航空飛行技術(shù)創(chuàng)新及其發(fā)展方向分析

惠宇航，王旭東

（1.中國人民解放軍空軍航空大學(xué)，吉林 長春 130021；2.空軍招飛局蘭州選拔中心，甘肅 蘭州 730020）

近年來，大數(shù)據(jù)、云計算以及人工智能等技術(shù)推動下的新技術(shù)革命對人們的生活產(chǎn)生十分深刻的影響，這些技術(shù)表現(xiàn)出非常顯著的現(xiàn)代化發(fā)展特點，在它們的作用下，人們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。從目前實際發(fā)展情況上來看，中國部分發(fā)達地區(qū)，自動駕駛等極為先進的技術(shù)已經(jīng)逐漸被商用，而在航空航天領(lǐng)域，智能飛行技術(shù)也必然會成為極具航空創(chuàng)新意義的新型技術(shù)發(fā)展方向，毫無疑問，它的出現(xiàn)及發(fā)展會在極大程度上給予人們新的體驗。

1 航空創(chuàng)新——智能飛行的愿景

所謂智能飛行，其實指的就是對現(xiàn)階段已經(jīng)出現(xiàn)的高級自動化以及智能化技術(shù)進行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)之上，與今后航空航天領(lǐng)域的發(fā)展方向相結(jié)合，針對其智能化的飛行目標(biāo)所作的規(guī)劃。結(jié)合國際上制定與實施的《航空戰(zhàn)略實施規(guī)劃》以及空地協(xié)同體系演化趨勢，中國提出“有人監(jiān)督、無人駕駛”理念，這是一種基于自主駕駛技術(shù)驅(qū)動的理念，智能飛行在其中發(fā)揮著尤為關(guān)鍵的作用。從今后發(fā)展愿景上來看，智能飛行可以主要劃分為3個重要階段，具體如圖1所示。

圖1 航空航天智能飛行愿景的3個重要階段

1.1 輔助智能飛行階段（2020—2025年）

此階段的面向?qū)ο笾饕羌惺降倪\輸管理體系，從其本質(zhì)上來看，應(yīng)當(dāng)屬于一種對現(xiàn)階段航空航天飛行器駕駛予以兼容的具有輔助作用的、智能化程度尚不成熟的飛行模式，目的在于將飛行過程中的綜合感知能力強化。

在此階段，通過對多樣化、靈敏度可以保證的傳感器以及暢通無阻的地、空通信通道的高效運用，可以助力智能飛行更好地強化自身感知飛機本體、機組狀態(tài)甚至是周邊運行環(huán)境的能力。對于以地面指令為基礎(chǔ)的空管體系而言，通過對智能飛行技術(shù)的有效運用，可以更加順利與有效地實現(xiàn)同實時飛行場景的密切結(jié)合，在此基礎(chǔ)上將適宜且確切的綜合信息發(fā)布出來，為機組制定并落實相應(yīng)的決策提供強有力的支持。另外，在復(fù)雜場景以及多變的天氣環(huán)境下，智能飛行技術(shù)又可以很好地達到擴大及優(yōu)化自動駕駛功能輻射范圍的目的，在適當(dāng)?shù)乃较聦C組的操作壓力緩解，進行客戶效益潛力的更好挖掘。

1.2 增強智能飛行階段（2025—2035年）

以空、地協(xié)同的運輸管理體系為面向?qū)ο?，對原有的飛行駕駛方式進行創(chuàng)新的一種增強型、智能化飛行模式。此模式下的飛行全勢態(tài)感知能力已經(jīng)非常成熟，甚至已經(jīng)達到完善的水平，可以基于機組的監(jiān)督實現(xiàn)自主式飛行。

在該階段，在實時空地信息交互以及數(shù)字孿生技術(shù)的支持下，智能飛行可以進一步地將全態(tài)勢感知以及飛行狀態(tài)預(yù)測功能發(fā)揮出來[1]。另外，在對標(biāo)準(zhǔn)/預(yù)設(shè)飛行場景的理解之上，空地協(xié)同又可以助力以空域全局最優(yōu)為背景的飛行器自主任務(wù)決策目標(biāo)的達成。而借助于全面、實時而又清晰的人機交互界面，可為機組情景感知以及應(yīng)急操作作業(yè)的順利與有效開展提供保證，達到單一飛行員駕駛的目的。

1.3 完全智能飛行階段（2035—2050年）

以空、天、地一體化為面向?qū)ο蟮囊环N自主化、智能化飛行模式，具有強大而又完善的對飛行場景進行感知以及辨識的能力，可以實現(xiàn)以統(tǒng)一規(guī)則為基礎(chǔ)的協(xié)同決策，同時，亦能達到對人類彈性需求予以滿足的全自主式飛行目的。

在此階段，在一體化空、天、地信息融合平臺的有力支持下，如圖2所示，智能飛行可以全面、詳細而又準(zhǔn)確地理解復(fù)雜、多樣且不斷變化的飛行場景，通過對空地-空空協(xié)同的充分利用，可以持續(xù)性地優(yōu)化并最終完善人類的彈性出行需求，最終打造出一種全自助式的“自由飛行”局面。

圖2 空天一體化信息融合

2 智能飛行的基礎(chǔ)技術(shù)——適航可信性技術(shù)

長期以來，人工智能技術(shù)的可信度及怎樣對其加以證明，始終是航空航天領(lǐng)域關(guān)注的重點。而要想采用正向研究的方式對技術(shù)可靠性加以證明，需要以智能飛行技術(shù)為對象，針對其適航可信性展開全面而又細致的分析，通過強有力的證據(jù)向適航當(dāng)局揭示：以極具現(xiàn)代化特點，同時又非常先進的智能飛行技術(shù)為支持，相關(guān)軟硬件設(shè)施可以在事先已經(jīng)知曉的運行環(huán)境以及相應(yīng)的約束條件之下達到持續(xù)性保持飛行安全性的目的，通過采用行之有效的適航符合性證明方法，公眾可以很好地被說服，它們對于智能飛行技術(shù)安全性的認(rèn)知以及信任程度都會由此而得到明顯的提升。航空航天領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸及其傳輸過程中的質(zhì)量要求示意圖如圖3所示。

圖3 航空數(shù)據(jù)傳輸以及質(zhì)量需求傳輸示意

毋庸置疑，智能飛行技術(shù)的出現(xiàn)及其不斷應(yīng)用與推廣會在很大程度上向原有航空航天運輸體系的運行發(fā)出挑戰(zhàn)，使其實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，也就是由起先的以機械自動化技術(shù)為支撐的航空航天發(fā)展體系大幅度跨越為由數(shù)據(jù)為其提供強有力支持的智能化航空航天發(fā)展體系，這種跨越提出的要求明顯要更高，需要以技術(shù)可解釋性、安全魯棒性、數(shù)據(jù)公正等等諸多層面為視角，針對人工智能技術(shù)所表現(xiàn)出來的適航安全性作全面而又細化的驗證[2]。對于智能飛行技術(shù)來說，數(shù)據(jù)對其發(fā)揮著不容忽視的驅(qū)動性作用，故而從最初的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作開始，到模型的構(gòu)建，再到算法的選型，最后到超參數(shù)的調(diào)整，整個過程都必須做到以數(shù)據(jù)的完整性以及無誤性作為重要支撐。國內(nèi)外學(xué)者以及業(yè)界人士針對這一問題，已經(jīng)將關(guān)注重點放在對技術(shù)可解釋性的強化之上，目的就在于將其技術(shù)優(yōu)勢更加充分地發(fā)揮出來，以此做到為航空航天領(lǐng)域發(fā)展提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

對于上述課題，學(xué)者以及領(lǐng)域相關(guān)人員已經(jīng)作了很多的研究及分析，歐盟與美國在差異化技術(shù)的支持下，通過對不同路線的探尋進行研發(fā)。其中，歐盟從以下4個方面展開，強化同人工智能技術(shù)研究及開發(fā)人員之間的交流與合作，力求實現(xiàn)對良性互動的人工智能社區(qū)的打造，這4方面具體如下：①對一種評估人工智能影響社會具體情況的方法進行研究與開發(fā)；②制定對人工智能模型魯棒性進行評估的標(biāo)準(zhǔn)化流程；③將各種人工智能模型航空應(yīng)用風(fēng)險評估報告采用公開的方式發(fā)布出來；④對可解釋智能模型設(shè)計理念進行研究，該模型以航空用戶的基本需求為基礎(chǔ)。另外，歐盟還進行了人工智能發(fā)展藍圖的繪制，該藍圖的功能在于明確今后EASA在人工智能適航規(guī)章上的路線。

在可解釋人工智能項目的有效帶動之下，美國在近幾年逐漸加大了對高校的資助，不斷致力于對可解釋性理論進行融合的新型機器學(xué)習(xí)技術(shù)的研究及開發(fā)，現(xiàn)如今，美國已經(jīng)完成了對多種形式的可解釋模型的構(gòu)建工作（包括顯示回顧解釋模型、事后解釋模型、學(xué)習(xí)過程因果模型以及解釋增強學(xué)習(xí)模型等等），它們圍繞性能度量以及解釋性度量的權(quán)衡空間展開相互之間的比較，并在此基礎(chǔ)之上進一步得到了一種表現(xiàn)出可視化優(yōu)勢的數(shù)據(jù)分析曲線，同時，還將互動交流式問答對話機制建立起來，并實現(xiàn)了對交互式機器學(xué)習(xí)模型的有效構(gòu)建，在此模型的支持下，用戶可以從更加直觀的層面上了解人工智能技術(shù)以及以技術(shù)為支持的系統(tǒng)，不僅如此，還可以很好地了解其應(yīng)用情況，并在此基礎(chǔ)之上增強對它們的信任[3]。

綜合以上內(nèi)容，與中國實際發(fā)展情況進行充分結(jié)合，可以推斷，中國智能技術(shù)適航可信性關(guān)鍵技術(shù)將會朝著以下方向發(fā)展：①航空數(shù)據(jù)質(zhì)量保證技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)各個節(jié)點，均有相應(yīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求為航空數(shù)據(jù)提供質(zhì)量方面的保證；②訓(xùn)練模型可解釋性，對模型解釋輸入與輸出之間因果關(guān)系的推理能力進行分析；③算法與模型魯棒性；④模型輸出數(shù)據(jù)不確定性分析，對一些超范圍異常場景導(dǎo)致的風(fēng)險加以規(guī)避。

3 航空飛行控制技術(shù)的發(fā)展

飛行器的飛行要有高超的飛行控制系統(tǒng)，航空業(yè)經(jīng)過了數(shù)百年的發(fā)展，飛行控系統(tǒng)使用控制技術(shù)也走過了近一個世紀(jì)的歷程。在最初的萊特兄弟首次發(fā)明飛機之后，飛機由過去簡單粗糙逐步變得更加精細化，智能化飛控系統(tǒng)已經(jīng)取得了巨大的進步，在最早期飛行管控系統(tǒng)，會使用滑輪鋼索等機械傳動的器具。隨著飛行器性能的提升，飛機自然特性也在逐步下降，對飛行控制系統(tǒng)要求更高，飛行器在設(shè)計操控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計出飛行反饋控制原理，使用電傳飛行控制系統(tǒng)，電傳控系統(tǒng)會將飛行狀態(tài)信息和駕駛員操縱信息輸入到控制系統(tǒng)內(nèi)。駕駛員在不知情的狀況下，會改變飛機的特點，這種也就是智能化操控系統(tǒng)功能?？梢杂行Ы鉀Q飛機性能不佳的問題和飛機穩(wěn)定性不強的問題，能夠提供更加安全穩(wěn)定可靠的操控。在電傳飛行控制系統(tǒng)上就增加了邊界保護、故障重構(gòu)的功能。目前也獲得了更加完整承受性的飛行操控系統(tǒng)，也會減少駕駛員操控的負(fù)荷壓力。自動駕駛系統(tǒng)的產(chǎn)生也是目前的航空飛行控制技術(shù)與人工智能技術(shù)融合的典型例子。

人工智能技術(shù)在當(dāng)前航空飛行控制技術(shù)中發(fā)展歷程也發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，它會促使當(dāng)代航空飛行技術(shù)的發(fā)展。近幾年，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展及航空飛行控制技術(shù)發(fā)展，這2種技術(shù)能夠相互融合，更快去滲透深入[4]。具體來講，在飛機上使用專門的智能系統(tǒng)，可以對駕駛員行為進行研究。對飛行駕駛員的操作加以糾正，還能夠自行決定決策輔助駕駛員去完成飛行器控制，這種是依賴于智能化操控系統(tǒng)簡稱為智能飛行系統(tǒng)。

無人機對智能化飛行控制要求更強，無人機是通過利用遙感操控方式，以利用自動化程序來控制無人機。一般是用于執(zhí)行偵查、探測固定航線的飛行，無人機的飛行航線狀態(tài)都是預(yù)先在操控性上設(shè)計好的，在從本質(zhì)上來講，無人機的操控者目前仍然是駕駛員，無人機不能夠作出自適應(yīng)環(huán)境的決策，無人機在自動化智能化技術(shù)下，完成各項任務(wù)，將駕駛員解放出來，以減少損耗，這對智能化的技術(shù)需求更大。

4 發(fā)展展望

從長遠視角上來看，航空航天領(lǐng)域的智能飛行技術(shù)將會朝著輕小型、運動型以及大型客機方向發(fā)展，且這已成為一個主流的發(fā)展趨勢。不過，要想實現(xiàn)此技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的全面推進，需要對很多因素進行綜合分析，從目前來看，相關(guān)人員應(yīng)重點分析智能化技術(shù)的引入對艙內(nèi)人為因素設(shè)計產(chǎn)生的影響，同時，還要采取有效措施解決當(dāng)前智能化技術(shù)難以被置于現(xiàn)行適航體系框架中的問題。對于航空航天智能飛行技術(shù)而言，要想實現(xiàn)長足發(fā)展，必須將自身同其他因素之間的關(guān)系處理好。