人們的導(dǎo)航技能正在退化

胡德良/編譯

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人們的導(dǎo)航技能正在退化

胡德良/編譯

利用長(zhǎng)時(shí)間曝光技術(shù)拍攝的倫敦?cái)z政街上的車道

· 羅杰·麥金利（Roger McKinlay）是一名衛(wèi)星通信和導(dǎo)航顧問(wèn)，在英國(guó)的萊瑟黑德市工作。曾任皇家航海學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、英國(guó)泰利斯公司工程主管，現(xiàn)在仍是英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）量子技術(shù)戰(zhàn)略顧問(wèn)委員會(huì)委員。他認(rèn)為：自動(dòng)導(dǎo)航設(shè)備正在侵蝕人們天生的導(dǎo)航能力。

1984年，我所在的團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種接收器。經(jīng)過(guò)數(shù)周的調(diào)試，隨機(jī)數(shù)字信號(hào)模模糊糊地選定一個(gè)地址，我們拿過(guò)一張地圖，標(biāo)出那個(gè)地點(diǎn)，鉛筆標(biāo)出的十字記號(hào)恰好落在我們那棟樓所在之處。30多年之后，當(dāng)時(shí)的那種驚喜仍然存在。我們現(xiàn)在所利用的技術(shù)是一樣的，但是設(shè)備變小了，我們對(duì)于精確定位的依賴程度也發(fā)生了改變。

導(dǎo)航已經(jīng)滲透到我們未來(lái)的夢(mèng)想之中——無(wú)人駕駛的汽車車隊(duì)將會(huì)搭載我們游遍全市；當(dāng)車輛通過(guò)你在網(wǎng)上看到的那家商店時(shí)，穿著你點(diǎn)擊過(guò)的那款服裝的模特就會(huì)向你招手并喊出你的名字；或者，你可以呆在家里，讓無(wú)人機(jī)給你送貨。像谷歌和亞馬遜這類的創(chuàng)新型公司，就是憑這樣的想象力來(lái)誘惑我們。

迷失方向的時(shí)代應(yīng)該結(jié)束了。衛(wèi)星導(dǎo)航的使用無(wú)處不在；到2020年，全球80%的成年人都可能擁有一部智能手機(jī)。但是，對(duì)于人們或機(jī)器來(lái)說(shuō)，還是不太容易找到周圍該走的道路。衛(wèi)星導(dǎo)航是不可靠的，因?yàn)檫@種導(dǎo)航在室內(nèi)或者在高層建筑密集區(qū)是不起作用的。例如：當(dāng)手機(jī)表明你在購(gòu)物中心的某個(gè)位置時(shí)，那實(shí)際上是一種基于地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（WiFi）的猜測(cè)位置，因?yàn)閬?lái)自衛(wèi)星的信號(hào)很微弱，相當(dāng)于從20 000公里的遠(yuǎn)處看一盞20瓦的燈泡，比較容易出錯(cuò)，容易受到干擾。

為了提高覆蓋范圍，越來(lái)越多的衛(wèi)星發(fā)射升空。到2020年，歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)擁有30顆軌道衛(wèi)星，和美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）以及俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有互補(bǔ)性。在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，中國(guó)剛剛發(fā)射了21顆衛(wèi)星。

在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)成功導(dǎo)航還需要其他的解決辦法，如將壁掛式天線和WiFi結(jié)合起來(lái)。量子物理學(xué)可能會(huì)有所幫助。盡管這項(xiàng)技術(shù)仍然處于起步階段，所需要的開(kāi)發(fā)時(shí)間將會(huì)超過(guò)10年，但是通過(guò)獲取地球引力場(chǎng)和磁場(chǎng)的微弱變化，超靈敏的微型量子傳感器或許能夠確定我們的位置，做到誤差不超過(guò)幾厘米。

然而，導(dǎo)航所涉及的問(wèn)題不僅僅是了解自己的位置。有一次，我按照衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)到了一所農(nóng)村的房子，這時(shí)我發(fā)現(xiàn)一扇大門堵住了我的去路，門上還貼著一條通知：“此門不通，GPS出錯(cuò)啦！”我并沒(méi)有迷路，我的導(dǎo)航系統(tǒng)知道我所在的精確位置，但該系統(tǒng)并不了解路況。報(bào)紙上不斷刊登衛(wèi)星定位造成的災(zāi)難事件，如：開(kāi)往地中海地區(qū)的一輛貨車卻到達(dá)英國(guó)斯凱格內(nèi)斯附近的直布羅陀角。方向感、比例感和地圖都是不可缺少的，另外了解要到達(dá)的目的地也會(huì)對(duì)我們有幫助。2014年失蹤的馬來(lái)西亞航空公司MH370號(hào)航班，能使我們了解到世界有多大。

一位貨車司機(jī)聽(tīng)從衛(wèi)星導(dǎo)航指令行駛，結(jié)果被卡在英國(guó)布魯頓的房子之間

不使用，即丟失

除非我們做到以下兩點(diǎn)，車輛移動(dòng)才會(huì)實(shí)現(xiàn)智能化。首先，我們必須認(rèn)識(shí)到數(shù)字導(dǎo)航工具并不是免費(fèi)提供的。這些工具要依靠昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施——衛(wèi)星和地面站，這些費(fèi)用都是政府不得不支付的。美國(guó)將GPS衛(wèi)星發(fā)射到位，投資超過(guò)了100億美元，而且每年花掉大約10億美元對(duì)這項(xiàng)服務(wù)進(jìn)行維護(hù)。第二，應(yīng)該更好地利用我們與生俱來(lái)的能力。導(dǎo)航設(shè)備能夠鎖定目標(biāo)位置，但不能提供到達(dá)目的地的最佳路線；要想避免撞車，利用人力司機(jī)比為自動(dòng)駕駛汽車編程更可靠。即人工選擇路線，更勝設(shè)備一籌。如果我們對(duì)天生的導(dǎo)航能力不珍惜的話，那么隨著我們?cè)絹?lái)越嚴(yán)重地依賴智能設(shè)備，這種能力將會(huì)退化。

人類的空間記憶能力是很突出的。在古希臘，演說(shuō)家們將他們的演講材料想象成一套住宅，將各種主題存放在各個(gè)房間里，然后利用想象路徑穿越建筑物將那些主題從房間里調(diào)出來(lái)?，F(xiàn)在，記憶冠軍仍然是這樣做的。

但是，導(dǎo)航能力是一種“不使用，即丟失”的技能。在模擬裝置中，跟那些使用地圖的司機(jī)相比，按照導(dǎo)航指令行駛的司機(jī)發(fā)現(xiàn)自己更加難以搞清自己所在的位置，而且他們也沒(méi)有注意到被引導(dǎo)著兩次通過(guò)同一地點(diǎn)?，F(xiàn)在，使山地救援隊(duì)感到厭煩的搜救情況是：智能手機(jī)電量耗光，而且又沒(méi)有了方向感和紙質(zhì)地圖。

隨著年紀(jì)的增大，我們的空間認(rèn)知能力、路線的辨別能力和回憶能力也都會(huì)下降?？臻g方位感的喪失是癡呆癥的早期征兆，那些患有癡呆癥的人經(jīng)常會(huì)被轉(zhuǎn)到像療養(yǎng)院這樣他們并不熟悉的地方，而這會(huì)使病人的方向感進(jìn)一步惡化。2015年的一項(xiàng)研究顯示：將近半數(shù)的初級(jí)醫(yī)生說(shuō)，聽(tīng)到病人呼救警報(bào)在前去救助的路途中，由于醫(yī)院里極簡(jiǎn)單的室內(nèi)布置中通常不設(shè)指示牌，他們?cè)?jīng)迷路，結(jié)果危及病人的生命。

這種問(wèn)題的解決辦法可能在于，要設(shè)計(jì)容易辨別方向的建筑物，而不是靠導(dǎo)航設(shè)備。重復(fù)的布局和有鏡面映照的布局會(huì)引起混亂，凌亂的走廊會(huì)使人們的心理負(fù)擔(dān)加重，簡(jiǎn)單的、令人難忘的獨(dú)特標(biāo)志（如各種圖片）有助于人們辨別方向。

人類的大腦中涵蓋了登山者可能放在背包中的一切物件。倫敦大學(xué)學(xué)院行為神經(jīng)科學(xué)家凱特·杰弗里（Kate Jeffery）介紹，當(dāng)我們離開(kāi)熟悉的路線時(shí)，我們大腦的活動(dòng)是從大腦的紋狀體向海馬體轉(zhuǎn)移的。對(duì)大鼠的研究顯示，三類細(xì)胞有助于導(dǎo)航：位置細(xì)胞，在特定的位置會(huì)興奮起來(lái)；頭部方向細(xì)胞，負(fù)責(zé)跟蹤頭部的方向；網(wǎng)格細(xì)胞，負(fù)責(zé)建立起一個(gè)坐標(biāo)系，用以判斷比例和距離。

“認(rèn)知街道活動(dòng)”是一項(xiàng)了解倫敦街道布局的活動(dòng)，研究證明這項(xiàng)活動(dòng)能夠使出租車司機(jī)海馬體部分的區(qū)域增大，在音樂(lè)家們中也觀察到了同樣的效果。有一位朋友是自由爵士派的薩克斯手，他在進(jìn)行即興音樂(lè)表演時(shí)能夠“看到”引導(dǎo)他的一串音符。

出現(xiàn)新區(qū)位可能會(huì)跟我們大腦中的地圖發(fā)生沖突，因此當(dāng)我們從地鐵站出來(lái)或者聽(tīng)到車內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)出刺耳聲音的時(shí)候，需要花時(shí)間進(jìn)行重新定位，這并不奇怪。我們的大腦必須決定是否要接受這條新信息，是否要調(diào)整我們大腦內(nèi)部的地圖，或者是否要將其作為錯(cuò)誤信息而予以排斥。一條簡(jiǎn)單可靠的線索可能會(huì)加快我們的重新定位，如：自動(dòng)扶梯頂部標(biāo)出的朝北的箭頭。

“六個(gè)9”的標(biāo)準(zhǔn)

利用衛(wèi)星進(jìn)行精確定位也可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。在開(kāi)闊的地區(qū)，GPS有著很好的水平精度，可以精確到大約3米之內(nèi)。定位是通過(guò)計(jì)算信號(hào)到達(dá)接收器所花的時(shí)間來(lái)確定的，而不是通過(guò)信號(hào)中所攜帶的任何信息來(lái)確定的。在室內(nèi)或者像城市中高樓林立的地區(qū)，信號(hào)會(huì)跳來(lái)跳去，產(chǎn)生錯(cuò)誤。

受到故意干擾的情況正在增多。2009年，工程師們?cè)谛聺晌髦菁~瓦克機(jī)場(chǎng)測(cè)試一個(gè)基于GPS的系統(tǒng)，可是每天都會(huì)受到干擾，經(jīng)過(guò)跟蹤之后找到了一輛過(guò)往的卡車——司機(jī)在卡車上安裝了GPS干擾器，目的是為了逃避雇主對(duì)他的跟蹤監(jiān)視。盜賊通過(guò)使用這樣的干擾器使轎車?yán)锏母櫻b置失效。

為了便于旅行，標(biāo)注的位置一定要跟全球的參考地圖一致。例如，GPS利用的是1984年版的世界測(cè)地系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，很少區(qū)域性航海圖遵循這一系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，致使多名船員意外觸礁。當(dāng)今的地圖是巨大的數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)，例如：英國(guó)全國(guó)地形測(cè)量主圖，其中包含4.5億個(gè)地貌特征，而且還不斷地在更新。

當(dāng)涉及到路線選擇時(shí)，人類會(huì)比設(shè)備更加明智。然而，設(shè)計(jì)師的本能就是要設(shè)計(jì)出更加智能的設(shè)備，例如：能夠了解交通狀況的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。一個(gè)好的選擇是讓用戶更容易為自己的出行路線做出安排。盡管計(jì)算機(jī)程序通過(guò)道路數(shù)據(jù)庫(kù)可以找到最短或者最省時(shí)的路線，但實(shí)際上一天中的時(shí)間、交通車輛的疏密程度以及個(gè)人偏好也會(huì)有影響。至于有高側(cè)板的車輛，司機(jī)需要知道這個(gè)路線是否能通過(guò)。

在沒(méi)有司機(jī)的情況下，如果方位、地圖或選擇路線方面出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么后果可能是很嚴(yán)重的。為車輛提供的信息必須是準(zhǔn)確無(wú)誤的、始終可用和可靠的、具有高度完整性的。

通常，這些要求僅利用簡(jiǎn)單的導(dǎo)航系統(tǒng)就能滿足。如飛機(jī)的飛行依靠基于無(wú)線電的輔助設(shè)備，其歷史可以追溯到20世紀(jì)40年代。這些設(shè)備可以測(cè)量飛機(jī)跟地面已知位置的距離或相對(duì)方位。自從20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始，飛機(jī)在霧天中可以自動(dòng)著陸了，靠的是跑道盡頭傳來(lái)的無(wú)線電波束。

這樣的系統(tǒng)旨在達(dá)到工程師所謂的“六個(gè)9”的標(biāo)準(zhǔn)——在99.9999%的時(shí)間里運(yùn)行無(wú)誤。還有一點(diǎn)必須要明確：誰(shuí)來(lái)負(fù)責(zé)這些系統(tǒng)的維護(hù)，以及一定要遵循維護(hù)的工序。

只有可靠的地面站系統(tǒng)提供幫助，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)才能滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。早在20多年前，廣域增強(qiáng)系統(tǒng)和歐洲地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃便已經(jīng)就緒。然而，目前航空中還沒(méi)有制造出足夠優(yōu)質(zhì)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)替代傳統(tǒng)的地面導(dǎo)航系統(tǒng)。對(duì)于航海來(lái)說(shuō)，目前正在考慮使用一種新型的地面導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)被稱為“遠(yuǎn)距離無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)（eLORAN）”，產(chǎn)生的信號(hào)比GPS使用的信號(hào)強(qiáng)100萬(wàn)倍。

導(dǎo)航輔助設(shè)備

我們?yōu)槭裁葱枰獙?dǎo)航工具呢？跟多數(shù)動(dòng)物一樣，我們起主導(dǎo)作用的感覺(jué)是視覺(jué)，眼睛和我們自身的內(nèi)部地圖結(jié)合起來(lái)可以發(fā)揮突出的作用。但我們同樣也需要在夜間和霧天中看到物體，需要了解到視線之外的地標(biāo)。鴿子利用磁場(chǎng)接收器來(lái)感測(cè)地球的磁場(chǎng)，如果人類能夠“看到”地球的引力場(chǎng)或磁場(chǎng)，那么我們也許就不需要耗資巨大的衛(wèi)星和無(wú)線電發(fā)射臺(tái)了，甚至連視力也不需要了。

幾十年以來(lái)，飛機(jī)、輪船和潛艇都利用陀螺穩(wěn)定平臺(tái)上的慣性傳感器來(lái)確定所處的位置。相對(duì)于某個(gè)已知出發(fā)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這些系統(tǒng)能夠精確地測(cè)量運(yùn)動(dòng)情況；但是，隨著航行距離越來(lái)越遠(yuǎn)，所產(chǎn)生的誤差也越來(lái)越大。到20世紀(jì)60年代末，飛機(jī)在飛行10個(gè)小時(shí)后，其慣性傳感系統(tǒng)仍然能夠精確到25海里（大約46公里）的范圍之內(nèi)，能夠使飛機(jī)在穿越海洋期間仍然處于設(shè)定的航空路線內(nèi)。但是，這樣的設(shè)備笨重而昂貴。

量子引力系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)之中，這種系統(tǒng)或許能夠探測(cè)到微弱的作用力變化，如站在大約一米遠(yuǎn)的人所產(chǎn)生的微弱引力都能探測(cè)到。這些系統(tǒng)是依靠量子態(tài)疊加原理運(yùn)行的，量子態(tài)疊加中的粒子同時(shí)以多態(tài)形式存在，對(duì)于時(shí)間以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)都非常敏感。

但是，所有的傳感器本身都會(huì)受到某種干擾。指南針可能會(huì)因磁性巖石而造成指示混亂，登月曾經(jīng)受到月海巖石密度的影響。可靠的解決方案可能需要多種傳感器組合起來(lái)。對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航，我們也將需要新的標(biāo)準(zhǔn)和新的地圖。

技術(shù)上所面臨的挑戰(zhàn)是巨大的。要想將傳感器原子降溫至接近絕對(duì)零度，以便降低熱噪聲，所需要的龐大激光器和精密光學(xué)儀器就能擠滿一個(gè)房間。將儀器小型化是需要花費(fèi)一定時(shí)間的，希望十年之內(nèi)能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)足夠小的系統(tǒng)安裝在火車上，用以勘探鐵軌之下的結(jié)構(gòu)、電纜和管道，但目前這方面的工作進(jìn)展緩慢，且代價(jià)高昂。

這項(xiàng)技術(shù)將給機(jī)器人和自動(dòng)駕駛帶來(lái)巨大的影響。在黑暗中，長(zhǎng)距離飛行的無(wú)人機(jī)將能夠避免碰撞。在具有充足空間的地方，如海洋和天空，無(wú)人駕駛技術(shù)是可行的。

在擁擠的道路上，效率和安全需要得到平衡。確立規(guī)章制度和共同標(biāo)準(zhǔn)就顯得非常重要了。以緊密隊(duì)形飛行的綠頭鴨在著陸時(shí)往往都是頭部朝南或者朝北，只靠視力不能夠阻止這些高速飛行的鳥(niǎo)類之間發(fā)生碰撞，因此綠頭鴨利用眼睛、嘴和耳朵中的傳感器使自己能對(duì)準(zhǔn)地球磁場(chǎng)。飛機(jī)只限于在空中走廊中飛行，因此需要解決航空沖突的問(wèn)題，管制員必須決定哪架飛機(jī)獲得優(yōu)先權(quán)。

如果車輛之間沒(méi)有一套商定的規(guī)則和交流方式，完全自動(dòng)駕駛的汽車將無(wú)法運(yùn)行，這些規(guī)則都需要配套的基礎(chǔ)設(shè)施。慢行的游覽車在購(gòu)物中心周圍安全地巡回行駛，這或許是可以做到的；但是，數(shù)百輛獨(dú)立的無(wú)人駕駛車輛在城市的街道上行駛，或者一群無(wú)人機(jī)在市區(qū)的天空飛翔，這些都是不切實(shí)際的。要想使這樣的系統(tǒng)安全運(yùn)行，其成本之高可能會(huì)令人望而生畏。法律和制度問(wèn)題、責(zé)任和保險(xiǎn)問(wèn)題，也都必須要解決。

即使沒(méi)有完全自動(dòng)化，傳感器和連接也會(huì)使汽車駕駛更加容易和安全。衛(wèi)星導(dǎo)航可能會(huì)將每一條道路都變成收費(fèi)道路。汽車上記錄的行車歷史可能會(huì)用來(lái)當(dāng)作向司機(jī)征收實(shí)際道路使用費(fèi)的依據(jù)，而不只是向他們征收費(fèi)率固定的公路稅了。2003年，為了減少倫敦市中心的交通流量而推出了進(jìn)城費(fèi)，當(dāng)時(shí)唯一可用的方法就是進(jìn)行車牌識(shí)別。

下一步的工作

政府必須在研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和規(guī)章制度的建立上進(jìn)行投資，提高導(dǎo)航水平不能只靠企業(yè)。如果想要建立一個(gè)可靠的地面衛(wèi)星接收站網(wǎng)絡(luò)，以提高導(dǎo)航能力使其足以引導(dǎo)無(wú)人駕駛，那么像英國(guó)這樣大的國(guó)家每年需要的維護(hù)費(fèi)用，相當(dāng)于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)每年的維護(hù)費(fèi)用。能夠自己執(zhí)行任務(wù)的汽車幾年之內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)，如有些汽車已經(jīng)能夠自動(dòng)停車了，但是在公路上運(yùn)行方式的根本性變革還要等幾十年才能實(shí)現(xiàn)。

在此期間，要采取三項(xiàng)實(shí)際措施。

第一，提高科學(xué)水平。我們需要了解，有人參與或無(wú)人參與的系統(tǒng)實(shí)際上是如何運(yùn)行的。認(rèn)知能力的研究可以告訴我們，人體工程學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)在哪些方面將會(huì)幫助或阻礙人類能力的提升。為受歡迎的量子技術(shù)增加研究經(jīng)費(fèi)，例如：英國(guó)2013年的研究經(jīng)費(fèi)為2.7億英鎊（3.86億美元）。然而，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)更是需要多達(dá)數(shù)十億英鎊的資金。

第二，工程師們必須認(rèn)識(shí)到這些系統(tǒng)的復(fù)雜性。他們必須利用有關(guān)人類駕駛的定量模型，并且應(yīng)該把來(lái)自神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)考慮在內(nèi)。工程師們需要避免基礎(chǔ)性的錯(cuò)誤，如：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在車站或鐵路中不可穿透帶上開(kāi)辟門口和開(kāi)挖路塹，英國(guó)一家火車公司在2014年就犯了這樣的錯(cuò)誤。

第三，進(jìn)行教育投資。學(xué)校要把導(dǎo)航知識(shí)和查閱地圖作為一種生活技能教給學(xué)生。電腦和計(jì)算器的介入并不代表沒(méi)有必要去了解數(shù)字，美國(guó)海軍又將天文導(dǎo)航知識(shí)作為一種備用技能重新教授給海軍們。

導(dǎo)航系統(tǒng)就是把復(fù)雜的系統(tǒng)和有技能的用戶結(jié)合起來(lái)，真正地實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)輸，這將會(huì)使我們能夠在許多領(lǐng)域充分地利用人才和技術(shù)。解決方案就在不遠(yuǎn)處，翻過(guò)山頭即可找到！

［資料來(lái)源：Nature］［責(zé)任編輯：絲 絲］