为什么飞行员在自动驾驶飞机时代很重要

2001 年 8 月，一位匿名访客在流行的航空网站 Airliners.net 的论坛上发帖。他们想知道“需要多长时间才能培养飞行员”，并观察到“20 年左右”的技术可能会如此先进，以至于飞机可以自行飞行。“那么，如果几年后一个人会被技术淘汰，那么现在上大学并成为一名航空公司飞行员真的有用吗？”

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24 年后，使飞机自行飞行所需的基本技术已经存在，大多数商业航班主要在自动驾驶仪上飞行的事实证明了这一点。然而，商用飞机飞行的基本模式并没有真正改变。乘客仍然由两名或两名以上训练有素的人类飞行员组成团队驾驶大型喷气式客机。

航空公司距离无人驾驶飞机还有几十年时间的主要原因归结为严格的航空监管框架。该法规的核心是认证，即政府机构确定飞机设计是否可以安全飞行的过程。即使对于基于成熟技术的传统飞机，从设计到认证的概念也可能需要数亿美元和十年的大部分时间。采用任何新技术，例如将飞行员从驾驶舱中移出所需的自主性，这个过程只会变得更长、更昂贵，而且不能保证成功。

尽管如此，尽管面临巨大的困难，新一代初创公司正在为自动驾驶客机和货机的认证而努力，在此过程中为航空业的新篇章奠定了基础。这些公司从小型飞机开始，而不是客机：电动空中出租车和通常可容纳十几人的单引擎飞机。不仅初创公司的预算更容易管理相关的资本成本，而且还需要一个有说服力的安全案例：小型飞机仍然容易发生那些在很大程度上已经从商业航空公司运营中消除的事故类型。根据飞机所有者和飞行员协会汇编的统计数据，仅在美国，每年就有大约 300 人死于小型飞机和直升机坠毁。

“失去控制——飞机作不当，通常是由于迷失方向或工作量过大——以及受控飞行进入地形，[这些]是小型飞机事故的主要原因，”Reliable Robotics 的联合创始人兼首席执行官罗伯特·罗斯 （Robert Rose） 说，该公司是目前为数不多的几家致力于改造的初创公司之一，可以使 Cessna Caravan 飞机能够自主飞行。作为 SpaceX 和特斯拉的资深人士，Rose 坚信“作为一个国家，我们拥有防止这些事故的技术。如果我们能 [自主] 将火箭降落在海洋中央的一艘小驳船上，显然我们可以在机场找到中心线。

航空自主性的经济案例

虽然实现小型飞机自动驾驶的安全性论点令人信服，但此举从根本上植根于经济学。总部位于加利福尼亚州的 Reliable Robotics 和总部位于马萨诸塞州的 Merlin Labs 正在开发其自动驾驶大篷车的商业版本，最初是为货运支线行业开发的，该行业使用小型飞机代表 FedEx 和 UPS 等承运商将包裹运送到农村市场。（两家公司都有军事资金来开发自动驾驶飞机。这些支线网络的飞行员通常是独自飞行，通常是在夜间和恶劣天气下飞行，他们的安全记录很差。这是航空业中一个相对低容量的部分，没有资金用于第二飞行员和航空公司运营中典型的其他风险缓解措施。

Reliable Robotics 是为 Cessna Caravan 飞机配备先进软件的几家公司之一，为包括货物运输在内的应用提供高度的自主性。 可靠的机器人技术

在新兴的空中出租车行业，自动驾驶的经济论点更加令人信服，数百名有希望的人——包括十几名认真的竞争者——正在竞相开发电动垂直起降飞机，在拥挤的城市地区运送乘客。这些 eVTOL 中的大多数都有直升机那么大，只能容纳四到五名乘客，其支持者设想在主要城市上空飞行数十甚至数百架，每年总共运送数百万乘客。这个概念被称为城市空中交通，在支撑它的推测数学中，消除飞行员的费用并为付费乘客腾出另一个座位被视为最大化利润和规模的关键。

中国已经认证了一款无人驾驶空中出租车：EH216-S，这是一款由广州亿航智能开发的双座多旋翼飞机，于 3 月获得中国民用航空局的初步批准，可用于有限的商业观光业务。然而，许多西方观察家怀疑亿航智能的设计能否通过美国联邦航空管理局 （FAA） 或欧盟航空安全局 （EASA） 的审查，这两者都对安全采取了特别保守的方法。出于这个原因，大多数西方 eVTOL 制造商选择首先开发有人驾驶的飞机，并计划在以后的某个日期推出自动驾驶版本。他们认为，即使没有自主性，寻求新型电动飞机设计的认证也已经是这些监管机构的一个大要求。

这一战略的一个值得注意的例外是 Wisk Aero，它最初是由谷歌联合创始人拉里·佩奇 （Larry Page） 资助的一个项目，现在是波音的全资子公司。2022 年 1 月，该公司宣布，到本十年末，其自动驾驶空中出租车将获得 FAA 认证，并在此后的五年内每年运营近 1400 万次航班——这是一个惊人的雄心壮志，因为整个美国空中交通系统目前每年管理约 1600 万次航班。虽然在宣布后的三年里，对城市空中交通的过热预期已大大降温，但 Wisk 继续推进其自动驾驶第 6 代 eVTOL，这是该公司的第六款飞机设计，也是它计划为载客运营认证的第一架飞机。

Wisk 第六代电动垂直起降飞机的模型于 2022 年 10 月亮相。 威斯克

重要的是，Wisk、Reliable Robotics 和 Merlin Labs 不仅在开发自动驾驶飞机，他们还已经与 FAA 启动了正式的认证计划。这意味着他们正在与该机构密切合作，以确定自动驾驶飞机获得商业运营许可的规则和标准，为其他人开辟一条道路。这项任务艰巨，但监管机构和行业并不是从零开始。相反，他们以数十年的认证经验和最佳实践为基础，这些经验和最佳实践在其历史上帮助极大地改善了航空业的安全性。

航空安全从认证 开始

尽管 2025 年 1 月在华盛顿特区里根国家机场附近发生的一架陆军黑鹰直升机和一架美国鹰 CRJ700 空中相撞致死事件动摇了公众对美国航空运输系统安全的信心，但商业航空仍然是一种非常安全的出行方式。据麻省理工学院的研究人员称，2018 年至 2022 年期间，全球每 1370 万名乘客登机时就有 1 人因商业航空旅行而死亡。50 年前，风险要高出一个数量级：1968 年至 1977 年期间，每 350,000 次登机就有 1 人。

安全方面的巨大飞跃有很多原因，认证过程是一个重要的原因。今天，大多数航空事故都归因于人为错误，但这并不是因为人天生就不如飞机可靠。这是因为在过去几十年中，系统的设计和测试方法消除了许多过去经常导致事故的机械问题。在这种情况下，通过自主性提高安全性的论点可以被认为是将更多的责任从高度可变的人类转移到可以受到更严格审查的工程系统。

认证的首要原则是，飞机上的设备和系统的设计和安装必须使其在可能遇到的任何可预见的情况下按预期运行。“按预期执行”包括不执行任何意外的功能。意外功能的一个例子是将飞机的机头推低到飞行员可以恢复的高度——这是隐藏的软件缺陷的致命结果，该缺陷导致波音 737 Max 发生两次坠毁，并导致机队长时间停飞，而该疏忽得到了补救。

认证的另一个关键原则是，故障条件的概率必须与其后果成反比。换句话说，故障的影响越严重，其发生的可能性就越小。飞机是复杂的机器，有数百万个组件，这些组件可能会而且肯定会出现故障，但其中许多组件可能会出现故障而不会产生严重影响。例如，如果机舱内的灯泡经常烧坏，这没什么大不了的。FAA 等认证机构通常接受对安全影响可以忽略不计的故障情况的高概率。但是，具有潜在灾难性的故障条件要求是“极不可能的”。

从根本上说，故障条件是否极不可能是一种定性评估，它依赖于工程师对系统可能如何发生故障的最佳判断，并得到对故障可能性的数值评估的支持。大型商用客机上的关键系统被控制在数值安全级别 10-9，这意味着灾难性故障预计不会超过十亿飞行小时中的一次（相当于大约 114,000 年的连续运行中发生一次）。

实现如此极低的概率可能需要昂贵、笨重和冗余的系统，因此监管机构通常会放宽对载客量较少的小型飞机的安全期望。例如，像 Cessna 172 这样的四座飞机只能保持在 10 的数字安全级别-6，这意味着灾难性故障预计不会超过百万飞行小时一次。也就是说，飞机制造商可以自由地按照更高的标准进行设计，而 Wisk 的目标是最高的数值安全级别 10-9，用于其第 6 代 eVTOL。

无论驾驶舱内是否有人类飞行员，这些认证的基本原则都适用，这就是为什么自动驾驶飞机的开发人员有信心他们不需要完全重新发明认证框架。

“每个人都认为，你需要以与思考有人驾驶的飞机不同的方式来考虑自主性，”Wisk 的认证、安全管理体系和质量副总裁 Cindy Comer 说。“但实际上，我们不能将这些失败情况转嫁给飞行员。我们仍然以相同的方式进行安全评估。我们仍然可能以非常相似的方式设计我们的飞机，但可能是更高的层次，可能有更多的冗余，或者我们可能增加设备，因为我们不再有那个可以坐在那里看到东西、抓住东西、拉动断路器的人。

“所以这促使我们的安全评估说，'好吧，我们现在不能把它放在飞行员身上。那我们穿什么呢？

飞机自主化重点项目

实现自动驾驶可认证面临独特的挑战

回答这个问题 — 我们把它放在什么上面 — 对于每一种可预见的故障情况，都是认证自动驾驶飞机的真正工作所在。传统驾驶飞机可能使用相同的总体认证框架，但它们拥有数十年的认证历史和先例的优势，可以填写所有细节，包括起落架的驱动以及仪表和标语牌的标记等要求。对于自动驾驶飞机上的新系统，其中许多细节必须与 FAA 或其他认证机构进行谈判，这些机构必须在每种情况下都说服他们，所提出的解决方案至少与传统飞机上使用的方法一样安全。

在美国，型号合格证的申请人在提出如何满足 FAA 的安全目标方面具有相当大的灵活性。对于每个采用新技术的项目，申请人和机构都就一套要求和标准达成一致，这些要求和标准成为该飞机的“监管基础”。从理论上讲，每个自动驾驶飞机开发商可能都有非常不同的监管基础，尽管在实践中，FAA 正在寻找共同点。尽管如此，这种方法的灵活性允许行业在将解决方案编入法规之前探索各种可能的方法来遵守认证要求。

Merlin Labs 于 2024 年 6 月启动了其认证就绪自主系统的飞行测试活动。Merlin Pilot 系统直接集成到飞机上，旨在在短期内减少机组人员的工作量，而不是完全取代飞行员。梅林实验室

“一旦你有了监管基础，那么你就需要就如何证明你对所有这些法规的遵守达成一致，”Rose 说。“你可以从现有标准中提取，你可以修改现有标准，或者在某些情况下，你甚至可以只提出你自己的标准。”在就合规方式达成一致后，申请人和监管机构制定详细的项目计划，其中概述了将要执行的测试以及将提交给监管机构以支持认证的报告（称为工件）。

对于具有实际作历史的传统有人驾驶飞机，这些飞机在国家空域中的大部分功能都是假设的。“大型商用飞机在世界各地的机场运营，配备相对知名的静态设备，帮助它们导航、接近和着陆，”直到最近担任 Wisk 首席执行官的 Brian Yutko 说（他现在负责波音的商用飞机产品开发）。他补充说，这种基础设施已经建立了几十年，并以通常被认为是理所当然的方式反映在飞机的设计中。

现有系统严重依赖人类飞行员通过无线电与空中交通管制员通信。自动驾驶飞机将需要新的作概念或“ConOps”来了解其运行方式，例如，这可能包括使用地面监督员来处理无线电呼叫。反过来，每个 ConOps 的细节将影响飞机设计要求。根据 Comer 的说法，在认证过程开始时将 ConOps 具体化“有助于推动对实际工作达成共识，而 FAA 的每个申请人都可能有所不同。

基本上，Wisk 打算让其自动驾驶空中出租车（Yutko 将其比作“空中有轨电车”）沿着非常具体和有限的路线飞行，并预先确定紧急着陆位置。与当今大多数小型有人驾驶飞机（或者就此而言，大多数自动驾驶汽车）执行的各种灵活作相比，如此狭窄的任务集更容易实现自动化。同时，地面上的人工监督员将监控航班并根据需要与空中交通管制人员沟通。

Reliable Robotics 的自动化 Cessna Caravans 也将配备远程作员来处理与空中交通管制的通信，但它们将飞越更大、变化更大的作区域。由于这种复杂性的增加，Reliable 选择将其自动驾驶飞机的认证工作分成多个块，首先是认证先进的、始终在线的自动驾驶仪。这将在飞行的所有阶段提供帮助，但不会取代机载飞行员，包括着陆以及滑行和起飞——这是传统自动驾驶仪无法做到的。将飞行员带出驾驶舱将作为后续认证项目进行。

自动驾驶飞机将做自动驾驶仪做不到的事情

自动驾驶的支持者喜欢指出，如今大多数商业航空公司的航班从起飞后不久到着陆或着陆前都是在自动驾驶模式下飞行的。因此，欧洲航空监管机构 EASA 预计要到 2050 年之后才会看到完全自动驾驶的客机，而其他监管机构甚至没有推测这一转变的时间表，这似乎令人惊讶。

“解决”飞机的自主性问题不仅仅是扩展现有自动驾驶仪的功能，原因有很多。基本飞行控制 — 移动飞行控制面和电源输入，使飞机以您想要的方式和地点飞行 — 是一件相对简单的自动化事情，大多数时候，当一切按预期进行时，自动驾驶仪工作得很好。然而，大多数现有的自动驾驶系统都假设有一名人类飞行员，因此它们不够可靠，无法实现完全自主。

“今天有自动驾驶执行器进入飞机，”Reliable 联合创始人 Rose 指出。“但是有一个人坐在那里监视它们，如果 [执行器] 做任何有趣的事情，那么你就会按下关闭开关，或者实际上，在许多情况下，你可以用物理方式压倒执行器。我们的情况并非如此 — 我们的执行器需要一直工作。

更具挑战性的是解决一切未按预期进行的情况，例如当另一架飞机与编程的飞行路径发生冲突或流浪车辆挡住指定的跑道时。自动驾驶飞机开发人员不能指望远程作员来管理这些类型的紧急、突然的冲突，因为地面和飞机之间的指挥和控制 （C2） 连接也可能出现故障。

“飞机在没有 [飞行员] 的情况下，需要知道它在哪里，如何到达它要去的地方，以及如何在其运营概念的整个过程中避免沿途发生的事情，”Yutko 说。他说，Wisk 的第 6 代飞行员将能够安全地完成飞行，即使它在起飞后立即失去了 C2 链接和 GPS 信号。“事实证明，如果你不这样做，那么你就会开始对 C2 链路或你维护 GPS 的能力施加非常困难的技术要求。”

在支撑城市空中交通的推测数学中，取消飞行员的费用并为付费乘客腾出另一个座位被视为最大化利润和规模的关键。

Wisk 和 Reliable Robotics 都没有在其技术解决方案中使用机器学习算法，这在很大程度上是因为对于如何确保航空业严格标准此类算法的安全性没有达成共识。这些算法通常被描述为“非确定性”，这意味着无法从其输入中可靠地预测其输出。

一些自动驾驶飞机开发商正在将人工智能整合到他们的设计中。例如，Merlin Labs 正在开发自然语言处理算法，以便与空中交通管制进行通信。然而，在大多数情况下，自动驾驶飞机开发商并不仅仅依靠技术来解决飞行中可能出现的无数意外情况，这就是地勤运营商的用武之地。

“我们基本上已经采用了所有可以确定性地 [自动化] 的东西，我们正在使其具有确定性，”Rose 解释说。“以及所有的事情......很难自动化，人类可以轻松完成，然后让人类来做。

这就提出了一个问题：如果需要人类来监督自动驾驶飞机，那么他们的商业案例是否仍然成立？他们的开发人员说确实如此，但方式并不像从资产负债表上剔除“飞行员”那么简单。例如，这些远程主管需要培训，但这可能远不如熟练驾驶飞机所需的培训那么广泛和昂贵。对于 Reliable Robotics 和其他以货物交付为目标的公司来说，Autonomy 还有望提高现有货物支线网络的效率。

“现实情况是，在货机中，尤其是小型货机，飞行员的利用率非常低，”Rose 说。支线航空公司的飞行员可能会在早上和晚上的航班之间花大部分时间在酒店房间里闲逛。如果人们改为远程管理自动驾驶货机，他们可以想象他们可以监督跨多个时区的额外航班。“我们的分析表明，通过将飞行员放入我们的控制中心，您可以轻松地将飞行员的生产力提高一倍，根据任务集的不同，生产力可能会提高三倍或四倍，”Rose 说。

自动驾驶技术最终可能会涓涓细流

即使像 Wisk 和 Reliable Robotics 这样的公司成功地认证和商业化了他们的自动驾驶飞机，人类飞行员仍然不会面临迫在眉睫的灭绝。解决一种飞机类型和作概念的自主性问题并不意味着它适用于所有类型和作概念的问题。阻碍自动驾驶客机的技术、监管和社会障碍是巨大的。

“我认为，只要我们都活着，就会有有人驾驶的大型商用飞机，”Yutko 说。“如果你解决了第 6 代，你就不会得到无人驾驶的大型飞机。你就是不愿意，而且我不确定我们这辈子会不会。然而，他确实认为 Wisk 目前正在开发的一些技术（例如在没有 GPS 的情况下导航或自动执行紧急检查表的技术）可能会以增强安全性的方式进入传统驾驶飞机。

“我认为这些将是我们在有生之年看到的使大型商业运输应用受益的事情，我认为这是非凡的，”Comer 补充道。

至于在自动驾驶的阴影下，任何人开始航空公司飞行员的职业生涯是否有意义，至少目前可能仍然有意义。但再过 20 年再回头看看。