緊急狀況時,你想搭乘「沒有機師、完全自動駕駛」的飛機嗎?

緊急狀況時,你想搭乘「沒有機師、完全自動駕駛」的飛機嗎?
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我們想讓你知道的是

「你想搭乘沒有機師坐鎮駕駛艙,完全自動駕駛的飛機嗎?」我的答案是「NO」。接下來的問題,則是該如何讓機師與自動駕駛系統不產生衝突,銜接上不出現失誤,能夠發揮各自的能力,和睦共事?

唸給你聽
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文:伊藤惠理

二〇一〇年,Google推出的自動駕駛汽車計畫引起高度話題。那輛雙人座小型EV(電動車)專為全自動駕駛所設計,完全捨棄駕駛人用操作系統,甚至未設置方向盤、離合器和煞車。駕駛人只要坐進車內,設定路線後按下「出發」或「停止」,車子即會自動開往目的地。

雖說如此,阻擋在Google全自動駕駛汽車前面的卻是加州的法律。加州機動車輛管理局在二〇一四年九月頒布新規定:「駕駛於公有道路上的汽車,須配備在緊急時可即刻切換至人工駕駛的系統」。也就是說,自動駕駛過程中一旦遇到可能發生事故的情況,就必須改由人來駕駛以阻止事故發生。但是,相較於自動駕駛,人類駕駛者更值得信賴嗎?

「應該相信人類或自動化系統?」

「陷入意料之外的緊急狀況時,應該仰賴機師或自動駕駛?」

這個課題,自一九九〇年代起便在航空業界引發激烈討論。在航空器的設計概念上,相較於自動化系統,美國波音公司更信任人性,認為在可能發生事故的緊急狀態時應優先由機師操作飛機,這類設計屬於「以人為本的自動化」。歐洲空中巴士公司的看法卻非如此,該公司認為相較於人類,設計上更應該仰賴自動駕駛。對於這兩種極端的看法,我們該如何選擇呢?

舉例來說,「以人為本的自動化」大致包括下列情況:

  • 清楚明瞭的顯示畫面
  • 通知異常狀況的警示音
  • 依人類判斷來停止自動化系統以介入操作的系統(如果是操作航空器,表示機師可停止自動駕駛,切換為手動駕駛)

另一方面,以自動化系統為本的設計範例如下:

  • Google開發的全自動駕駛汽車
  • 緊急時避免人為介入的連動裝置
  • 因高度自動化而未考量由人工操作的系統整體

自動化系統的設計會盡可能排除人為介入的可能性。

上述兩種大相逕庭的設計概念,應該選擇哪一種呢?事實上,即便是諮詢專家,也常演變為哲學式的辯論,難以取得共識。

或許,讓我試著換個方式提問:「你想搭乘沒有機師坐鎮駕駛艙,完全自動駕駛的飛機徜徉天空嗎?」

前車之鑑

思及飛機失事的罹難者和相關人士的心情,每每讓人心痛不已。本節將介紹過往幾例涉及機師與自動駕駛的事故,讓我們藉此一同思考該相信誰的問題。

提及機師與自動駕駛之間的「衝突」所引發的航空事故,代表性案例是一九九四年發生在名古屋國際機場的華航A300空難。

這起空難發生當時,自動駕駛裝置設定在TOGA模式,這是在難以著陸時,為了重新降落而讓飛機再次爬升的重飛模式。最新型航空器配備電傳操作(fly-by-wire),機翼舵面(藉由操作其擺動來改變航空器姿態和飛行方向而裝置的舵)可藉由電子訊號驅動。「衝突」發生在機師未注意到自動駕駛已經啟動,仍手握操縱桿企圖以手動方式重新降落。結果造成自動駕駛與機師手握的操縱桿同時發出電子訊號,兩者相互干擾,最終引發了事故。這場空難可說是高度自動化系統誘發機師失誤的案例。從失事飛機的黑盒子留下的機師對話紀錄「怎麼會這樣子?!」,讓我們窺見自動化系統的不透明。自動化程度越高,人們越難理解它正在為了什麼目的而動作。這是設計自動化系統的難題之一。

A300空難後,改進了自動駕駛系統,變更為當自動駕駛運作時,只要機師啟動手動駕駛,自動駕駛系統即會中止。這樣的設計造成另一個問題,也就是自動駕駛自行中止時,可能會伴隨引發機體震動等危險狀況,因此操作守則規定原則上應由機師手動按下開關來中止自動駕駛。

另外,曾發生機師與自動駕駛系統無法良好「銜接」的案例。

一九九〇年代,麥道公司(McDonnell Douglas)(現已併入波音)所製造的MD11型飛機陸續出現故障。一九九七年,一架以自動駕駛飛行中的MD11型飛機遭遇強烈亂流,亂流帶來的影響遠大於自動駕駛系統於設計階段所預想的程度,使得自動駕駛無法有效降低飛行速度,進而超過上限值。機師切換為手動駕駛而握住操縱桿後,隨即發生上下搖擺的振盪。飛行員的操作誘發機體振盪的情形,稱為PIO(pilot-induced oscillation,飛行員誘發振盪)。事故之後,雖然為降低PIO的程度而在MD11型加裝了阻尼器,但後續在二〇〇二年仍出現其他事例,如B747-400型飛機也在類似情況下發生PIO。

我想無論是機師或自動駕駛系統,其實都具備十分優異的能力。受過完整訓練的機師,理應擁有應付航程中各種狀況的技巧和臨機應變的能力,可隨著環境的變化,釐清狀況做出判斷。這是自動駕駛系統無法模仿的部分。縱然如此,身為人類的我們,身心層面都有極限,也會感到疲勞,無論機師多麼資深都可能失誤。相對而言,自動駕駛系統只要處於設計階段所設定的條件,就可發揮優越的操控能力。基於上述種種理由,如果機師與自動駕駛能相互截長補短、「和睦」共事,不正是極致的理想型態嗎?

「你想搭乘沒有機師坐鎮駕駛艙,完全自動駕駛的飛機嗎?」我的答案是「NO」。

接下來的問題,則是該如何讓機師與自動駕駛系統不產生衝突,銜接上不出現失誤,能夠發揮各自的能力,和睦共事?

這類話題越看越像是職場的人際關係諮詢:那個人,到底都在想些什麼?咦,你做了什麼?給我等一下,居然做了多餘的事,害我工作又變多了……就像這樣,對彼此的埋怨越積越深。而此時如果有善於溝通、值得信賴的同事居中協調,職場生活會變得更加愉快吧。機師與自動駕駛系統也是一樣,兩者之間倘若有善於溝通的「協調者」介入,充當潤滑劑,該有多好。這些課題正是我的博士論文研究主軸,當時我認為解決技術問題的契機,必然隱藏在人性之中。

嘗試運用腦科學如何?

機器人和人工智慧等領域,常可見將人腦或神經系統的資訊處理運作方式,應用於工程學的例子。這引發我思考或許這類方式也可應用在飛機的操作。具體來說,我注意到的是人類小腦的「模組結構」(module structure)。

小腦擔負控制人體運動機能的重責大任,舉凡想移動手、腳、手臂、腰、腹、頸等身體各部位時,小腦都會向這些部位的肌肉發出「給我動!」的訊號。小腦中負責發出訊號的部分,按照驅動手或腳等不同機能區別,稱為模組。「模組結構」是讓個別模組所擔負的機能彼此合作的結構。換句話說,模組間存在「協調」的機能,可因應狀況,迅速正確地切換模組。小腦中這種可一氣呵成切換的出色協調功能,難道無法應用來促成機師與自動駕駛系統的相輔相成嗎?

試著把「人體」替換為「飛機」,以及把「負責向身體發出『給我動!』訊號的小腦部位」替換為「機師」與「自動駕駛」,接著嘗試在「機師」與「自動駕駛」之間應用小腦的協調功能,結果會如何呢?

無論機師或自動駕駛系統都是操作飛機的模組之一,所以這種概念既不是現有的「以人為本的設計」,也並非顛覆這樣的設計,而是一種「不以誰為本的設計」。這促使我在博士論文中提出「機師與自動駕駛系統之協調控制」(Cooperative Control between Pilot and Auto-pilot System )的想法,換言之,應用仿自小腦運動協調功能的協調機能,嘗試讓機師與自動駕駛個別的優秀操作能力能夠因應狀況完美配合。

新興科學技術的概念在正式運用於世之前,要經過研究、開發、實測三個階段。研究階段是在電腦中重現飛機事故,模擬導入新興設計概念的系統的狀況,並以數值模擬驗證新系統的效果,最後一步則是將研究成果寫成論文發表。接下來的開發階段是以研究論文為基礎進行系統開發,安裝於模擬真實航空器的飛行模擬器上,由機師操作驗證新系統的效果。最終的實測階段是將新系統安裝於實際用來飛行的航空器,反覆進行飛行測試。

我的研究是在電腦中重現過去的飛航事故,以數值模擬進行運算,檢驗我開發的新系統是否能有效防止事故發生。

當時採用的案例是二〇〇二年十月二十一日發生在日本濱松市東南方海面上的B747-400D型飛機PIO事故,類似前述一九九〇年代的MD11型飛機事故。那架班機在自動駕駛下巡航飛行時,遭遇激烈的風切效應(在水平或垂直方向因風向或風速不同而產生的風之向量差),使飛行速度變得過快。此時,從自動駕駛切換為機師手動駕駛後,立即引發機體的俯仰振盪,機體震動時在垂直方向產生極大的加速度,最終造成四人重傷、二十九人輕傷,機體部分破損。

電腦數值模擬事故的結果,垂直加速度部分可能產生最大約3.4G(重力加速度)的變化。搭載小腦協調功能模式的自動化系統,可將垂直加速度的最大變化降低至1.2G。因為後者可藉由協調功能,暫時停止引發劇烈垂直加速度變化的手動駕駛,將操作的權限切換到自動駕駛系統,讓它在機師手動駕駛時發揮如緩衝器的作用。若機師與自動駕駛間能像這樣順利切換,就可防範事故發生。

相關書摘 ►飛航管制的祕密世界:每飛行兩億小時,只容許一次的「衝突」

書籍介紹

《飛航管制的祕密世界:從地面到天空,從管制台到駕駛艙,飛航第一線直擊全紀錄》,臉譜出版
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作者:伊藤惠理
譯者:林書嫻

人類飛上天進入航空時代已逾百年。飛機上天下地,帶著人們橫渡大洋跨越大陸,我們的天空無比擁擠繁忙。

「飛航管制」也就是「空中交通管理」的世界,正一點一滴劇烈地轉變。

管理空中交通的機制是如何運作的?飛航管制員如何指揮電腦螢幕上四處閃爍的光點?在看來毫無秩序的航空交通流中,如何理出頭緒,阻止機率兩億分之一的危機發生?

有效率地排定航機順序的原則是什麼?為了維持安全飛行間隔,又該如何決定高度、速度、轉彎等管制指示?航空史上的飛航事故是否已讓研究者得出結論,人類終將打造出終極安全的空中之旅?二十一世紀的電腦已發展至擁有高度人工智慧,未來的航空交通又會是什麼樣子?

臉譜7月_飛航管制的祕密世界_立體書封(300dpi)
Photo Credit:臉譜出版

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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