从人工飞行到自动驾驶

董建民

自动驾驶究竟能不能代替人工飞行，这是个老生常谈的话题，从飞机第一次安装上航空地平仪，人们就开始思考这个问题。不得不说，飞机自动驾驶仪的出现，极大减轻了飞行员的工作负荷，提高了飞机状态参数诸元的精度。可以让飞行员在复杂的天气环境下维持长时间的飞行，大大减少了人为因素对飞机操作性能的影响，诸如速度偏差，高度控制误差等，自动驾驶对航空安全的贡献有目共睹。

在军用无人机上，自动驾驶还可以在恶劣的工作条件下，能以最佳的方式操纵飞机，而且无须考虑飞机的过载，以最短的时间飞到最有利的地理位置。在无人机攻击目标时，自动驾驶仪可以配合制导系统识别敌友、分析敌情变化并做出最优决策等，这就要求自动驾驶仪具有智能的功能。

随着数据处理技术与计算机技术的发展，自动驾驶的应用范围也越来越广泛，早已实现了自动落地、自动修正偏航、自动改出非正常姿态等功能，再加上现在经常出现由于人为因素造成的不安全事件，如CFIT（可控飞行撞地）等，于是越来越多的人开始思考，是不是将来有一天自动驾驶能完全代替人工飞行？曾经有一个段子，说一次因人为原因坠机事件发生之后，民航当局拟在驾驶舱取消飞行员，人们一时不能接受，表示反对，因为从心理上适应不了自己乘坐的飞机驾驶舱没有飞行员，总是突破不了心理的一个障碍。因此民航当局说为了给大家一些心理安慰，在驾驶舱安排一个飞行员也可以，但有必要再放一条狗，专门看着这名飞行员不要乱动！当然这只是一个笑话，但也说明关于自动驾驶是否能代替人工飞行的争论一直都在进行。至少这说明了两个问题，一是自动驾驶已经发展到可以讨论能不能代替人工飞行的水平上来了，二是人工智能到底能不能取代人工，涉及的领域不只是技术层面，还有心理和伦理层面的。

那么，到底自动驾驶能不能完全代替人工飞行，或者将来有一天完全代替人工飞行？笔者认为，自动驾驶不可能完全代替人工飞行，将来也不可能。在这里，我们需要纠正一个观念，在英语上我们虽然称自动驾驶是autopilot，但要想实现自动飞行，必须有人的组成部分，自动驾驶的管理必须靠人操作，综合起来才叫自动飞行。简单讲，自动驾驶帮飞行员操纵飞机，人再去管理自动驾驶，这才叫自动飞行，所以自动飞行永远离不了人的参与。

自动驾驶的发展历史

我们先来了解一下自动驾驶的发展历史。1914年，美国发明家斯派雷（SPERRY）制成了电动陀螺稳定装置，利用地平仪上的陀螺指针作为飞机平飞的标准，用电器装置测出飞机飞行时和这个标准的偏离，再用机械装置予以校正，就使飞机保持在平飞的状态上。这就是世界上第一台自动驾驶仪，是自动驾驶的雏形。

随着数据处理技术与计算机技术的发展，自动驾驶的应用范围己越来越广泛

20世纪30年代，为减轻驾驶员长时间的飞行疲劳，开始使用三轴稳定的自动驾驶仪，用于保持飞机平直飞行。20世纪50年代，通过在自动驾驶仪中引入角速率信号的方法制成阻尼器或增稳系统，改善飞机的稳定性，自动驾驶仪发展成飞行自动控制系统。50年代后期，又出现自适应自动驾驶仪，能随飞行器特性的变化而改变自身的结构和参数。20世纪60年代末，数字式自动驾驶仪在阿波罗飞船中得到应用。现在自动驾驶仪的种类已经很多，可按能源形式、使用对象、调节规律等分类，现代自动驾驶仪的趋势是向数字化和智能化方向发展。

自动驾驶的工作原理是让自动驾驶仪一直保持模仿驾驶员的动作进行飞行。20世纪70年代，电子计算机进入飞机，飞机有了自己的电子“大脑”。首先使用了3个电子计算机（飞行控制计算机，或者叫FCC）分别控制飞机3个轴的飞行状态。此时的飞机不仅能被控制平飞，而且可以控制转弯和升降。考虑到飞机在做转弯和升降运动时，它的推力必须发生相应的变化，为了要顺利完成这些过程，就有必要同时控制发动机的推力，这就是自动油门A/T。于是第二步又在飞机上加装了管理推力的推力控制计算机。

为了使飞机真正实现自动控制飞行的全过程，也就是能“独立自主”，这就需要统一管理上述两套系统（姿态和推力）并且与其他仪表系统实行大联合。所以第三步是在飞机上又安装了一台能力更强的计算机，全面管理和协调飞行。这台统管全局的计算机叫飞行管理计算机（FMC），它是飞机的神经中枢。在这个中枢的数据库内存储着各个机场及各条航路的数据。驾驶员只要选定航路的起点和终点，将命令输入这台计算机内，它就可以代替驾驶员指挥飞机起飞、爬升、巡航、下降直到降落在目的地机场。这套系统还可以在飞行全过程中即时发出指令，使飞机按照最佳的飞行状态、最合理的使用推力、最经济的油耗飞完全程，从而实现了全程自动化飞行。听起来，由这套计算机系统控制的飞机飞得比由驾驶员控制飞得还好，各种先进的显示屏幕取代了种类繁多的仪表盘，直观地显示出沿途检验点和飞机航向等信息。

自动驾驶相比人工飞行的优势

现在相当一部分人认为自动驾驶将来是可以代替人工飞行的，他们有自己可参考的依据，例如无人机能自动完成各种复杂任务，航天飞机能实现太空自由翱翔，民航飞机能实现自动落地等。但持这种观点的人无疑过多强调或放大了以下几个方面：

首先，自动驾驶出错概率小，按照固定的计算机程序，基本不会出错。联想到近些年来因为人的因素造成的伤亡事件，如果全部使用自动驾驶可能就会完全避免，例如韩亚航空的波音777在美国的坠机事件，或者2008年土耳其的波音738坠机事件，都是由于人工操纵出现偏差，修正不及时，最终错过最佳补救时机。如果都使用自动驾驶落地的话，可能这种事件就不会发生。

其次，自动驾驶可以长时间飞行，无须考虑疲劳因素。这一点在越洋航线上尤为重要，动辄十几个小时的长时间飞行，可以想象，如果全部采用人工飞行，别说十几个小时，哪怕只有几个小时，它所造成的疲劳程度也是飞行员所无法接受的。尤其是夜间飞行，为了持续维持高精度飞行而投入的精力早已超过了人体的生理极限。

再次，自动驾驶飞行精度高。自动驾驶由于是计算机控制，有着先天性的速度优势，同样的人工飞行，可能几秒钟才能对高度、速度、航向信息进行扫描一次。而自动驾驶则可以一秒钟扫描上百次，这种速度优势自然可以带来精度上的优越性，可以在净空条件差、精度要求高的航线上进行飞行，例如RNP AR飞行等。

自动驾驶不能满足全部飞行要求

虽然以上三个方面都是人工飞行所无法比拟的，但自动驾驶如果完全代替人工飞行的答案仍然是否定的，我们不能以己之长比人之短，必须辩证、客观、公正地看待问题。他们只能是一对亲密的队友，互为补充，各自取长补短，以下几个方面是计算机的固定程序永远无法完全满足人工飞行要求的重要体现。

一是科技程度再高的产品也只能是产品，是由人设计与开发的，必须由人去管理，人不在时，只能是一堆半导体与二极管组成的物体。飞机的航行线路要由驾驶员事先设定并输入到飞行管理计算机中去的，飞机不可能实现自动识别自己所要执飞的航线后，自动完成飞行。

二是飞机在起飞和降落这两个阶段中，变化因素太多，计算机只能按预先编好的程序动作，不具备快速灵活反应的能力。刚才提到航天飞机虽然可以在太空翱翔，那也是地面使用了固有的火箭推进器帮助升空和固定的计算机编码程序，把它送上太空，而不是自己飞到太空。在返回地球时，还是由人操作落地的，这就是它必须具备飞机外形的原因，只有少许动力，但基本靠滑翔落地。民航飞机在巡航过程中，并不是天高任鸟飞，而是要遵守管制员的指令，上升与下降必须随时严格服从。在绕飞雷雨时也必须由人来判断危险天气的类型、安全间隔等因素来选择最佳绕飞路线。

自动驾驶作为自动化智能的产物。只能是人工飞行的补充

这里有必要提一下自动驾驶进近着陆。在大侧风进近及乱流天气进近过程中，自动驾驶操纵的并不如人工好，或者说不如人工安全。自动驾驶修正偏差靠的是固定程序，根据外力对飞机造成的扰动，经过计算机计算，传递到自动驾驶系统，自动驾驶系统通过作动各自液压系统反作用于飞机操纵舵面，期间总有几秒钟的延迟。而飞行员靠的是“感觉”，是长时间在操纵飞机过程中形成的本能反应，能自然而然的根据飞机的状态变化立即做出反应。这也就是为什么自动驾驶落地有着严格的风速限制的原因，自动驾驶落地只能在气流平稳、风速较小、没有降水等相对理想的状态下实现，大的气流变化会严重削弱自动驾驶的落地性能，直接危及飞行安全。

原因之三是即使飞机在巡航状态时，飞行员可以不做任何动作去控制飞机，但他必须监视这个机器“大脑”的工作。一旦这台“大脑”出现什么故障或反应不够及时，飞行员要立刻接管驾驶飞机的任务。最典型的状况就是带故障飞行，自动驾驶是一套电脑加机械合成系统，当有影响其工作状态的部件发生故障，自动驾驶会直接不能使用，这时候恢复人工飞行，尽快带故障着陆，才能保证飞行安全。飞行员每年进行不止一次的模拟机应急处置训练就是为了在飞机故障的情况下，如何代替自动驾驶安全运行。

也许将来的某一天，自动驾驶可以帮飞行员实现飞行驾驶中的任何操作，但我们人类的大脑始终是世界上最复杂的事物，任何人工智能都不可能超越这个限制。就像量子物理学中光速的概念一样，在我们所能理解的认知范畴内，这个速度就是我们认知的极限，任何事物都不能超越。因此自动驾驶和人脑的相对关系也是一样的，人脑是计算机认识的极限，人工飞行是人脑活动的外延，自动驾驶作为自动化智能产物，只能是人工飞行的补充，不可能完全代替人工飞行，更不可能超越人力所能触及的认知领域。