妳的研究裡有著會閃閃發亮的東西：《飛航管制的祕密世界》

2017/07/13 10:05

航空管制科學家伊藤惠理歷經歐盟、荷蘭、NASA等重要職位，但在那之前她在日本只是個不被同儕承認的研究者。

文｜伊藤惠理（東京大學航空宇宙工學博士，現為日本電子航法研究所研究員）

譯｜林書嫻

　　「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○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？」

華航名古屋空難的前車之鑑

　　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○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○○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。

　　然而，現實是我的研究在日本並未受到好評，也很難找到願意協助研究的同伴。

　　我曾透過指導老師鈴木教授的推薦，前往JAXA日本宇宙航空研究開發機構的讀書會發表研究，經歷一番來自各方研究者的嚴厲批評。「現在的設計主流是以人為本的自動化系統，妳這種想法不過是旁門左道。」雖然科學家原本就容易受到批判，但像這樣研究無法獲得認同，著實讓人沮喪。

　　讀書會結束後，我拖著沉重步伐前往距離最近的JR三鷹站。搭上中央線列車的當頭，斗大的淚珠不停滑落。電車駛過新宿站時，我開始從悲傷轉為憤怒。等我回到位於本鄉的東京大學，這份憤怒已一發不可收拾，我疾步奔向鈴木教授的辦公室。我在盛怒中奮力敲打門板，教授一臉詫異地出來應門。即使如此，他還是等我全部說完才緩緩開口：

　　「妳的研究裡有著會閃閃發亮的東西，請妳繼續下去。」

　　聽到這段話，我的心情回歸平靜。恩師的一句話對我影響極大，當時如果沒有他的鼓勵，我可能早就放棄成為研究者。正當我在逆境般的研究生活中浮浮沉沉，曾被邀請前往巴黎一事赫然閃過腦海。我不斷反覆思索，一邊想著連在日本都無法做出成績、去巴黎又能成就什麼，一邊告誡自己不可一味逃避，在這樣無法下定決心的情況下日復一日。

《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》源自伊藤惠理在故鄉京都的TEDx演講。