无形之手：自动化、人为因素与无人机

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作者：玛戈·马奇班克

作者与业内专业人士讨论自动化、人的能力与局限性这三者的强大结合如何以独特的方式影响无人航空。

航空业对自动化存在一种矛盾心理，体现在一个古老的笑话中，它甚至可能比大多数现代驾驶舱自动化系统出现得更早。在这个老掉牙的玩笑中，理想的机组人员被描述为一名飞行员和一条狗。飞行员负责喂狗，而狗在那里看着飞行员，不让飞行员乱动任何东西，否则就咬他/她。法航 447 航班以及埃塞俄比亚航空和狮航波音 737 Max 坠毁等事故都明确地表明，机器与人的结合可能是灾难性的。

相比之下，某种形式的自动化从一开始就是无人驾驶航空的一部分。但同样的问题也适用。人类操作员在无人驾驶操作中扮演什么角色？有哪些人为因素问题？以及这会如何影响操作的安全？

人在环中

作为一名航空运输副驾驶和阿德莱德大学的首席远程飞行员，米切尔·班宁克涉足两个领域：他深谙人为因素在传统航空和无人驾驶操作中的作用。他表示，传统有人航空中对人为因素的考量，例如威胁与差错管理以及态势感知，很容易迁移到无人机操作中，因为在无人机操作中，你必须了解空域参数并识别和管理风险。

对无人机来说，新的问题是人机界面和自动化。“你无法听到呼啸的风声来判断你正在俯冲（不像有人驾驶飞机），你必须通过自动化来抵消这种影响，这导致了对自动化的更大依赖。”他说道。

他表示，无人机自动化系统正在转型，因此人在操作中扮演的角色也随之转变。尽管民用无人机操作目前大多仍处于“人在环中”（human in-the-loop）阶段，即人类远程驾驶和操作无人机，并在飞行的各个阶段做出决策，但“我们已经迈出了一两步”，迈向“人在环上”（human on-the-loop）以及最终实现“人在环外”（human out-of-the-loop）的转型。“人在环上”意味着人并非始终直接控制，而是控制机器做出的任何决策。“这将人类控制进一步推离自动化决策的中心。” 班宁克说道，“虽然仍然需要人类监督，但人工智能 （AI）无需人类事先批准即可启动行动，与‘人在环中’的操作模式不同。”

那么“人在环外”呢？人工智能无人机有望实现自主飞行，无需人工干预，仅在操作完成后报告。“这并非遥不可及。”班宁克说道。在 2023 年 3 月的更新中，一家名为 Wing 的公司表示正在寻求扩展其模型，使其无人机能够以最高效的模式进行全天配送、飞行和充电，而无需返回中心起始点充电。

随着无人系统自动化程度的提高，人类的角色也在发生变化，与无人系统相关的人为因素也随之发生变化。人为因素旨在“优化人类操作员与系统其他要素之间的关系”，传统上侧重于态势感知、人的表现和生理机能以及威胁和差错管理等问题。但无人操作需要更精细的关注点。

指挥与控制

在很高的层面上，操作可以分为视距内操作和超视距操作（操作员看不到无人机）。

圣何塞州立大学和美国宇航局艾姆斯研究中心的人为因素研究员艾伦·霍布斯博士专注于研究能够在所有民用空域中与传统飞机协同运行的无人驾驶系统。“美国联邦航空局（FAA）表示，要实现这一目标，这些飞机需要配备仪表飞行规则（IFR）设备，由地面飞行员操控，遵守空中交通管制（ATC）规定，并满足其他要求。”他说道。

远程驾驶航空系统（RPAS）的事故率高于有人驾驶飞机。

独特的识别因素

霍布斯说，虽然无人机与有人驾驶航空器有一些相似之处 - 仍然有一名驾驶员 - 但人类与无人系统的互动方式在几个关键方面存在差异。“首先，飞行员可用的感官信息减少。”他说，“由于缺乏感官线索，（无人机）飞行员可能不知道自己正遭遇湍流、暴雨或冰雹，感觉不到机身在暴风雨中的颠簸，也闻不到烟味。”

“其次，指挥和控制是通过无线电链路进行的 - 有些人甚至称之为‘无线飞行’（fly-by-wireless）。远程飞行员必须做好可能出现链路中断的准备 - 任何链路都不可能始终保持 100% 有效，因此学会管理链路中断至关重要”。

第三是对自动化的高度且日益增长的依赖。霍布斯表示，这引发了人类监控此类系统的能力问题。我们其实不擅长在低工作负荷期间监控自动化。“存在一种风险，即看到处于低工作负荷情况（没什么大事发生）下的人，当他们从单调的‘运行正常’状态突然跳转到紧急状态时，会受到惊吓，成为惊吓效应（startle effect）的受害者”。

他说，与其设计带有舒适座椅和柔和灯光的远程飞行员工作站，不如考虑创造一个能够对抗低工作负荷困倦危险的环境。

飞行过程中的控制交接是另一个需要考虑的因素。对于 RPAS 操作，飞行员交接比在有人驾驶飞机上的交接更具动态性。“远程飞行员可能会将控制权移交给另一个大陆上的飞行员，交接完成后，可能就回家了 - 而这种情况在有人驾驶的飞行中不会发生。”霍布斯说道。

最后，还有远程驾驶站（remote pilot station）（用国际民航组织的术语来说），尽管有些人也称之为地面控制站。它与有人驾驶飞机的驾驶舱截然不同，更容易受到干扰，管理人员也更容易进入并“插手干预”。“静默驾驶舱（sterile cockpit）的概念可以应用于远程驾驶站。”他说道，“然而，与其像航空公司那样以高度为标记，例如在 10,000 英尺（约 3,000 米）以下强制执行静默驾驶舱，不如将这一原则应用于飞行阶段或机组人员交接时间。”

尺寸很重要

对于像 Aerosonde 这样的小型无人系统，需要考虑不同的人为因素。卡梅伦·德弗里斯 (Cameron Devries) 是德事隆系统澳大利亚公司的高级项目经理，该公司于 1995 年推出了 Aerosonde 无人航空系统 - 一款简单、坚固、设计坚固耐用且操作空间较小的无人机。德弗里斯表示，他们的理念是利用当前的自动化技术来支持“人在环中” - 通过减少远程操控的认知负荷，支持更有效的人类决策。

他说这需要三种不同的策略：

1. 通过自动执行常规检查清单项目来减少人的认知负荷。检查系统 A 是否存在状况 Z，然后让系统检查该检查（check the check）。

2. 系统故障时自动执行紧急程序。例如，如果发动机故障，将触发紧急程序（如最小化电力负荷并返回基地）。当操作员看到错误信号弹出时，他们知道系统将预先采取一些自动紧急程序步骤，从而为操作员提供一些认知空间来应对紧急情况。

3. 无人驾驶系统中日益复杂和强大的人工智能 (AI) 与机器学习技术可以进行实时飞行监控，并在可能发生故障时向操作员发出警报。这些工具非常擅长处理海量数据，能够在故障发生前几秒、几分钟甚至几小时就识别出来。操作员在得知部件 X 未来可能故障后，可以决定采取什么行动（如果需要的话）。

飞行员还是管制员？

德弗里斯认为，人类将在一段时间内继续处于“在环中”或“在环上”。“自动化的持续作用将是支持人类决策。”他说道，“目前（人工智能和机器学习）系统的构建方式意味着我们无法详细了解人工智能的思维过程。除非人们对人工智能的决策方式有足够的信任，否则最终决策仍需要人工干预。”

“随着系统的成熟，以及从自动化到自主化的发展，从一名远程飞行员操作一架无人飞机到操作多架无人飞机，可以想象，飞行员几乎可以成为区域空中交通管制员。我们非常擅长空中交通管制，尽管在高压力的空中交通管制环境中可能会出现更多人为因素问题，但我们可以从过去的教训中吸取教训”。

德弗里斯表示，汲取历史教训至关重要。正如首次将有人驾驶飞机引入民用空域存在协作一样，如今，随着自主系统和具备自主权的系统在民用空域逐渐成熟，“我们有一个独特的机会，让民用监管机构和无人系统行业共同努力，开发一个安全的生态系统”。

自动化与人机关系

2021 年 8 月 6 日，一架 RQ-4B “全球鹰”无人机在距北达科他州格兰德福克斯空军基地 6.8 英里处坠毁，这一事件凸显了自动化和人机关系的本质问题。根据美国空军事故调查委员会 2022 年 4 月发布的报告，飞机在空中飞行了 14 个小时后，地面控制工作站锁定。如果发生此类故障，RQ-4 会自动返回基地。然而，在此案例中，远程飞行员没有切断与飞机的地面链路，导致飞机的高度高于应有的高度。飞机试图复飞，但由于高度原因，错过了跑道，最终在基地北部发生可控飞行撞地。报告发现，如果远程飞行员切断了与 RQ-4 的链路，它“本应按照公布的程序下降，并处于正常的进近和着陆航线上”。

来源：The unseen hand: automation, human factors and drones. By Margo Marchbank. Flight Safety Australia，Aug 09 2023. 略有修改。非原文配图及视频来源于网络。

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