為什么飛行員在自動駕駛飛機時代很重要

2001 年 8 月，一位匿名訪客在流行的航空網(wǎng)站 Airliners.net 的論壇上發(fā)帖。他們想知道“需要多長時間才能培養(yǎng)飛行員”，并觀察到“20 年左右”的技術可能會如此先進，以至于飛機可以自行飛行?！澳敲?，如果幾年后一個人會被技術淘汰，那么現(xiàn)在上大學并成為一名航空公司飛行員真的有用嗎？”

24 年后，使飛機自行飛行所需的基本技術已經存在，大多數(shù)商業(yè)航班主要在自動駕駛儀上飛行的事實證明了這一點。然而，商用飛機飛行的基本模式并沒有真正改變。乘客仍然由兩名或兩名以上訓練有素的人類飛行員組成團隊駕駛大型噴氣式客機。

航空公司距離無人駕駛飛機還有幾十年時間的主要原因歸結為嚴格的航空監(jiān)管框架。該法規(guī)的核心是認證，即政府機構確定飛機設計是否可以安全飛行的過程。即使對于基于成熟技術的傳統(tǒng)飛機，從設計到認證的概念也可能需要數(shù)億美元和十年的大部分時間。采用任何新技術，例如將飛行員從駕駛艙中移出所需的自主性，這個過程只會變得更長、更昂貴，而且不能保證成功。

盡管如此，盡管面臨巨大的困難，新一代初創(chuàng)公司正在為自動駕駛客機和貨機的認證而努力，在此過程中為航空業(yè)的新篇章奠定了基礎。這些公司從小型飛機開始，而不是客機：電動空中出租車和通?？扇菁{十幾人的單引擎飛機。不僅初創(chuàng)公司的預算更容易管理相關的資本成本，而且還需要一個有說服力的安全案例：小型飛機仍然容易發(fā)生那些在很大程度上已經從商業(yè)航空公司運營中消除的事故類型。根據(jù)飛機所有者和飛行員協(xié)會匯編的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，僅在美國，每年就有大約 300 人死于小型飛機和直升機墜毀。

“失去控制——飛機作不當，通常是由于迷失方向或工作量過大——以及受控飛行進入地形，[這些]是小型飛機事故的主要原因，”Reliable Robotics 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官羅伯特·羅斯 （Robert Rose） 說，該公司是目前為數(shù)不多的幾家致力于改造的初創(chuàng)公司之一，可以使 Cessna Caravan 飛機能夠自主飛行。作為 SpaceX 和特斯拉的資深人士，Rose 堅信“作為一個國家，我們擁有防止這些事故的技術。如果我們能 [自主] 將火箭降落在海洋中央的一艘小駁船上，顯然我們可以在機場找到中心線。

航空自主性的經濟案例

雖然實現(xiàn)小型飛機自動駕駛的安全性論點令人信服，但此舉從根本上植根于經濟學?？偛课挥诩永Ｄ醽喼莸?Reliable Robotics 和總部位于馬薩諸塞州的 Merlin Labs 正在開發(fā)其自動駕駛大篷車的商業(yè)版本，最初是為貨運支線行業(yè)開發(fā)的，該行業(yè)使用小型飛機代表 FedEx 和 UPS 等承運商將包裹運送到農村市場。（兩家公司都有軍事資金來開發(fā)自動駕駛飛機。這些支線網(wǎng)絡的飛行員通常是獨自飛行，通常是在夜間和惡劣天氣下飛行，他們的安全記錄很差。這是航空業(yè)中一個相對低容量的部分，沒有資金用于第二飛行員和航空公司運營中典型的其他風險緩解措施。

Reliable Robotics 是為 Cessna Caravan 飛機配備先進軟件的幾家公司之一，為包括貨物運輸在內的應用提供高度的自主性。 可靠的機器人技術

在新興的空中出租車行業(yè)，自動駕駛的經濟論點更加令人信服，數(shù)百名有希望的人——包括十幾名認真的競爭者——正在競相開發(fā)電動垂直起降飛機，在擁擠的城市地區(qū)運送乘客。這些 eVTOL 中的大多數(shù)都有直升機那么大，只能容納四到五名乘客，其支持者設想在主要城市上空飛行數(shù)十甚至數(shù)百架，每年總共運送數(shù)百萬乘客。這個概念被稱為城市空中交通，在支撐它的推測數(shù)學中，消除飛行員的費用并為付費乘客騰出另一個座位被視為最大化利潤和規(guī)模的關鍵。

中國已經認證了一款無人駕駛空中出租車：EH216-S，這是一款由廣州億航智能開發(fā)的雙座多旋翼飛機，于 3 月獲得中國民用航空局的初步批準，可用于有限的商業(yè)觀光業(yè)務。然而，許多西方觀察家懷疑億航智能的設計能否通過美國聯(lián)邦航空管理局 （FAA） 或歐盟航空安全局 （EASA） 的審查，這兩者都對安全采取了特別保守的方法。出于這個原因，大多數(shù)西方 eVTOL 制造商選擇首先開發(fā)有人駕駛的飛機，并計劃在以后的某個日期推出自動駕駛版本。他們認為，即使沒有自主性，尋求新型電動飛機設計的認證也已經是這些監(jiān)管機構的一個大要求。

這一戰(zhàn)略的一個值得注意的例外是 Wisk Aero，它最初是由谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人拉里·佩奇 （Larry Page） 資助的一個項目，現(xiàn)在是波音的全資子公司。2022 年 1 月，該公司宣布，到本十年末，其自動駕駛空中出租車將獲得 FAA 認證，并在此后的五年內每年運營近 1400 萬次航班——這是一個驚人的雄心壯志，因為整個美國空中交通系統(tǒng)目前每年管理約 1600 萬次航班。雖然在宣布后的三年里，對城市空中交通的過熱預期已大大降溫，但 Wisk 繼續(xù)推進其自動駕駛第 6 代 eVTOL，這是該公司的第六款飛機設計，也是它計劃為載客運營認證的第一架飛機。

Wisk 第六代電動垂直起降飛機的模型于 2022 年 10 月亮相。 威斯克

重要的是，Wisk、Reliable Robotics 和 Merlin Labs 不僅在開發(fā)自動駕駛飛機，他們還已經與 FAA 啟動了正式的認證計劃。這意味著他們正在與該機構密切合作，以確定自動駕駛飛機獲得商業(yè)運營許可的規(guī)則和標準，為其他人開辟一條道路。這項任務艱巨，但監(jiān)管機構和行業(yè)并不是從零開始。相反，他們以數(shù)十年的認證經驗和最佳實踐為基礎，這些經驗和最佳實踐在其歷史上幫助極大地改善了航空業(yè)的安全性。

航空安全從認證 開始

盡管 2025 年 1 月在華盛頓特區(qū)里根國家機場附近發(fā)生的一架陸軍黑鷹直升機和一架美國鷹 CRJ700 空中相撞致死事件動搖了公眾對美國航空運輸系統(tǒng)安全的信心，但商業(yè)航空仍然是一種非常安全的出行方式。據(jù)麻省理工學院的研究人員稱，2018 年至 2022 年期間，全球每 1370 萬名乘客登機時就有 1 人因商業(yè)航空旅行而死亡。50 年前，風險要高出一個數(shù)量級：1968 年至 1977 年期間，每 350,000 次登機就有 1 人。

安全方面的巨大飛躍有很多原因，認證過程是一個重要的原因。今天，大多數(shù)航空事故都歸因于人為錯誤，但這并不是因為人天生就不如飛機可靠。這是因為在過去幾十年中，系統(tǒng)的設計和測試方法消除了許多過去經常導致事故的機械問題。在這種情況下，通過自主性提高安全性的論點可以被認為是將更多的責任從高度可變的人類轉移到可以受到更嚴格審查的工程系統(tǒng)。

認證的首要原則是，飛機上的設備和系統(tǒng)的設計和安裝必須使其在可能遇到的任何可預見的情況下按預期運行。“按預期執(zhí)行”包括不執(zhí)行任何意外的功能。意外功能的一個例子是將飛機的機頭推低到飛行員可以恢復的高度——這是隱藏的軟件缺陷的致命結果，該缺陷導致波音 737 Max 發(fā)生兩次墜毀，并導致機隊長時間停飛，而該疏忽得到了補救。

認證的另一個關鍵原則是，故障條件的概率必須與其后果成反比。換句話說，故障的影響越嚴重，其發(fā)生的可能性就越小。飛機是復雜的機器，有數(shù)百萬個組件，這些組件可能會而且肯定會出現(xiàn)故障，但其中許多組件可能會出現(xiàn)故障而不會產生嚴重影響。例如，如果機艙內的燈泡經常燒壞，這沒什么大不了的。FAA 等認證機構通常接受對安全影響可以忽略不計的故障情況的高概率。但是，具有潛在災難性的故障條件要求是“極不可能的”。

從根本上說，故障條件是否極不可能是一種定性評估，它依賴于工程師對系統(tǒng)可能如何發(fā)生故障的最佳判斷，并得到對故障可能性的數(shù)值評估的支持。大型商用客機上的關鍵系統(tǒng)被控制在數(shù)值安全級別 10-9，這意味著災難性故障預計不會超過十億飛行小時中的一次（相當于大約 114,000 年的連續(xù)運行中發(fā)生一次）。

實現(xiàn)如此極低的概率可能需要昂貴、笨重和冗余的系統(tǒng)，因此監(jiān)管機構通常會放寬對載客量較少的小型飛機的安全期望。例如，像 Cessna 172 這樣的四座飛機只能保持在 10 的數(shù)字安全級別-6，這意味著災難性故障預計不會超過百萬飛行小時一次。也就是說，飛機制造商可以自由地按照更高的標準進行設計，而 Wisk 的目標是最高的數(shù)值安全級別 10-9，用于其第 6 代 eVTOL。

無論駕駛艙內是否有人類飛行員，這些認證的基本原則都適用，這就是為什么自動駕駛飛機的開發(fā)人員有信心他們不需要完全重新發(fā)明認證框架。

“每個人都認為，你需要以與思考有人駕駛的飛機不同的方式來考慮自主性，”Wisk 的認證、安全管理體系和質量副總裁 Cindy Comer 說?！暗珜嶋H上，我們不能將這些失敗情況轉嫁給飛行員。我們仍然以相同的方式進行安全評估。我們仍然可能以非常相似的方式設計我們的飛機，但可能是更高的層次，可能有更多的冗余，或者我們可能增加設備，因為我們不再有那個可以坐在那里看到東西、抓住東西、拉動斷路器的人。

“所以這促使我們的安全評估說，'好吧，我們現(xiàn)在不能把它放在飛行員身上。那我們穿什么呢？

飛機自主化重點項目

實現(xiàn)自動駕駛可認證面臨獨特的挑戰(zhàn)

回答這個問題 — 我們把它放在什么上面 — 對于每一種可預見的故障情況，都是認證自動駕駛飛機的真正工作所在。傳統(tǒng)駕駛飛機可能使用相同的總體認證框架，但它們擁有數(shù)十年的認證歷史和先例的優(yōu)勢，可以填寫所有細節(jié)，包括起落架的驅動以及儀表和標語牌的標記等要求。對于自動駕駛飛機上的新系統(tǒng)，其中許多細節(jié)必須與 FAA 或其他認證機構進行談判，這些機構必須在每種情況下都說服他們，所提出的解決方案至少與傳統(tǒng)飛機上使用的方法一樣安全。

在美國，型號合格證的申請人在提出如何滿足 FAA 的安全目標方面具有相當大的靈活性。對于每個采用新技術的項目，申請人和機構都就一套要求和標準達成一致，這些要求和標準成為該飛機的“監(jiān)管基礎”。從理論上講，每個自動駕駛飛機開發(fā)商可能都有非常不同的監(jiān)管基礎，盡管在實踐中，F(xiàn)AA 正在尋找共同點。盡管如此，這種方法的靈活性允許行業(yè)在將解決方案編入法規(guī)之前探索各種可能的方法來遵守認證要求。

Merlin Labs 于 2024 年 6 月啟動了其認證就緒自主系統(tǒng)的飛行測試活動。Merlin Pilot 系統(tǒng)直接集成到飛機上，旨在在短期內減少機組人員的工作量，而不是完全取代飛行員。梅林實驗室

“一旦你有了監(jiān)管基礎，那么你就需要就如何證明你對所有這些法規(guī)的遵守達成一致，”Rose 說。“你可以從現(xiàn)有標準中提取，你可以修改現(xiàn)有標準，或者在某些情況下，你甚至可以只提出你自己的標準?！痹诰秃弦?guī)方式達成一致后，申請人和監(jiān)管機構制定詳細的項目計劃，其中概述了將要執(zhí)行的測試以及將提交給監(jiān)管機構以支持認證的報告（稱為工件）。

對于具有實際作歷史的傳統(tǒng)有人駕駛飛機，這些飛機在國家空域中的大部分功能都是假設的?！按笮蜕逃蔑w機在世界各地的機場運營，配備相對知名的靜態(tài)設備，幫助它們導航、接近和著陸，”直到最近擔任 Wisk 首席執(zhí)行官的 Brian Yutko 說（他現(xiàn)在負責波音的商用飛機產品開發(fā)）。他補充說，這種基礎設施已經建立了幾十年，并以通常被認為是理所當然的方式反映在飛機的設計中。

現(xiàn)有系統(tǒng)嚴重依賴人類飛行員通過無線電與空中交通管制員通信。自動駕駛飛機將需要新的作概念或“ConOps”來了解其運行方式，例如，這可能包括使用地面監(jiān)督員來處理無線電呼叫。反過來，每個 ConOps 的細節(jié)將影響飛機設計要求。根據(jù) Comer 的說法，在認證過程開始時將 ConOps 具體化“有助于推動對實際工作達成共識，而 FAA 的每個申請人都可能有所不同。

基本上，Wisk 打算讓其自動駕駛空中出租車（Yutko 將其比作“空中有軌電車”）沿著非常具體和有限的路線飛行，并預先確定緊急著陸位置。與當今大多數(shù)小型有人駕駛飛機（或者就此而言，大多數(shù)自動駕駛汽車）執(zhí)行的各種靈活作相比，如此狹窄的任務集更容易實現(xiàn)自動化。同時，地面上的人工監(jiān)督員將監(jiān)控航班并根據(jù)需要與空中交通管制人員溝通。

Reliable Robotics 的自動化 Cessna Caravans 也將配備遠程作員來處理與空中交通管制的通信，但它們將飛越更大、變化更大的作區(qū)域。由于這種復雜性的增加，Reliable 選擇將其自動駕駛飛機的認證工作分成多個塊，首先是認證先進的、始終在線的自動駕駛儀。這將在飛行的所有階段提供幫助，但不會取代機載飛行員，包括著陸以及滑行和起飛——這是傳統(tǒng)自動駕駛儀無法做到的。將飛行員帶出駕駛艙將作為后續(xù)認證項目進行。

自動駕駛飛機將做自動駕駛儀做不到的事情

自動駕駛的支持者喜歡指出，如今大多數(shù)商業(yè)航空公司的航班從起飛后不久到著陸或著陸前都是在自動駕駛模式下飛行的。因此，歐洲航空監(jiān)管機構 EASA 預計要到 2050 年之后才會看到完全自動駕駛的客機，而其他監(jiān)管機構甚至沒有推測這一轉變的時間表，這似乎令人驚訝。

“解決”飛機的自主性問題不僅僅是擴展現(xiàn)有自動駕駛儀的功能，原因有很多?；撅w行控制 — 移動飛行控制面和電源輸入，使飛機以您想要的方式和地點飛行 — 是一件相對簡單的自動化事情，大多數(shù)時候，當一切按預期進行時，自動駕駛儀工作得很好。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的自動駕駛系統(tǒng)都假設有一名人類飛行員，因此它們不夠可靠，無法實現(xiàn)完全自主。

“今天有自動駕駛執(zhí)行器進入飛機，”Reliable 聯(lián)合創(chuàng)始人 Rose 指出?！暗怯幸粋€人坐在那里監(jiān)視它們，如果 [執(zhí)行器] 做任何有趣的事情，那么你就會按下關閉開關，或者實際上，在許多情況下，你可以用物理方式壓倒執(zhí)行器。我們的情況并非如此 — 我們的執(zhí)行器需要一直工作。

更具挑戰(zhàn)性的是解決一切未按預期進行的情況，例如當另一架飛機與編程的飛行路徑發(fā)生沖突或流浪車輛擋住指定的跑道時。自動駕駛飛機開發(fā)人員不能指望遠程作員來管理這些類型的緊急、突然的沖突，因為地面和飛機之間的指揮和控制 （C2） 連接也可能出現(xiàn)故障。

“飛機在沒有 [飛行員] 的情況下，需要知道它在哪里，如何到達它要去的地方，以及如何在其運營概念的整個過程中避免沿途發(fā)生的事情，”Yutko 說。他說，Wisk 的第 6 代飛行員將能夠安全地完成飛行，即使它在起飛后立即失去了 C2 鏈接和 GPS 信號。“事實證明，如果你不這樣做，那么你就會開始對 C2 鏈路或你維護 GPS 的能力施加非常困難的技術要求?！?/p>

在支撐城市空中交通的推測數(shù)學中，取消飛行員的費用并為付費乘客騰出另一個座位被視為最大化利潤和規(guī)模的關鍵。

Wisk 和 Reliable Robotics 都沒有在其技術解決方案中使用機器學習算法，這在很大程度上是因為對于如何確保航空業(yè)嚴格標準此類算法的安全性沒有達成共識。這些算法通常被描述為“非確定性”，這意味著無法從其輸入中可靠地預測其輸出。

一些自動駕駛飛機開發(fā)商正在將人工智能整合到他們的設計中。例如，Merlin Labs 正在開發(fā)自然語言處理算法，以便與空中交通管制進行通信。然而，在大多數(shù)情況下，自動駕駛飛機開發(fā)商并不僅僅依靠技術來解決飛行中可能出現(xiàn)的無數(shù)意外情況，這就是地勤運營商的用武之地。

“我們基本上已經采用了所有可以確定性地 [自動化] 的東西，我們正在使其具有確定性，”Rose 解釋說?！耙约八械氖虑?.....很難自動化，人類可以輕松完成，然后讓人類來做。

這就提出了一個問題：如果需要人類來監(jiān)督自動駕駛飛機，那么他們的商業(yè)案例是否仍然成立？他們的開發(fā)人員說確實如此，但方式并不像從資產負債表上剔除“飛行員”那么簡單。例如，這些遠程主管需要培訓，但這可能遠不如熟練駕駛飛機所需的培訓那么廣泛和昂貴。對于 Reliable Robotics 和其他以貨物交付為目標的公司來說，Autonomy 還有望提高現(xiàn)有貨物支線網(wǎng)絡的效率。

“現(xiàn)實情況是，在貨機中，尤其是小型貨機，飛行員的利用率非常低，”Rose 說。支線航空公司的飛行員可能會在早上和晚上的航班之間花大部分時間在酒店房間里閑逛。如果人們改為遠程管理自動駕駛貨機，他們可以想象他們可以監(jiān)督跨多個時區(qū)的額外航班?！拔覀兊姆治霰砻鳎ㄟ^將飛行員放入我們的控制中心，您可以輕松地將飛行員的生產力提高一倍，根據(jù)任務集的不同，生產力可能會提高三倍或四倍，”Rose 說。

自動駕駛技術最終可能會涓涓細流

即使像 Wisk 和 Reliable Robotics 這樣的公司成功地認證和商業(yè)化了他們的自動駕駛飛機，人類飛行員仍然不會面臨迫在眉睫的滅絕。解決一種飛機類型和作概念的自主性問題并不意味著它適用于所有類型和作概念的問題。阻礙自動駕駛客機的技術、監(jiān)管和社會障礙是巨大的。

“我認為，只要我們都活著，就會有有人駕駛的大型商用飛機，”Yutko 說?！叭绻憬鉀Q了第 6 代，你就不會得到無人駕駛的大型飛機。你就是不愿意，而且我不確定我們這輩子會不會。然而，他確實認為 Wisk 目前正在開發(fā)的一些技術（例如在沒有 GPS 的情況下導航或自動執(zhí)行緊急檢查表的技術）可能會以增強安全性的方式進入傳統(tǒng)駕駛飛機。

“我認為這些將是我們在有生之年看到的使大型商業(yè)運輸應用受益的事情，我認為這是非凡的，”Comer 補充道。

至于在自動駕駛的陰影下，任何人開始航空公司飛行員的職業(yè)生涯是否有意義，至少目前可能仍然有意義。但再過 20 年再回頭看看。