航空飛行技術創新及其發展方向分析

惠宇航，王旭東

（1.中國人民解放軍空軍航空大學，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，大數據、云計算以及人工智能等技術推動下的新技術革命對人們的生活產生十分深刻的影響，這些技術表現出非常顯著的現代化發展特點，在它們的作用下，人們的生活發生了翻天覆地的變化。從目前實際發展情況上來看，中國部分發達地區，自動駕駛等極為先進的技術已經逐漸被商用，而在航空航天領域，智能飛行技術也必然會成為極具航空創新意義的新型技術發展方向，毫無疑問，它的出現及發展會在極大程度上給予人們新的體驗。

1 航空創新——智能飛行的愿景

所謂智能飛行，其實指的就是對現階段已經出現的高級自動化以及智能化技術進行總結，并在此基礎之上，與今后航空航天領域的發展方向相結合，針對其智能化的飛行目標所作的規劃。結合國際上制定與實施的《航空戰略實施規劃》以及空地協同體系演化趨勢，中國提出“有人監督、無人駕駛”理念，這是一種基于自主駕駛技術驅動的理念，智能飛行在其中發揮著尤為關鍵的作用。從今后發展愿景上來看，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）

此階段的面向對象主要是集中式的運輸管理體系，從其本質上來看，應當屬于一種對現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、機組狀態甚至是周邊運行環境的能力。對于以地面指令為基礎的空管體系而言，通過對智能飛行技術的有效運用，可以更加順利與有效地實現同實時飛行場景的密切結合，在此基礎上將適宜且確切的綜合信息發布出來，為機組制定并落實相應的決策提供強有力的支持。另外，在復雜場景以及多變的天氣環境下，智能飛行技術又可以很好地達到擴大及優化自動駕駛功能輻射范圍的目的，在適當的水平下將機組的操作壓力緩解，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、地協同的運輸管理體系為面向對象，對原有的飛行駕駛方式進行創新的一種增強型、智能化飛行模式。此模式下的飛行全勢態感知能力已經非常成熟，甚至已經達到完善的水平，可以基于機組的監督實現自主式飛行。

在該階段，在實時空地信息交互以及數字孿生技術的支持下，智能飛行可以進一步地將全態勢感知以及飛行狀態預測功能發揮出來[1]。另外，在對標準/預設飛行場景的理解之上，空地協同又可以助力以空域全局最優為背景的飛行器自主任務決策目標的達成。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急操作作業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、地一體化為面向對象的一種自主化、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，可以實現以統一規則為基礎的協同決策，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、詳細而又準確地理解復雜、多樣且不斷變化的飛行場景，通過對空地-空空協同的充分利用，可以持續性地優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 智能飛行的基礎技術——適航可信性技術

長期以來，人工智能技術的可信度及怎樣對其加以證明，始終是航空航天領域關注的重點。而要想采用正向研究的方式對技術可靠性加以證明，需要以智能飛行技術為對象，針對其適航可信性展開全面而又細致的分析，通過強有力的證據向適航當局揭示：以極具現代化特點，同時又非常先進的智能飛行技術為支持，相關軟硬件設施可以在事先已經知曉的運行環境以及相應的約束條件之下達到持續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安全性的認知以及信任程度都會由此而得到明顯的提升。航空航天領域數據傳輸及其傳輸過程中的質量要求示意圖如圖3所示。

圖3 航空數據傳輸以及質量需求傳輸示意

毋庸置疑，智能飛行技術的出現及其不斷應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出挑戰，使其實現質的飛躍，也就是由起先的以機械自動化技術為支撐的航空航天發展體系大幅度跨越為由數據為其提供強有力支持的智能化航空航天發展體系，這種跨越提出的要求明顯要更高，需要以技術可解釋性、安全魯棒性、數據公正等等諸多層面為視角，針對人工智能技術所表現出來的適航安全性作全面而又細化的驗證[2]。對于智能飛行技術來說，數據對其發揮著不容忽視的驅動性作用，故而從最初的數據準備工作開始，到模型的構建，再到算法的選型，最后到超參數的調整，整個過程都必須做到以數據的完整性以及無誤性作為重要支撐。國內外學者以及業界人士針對這一問題，已經將關注重點放在對技術可解釋性的強化之上，目的就在于將其技術優勢更加充分地發揮出來，以此做到為航空航天領域發展提供更加優質的服務。

對于上述課題，學者以及領域相關人員已經作了很多的研究及分析，歐盟與美國在差異化技術的支持下，通過對不同路線的探尋進行研發。其中，歐盟從以下4個方面展開，強化同人工智能技術研究及開發人員之間的交流與合作，力求實現對良性互動的人工智能社區的打造，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；②制定對人工智能模型魯棒性進行評估的標準化流程；③將各種人工智能模型航空應用風險評估報告采用公開的方式發布出來；④對可解釋智能模型設計理念進行研究，該模型以航空用戶的基本需求為基礎。另外，歐盟還進行了人工智能發展藍圖的繪制，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習技術的研究及開發，現如今，美國已經完成了對多種形式的可解釋模型的構建工作（包括顯示回顧解釋模型、事后解釋模型、學習過程因果模型以及解釋增強學習模型等等），它們圍繞性能度量以及解釋性度量的權衡空間展開相互之間的比較，并在此基礎之上進一步得到了一種表現出可視化優勢的數據分析曲線，同時，還將互動交流式問答對話機制建立起來，并實現了對交互式機器學習模型的有效構建，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以及以技術為支持的系統，不僅如此，還可以很好地了解其應用情況，并在此基礎之上增強對它們的信任[3]。

綜合以上內容，與中國實際發展情況進行充分結合，可以推斷，中國智能技術適航可信性關鍵技術將會朝著以下方向發展：①航空數據質量保證技術，在數據傳輸環節各個節點，均有相應數據質量要求為航空數據提供質量方面的保證；②訓練模型可解釋性，對模型解釋輸入與輸出之間因果關系的推理能力進行分析；③算法與模型魯棒性；④模型輸出數據不確定性分析，對一些超范圍異常場景導致的風險加以規避。

3 航空飛行控制技術的發展

飛行器的飛行要有高超的飛行控制系統，航空業經過了數百年的發展，飛行控系統使用控制技術也走過了近一個世紀的歷程。在最初的萊特兄弟首次發明飛機之后，飛機由過去簡單粗糙逐步變得更加精細化，智能化飛控系統已經取得了巨大的進步，在最早期飛行管控系統，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，對飛行控制系統要求更高，飛行器在設計操控系統基礎上，設計出飛行反饋控制原理，使用電傳飛行控制系統，電傳控系統會將飛行狀態信息和駕駛員操縱信息輸入到控制系統內。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功能。可以有效解決飛機性能不佳的問題和飛機穩定性不強的問題，能夠提供更加安全穩定可靠的操控。在電傳飛行控制系統上就增加了邊界保護、故障重構的功能。目前也獲得了更加完整承受性的飛行操控系統，也會減少駕駛員操控的負荷壓力。自動駕駛系統的產生也是目前的航空飛行控制技術與人工智能技術融合的典型例子。

人工智能技術在當前航空飛行控制技術中發展歷程也發揮著關鍵性的作用，它會促使當代航空飛行技術的發展。近幾年，隨著人工智能技術的發展及航空飛行控制技術發展，這2種技術能夠相互融合，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，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簡稱為智能飛行系統。

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。一般是用于執行偵查、探測固定航線的飛行，無人機的飛行航線狀態都是預先在操控性上設計好的，在從本質上來講，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環境的決策，無人機在自動化智能化技術下，完成各項任務，將駕駛員解放出來，以減少損耗，這對智能化的技術需求更大。

4 發展展望

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