人們的導航技能正在退化

胡德良/編譯

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人們的導航技能正在退化

胡德良/編譯

利用長時間曝光技術拍攝的倫敦攝政街上的車道

· 羅杰·麥金利（Roger McKinlay）是一名衛星通信和導航顧問，在英國的萊瑟黑德市工作。曾任皇家航海學會會長、英國泰利斯公司工程主管，現在仍是英國工程和自然科學研究委員會（EPSRC）量子技術戰略顧問委員會委員。他認為：自動導航設備正在侵蝕人們天生的導航能力。

1984年，我所在的團隊正在開發衛星導航系統的一種接收器。經過數周的調試，隨機數字信號模模糊糊地選定一個地址，我們拿過一張地圖，標出那個地點，鉛筆標出的十字記號恰好落在我們那棟樓所在之處。30多年之后，當時的那種驚喜仍然存在。我們現在所利用的技術是一樣的，但是設備變小了，我們對于精確定位的依賴程度也發生了改變。

導航已經滲透到我們未來的夢想之中——無人駕駛的汽車車隊將會搭載我們游遍全市；當車輛通過你在網上看到的那家商店時，穿著你點擊過的那款服裝的模特就會向你招手并喊出你的名字；或者，你可以呆在家里，讓無人機給你送貨。像谷歌和亞馬遜這類的創新型公司，就是憑這樣的想象力來誘惑我們。

迷失方向的時代應該結束了。衛星導航的使用無處不在；到2020年，全球80%的成年人都可能擁有一部智能手機。但是，對于人們或機器來說，還是不太容易找到周圍該走的道路。衛星導航是不可靠的，因為這種導航在室內或者在高層建筑密集區是不起作用的。例如：當手機表明你在購物中心的某個位置時，那實際上是一種基于地面無線網絡（WiFi）的猜測位置，因為來自衛星的信號很微弱，相當于從20 000公里的遠處看一盞20瓦的燈泡，比較容易出錯，容易受到干擾。

為了提高覆蓋范圍，越來越多的衛星發射升空。到2020年，歐洲伽利略衛星導航系統將會擁有30顆軌道衛星，和美國全球定位系統（GPS）以及俄羅斯全球導航衛星系統（GLONASS）的衛星網絡具有互補性。在北斗衛星導航系統中，中國剛剛發射了21顆衛星。

在室內實現成功導航還需要其他的解決辦法，如將壁掛式天線和WiFi結合起來。量子物理學可能會有所幫助。盡管這項技術仍然處于起步階段，所需要的開發時間將會超過10年，但是通過獲取地球引力場和磁場的微弱變化，超靈敏的微型量子傳感器或許能夠確定我們的位置，做到誤差不超過幾厘米。

然而，導航所涉及的問題不僅僅是了解自己的位置。有一次，我按照衛星導航系統來到了一所農村的房子，這時我發現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出錯啦！”我并沒有迷路，我的導航系統知道我所在的精確位置，但該系統并不了解路況。報紙上不斷刊登衛星定位造成的災難事件，如：開往地中海地區的一輛貨車卻到達英國斯凱格內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，另外了解要到達的目的地也會對我們有幫助。2014年失蹤的馬來西亞航空公司MH370號航班，能使我們了解到世界有多大。

一位貨車司機聽從衛星導航指令行駛，結果被卡在英國布魯頓的房子之間

不使用，即丟失

除非我們做到以下兩點，車輛移動才會實現智能化。首先，我們必須認識到數字導航工具并不是免費提供的。這些工具要依靠昂貴的基礎設施——衛星和地面站，這些費用都是政府不得不支付的。美國將GPS衛星發射到位，投資超過了100億美元，而且每年花掉大約10億美元對這項服務進行維護。第二，應該更好地利用我們與生俱來的能力。導航設備能夠鎖定目標位置，但不能提供到達目的地的最佳路線；要想避免撞車，利用人力司機比為自動駕駛汽車編程更可靠。即人工選擇路線，更勝設備一籌。如果我們對天生的導航能力不珍惜的話，那么隨著我們越來越嚴重地依賴智能設備，這種能力將會退化。

人類的空間記憶能力是很突出的。在古希臘，演說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出來。現在，記憶冠軍仍然是這樣做的。

但是，導航能力是一種“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相比，按照導航指令行駛的司機發現自己更加難以搞清自己所在的位置，而且他們也沒有注意到被引導著兩次通過同一地點。現在，使山地救援隊感到厭煩的搜救情況是：智能手機電量耗光，而且又沒有了方向感和紙質地圖。

隨著年紀的增大，我們的空間認知能力、路線的辨別能力和回憶能力也都會下降。空間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常會被轉到像療養院這樣他們并不熟悉的地方，而這會使病人的方向感進一步惡化。2015年的一項研究顯示：將近半數的初級醫生說，聽到病人呼救警報在前去救助的路途中，由于醫院里極簡單的室內布置中通常不設指示牌，他們曾經迷路，結果危及病人的生命。

這種問題的解決辦法可能在于，要設計容易辨別方向的建筑物，而不是靠導航設備。重復的布局和有鏡面映照的布局會引起混亂，凌亂的走廊會使人們的心理負擔加重，簡單的、令人難忘的獨特標志（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。倫敦大學學院行為神經科學家凱特·杰弗里（Kate Jeffery）介紹，當我們離開熟悉的路線時，我們大腦的活動是從大腦的紋狀體向海馬體轉移的。對大鼠的研究顯示，三類細胞有助于導航：位置細胞，在特定的位置會興奮起來；頭部方向細胞，負責跟蹤頭部的方向；網格細胞，負責建立起一個坐標系，用以判斷比例和距離。

“認知街道活動”是一項了解倫敦街道布局的活動，研究證明這項活動能夠使出租車司機海馬體部分的區域增大，在音樂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，他在進行即興音樂表演時能夠“看到”引導他的一串音符。

出現新區位可能會跟我們大腦中的地圖發生沖突，因此當我們從地鐵站出來或者聽到車內衛星導航系統發出刺耳聲音的時候，需要花時間進行重新定位，這并不奇怪。我們的大腦必須決定是否要接受這條新信息，是否要調整我們大腦內部的地圖，或者是否要將其作為錯誤信息而予以排斥。一條簡單可靠的線索可能會加快我們的重新定位，如：自動扶梯頂部標出的朝北的箭頭。

“六個9”的標準

利用衛星進行精確定位也可能會產生錯誤。在開闊的地區，GPS有著很好的水平精度，可以精確到大約3米之內。定位是通過計算信號到達接收器所花的時間來確定的，而不是通過信號中所攜帶的任何信息來確定的。在室內或者像城市中高樓林立的地區，信號會跳來跳去，產生錯誤。

受到故意干擾的情況正在增多。2009年，工程師們在新澤西州紐瓦克機場測試一個基于GPS的系統，可是每天都會受到干擾，經過跟蹤之后找到了一輛過往的卡車——司機在卡車上安裝了GPS干擾器，目的是為了逃避雇主對他的跟蹤監視。盜賊通過使用這樣的干擾器使轎車里的跟蹤裝置失效。

為了便于旅行，標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年版的世界測地系統。20世紀80年代，很少區域性航海圖遵循這一系統標準，致使多名船員意外觸礁。當今的地圖是巨大的數字化數據庫，例如：英國全國地形測量主圖，其中包含4.5億個地貌特征，而且還不斷地在更新。

當涉及到路線選擇時，人類會比設備更加明智。然而，設計師的本能就是要設計出更加智能的設備，例如：能夠了解交通狀況的衛星導航系統。一個好的選擇是讓用戶更容易為自己的出行路線做出安排。盡管計算機程序通過道路數據庫可以找到最短或者最省時的路線，但實際上一天中的時間、交通車輛的疏密程度以及個人偏好也會有影響。至于有高側板的車輛，司機需要知道這個路線是否能通過。

在沒有司機的情況下，如果方位、地圖或選擇路線方面出現錯誤，那么后果可能是很嚴重的。為車輛提供的信息必須是準確無誤的、始終可用和可靠的、具有高度完整性的。

通常，這些要求僅利用簡單的導航系統就能滿足。如飛機的飛行依靠基于無線電的輔助設備，其歷史可以追溯到20世紀40年代。這些設備可以測量飛機跟地面已知位置的距離或相對方位。自從20世紀60年代中期開始，飛機在霧天中可以自動著陸了，靠的是跑道盡頭傳來的無線電波束。

這樣的系統旨在達到工程師所謂的“六個9”的標準——在99.9999%的時間里運行無誤。還有一點必須要明確：誰來負責這些系統的維護，以及一定要遵循維護的工序。

只有可靠的地面站系統提供幫助，衛星導航系統才能滿足這一標準。早在20多年前，廣域增強系統和歐洲地球同步衛星導航增強服務系統的開發計劃便已經就緒。然而，目前航空中還沒有制造出足夠優質的衛星導航系統來替代傳統的地面導航系統。對于航海來說，目前正在考慮使用一種新型的地面導航系統，該系統被稱為“遠距離無線電導航系統（eLORAN）”，產生的信號比GPS使用的信號強100萬倍。

導航輔助設備

我們為什么需要導航工具呢？跟多數動物一樣，我們起主導作用的感覺是視覺，眼睛和我們自身的內部地圖結合起來可以發揮突出的作用。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。鴿子利用磁場接收器來感測地球的磁場，如果人類能夠“看到”地球的引力場或磁場，那么我們也許就不需要耗資巨大的衛星和無線電發射臺了，甚至連視力也不需要了。

幾十年以來，飛機、輪船和潛艇都利用陀螺穩定平臺上的慣性傳感器來確定所處的位置。相對于某個已知出發點來說，這些系統能夠精確地測量運動情況；但是，隨著航行距離越來越遠，所產生的誤差也越來越大。到20世紀60年代末，飛機在飛行10個小時后，其慣性傳感系統仍然能夠精確到25海里（大約46公里）的范圍之內，能夠使飛機在穿越海洋期間仍然處于設定的航空路線內。但是，這樣的設備笨重而昂貴。

量子引力系統正在開發之中，這種系統或許能夠探測到微弱的作用力變化，如站在大約一米遠的人所產生的微弱引力都能探測到。這些系統是依靠量子態疊加原理運行的，量子態疊加中的粒子同時以多態形式存在，對于時間以及電場和磁場都非常敏感。

但是，所有的傳感器本身都會受到某種干擾。指南針可能會因磁性巖石而造成指示混亂，登月曾經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。對于衛星導航，我們也將需要新的標準和新的地圖。

技術上所面臨的挑戰是巨大的。要想將傳感器原子降溫至接近絕對零度，以便降低熱噪聲，所需要的龐大激光器和精密光學儀器就能擠滿一個房間。將儀器小型化是需要花費一定時間的，希望十年之內能夠設計出一個足夠小的系統安裝在火車上，用以勘探鐵軌之下的結構、電纜和管道，但目前這方面的工作進展緩慢，且代價高昂。

這項技術將給機器人和自動駕駛帶來巨大的影響。在黑暗中，長距離飛行的無人機將能夠避免碰撞。在具有充足空間的地方，如海洋和天空，無人駕駛技術是可行的。

在擁擠的道路上，效率和安全需要得到平衡。確立規章制度和共同標準就顯得非常重要了。以緊密隊形飛行的綠頭鴨在著陸時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類之間發生碰撞，因此綠頭鴨利用眼睛、嘴和耳朵中的傳感器使自己能對準地球磁場。飛機只限于在空中走廊中飛行，因此需要解決航空沖突的問題，管制員必須決定哪架飛機獲得優先權。

如果車輛之間沒有一套商定的規則和交流方式，完全自動駕駛的汽車將無法運行，這些規則都需要配套的基礎設施。慢行的游覽車在購物中心周圍安全地巡回行駛，這或許是可以做到的；但是，數百輛獨立的無人駕駛車輛在城市的街道上行駛，或者一群無人機在市區的天空飛翔，這些都是不切實際的。要想使這樣的系統安全運行，其成本之高可能會令人望而生畏。法律和制度問題、責任和保險問題，也都必須要解決。

即使沒有完全自動化，傳感器和連接也會使汽車駕駛更加容易和安全。衛星導航可能會將每一條道路都變成收費道路。汽車上記錄的行車歷史可能會用來當作向司機征收實際道路使用費的依據，而不只是向他們征收費率固定的公路稅了。2003年，為了減少倫敦市中心的交通流量而推出了進城費，當時唯一可用的方法就是進行車牌識別。

下一步的工作

政府必須在研發、基礎設施的建設和規章制度的建立上進行投資，提高導航水平不能只靠企業。如果想要建立一個可靠的地面衛星接收站網絡，以提高導航能力使其足以引導無人駕駛，那么像英國這樣大的國家每年需要的維護費用，相當于全球衛星導航系統每年的維護費用。能夠自己執行任務的汽車幾年之內可能會出現，如有些汽車已經能夠自動停車了，但是在公路上運行方式的根本性變革還要等幾十年才能實現。

在此期間，要采取三項實際措施。

第一，提高科學水平。我們需要了解，有人參與或無人參與的系統實際上是如何運行的。認知能力的研究可以告訴我們，人體工程學和系統工程學在哪些方面將會幫助或阻礙人類能力的提升。為受歡迎的量子技術增加研究經費，例如：英國2013年的研究經費為2.7億英鎊（3.86億美元）。然而，基礎設施建設更是需要多達數十億英鎊的資金。

第二，工程師們必須認識到這些系統的復雜性。他們必須利用有關人類駕駛的定量模型，并且應該把來自神經科學領域的發現考慮在內。工程師們需要避免基礎性的錯誤，如：衛星導航系統在車站或鐵路中不可穿透帶上開辟門口和開挖路塹，英國一家火車公司在2014年就犯了這樣的錯誤。

第三，進行教育投資。學校要把導航知識和查閱地圖作為一種生活技能教給學生。電腦和計算器的介入并不代表沒有必要去了解數字，美國海軍又將天文導航知識作為一種備用技能重新教授給海軍們。

導航系統就是把復雜的系統和有技能的用戶結合起來，真正地實現智能運輸，這將會使我們能夠在許多領域充分地利用人才和技術。解決方案就在不遠處，翻過山頭即可找到！

［資料來源：Nature］［責任編輯：絲 絲］