妳的研究里有着会闪闪发亮的东西:《飞航管制的祕密世界》

2020-07-02

妳的研究里有着会闪闪发亮的东西:《飞航管制的祕密世界》

伊藤惠理(东京大学航空宇宙工学博士,现为日本电子航法研究所研究员)

译|林书娴

  「应该相信人类或自动化系统?」「陷入意料之外的紧急状况时,应该仰赖机师或自动驾驶?」

  这个课题,自一九九○年代起便在航空业界引发激烈讨论。在航空器的设计概念上,相较于自动化系统,美国波音公司更信任人性,认为在可能发生事故的紧急状态时应优先由机师操作飞机,这类设计属于「以人为本的自动化」。欧洲空中巴士公司的看法却非如此,该公司认为相较于人类,设计上更应该仰赖自动驾驶。对于这两种极端的看法,我们该如何选择呢?

  举例来说,「以人为本的自动化」大致包括下列情况:

•清楚明了的显示画面

• 通知异常状况的警示音

• 依人类判断来停止自动化系统以介入操作的系统(如果是操作航空器,表示机师可停止自动驾驶,切换为手动驾驶)

  另一方面,以自动化系统为本的设计範例如下:

• Google 开发的全自动驾驶汽车

• 紧急时避免人为介入的连动装置

• 因高度自动化而未考量由人工操作的系统整体

  自动化系统的设计会尽可能排除人为介入的可能性。

  上述两种大相逕庭的设计概念,应该选择哪一种呢?事实上,即便是谘询专家,也常演变为哲学式的辩论,难以取得共识。

  或许,让我试着换个方式提问:

  「你想搭乘没有机师坐镇驾驶舱,完全自动驾驶的飞机徜徉天空吗?」

华航名古屋空难的前车之鉴

  思及飞机失事的罹难者和相关人士的心情,每每让人心痛不已。本节将介绍过往几例涉及机师与自动驾驶的事故,让我们藉此一同思考该相信谁的问题。提及机师与自动驾驶之间的「冲突」所引发的航空事故,代表性案例是一九九四年发生在名古屋国际机场的华航A300空难。

  这起空难发生当时,自动驾驶装置设定在TOGA模式,这是在难以着陆时,为了重新降落而让飞机再次爬升的重飞模式。最新型航空器配备电传操作(fly-by-wire),机翼舵面(藉由操作其摆动来改变航空器姿态和飞行方向而装置的舵)可藉由电子讯号驱动。「冲突」发生在机师未注意到自动驾驶已经启动,仍手握操纵桿企图以手动方式重新降落。结果造成自动驾驶与机师手握的操纵桿同时发出电子讯号,两者相互干扰,最终引发了事故。这场空难可说是高度自动化系统诱发机师失误的案例。从失事飞机的黑盒子留下的机师对话纪录「怎幺会这样子?!」,让我们窥见自动化系统的不透明。自动化程度越高,人们越难理解它正在为了什幺目的而动作。这是设计自动化系统的难题之一。

  A300空难后,改进了自动驾驶系统,变更为当自动驾驶运作时,只要机师启动手动驾驶,自动驾驶系统即会中止。这样的设计造成另一个问题,也就是自动驾驶自行中止时,可能会伴随引发机体震动等危险状况,因此操作守则规定原则上应由机师手动按下开关来中止自动驾驶。

  另外,曾发生机师与自动驾驶系统无法良好「衔接」的案例。

  一九九○年代,麦道公司(McDonnell Douglas)(现已併入波音)所製造的MD11型飞机陆续出现故障。一九九七年,一架以自动驾驶飞行中的MD11型飞机遭遇强烈乱流,乱流带来的影响远大于自动驾驶系统于设计阶段所预想的程度,使得自动驾驶无法有效降低飞行速度,进而超过上限值。机师切换为手动驾驶而握住操纵桿后,随即发生上下摇摆的振荡。飞行员的操作诱发机体振荡的情形,称为PIO(pilot-induced oscillation,飞行员诱发振荡)。事故之后,虽然为降低PIO的程度而在MD11型加装了阻尼器,但后续在二○○二年仍出现其他事例,如B747-400型飞机也在类似情况下发生PIO。

  我想无论是机师或自动驾驶系统,其实都具备十分优异的能力。受过完整训练的机师,理应拥有应付航程中各种状况的技巧和临机应变的能力,可随着环境的变化,釐清状况做出判断。这是自动驾驶系统无法模仿的部分。纵然如此,身为人类的我们,身心层面都有极限,也会感到疲劳,无论机师多幺资深都可能失误。相对而言,自动驾驶系统只要处于设计阶段所设定的条件,就可发挥优越的操控能力。基于上述种种理由,如果机师与自动驾驶能相互截长补短、「和睦」共事,不正是极致的理想型态吗?

  「你想搭乘没有机师坐镇驾驶舱,完全自动驾驶的飞机吗?」

  我的答案是「NO」。

  接下来的问题,则是该如何让机师与自动驾驶系统不产生冲突,衔接上不出现失误,能够发挥各自的能力,和睦共事?这些课题正是我的博士论文研究主轴,当时我认为解决技术问题的契机,必然隐藏在人性之中。

尝试运用脑科学如何?

  机器人和人工智慧等领域,常可见将人脑或神经系统的资讯处理运作方式,应用于工程学的例子。这引发我思考或许这类方式也可应用在飞机的操作。具体来说,我注意到的是人类小脑的「模组结构」(module structure)。

  小脑担负控制人体运动机能的重责大任,举凡想移动手、脚、手臂、腰、腹、颈等身体各部位时,小脑都会向这些部位的肌肉发出「给我动!」的讯号。小脑中负责发出讯号的部分,按照驱动手或脚等不同机能区别,称为模组。「模组结构」是让个别模组所担负的机能彼此合作的结构。换句话说,模组间存在「协调」的机能,可因应状况,迅速正确地切换模组。小脑中这种可一气呵成切换的出色协调功能,难道无法应用来促成机师与自动驾驶系统的相辅相成吗?

  试着把「人体」替换为「飞机」,以及把「负责向身体发出『给我动!』讯号的小脑部位」替换为「机师」与「自动驾驶」,接着尝试在「机师」与「自动驾驶」之间应用小脑的协调功能,结果会如何呢?

  无论机师或自动驾驶系统都是操作飞机的模组之一,所以这种概念既不是现有的「以人为本的设计」,也并非颠覆这样的设计,而是一种「不以谁为本的设计」。这促使我在博士论文中提出「机师与自动驾驶系统之协调控制」(Cooperative Control between Pilot and Auto-pilot System)的想法,换言之,应用仿自小脑运动协调功能的协调机能,尝试让机师与自动驾驶个别的优秀操作能力能够因应状况完美配合。

  然而,现实是我的研究在日本并未受到好评,也很难找到愿意协助研究的同伴。

  我曾透过指导老师铃木教授的推荐,前往JAXA日本宇宙航空研究开发机构的读书会发表研究,经历一番来自各方研究者的严厉批评。「现在的设计主流是以人为本的自动化系统,妳这种想法不过是旁门左道。」虽然科学家原本就容易受到批判,但像这样研究无法获得认同,着实让人沮丧。

  读书会结束后,我拖着沉重步伐前往距离最近的JR三鹰站。搭上中央线列车的当头,斗大的泪珠不停滑落。电车驶过新宿站时,我开始从悲伤转为愤怒。等我回到位于本乡的东京大学,这份愤怒已一发不可收拾,我疾步奔向铃木教授的办公室。我在盛怒中奋力敲打门板,教授一脸诧异地出来应门。即使如此,他还是等我全部说完才缓缓开口:

 

  「妳的研究里有着会闪闪发亮的东西,请妳继续下去。」

  听到这段话,我的心情回归平静。恩师的一句话对我影响极大,当时如果没有他的鼓励,我可能早就放弃成为研究者。正当我在逆境般的研究生活中浮浮沉沉,曾被邀请前往巴黎一事赫然闪过脑海。我不断反覆思索,一边想着连在日本都无法做出成绩、去巴黎又能成就什幺,一边告诫自己不可一味逃避,在这样无法下定决心的情况下日复一日。

妳的研究里有着会闪闪发亮的东西:《飞航管制的祕密世界》

  直到二○○五年冬天,我前往巴黎郊外的欧盟飞航管制组织实验中心参加研习会,发表个人研究。这场研习会集结曾一起参加斯洛伐克会议的那些自由奔放的学者,他们不仅表现出对我的研究的兴趣,也认同这样应用脑科学的研究。我懊恼着,要是跟这些人一起,或许我的世界会更加深广。

  研习会结束后,我闷闷不乐地走在黄昏时分的巴黎市区,经过罗浮宫,即将看见香榭丽舍大道时,里沃利街上的一幅广告吸引了我的目光。那幅广告悬挂在一间异常华丽的香水专卖店前,广告上印着斗大的字样。

  「CHANCE」

  我噗哧笑了出来。在绝妙时间点向我传递了这样的讯息,巴黎真是一座无比机敏的城市啊!没错,我不在逆境,而处于上天赐予的机会之中!「CHANCE」促使我转换心境也是原因之一,我最终下定决心前往巴黎。

  后来,在二○○六年九月于德国汉堡召开的国际航空科学理事会总会上,我有幸以将小脑结构应用于机师与自动驾驶间的协调机能的简报,获颁为了奖励学生而设立的麦卡锡奖。该奖项是纪念国际航空科学理事会创始者之一的约翰.麦卡锡教授,授予研究发表表现优异的学生。在全球约一百名发表学生当中,我的研究获得首奖。

(本文为《飞航管制的祕密世界:从地面到天空,从管制台到驾驶舱,飞航第一线直击全纪录》部分书摘)

书籍资讯

书名:《飞航管制的祕密世界:从地面到天空,从管制台到驾驶舱,飞航第一线直击全纪录》 空の旅を科学する:人工知能がひらく!?21世纪の「航空管制」

作者: 伊藤惠理

出版:脸谱

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