動落地、自動修正偏航、自動改出非正常姿態等功能，再加上現在經常出現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駕駛能完全代替人工飛行？曾經有一個段子，說一次因人為原因墜機事件發生之后，民航當局擬在駕駛艙取消飛行員，人們一時不能接受，表示反對，因為從心理上適應不了自己乘坐的飛機駕駛艙沒有飛行員，總是突破不了心理的一個障礙。因此民航當局說為了給大家一些心理安慰，在駕駛艙安排一個飛行員也可以，但有必要再放一條狗，專門看著這名飛行員不要亂動！當然這只是一個笑話，但也說明關于自動駕駛是否能代替人工飛行的爭論一直都在進行。至少這說明了兩個問題，一是自動駕駛已經發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，涉及的領域不只是技術層面，還有心理和倫理層面的。

那么，到底自動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？筆者認為，自動駕駛不可能完全代替人工飛行，將來也不可能。在這里，我們需要糾正一個觀念，在英語上我們雖然稱自動駕駛是autopilot，但要想實現自動飛行，必須有人的組成部分，自動駕駛的管理必須靠人操作，綜合起來才叫自動飛行。簡單講，自動駕駛幫飛行員操縱飛機，人再去管理自動駕駛，這才叫自動飛行，所以自動飛行永遠離不了人的參與。

自動駕駛的發展歷史

我們先來了解一下自動駕駛的發展歷史。1914年，美國發明家斯派雷（SPERRY）制成了電動陀螺穩定裝置，利用地平儀上的陀螺指針作為飛機平飛的標準，用電器裝置測出飛機飛行時和這個標準的偏離，再用機械裝置予以校正，就使飛機保持在平飛的狀態上。這就是世界上第一臺自動駕駛儀，是自動駕駛的雛形。

隨著數據處理技術與計算機技術的發展，自動駕駛的應用范圍己越來越廣泛

20世紀30年代，為減輕駕駛員長時間的飛行疲勞，開始使用三軸穩定的自動駕駛儀，用于保持飛機平直飛行。20世紀50年代，通過在自動駕駛儀中引入角速率信號的方法制成阻尼器或增穩系統，改善飛機的穩定性，自動駕駛儀發展成飛行自動控制系統。50年代后期，又出現自適應自動駕駛儀，能隨飛行器特性的變化而改變自身的結構和參數。20世紀60年代末，數字式自動駕駛儀在阿波羅飛船中得到應用。現在自動駕駛儀的種類已經很多，可按能源形式、使用對象、調節規律等分類，現代自動駕駛儀的趨勢是向數字化和智能化方向發展。

自動駕駛的工作原理是讓自動駕駛儀一直保持模仿駕駛員的動作進行飛行。20世紀70年代，電子計算機進入飛機，飛機有了自己的電子“大腦”。首先使用了3個電子計算機（飛行控制計算機，或者叫FCC）分別控制飛機3個軸的飛行狀態。此時的飛機不僅能被控制平飛，而且可以控制轉彎和升降。考慮到飛機在做轉彎和升降運動時，它的推力必須發生相應的變化，為了要順利完成這些過程，就有必要同時控制發動機的推力，這就是自動油門A/T。于是第二步又在飛機上加裝了管理推力的推力控制計算機。

為了使飛機真正實現自動控制飛行的全過程，也就是能“獨立自主”，這就需要統一管理上述兩套系統（姿態和推力）并且與其他儀表系統實行大聯合。所以第三步是在飛機上又安裝了一臺能力更強的計算機，全面管理和協調飛行。這臺統管全局的計算機叫飛行管理計算機（FMC），它是飛機的神經中樞。在這個中樞的數據庫內存儲著各個機場及各條航路的數據。駕駛員只要選定航路的起點和終點，將命令輸入這臺計算機內，它就可以代替駕駛員指揮飛機起飛、爬升、巡航、下降直到降落在目的地機場。這套系統還可以在飛行全過程中即時發出指令，使飛機按照最佳的飛行狀態、最合理的使用推力、最經濟的油耗飛完全程，從而實現了全程自動化飛行。聽起來，由這套計算機系統控制的飛機飛得比由駕駛員控制飛得還好，各種先進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點和飛機航向等信息。

自動駕駛相比人工飛行的優勢

現在相當一部分人認為自動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，例如無人機能自動完成各種復雜任務，航天飛機能實現太空自由翱翔，民航飛機能實現自動落地等。但持這種觀點的人無疑過多強調或放大了以下幾個方面：

首先，自動駕駛出錯概率小，按照固定的計算機程序，基本不會出錯。聯想到近些年來因為人的因素造成的傷亡事件，如果全部使用自動駕駛可能就會完全避免，例如韓亞航空的波音777在美國的墜機事件，或者2008年土耳其的波音738墜機事件，都是由于人工操縱出現偏差，修正不及時，最終錯過最佳補救時機。如果都使用自動駕駛落地的話，可能這種事件就不會發生。

其次，自動駕駛可以長時間飛行，無須考慮疲勞因素。這一點在越洋航線上尤為重要，動輒十幾個小時的長時間飛行，可以想象，如果全部采用人工飛行，別說十幾個小時，哪怕只有幾個小時，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，自動駕駛飛行精度高。自動駕駛由于是計算機控制，有著先天性的速度優勢，同樣的人工飛行，可能幾秒鐘才能對高度、速度、航向信息進行掃描一次。而自動駕駛則可以一秒鐘掃描上百次，這種速度優勢自然可以帶來精度上的優越性，可以在凈空條件差、精度要求高的航線上進行飛行，例如RNP AR飛行等。

自動駕駛不能滿足全部飛行要求

雖然以上三個方面都是人工飛行所無法比擬的，但自動駕駛如果完全代替人工飛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友，互為補充，各自取長補短，以下幾個方面是計算機的固定程序永遠無法完全滿足人工飛行要求的重要體現。

一是科技程度再高的產品也只能是產品，是由人設計與開發的，必須由人去管理，人不在時，只能是一堆半導體與二極管組成的物體。飛機的航行線路要由駕駛員事先設定并輸入到飛行管理計算機中去的，飛機不可能實現自動識別自己所要執飛的航線后，自動完成飛行。

二是飛機在起飛和降落這兩個階段中，變化因素太多，計算機只能按預先編好的程序動作，不具備快速靈活反應的能力。剛才提到航天飛機雖然可以在太空翱翔，那也是地面使用了固有的火箭推進器幫助升空和固定的計算機編碼程序，把它送上太空，而不是自己飛到太空。在返回地球時，還是由人操作落地的，這就是它必須具備飛機外形的原因，只有少許動力，但基本靠滑翔落地。民航飛機在巡航過程中，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嚴格服從。在繞飛雷雨時也必須由人來判斷危險天氣的類型、安全間隔等因素來選擇最佳繞飛路線。

自動駕駛作為自動化智能的產物。只能是人工飛行的補充

這里有必要提一下自動駕駛進近著陸。在大側風進近及亂流天氣進近過程中，自動駕駛操縱的并不如人工好，或者說不如人工安全。自動駕駛修正偏差靠的是固定程序，根據外力對飛機造成的擾動，經過計算機計算，傳遞到自動駕駛系統，自動駕駛系統通過作動各自液壓系統反作用于飛機操縱舵面，期間總有幾秒鐘的延遲。而飛行員靠的是“感覺”，是長時間在操縱飛機過程中形成的本能反應，能自然而然的根據飛機的狀態變化立即做出反應。這也就是為什么自動駕駛落地有著嚴格的風速限制的原因，自動駕駛落地只能在氣流平穩、風速較小、沒有降水等相對理想的狀態下實現，大的氣流變化會嚴重削弱自動駕駛的落地性能，直接危及飛行安全。

原因之三是即使飛機在巡航狀態時，飛行員可以不做任何動作去控制飛機，但他必須監視這個機器“大腦”的工作。一旦這臺“大腦”出現什么故障或反應不夠及時，飛行員要立刻接管駕駛飛機的任務。最典型的狀況就是帶故障飛行，自動駕駛是一套電腦加機械合成系統，當有影響其工作狀態的部件發生故障，自動駕駛會直接不能使用，這時候恢復人工飛行，盡快帶故障著陸，才能保證飛行安全。飛行員每年進行不止一次的模擬機應急處置訓練就是為了在飛機故障的情況下，如何代替自動駕駛安全運行。

也許將來的某一天，自動駕駛可以幫飛行員實現飛行駕駛中的任何操作，但我們人類的大腦始終是世界上最復雜的事物，任何人工智能都不可能超越這個限制。就像量子物理學中光速的概念一樣，在我們所能理解的認知范疇內，這個速度就是我們認知的極限，任何事物都不能超越。因此自動駕駛和人腦的相對關系也是一樣的，人腦是計算機認識的極限，人工飛行是人腦活動的外延，自動駕駛作為自動化智能產物，只能是人工飛行的補充，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知領域。