民用无人机投入使用对航空安全的影响分析

民用无人机投入使用对航空安全的影响分析近年来，无人机在民用（涉及商用和通用）领域的应用日益得到世界各国的注重，越来越多的民用无人机开始投入使用，美、英等国还开始了大型商用货运甚至客运无人机的验证试飞。有关的研究测试和使用经验表白，民用飞机实现无人驾驶后，不仅会带来飞机综合性能改善、研发采购使用成本减少、任务效能和工作效率提高等一系列优势，在进一步减少飞行事故率、提高民机安全性的方面也同样具有重大意义。有关民用无人机大量使用后对航空安全影响的问题，发达国家已经研究近年，其部分技术成果已开始投入实际应用。1、无人机技术在提高民机安全性方面的优势在过去的几十年中，航空技术的发展大大提高了系统安全性，机械故障等因素在民机飞行事故诱因中所占的比率越来越低，而人为（特别是飞行员）因素的比率逐年提高（目前已达7080%），此后随着更多的先进技术应用于民机，这一趋势还将持续下去。这种状况表白，靠继续提高系统可靠性来改善民机安全性的空间已经很小，此后要进一步减少民机事故率，更核心的是要从消除飞行员人为因素入手。在这方面，无人机具有老式有人机无可比拟的巨大优势，这表目前如下两方面：（1）多种与飞行员直接有关的人为事故诱因将被彻底消除民用无人机上由于取消了飞行员，大量与飞行员直接有关的人为事故诱因将不复存在，特别是如下某些民机飞行员时有发生、并且难以通过技术或训练手段解决的问题，将会从源头上被根除。长途飞行给飞行员带来的身心疲劳和倒时差问题在民机长途飞行（特别是需持续飞行十几种小时的国际航班）过程中，飞行员的体能和脑力消耗很大，同步还得承受时差反映所带来的身体不适，由此很容易疲劳，从而增长出错机率。而对于无人机来说，地面控制站操作员不存在倒时差的问题，并且可以通过增长换班次数或者每班人数的方式来减少单个操作员的劳动强度，因此疲劳驾驶的问题可以很容易得到根治。飞行员在飞行途中突发疾病、食物中毒等意外状况由于飞机相对于其他交通工具的特殊性，此类状况一旦发生，将会导致严重后果。而对于多种轻小型通用飞机来说，由于数量众多，很难保证每个飞行员在登机时身心均处在良好状态，浮现此类事件的机率更高。近年发生的一起典型事件就是4月，一名81岁美国老人驾驶“塞斯纳”轻型飞机时突陷昏迷，后由其80岁老伴在地面人员的引导下将飞机降落。虽然在各国民用航空公司的大中型客机上，此类事件也并不少见。例如6月，美国大陆航空公司一架波音777客机飞行途中飞行员猝死，多亏机上有替补飞行员，飞机才幸免于难。而对于无人机地面控制站来说，虽然浮现了类似状况，也很容易安排替代操作员。机组与空管人员之间的沟通不畅问题在民用航空史上，由于机组与空管人员之间沟通不畅（不同国家语言差别、管制用语读音不精确、指令带有歧义等）而导致的飞行事故屡见不鲜。民机实现无人驾驶后，这种状况将会得到彻底改观。由于无人机上没有飞行员，在其飞行过程中，空管人员将不再通过老式的语音通信与飞行员交流，而是直接以无线电信号与飞机联系。在无人机起降阶段，尽管塔台人员与负责操控无人机起降的地面操作员之间需要一定的沟通，但由于两者一般位于同一机场，互相之间的交流也远比目前畅通。飞行员对自动驾驶设备的过度依赖问题现代民机的自动化限度不断提高，在极大减少了飞行员劳动强度的同步，也会带来某些负面效果。例如，容易导致飞行员对自动驾驶设备的过度依赖，工作中缺少积极性和预见性，在实际手动操作时将复杂的思维过程简略化，浮现某些本不该发生的差错，甚至还会导致部分飞行员纪律松懈，浮现重大违规行为。在近期发生的马来西亚航空公司370号航班失联事件中，媒体就披露该机飞行员在先前的航班飞行中曾擅自将乘客带入驾驶舱内逗留。而在4月，印度航空公司甚至浮现了2名飞行员相继离开驾驶舱而让乘务员代开飞机的事件。在这种状况下，还不如进一步提高飞机的自动化限度，彻底取消飞行员。（2）飞行员被胁迫或自身积极的航空犯罪将被有效避免以至根治自9.11事件以来，为了避免民机被犯罪分子空中劫持，各国相继出台了一系列应对措施：进一步加强机场安检、提高机组人员处置劫机犯罪的能力（涉及为部分飞行员配备武器）、在机上部署携带武器的便装空警等，美国部分大型客机的驾驶舱甚至还专门改装了装甲舱门并且在飞行期间完全关闭，虽然是乘务员也不能随便进入。然而正可谓“百密难免一疏”，只要民机上的驾驶舱还存在，就难免会为劫机犯罪留下可乘之机，因而始终是安全面的一种致命短板。不仅如此，世界各国还需认真面对近年来时有发生的飞行员涉嫌犯罪问题。特别是对美国此类民用航空业高度发达的国家来说，由于国内飞机和驾驶员数量庞大（目前美国通用飞机超过20万架，约60万人获得飞行执照），难以对其实行有效的监控。一旦飞行员由于多种因素而浮现犯罪倾向，甚至驾机自杀，将很难防备和制止。在“9.11”事件后不久的1月，美国佛罗里达州就发生了一名15岁少年驾机撞击大楼事件。而根据美国联邦航空局（FAA）初发布的调查报告，间美国共发生2758起重大飞行事故，其中有8起是飞行员自杀所致，约占总数的0.3%。但是，这8起事件中有7起是飞行员独自驾机自杀，另一起事件的飞机上仅载有一名乘客，由此导致的人员伤亡和社会影响也相对较小。若是驾机者故意撞击地面人口密集区或空中其他飞机，甚至驾驶满载乘客的大、中型民航客机蓄意自杀，后果将更加严重。据英国媒体3月报道，自1976年以来因飞行员自杀而导致的民航客机空难已经发生了8次。例如，1997年12月新加坡胜安航空公司185号航班、1999年10月埃及航空公司990号航班坠毁事件均被觉得是飞行员自杀而导致的。而近期的马航370号航班失联事件尽管谜团仍没解开，但是初步调查成果显示该机机长有重大嫌疑。显然，要从主线上杜绝以上问题，最有效的措施无疑就是在民机上普及无人驾驶技术。退一步讲，此后虽然浮现了民用无人机被地面劫持并威胁到其他飞机或地面安全的极端状况，对于除无人驾驶客机以外的其他机型，完全可以考虑将其击落以避免由此也许导致的更大损失，而不必象目前这样由于顾忌到机上无辜人员的生命安全，解决起来会束手束脚。2、目前民用无人机在航空安全领域存在的重要问题目前世界民用无人机发展还处在起步阶段，其技术尚未完全成熟，有关的航空法规也尚有待完善，因此不可避免地会存在多种影响飞行安全的问题。其中最值得关注的有如下三个方面：（1）无人机难以及时感知规避障碍物导致空中碰撞的风险增长目前无人机机载传感器的视野较为狭窄，其环境感知能力比较有限，再加上数据链时间延迟、信号干扰等因素，致使地面操作员往往无法及时察觉并判明空域状况。此外，出于技术、成本等方面考虑，目前绝大多数无人机并没有安装“空中防撞系统”（TCAS，现代大、中型商用飞机已普遍配备）此类设备，无法通过信号询问/应答的方式来对周边空域保持监测。因此当无人机在空中飞行时，存在着与其他飞行物和地面高山、建筑发生碰撞的也许。在此后，随着军、民用无人机使用的不断普及，空中飞行的无人机将不断增多，这种状况也将会越来越严重。在近年的伊拉克和阿富汗战场上，美国及北约盟国军方的无人机活动频繁，就带来了日趋严重的安全问题，并在相称限度上干扰了有人机的正常飞行。在这期间，美军及其盟军无人机在高空、低空甚至机场起降时都曾发生过与军用有人机相撞的事故，甚至威胁到了民航飞机的安全。例如8月，一架德国军方的“月神”无人机在阿首都喀布尔上空险些与一架载客100余人的阿富汗客机相撞，双方相距近来时仅2米，此事件被披露后曾在德国国内引起轩然大波。（2）目前无人机所采用的数据链遥控模式和对GPS导航信号的依赖存在安全隐患与军用无人机类似，目前的民用无人机重要采用预编程与“人在回路中”（man in the loop）数据链遥控相结合的控制方式，这对于任务模式比较简朴的民用无人机来说，已基本能满足规定。但这种控制方式存在着先天的安全隐患，由于技术再先进的数据链均存在被人为干扰甚至欺骗的也许。12月发生的美国RQ-170“哨兵”无人机被伊朗俘获事件就暴露出这一点，尽管该事件内幕至今尚未揭晓，但是美军数据链遭伊方破解的也许性仍不能排除。考虑到民用无人机通信数据链出于成本考虑等因素，一般不会采用过于先进高档的加密手段，其被干扰破解的也许性无疑会更大。此外，目前大部分无人机重要采用全球定位（GPS）/惯性导航（INS）组合导航方式，因而对GPS导航信号高度依赖，由此会带来另一安全隐患。例如6月，美国德克萨斯州立大学的一种研究生团队在实验中，仅耗资约1000美元就研制出一套简易电子欺骗设备，通过发送虚假的GPS信号，成功劫持一架民用无人机。该团队在实验后刊登的声明中称，由于GPS系统对民用车辆、船只、飞机发出的信号都是未加密和开放的，因此民用无人机“天生就不安全”。在此后，犯罪分子很也许会运用上述漏洞来干扰或劫持民用无人机，甚至制造类似“911”事件这样的惨剧。若在机上保存飞行员，这种状况就很难发生。由于机上人员可以对某些明显不符常理的指令（例如飞入禁飞空域、撞向其他飞行物或地面建筑等）产生警惕并及时予以修正，必要时还可接管飞机的控制权。（3）无人机需要配备地面操作员而带来了新的人为事故诱因从严格意义上讲，目前采用数据链遥控模式的无人机并不是真正“无人”的，由于它们仍需要操作员在地面控制站内进行监视、遥控，特别是在起飞、着陆以及部分任务执行期间更是如此，这不可避免地会带来操作员人为事故诱因。根据美国军方在阿富汗战场上无人机事故的记录，其中人为因素导致的飞行事故占相称大的比例，达到17%。究其因素，一方面固然是由于老式有人机驾驶员容易浮现的多种人为差错，也会不同限度地在无人机操作员身上存在，另一方面则与无人机操作员所处工作环境的特点有关。在目前技术条件下，无人机操作员是在地面控制站内进行遥控操作的，并没有真正在空中身临其境，因而缺少现场情景意识，并且不存在对自身安全的担忧，这导致其在对现场态势的感知、判断和解决等方面，还不能和有人机驾驶员完全相提并论，从而也许会浮现误操作。例如当无人机遇到恶劣天气时，由于地面操作员不能像有人机驾驶员那样通过自己身体来现场感受所遇到的湍流，并由此对其严重限度做出精确评估，因而很也许没有及时规避而导致飞行事故发生。3、解决无人机飞行安全问题的重要技术措施从近年世界各国在有关领域的探讨研究来看，要解决目前无人机在航空安全领域内所存在的问题，需要从管理和技术两个方面入手。前者重要波及到人员培训、安全教育、内部管理、航空法规等，后者则重要涉及如下某些措施：（1）开发和应用无人机自主感知规避技术为理解决目前无人机易发生空中碰撞的问题，目前国外正在开发高辨别率/高敏捷度的探测传感器、迅速自动检测与辨认、自主规避控制等先进技术并将其应用于无人机，从而使无人机具有自主的“感知与规避”（sense and avoid）能力。其具体做法是：通过在无人机上安装雷达、红外、激光等传感器，使其可以及时探测、辨认正在逼近的多种飞行器及其他障碍物，并在飞控系统的控制下进行相应的机动规避，最后使无人机可以绕过障碍物飞行，避免碰撞事故的发生。目前美国和欧洲在此领域的研究已经获得了相称的进展，其技术成果正在走向实际应用。美国空军已经表达，其最新研制的“机载感知规避”（ABASSA）系统将一方面装备RQ-4“全球鹰”无人机，此后该系统还将应用到其他各型无人机。此外，目前国外还在探讨为各无人机地面控制站配备一定数量的观测员。此类人员通过专门培训，具有无人机系统设备的有关知识以及有人机飞行员、无人机操作员的操作技能，并且熟悉有关的航空法规。在无人机飞行或起降过程中，观测员可协助操作员，加强空域环境的监测，绕开恶劣天气空域并避免发生碰撞事故。（2）优化无人机指挥控制系统设计并加强安全防护从某种意义上讲，无人机地面控制站就相称于老式的飞机驾驶舱，只但是其位置从飞机移到了地面上。因此在控制站的设计中，可充足借鉴近年来飞机驾驶舱设计方面的成熟技术和丰富经验，遵循机械设计、人机工程和美学准则，在操作控制方式、仪表板/显示屏布置和座椅外形设计等方面，尽量与操作员及有关任务的特点相适应，使操作界面更具人性化，尽量减少也许诱发操作员浮现人为差错的因素。与此同步，在无人机上也需采用相应的技术措施，为其配装敏捷度更高的传感器，并使传感器的布置更加合理，尽量少留观测死角，从而可将更全面、更实时的环境态势信息从空中传到地面，将无人机所处的现场环境更逼真地呈目前操作员面前。此外，还应加强无人机地面控制站的安全防护，地面控制站网络系统与互联网应保持物理隔离，并严格规范多种移动介质的使用，以堵截犯罪分子发动网络入侵的途径。对于部分承当较重要任务的民用无人机，其通信数据链和GPS导航信号有必要采用一定的加密措施，同步可考虑采用目前开发中的不依赖GPS的新型导航技术（例如英国BAE系统公司正在研究的NAVSOP“通过随机信号导航”系统）。这虽然会带来一定的成本增长，也是物有所值的。（3）在民用无人机营运初期采用合适的过渡性措施为了缓和民用无人机在营运初期所存在的安全可靠性问题，目前国外也在考虑采用合适的妥协折衷措施，引入如下技术用作有人机与无人机之间的过渡：可选有人驾驶技术飞机上仍保存驾驶舱，在执行任务时再根据需要选择有人或无人驾驶。在执行航时长、单调枯燥或者空域环境相对简朴的任务时可采用无人模式，而在执行承当重要敏感、易招致不法分子破坏或者空域环境较为复杂的任务时采用有人模式。尽管与真正的无人驾驶相比，可选有人驾驶飞机由于仍需保存座舱及其他与乘员有关的设备，因而在相称限度上削弱了无人驾驶所带来的优势，但它仍然有助于减少飞机的平常使用费用并可提高部分特殊场合的任务效率，同步还可为此后发展完全无人驾驶的同类飞机做先期摸索和经验积累。有人/无人机混合编队技术由一架（或少量）有人机与多架无人机构成空中编队，其中的有人机将负责领队或伴飞。在这样的编队中，由于保存有有人机，因而可以对空域环境进行现场观测与体验，并且可以对编队内的无人机实行近距离控制指挥，这无疑比单一的无人机飞行更加安全可靠。近年美国联邦快递公司（FedEx）就提出了这样的设想：由多架货运飞机构成“V”形编队（类似大雁等鸟群），编队中只有位于“V”字顶端、担任领队的一架飞机才是有人驾驶的，其他飞机都是无人的。这在原理上有些类似目前的铁路货运列车（其中只有领头的机车才是有人驾驶的，其后的所有货运车厢均是无人的），不同之处在于货运列车车厢之间是通过机械装置保持连接，货运飞机编队内部则是通过无线电信息保持联系。4、结束语长期以来，无人机的安全可靠性始终低于有人机，这引起了相称一部分人的疑虑，并在很大限度上阻碍了无人机在民用领域的应用。但从前面的分析我们可以看出，无人机技术在进一步提高民机安全性方面所具有的潜在优势在当今时代正日渐突出，其目前所存在的某些影响飞行安全的问题也较容易通过技术手段来得到控制或缓和，因此从总体上讲是瑕不掩瑜的。我们还应看到，随着系统可靠性的不断提高、使用经验的持续积累和操作员训练水平的日益改善，国外军用无人机的事故率正逐年下降，目前已经接近有人机的水平（美国MQ-1“捕食者”/MQ-9“死神”无人机的事故率与F-15/F-16战斗机基本相称）。此后随着技术的进步和运用的成熟，民用无人机的安全可靠性也同样会不断提高，其在航空安全领域相对于老式有人机的优势也将会日益明显地体现出来。（中国商飞北研中心 陈黎）