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德国之翼坠机:驾驶技术对改善民机安全性的作用

2015年3月24日,德国之翼航空公司的一架从西班牙巴塞罗那飞往德国杜塞尔多夫的空客A320客机在法国境内的阿尔卑斯山区坠毁,机上144名乘客和6名机组人员全部遇难。

调查表明,此次事故是该机副驾驶安德烈亚斯?卢比茨故意坠机所致。而在一年前的2014年3月,马航MH370航班也被怀疑因为机长的蓄意行为导致失联。在此背景下,如何消除飞行员人为事故诱因,进一步提高客机安全性,引起了人们的高度重视。

在社会各界提出的众多预防措施中,民用飞机无人驾驶技术格外引人关注。相关研究表明,民用飞机实现无人驾驶后,不仅会带来综合性能改善、使用成本降低等优势,而且在进一步降低飞行事故率、提高安全性等方面也同样具有重大意义。

无人驾驶技术的优势

过去数十年中,航空技术的发展大大提高了系统安全性,机械故障因素在民机飞行事故诱因中所占比率越来越低,而人为(尤其是飞行员)因素的比率逐步提高,目前已达70%-80%。今后,随着更多先进技术应用于民机,这一趋势还将持续下去。

这一状况表明,靠继续提高系统可靠性来改善民机安全性的空间已经很小,要进一步降低民机事故率,更关键的是要从消除飞行员人为因素入手。在这方面,无人机无疑拥有无可比拟的巨大优势。主要表现在以下两个方面:

一、各种与飞行员直接相关的人为事故诱因将被彻底消除。

由于取消了飞行员,大量与飞行员直接相关的人为事故诱因将不复存在,尤其是以下一些民机飞行员时有发生并且难以通过技术或训练手段解决的问题,将会从源头上被消除。

1.长途飞行带来的身心疲劳等问题。

在长途飞行过程中,飞行员的体能和脑力消耗很大,还得承受时差反应所带来的身体不适,很容易疲劳,从而增加犯错的概率。

对于无人机来说,地面控制站操作员不存在倒时差问题,可以通过增加换班次数或者每班人数等方式来降低单个操作员的劳动强度,疲劳驾驶的问题很容易得到解决。

2.飞行员在飞行途中突发疾病、食物中毒等意外情况。

由于飞行的特殊性,此类情况一旦发生,将会导致严重后果。对于各种轻小型通用飞机来说,由于数量众多,很难保证每个飞行员在登机时身心均处于良好状态,出现这类事件的概率更高。近年发生的一起典型事件就是2012年4月,一名81岁美国老人驾驶“塞斯纳”轻型飞机时突陷昏迷,后由其80岁的老伴在地面人员的引导下将飞机降落。

即使在航空公司的大中型客机上,这类事件也并不少见。2009年6月,美国大陆航空公司一架波音777客机在飞行途中,飞行员猝死,多亏机上有替补飞行员,才幸免于难。而对于无人机地面控制站来说,即使出现了类似情况,很容易安排替换操作员。

3.机组与空管人员之间沟通不畅的问题。

在民用航空史上,由于机组与空管人员之间沟通不畅(不同国家语言差别、管制用语读音不准确、指令带有歧义等)而导致的飞行事故屡见不鲜。

民机实现无人驾驶后,这种情况将会得到彻底改变。因为无人机上没有飞行员,在其飞行过程中,空管人员只能以无线电信号与飞机联系。在无人机起降阶段,尽管塔台人员与负责操控无人机起降的地面操作员之间需要一定的沟通,但由于二者通常位于同一机场,相互之间的交流远比现在畅通。

二、有效防止飞行员被胁迫或主动实施航空犯罪。

自“9?11”事件以来,为了防止犯罪分子空中劫机,各国相继出台了一系列应对措施,包括进一步加强机场安检、提高机组人员处置劫机犯罪的能力、在机上部署携带武器的便装空警等。美国部分大型客机的驾驶舱甚至还专门改装了装甲舱门,在飞行期间完全关闭,即使乘务员也不能随便进入。然而,只要民机上的驾驶舱还存在,就难免会为劫机犯罪留下可乘之机。

不仅如此,我们还需认真面对飞行员涉嫌犯罪的问题。尤其是对美国这类民用航空业高度发达的国家来说,由于国内飞机和驾驶员数量庞大(美国通用飞机超过20万架,约60万人获得飞行执照),难以对其实施有效监控,一旦飞行员由于各种原因而出现犯罪倾向,甚至驾机自杀,将很难防范和制止。

2002年1月,美国佛罗里达州曾发生一名15岁少年驾机撞击大楼事件。而根据FAA在2014年初发布的调查报告,2002-2012年间,美国共发生2758起重大飞行事故,其中有8起是飞行员自杀所致,约占总数的0.3%。

幸运的是,上述8起事件中,有7起是飞行员独自驾机自杀,另一起事件的飞机上仅载有一名乘客,由此导致的人员伤亡和社会影响较小。若是飞行员驾驶满载乘客的大型民航客机蓄意自杀,甚至故意撞击地面人口密集区或空中其它飞机,后果将十分严重。

据英国媒体2014年3月报道,自1976年以来,因飞行员自杀而导致的民航客机空难已经至少发生了8次。例如,1997年12月新加坡胜安航空公司185号航班、1999年10月埃及航空公司990号航班、2013年11月LAM莫桑比克航空公司470号航班坠毁事件均被怀疑是由于飞行员自杀造成的。

尽管各国航空公司对该问题已经有所重视,并采取了一些防范措施,其中包括规定飞行期间驾驶舱内应至少保持2名机组人员,但这样的措施也只能做到治标而无法治本。若机组成员中真的有人处心积虑地想坠机,并在驾驶舱内突然袭击其他人员,后者在仓猝之间将很难有效自卫,更谈不上及时制止犯罪行为了。显然,要从根本上杜绝这类问题的发生,最有效的措施就是在民机上普及无人驾驶技术,完全取消飞行员。

国外研究近况

目前,无人机在军事领域得到了广泛应用。相比之下,在民用航空领域的应用明显滞后。鉴于无人驾驶技术的诱人前景,近年来,英美等国加强了在这方面的研究和探索,并取得了相当进展。有专家预测,无人驾驶商用飞机将有可能在无人驾驶汽车之前投入正式运营。英国BAE系统公司的工程师甚至乐观地表示,乘坐无人驾驶客机将成为未来人们空中旅行的主要模式。

1.英国ASTRAEA无人驾驶客机研究项目。

ASTRAEA项目三大关键技术能力之一:自主感知规避

ASTRAEA项目三大关键技术能力之一:自主气象探测规避

ASTRAEA项目三大关键技术能力之一:自主紧急迫降

在英国,以BAE系统公司为首的一个研究团队正在政府的资助下,实施一项名为“与航空评估有关的自主式系统技术”(ASTRAEA)的研究项目,对发展大型无人驾驶商用客机所必需的关键技术及操作流程进行开发测试,并对民用无人机投入商业营运的可行性进行验证。

目前,ASTRAEA项目团队使用一架经过专门改装的16座“喷气流”31小型双发涡桨动力飞机作为空中平台,来对无人驾驶客机相关技术进行验证测试。该机大量沿用了当前的军用无人机技术,可通过地面操作员的遥控实现无人驾驶飞行。同时,该机又和普通民航班机一样,能听从并及时响应空中交通管制员发出的指令,从而可以完全纳入到国家空域系统的管理范围中。

从这些需求出发,ASTRAEA项目团队将重点对三大关键技术能力进行研究和测试:对障碍物的自主感知规避、对恶劣气象的自主探测规避以及紧急情况下的自主迫降能力。

2013年4月,ASTRAEA项目研究人员与英国民航管理局合作,成功完成了“喷气流”无人机首次试飞。在此次试飞中,“喷气流”无人机从英格兰西北部兰开夏郡的沃顿机场起飞,往北飞行,到达500英里(约804千米)外的苏格兰境内的因弗内斯,然后再返回。飞机的整个飞行过程均是在地面操作员和英国国家空中交通管制局空管人员的指挥下,通过机上自主控制系统进行的。

在飞行过程中,“喷气流”的客舱内没有搭载乘客,但在驾驶舱内保留了一名驾驶员作为监控,以便在出现意外情况时能及时接管飞机。这与谷歌公司所进行的无人驾驶汽车试验有些类似,尽管汽车是以遥控方式在公路上行驶,但车内仍配置了一名经验丰富的驾驶员和一名工程师作为备份,他们在必要的时候可以随时接管汽车的控制权。

“喷气流”无人机的此次成功试飞得到了英国工业界和官方的高度评价,英国商务和能源事务大臣米歇尔?法伦就此发表声明,声称此举将为英国航宇工业“开辟全新的途径”,将使其“步入世界民用无人机研发领域的领先行列”。

按计划,“喷气流”无人机还将进行一系列后续试飞,并将重点对自主感知规避能力进行测试。为此,在“喷气流”飞行过程中,将会特地安排其它飞机在该机航路附近飞行,其中部分飞机还将故意冲向“喷气流”,以造成有可能相撞的态势,从而测试“喷气流”无人机上的自主系统能否及时察觉识别这些“侵入航路”的飞机,并采取相应的避让措施。

2.无人驾驶货运飞机研究项目。

在欧洲和美国,对民用货运无人机的研究已经开展多年。荷兰于2011年6月成立了一个名为“无人货运飞机平台”(PUCA)的研究组织,目前已经拥有荷兰皇家航空公司(KLM)、福克公司和荷兰国家航宇实验室(NLR)等成员,并着手对各种可行的民用货运无人机方案进行探讨。其中,荷兰国家航宇实验室提出的涡轮螺桨货运无人机和特温特大学(UT)提出的喷气货运无人机方案尤其值得关注。

荷兰特温特大学提出的喷气货运无人机方案

在美国,以美国联邦快递公司(FedEx)为代表的货运物流公司表现得非常活跃,该公司对民用货运无人机的发展动向一直保持着密切关注,并提出了一系列概念方案。

近年来,联邦快递公司创始人兼首席执行官佛瑞德?史密斯曾多次表示,希望能尽快将公司目前的有人货运机队转换成无人机队。按照联邦快递公司的评估,利用货运无人机来承担商业货运任务,将会在保留目前空运所有优势的前提下,带来成本费用的大幅下降。例如,其相对于海运的成本劣势,将会从目前的“10倍级”(即:在目前技术条件下,货物空运的成本费用相当于海运的10余倍)迅速下降到“2倍级”。

联邦快递公司尤其重视大型货运无人机的发展,对飞翼或者翼身融合体布局特别青睐,希望能充分利用其较大的机体内部空间,以增大运货量或者搭载大型货物。出于慎重,联邦快递公司计划在其货运机队全部实现无人化之前,先在有人机和无人机之间做一衔接和过渡,引入“可选有人驾驶”(即保留驾驶舱,在执行任务时再根据需要选择有人或无人驾驶)技术,并开始研究一种采用此技术的大型货运飞机方案,要求该机可在完全无人驾驶或者仅保留一名飞行员的情况下实现越洋飞行。

面临的主要问题

由于取消了飞行员,民用无人机不仅在操控模式上迥异于传统的有人驾驶民用飞机,而且会在航空法规、地面设施、人员培训、维护保障等方面引起一系列变革。

由于上述原因,民用无人机大量使用后,在有效解决飞行员人为因素这一重要事故诱因的同时,也将不可避免地会在航空安全方面带来一些新问题。从欧美国家的研究情况来看,民用无人机要在世界范围内全面推广使用,面临的问题主要有以下三个方面:

1.民用无人机融入国家空域问题亟待解决。

出于保证飞行安全等原因,目前世界主要国家的军民用无人机均只能在专门划定的隔离空域中飞行。但随着军民用无人机数量的迅速增加,尤其是大型高空长航时无人机越来越多地投入使用,这种管理措施已经很难满足要求。因此,要想将包括货运无人机在内的民用无人机大量投入运营,就必须使其摆脱目前的隔离空域限制,完全纳入到国家空域系统的管理范围中。

对政府机构来说,有必要制订无人机适航、操作员执照和空域使用等方面的法律法规。在技术方面,存在着无人机如何集成到现有空中交通管理和空域环境、相关技术及过程的验证确认、数据通信链路的带宽限制及时间延迟、感知规避技术及其操作程序、意外情况下的应急处理、在普通机场起降滑行时的地面操作管理等一系列问题。要减少对社会的消极影响并得到最大程度的社会认可,还必须解决无人机发生事故时(尤其是在有人员伤亡时)的受害者利益保护、降低无人机被劫持的潜在风险、个人隐私信息的保护等问题。

2.目前无人机所采用的数据链遥控模式和对GPS导航信号的依赖存在安全隐患。

与军用无人机类似,目前的民用无人机主要采用预编程与“人在回路中”数据链遥控相结合的控制方式,这对于任务模式比较简单的民用无人机来说,已基本能满足要求。但这种控制方式存在着先天的安全隐患,因为技术再先进的数据链也存在被人为干扰甚至欺骗的可能。2011年12月发生的美国RQ-170“哨兵”无人机被伊朗俘获事件就暴露出这一点,尽管该事件内幕至今尚未揭晓,但是美军数据链遭伊方破解的可能性仍不能排除。民用无人机通信数据链出于成本考虑等原因,通常不会采用最先进的加密手段,其被干扰破解的可能性无疑会更大。

此外,当前大部分无人机主要采用全球定位(GPS)/惯性导航(INS)组合导航方式,因而对GPS导航信号高度依赖,由此会带来另一安全隐患。2012年6月,美国德克萨斯州立大学的一个研究生团队在试验中,仅耗资约1000美元就研制出一套简易电子欺骗设备,通过发送虚假的GPS信号,成功劫持一架民用无人机。该团队在试验后发表的声明中称,由于GPS系统对民用车辆、船只、飞机发出的信号都是未加密和开放的,因此民用无人机“天生就不安全”。

今后,犯罪分子很可能会利用上述漏洞来干扰或劫持民用无人机,甚至制造类似“9?11”事件这样的惨剧。若在机上保留飞行员,这种情况就很难发生,因为机上人员可以对某些明显不符常理的指令(飞入禁飞空域、撞向其它飞行物或地面建筑等)产生警觉并及时予以修正,必要时还可接管飞机的控制权。

3.无人机需要配置地面操作员而带来了新的人为事故诱因。

从严格意义上讲,目前采用数据链遥控模式的无人机并不是真正“无人”的,因为它们仍需要操作员在地面控制站内进行监视、遥控,尤其是在起飞、着陆以及部分任务执行期间更是如此,这不可避免地会带来操作员人为事故诱因。根据美国军方在阿富汗战场上无人机事故的统计,其中人为因素导致的飞行事故占相当大的比例,达到17%。

究其原因,一方面,固然是因为传统有人机驾驶员容易出现的各种人为差错,也会不同程度地在无人机操作员身上存在;另一方面,则与无人机操作员所处工作环境的特点有关。

在目前技术条件下,无人机操作员是在地面控制站内进行遥控操作的,并没有真正在空中身临其境,因而缺乏现场情景意识,并且不存在对自身安全的担忧,这导致其在对现场态势的感知、判断和处理等方面,还不能和有人机驾驶员完全相提并论,从而可能会出现误操作。

例如,当无人机遇到恶劣天气时,由于地面操作员不能像有人机驾驶员那样通过自己身体现场感受所遇到的湍流,并由此对其严重程度做出准确评估,因而很可能没有及时躲避而导致飞行事故发生。

长期以来,无人机的安全可靠性一直低于有人机,这引起了相当一部分人的疑虑,并在很大程度上阻碍了无人驾驶技术在民机领域的应用。但从前面的分析我们可以看出,无人机由于从源头上消除了飞行员人为因素这一当前最主要的事故诱因,在进一步提高民机安全性方面具有巨大的潜在优势,同时其近期所存在的一些安全隐患问题也比较容易通过技术手段来得到控制或缓解,因此,从总体上讲是瑕不掩瑜的。

此外,我们还应看到,随着系统可靠性的不断提高、使用经验的持续积累和操作员训练水平的日益改善,国外军用无人机的事故率正逐年下降,目前已经接近有人机的水平(2012年美国MQ-1“捕食者”/MQ-9“死神”无人机的事故率与F-15/F-16战斗机基本相当)。对于民用无人机来说,随着技术的进步和运用的成熟以及相关法规制度的不断完善,今后其安全可靠性也同样会逐步提高,届时其在航空安全领域相对于传统有人机的优势将会日益显著地体现出来。