2015年3月24日,德國之翼航空公司的一架從西班牙巴塞羅那飛往德國杜塞爾多夫的空客A320客機在法國境內的阿爾卑斯山區墜毀,機上144名乘客和6名機組人員全部遇難。
調查表明,此次事故是該機副駕駛安德烈亞斯?盧比茨故意墜機所致。而在一年前的2014年3月,馬航MH370航班也被懷疑因爲機長的蓄意行爲導致失聯。在此背景下,如何消除飛行員人爲事故誘因,進一步提高客機安全性,引起了人們的高度重視。
在社會各界提出的衆多預防措施中,民用飛機無人駕駛技術格外引人關注。相關研究表明,民用飛機實現無人駕駛後,不僅會帶來綜合性能改善、使用成本降低等優勢,而且在進一步降低飛行事故率、提高安全性等方面也同樣具有重大意義。
無人駕駛技術的優勢
過去數十年中,航空技術的發展大大提高了系統安全性,機械故障因素在民機飛行事故誘因中所占比率越來越低,而人爲(尤其是飛行員)因素的比率逐步提高,目前已達70%-80%。今後,隨著更多先進技術應用于民機,這一趨勢還將持續下去。
這一狀況表明,靠繼續提高系統可靠性來改善民機安全性的空間已經很小,要進一步降低民機事故率,更關鍵的是要從消除飛行員人爲因素入手。在這方面,無人機無疑擁有無可比擬的巨大優勢。主要表現在以下兩個方面:
一、各種與飛行員直接相關的人爲事故誘因將被徹底消除。
由于取消了飛行員,大量與飛行員直接相關的人爲事故誘因將不複存在,尤其是以下一些民機飛行員時有發生並且難以通過技術或訓練手段解決的問題,將會從源頭上被消除。
1.長途飛行帶來的身心疲勞等問題。
在長途飛行過程中,飛行員的體能和腦力消耗很大,還得承受時差反應所帶來的身體不適,很容易疲勞,從而增加犯錯的概率。
對于無人機來說,地面控制站操作員不存在倒時差問題,可以通過增加換班次數或者每班人數等方式來降低單個操作員的勞動強度,疲勞駕駛的問題很容易得到解決。
2.飛行員在飛行途中突發疾病、食物中毒等意外情況。
由于飛行的特殊性,此類情況一旦發生,將會導致嚴重後果。對于各種輕小型通用飛機來說,由于數量衆多,很難保證每個飛行員在登機時身心均處于良好狀態,出現這類事件的概率更高。近年發生的一起典型事件就是2012年4月,一名81歲美國老人駕駛“塞斯納”輕型飛機時突陷昏迷,後由其80歲的老伴在地面人員的引導下將飛機降落。
即使在航空公司的大中型客機上,這類事件也並不少見。2009年6月,美國大陸航空公司一架波音777客機在飛行途中,飛行員猝死,多虧機上有替補飛行員,才幸免于難。而對于無人機地面控制站來說,即使出現了類似情況,很容易安排替換操作員。
3.機組與空管人員之間溝通不暢的問題。
在民用航空史上,由于機組與空管人員之間溝通不暢(不同國家語言差別、管制用語讀音不准確、指令帶有歧義等)而導致的飛行事故屢見不鮮。
民機實現無人駕駛後,這種情況將會得到徹底改變。因爲無人機上沒有飛行員,在其飛行過程中,空管人員只能以無線電信號與飛機聯系。在無人機起降階段,盡管塔台人員與負責操控無人機起降的地面操作員之間需要一定的溝通,但由于二者通常位于同一機場,相互之間的交流遠比現在暢通。
二、有效防止飛行員被脅迫或主動實施航空犯罪。
自“9?11”事件以來,爲了防止犯罪分子空中劫機,各國相繼出台了一系列應對措施,包括進一步加強機場安檢、提高機組人員處置劫機犯罪的能力、在機上部署攜帶武器的便裝空警等。美國部分大型客機的駕駛艙甚至還專門改裝了裝甲艙門,在飛行期間完全關閉,即使乘務員也不能隨便進入。然而,只要民機上的駕駛艙還存在,就難免會爲劫機犯罪留下可乘之機。
不僅如此,我們還需認真面對飛行員涉嫌犯罪的問題。尤其是對美國這類民用航空業高度發達的國家來說,由于國內飛機和駕駛員數量龐大(美國通用飛機超過20萬架,約60萬人獲得飛行執照),難以對其實施有效監控,一旦飛行員由于各種原因而出現犯罪傾向,甚至駕機自殺,將很難防範和制止。
2002年1月,美國佛羅裏達州曾發生一名15歲少年駕機撞擊大樓事件。而根據FAA在2014年初發布的調查報告,2002-2012年間,美國共發生2758起重大飛行事故,其中有8起是飛行員自殺所致,約占總數的0.3%。
幸運的是,上述8起事件中,有7起是飛行員獨自駕機自殺,另一起事件的飛機上僅載有一名乘客,由此導致的人員傷亡和社會影響較小。若是飛行員駕駛滿載乘客的大型民航客機蓄意自殺,甚至故意撞擊地面人口密集區或空中其它飛機,後果將十分嚴重。
據英國媒體2014年3月報道,自1976年以來,因飛行員自殺而導致的民航客機空難已經至少發生了8次。例如,1997年12月新加坡勝安航空公司185號航班、1999年10月埃及航空公司990號航班、2013年11月LAM莫桑比克航空公司470號航班墜毀事件均被懷疑是由于飛行員自殺造成的。
盡管各國航空公司對該問題已經有所重視,並采取了一些防範措施,其中包括規定飛行期間駕駛艙內應至少保持2名機組人員,但這樣的措施也只能做到治標而無法治本。若機組成員中真的有人處心積慮地想墜機,並在駕駛艙內突然襲擊其他人員,後者在倉猝之間將很難有效自衛,更談不上及時制止犯罪行爲了。顯然,要從根本上杜絕這類問題的發生,最有效的措施就是在民機上普及無人駕駛技術,完全取消飛行員。
國外研究近況
目前,無人機在軍事領域得到了廣泛應用。相比之下,在民用航空領域的應用明顯滯後。鑒于無人駕駛技術的誘人前景,近年來,英美等國加強了在這方面的研究和探索,並取得了相當進展。有專家預測,無人駕駛商用飛機將有可能在無人駕駛汽車之前投入正式運營。英國BAE系統公司的工程師甚至樂觀地表示,乘坐無人駕駛客機將成爲未來人們空中旅行的主要模式。
1.英國ASTRAEA無人駕駛客機研究項目。
ASTRAEA項目三大關鍵技術能力之一:自主感知規避
ASTRAEA項目三大關鍵技術能力之一:自主氣象探測規避
ASTRAEA項目三大關鍵技術能力之一:自主緊急迫降
在英國,以BAE系統公司爲首的一個研究團隊正在政府的資助下,實施一項名爲“與航空評估有關的自主式系統技術”(ASTRAEA)的研究項目,對發展大型無人駕駛商用客機所必需的關鍵技術及操作流程進行開發測試,並對民用無人機投入商業營運的可行性進行驗證。
目前,ASTRAEA項目團隊使用一架經過專門改裝的16座“噴氣流”31小型雙發渦槳動力飛機作爲空中平台,來對無人駕駛客機相關技術進行驗證測試。該機大量沿用了當前的軍用無人機技術,可通過地面操作員的遙控實現無人駕駛飛行。同時,該機又和普通民航班機一樣,能聽從並及時響應空中交通管制員發出的指令,從而可以完全納入到國家空域系統的管理範圍中。
從這些需求出發,ASTRAEA項目團隊將重點對三大關鍵技術能力進行研究和測試:對障礙物的自主感知規避、對惡劣氣象的自主探測規避以及緊急情況下的自主迫降能力。
2013年4月,ASTRAEA項目研究人員與英國民航管理局合作,成功完成了“噴氣流”無人機首次試飛。在此次試飛中,“噴氣流”無人機從英格蘭西北部蘭開夏郡的沃頓機場起飛,往北飛行,到達500英裏(約804千米)外的蘇格蘭境內的因弗內斯,然後再返回。飛機的整個飛行過程均是在地面操作員和英國國家空中交通管制局空管人員的指揮下,通過機上自主控制系統進行的。
在飛行過程中,“噴氣流”的客艙內沒有搭載乘客,但在駕駛艙內保留了一名駕駛員作爲監控,以便在出現意外情況時能及時接管飛機。這與谷歌公司所進行的無人駕駛汽車試驗有些類似,盡管汽車是以遙控方式在公路上行駛,但車內仍配置了一名經驗豐富的駕駛員和一名工程師作爲備份,他們在必要的時候可以隨時接管汽車的控制權。
“噴氣流”無人機的此次成功試飛得到了英國工業界和官方的高度評價,英國商務和能源事務大臣米歇爾?法倫就此發表聲明,聲稱此舉將爲英國航宇工業“開辟全新的途徑”,將使其“步入世界民用無人機研發領域的領先行列”。
按計劃,“噴氣流”無人機還將進行一系列後續試飛,並將重點對自主感知規避能力進行測試。爲此,在“噴氣流”飛行過程中,將會特地安排其它飛機在該機航路附近飛行,其中部分飛機還將故意沖向“噴氣流”,以造成有可能相撞的態勢,從而測試“噴氣流”無人機上的自主系統能否及時察覺識別這些“侵入航路”的飛機,並采取相應的避讓措施。
2.無人駕駛貨運飛機研究項目。
在歐洲和美國,對民用貨運無人機的研究已經開展多年。荷蘭于2011年6月成立了一個名爲“無人貨運飛機平台”(PUCA)的研究組織,目前已經擁有荷蘭皇家航空公司(KLM)、福克公司和荷蘭國家航宇實驗室(NLR)等成員,並著手對各種可行的民用貨運無人機方案進行探討。其中,荷蘭國家航宇實驗室提出的渦輪螺槳貨運無人機和特溫特大學(UT)提出的噴氣貨運無人機方案尤其值得關注。
荷蘭特溫特大學提出的噴氣貨運無人機方案
在美國,以美國聯邦快遞公司(FedEx)爲代表的貨運物流公司表現得非常活躍,該公司對民用貨運無人機的發展動向一直保持著密切關注,並提出了一系列概念方案。
近年來,聯邦快遞公司創始人兼首席執行官佛瑞德?史密斯曾多次表示,希望能盡快將公司目前的有人貨運機隊轉換成無人機隊。按照聯邦快遞公司的評估,利用貨運無人機來承擔商業貨運任務,將會在保留目前空運所有優勢的前提下,帶來成本費用的大幅下降。例如,其相對于海運的成本劣勢,將會從目前的“10倍級”(即:在目前技術條件下,貨物空運的成本費用相當于海運的10余倍)迅速下降到“2倍級”。
聯邦快遞公司尤其重視大型貨運無人機的發展,對飛翼或者翼身融合體布局特別青睐,希望能充分利用其較大的機體內部空間,以增大運貨量或者搭載大型貨物。出于慎重,聯邦快遞公司計劃在其貨運機隊全部實現無人化之前,先在有人機和無人機之間做一銜接和過渡,引入“可選有人駕駛”(即保留駕駛艙,在執行任務時再根據需要選擇有人或無人駕駛)技術,並開始研究一種采用此技術的大型貨運飛機方案,要求該機可在完全無人駕駛或者僅保留一名飛行員的情況下實現越洋飛行。
面臨的主要問題
由于取消了飛行員,民用無人機不僅在操控模式上迥異于傳統的有人駕駛民用飛機,而且會在航空法規、地面設施、人員培訓、維護保障等方面引起一系列變革。
由于上述原因,民用無人機大量使用後,在有效解決飛行員人爲因素這一重要事故誘因的同時,也將不可避免地會在航空安全方面帶來一些新問題。從歐美國家的研究情況來看,民用無人機要在世界範圍內全面推廣使用,面臨的問題主要有以下三個方面:
1.民用無人機融入國家空域問題亟待解決。
出于保證飛行安全等原因,目前世界主要國家的軍民用無人機均只能在專門劃定的隔離空域中飛行。但隨著軍民用無人機數量的迅速增加,尤其是大型高空長航時無人機越來越多地投入使用,這種管理措施已經很難滿足要求。因此,要想將包括貨運無人機在內的民用無人機大量投入運營,就必須使其擺脫目前的隔離空域限制,完全納入到國家空域系統的管理範圍中。
對政府機構來說,有必要制訂無人機適航、操作員執照和空域使用等方面的法律法規。在技術方面,存在著無人機如何集成到現有空中交通管理和空域環境、相關技術及過程的驗證確認、數據通信鏈路的帶寬限制及時間延遲、感知規避技術及其操作程序、意外情況下的應急處理、在普通機場起降滑行時的地面操作管理等一系列問題。要減少對社會的消極影響並得到最大程度的社會認可,還必須解決無人機發生事故時(尤其是在有人員傷亡時)的受害者利益保護、降低無人機被劫持的潛在風險、個人隱私信息的保護等問題。
2.目前無人機所采用的數據鏈遙控模式和對GPS導航信號的依賴存在安全隱患。
與軍用無人機類似,目前的民用無人機主要采用預編程與“人在回路中”數據鏈遙控相結合的控制方式,這對于任務模式比較簡單的民用無人機來說,已基本能滿足要求。但這種控制方式存在著先天的安全隱患,因爲技術再先進的數據鏈也存在被人爲幹擾甚至欺騙的可能。2011年12月發生的美國RQ-170“哨兵”無人機被伊朗俘獲事件就暴露出這一點,盡管該事件內幕至今尚未揭曉,但是美軍數據鏈遭伊方破解的可能性仍不能排除。民用無人機通信數據鏈出于成本考慮等原因,通常不會采用最先進的加密手段,其被幹擾破解的可能性無疑會更大。
此外,當前大部分無人機主要采用全球定位(GPS)/慣性導航(INS)組合導航方式,因而對GPS導航信號高度依賴,由此會帶來另一安全隱患。2012年6月,美國德克薩斯州立大學的一個研究生團隊在試驗中,僅耗資約1000美元就研制出一套簡易電子欺騙設備,通過發送虛假的GPS信號,成功劫持一架民用無人機。該團隊在試驗後發表的聲明中稱,由于GPS系統對民用車輛、船只、飛機發出的信號都是未加密和開放的,因此民用無人機“天生就不安全”。
今後,犯罪分子很可能會利用上述漏洞來幹擾或劫持民用無人機,甚至制造類似“9?11”事件這樣的慘劇。若在機上保留飛行員,這種情況就很難發生,因爲機上人員可以對某些明顯不符常理的指令(飛入禁飛空域、撞向其它飛行物或地面建築等)産生警覺並及時予以修正,必要時還可接管飛機的控制權。
3.無人機需要配置地面操作員而帶來了新的人爲事故誘因。
從嚴格意義上講,目前采用數據鏈遙控模式的無人機並不是真正“無人”的,因爲它們仍需要操作員在地面控制站內進行監視、遙控,尤其是在起飛、著陸以及部分任務執行期間更是如此,這不可避免地會帶來操作員人爲事故誘因。根據美國軍方在阿富汗戰場上無人機事故的統計,其中人爲因素導致的飛行事故占相當大的比例,達到17%。
究其原因,一方面,固然是因爲傳統有人機駕駛員容易出現的各種人爲差錯,也會不同程度地在無人機操作員身上存在;另一方面,則與無人機操作員所處工作環境的特點有關。
在目前技術條件下,無人機操作員是在地面控制站內進行遙控操作的,並沒有真正在空中身臨其境,因而缺乏現場情景意識,並且不存在對自身安全的擔憂,這導致其在對現場態勢的感知、判斷和處理等方面,還不能和有人機駕駛員完全相提並論,從而可能會出現誤操作。
例如,當無人機遇到惡劣天氣時,由于地面操作員不能像有人機駕駛員那樣通過自己身體現場感受所遇到的湍流,並由此對其嚴重程度做出准確評估,因而很可能沒有及時躲避而導致飛行事故發生。
長期以來,無人機的安全可靠性一直低于有人機,這引起了相當一部分人的疑慮,並在很大程度上阻礙了無人駕駛技術在民機領域的應用。但從前面的分析我們可以看出,無人機由于從源頭上消除了飛行員人爲因素這一當前最主要的事故誘因,在進一步提高民機安全性方面具有巨大的潛在優勢,同時其近期所存在的一些安全隱患問題也比較容易通過技術手段來得到控制或緩解,因此,從總體上講是瑕不掩瑜的。
此外,我們還應看到,隨著系統可靠性的不斷提高、使用經驗的持續積累和操作員訓練水平的日益改善,國外軍用無人機的事故率正逐年下降,目前已經接近有人機的水平(2012年美國MQ-1“捕食者”/MQ-9“死神”無人機的事故率與F-15/F-16戰鬥機基本相當)。對于民用無人機來說,隨著技術的進步和運用的成熟以及相關法規制度的不斷完善,今後其安全可靠性也同樣會逐步提高,屆時其在航空安全領域相對于傳統有人機的優勢將會日益顯著地體現出來。