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你以為自動駕駛讓機師爽爽睡?別幻想了!──《機艙機密:空中旅行大百科》

PanSci_96
・2019/02/15 ・3349字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

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聽說現代商務客機基本上可以全自動駕駛,這話的真實性多高?遠端操控無人機真的可行嗎?

自動駕駛的都市傳說:機師只是個備胎?

航空領域總是充滿了陰謀論和都市傳說,我聽得可多了。然而,最讓我錯愕的,莫過於關於自動駕駛的迷思與誇大不實的傳言:以為現代飛機是由電腦操控,機師在場只不過是當做緊要關頭時的備胎,諸如此類的想法。

我們都聽說過,在不遠的將來,機師會完全遭到淘汰。舉例而言,《連線》雜誌曾在二○一二年刊登一篇關於機械的報導,記者寫道:「自動駕駛是一種電腦裝置,能夠獨立操控一架 787,無須人力支援,但我們還是不理性地在駕駛艙塞幾個人類機師當保母,只為了以防萬一。」

圖/wikipedia

這段關於民航機師工作內容的描述,是我聽過最不經大腦、最侮辱人的話。說 787 或任何民航機「無須人力支援」就能航行、機師在場只是要當自動駕駛的「保母」,已經不只是誇飾,不只是為了文采而稍稍曲解事實,不只是「不太對」──而是大錯特錯。既然連一份口碑良好的科技雜誌都不明白這點,讓這種言論得以出版,可見這種迷思有多盛行。這種謬論一天到晚出現在媒體上,竟到了大眾視之為理所當然的地步。

媒體上經常出現對自動駕駛的謬論。圖/pixabay

你會發現,說這種荒唐論調的多半不是機師,而是新聞記者或學者(教授、研究者之類的)。管他多聰明、研究多有價值,這些人都極為不熟悉商務航空每天要面對的狀況。有些時候,機師自己也助長了這種歪風,我們之中可能有人會說:「媽啊,這架飛機根本就是自己飛了嘛。」最大的敵人往往就是自己人;我們由衷讚歎高科技工具,在對外行人解釋複雜操作步驟時,索性簡化內容,最後描繪出一幅把飛行實際情況給扭曲的誇大漫畫,同時貶低了這個職業的價值。

自動駕駛是輔助工具,操作才是硬功夫!

高科技駕駛艙設備基本上是輔助機師,就像高科技醫療設備輔助醫生和外科醫師一樣。設備大幅提升機師的能力,但絕對不可能減少操作設備所需的經驗技巧,更遠遠談不上把經驗、技術變成沒有必要的東西。要飛機自動駕駛,差不多像是要現代手術室自動開刀。外科醫師兼作家葛文德寫過一篇文章,刊登在二○一一年某期《紐約客》雜誌:「說到醫學進步,每個人都只想到科技。可是,醫生的技術也非常重要,絲毫不輸科技。這點可以套用在各行各業上。真正造成差異的,是大家運用科技的技巧。」這話可說是一針見血。

再說,「自動化」和「自動駕駛」到底是什麼意思呢?自動駕駛就跟其他設備一樣,是供機組成員使用的工具,你還是得告訴它該做什麼、何時做、如何做。我自己比較喜歡「自動飛行系統」這個詞,因為自動駕駛綜合了好幾種不同功能,可以調整速度、推力、水平和垂直航向,要同時或獨立控制都行,這些功能全都需要組員定時輸入指令,才能妥善運作。

這些功能全都需要組員定時輸入指令,才能妥善運作。圖/wikipedia

在我開的波音飛機上,如果要設定自動爬升或下降,我可以各想出七種不同的方式,視情況判斷採用哪一種。媒體會引用所謂的專家說的「每趟航班,機師手動操作的時間大概只有九十秒」,然而這種話不但有誤,更表明說話的人根本不知道手動、自動的差別,彷彿自動操作純粹只是按下按鈕、雙手抱胸等待。

應對複雜狀況,下達成千指令

有天晚上,我搭飛機坐經濟艙,降落過程出奇平順,背後有個老兄喊道:「幹得好啊,自動駕駛! 」也許很好笑,但完全錯了,這次著陸從頭到尾是手動操作,絕大多數飛機著陸都是如此。對,大部分噴射客機都獲得認證,可以自動執行降落(用機師行話來說,這叫做「自動落地」),可是現實中極為少用,飛機降落時,採取自動控制的不到百分之一。要詳細解釋如何設定、實行自動落地,要花上好幾頁篇幅才行。總之,假如只要按個按鈕這麼簡單,我又何必每年用模擬器練習兩次,還要每隔一段時間就複習手冊上標記起來的地方。就很多層面而言,自動落地遠比手動要來得耗神。

一趟航行中,情況時時刻刻變化,複雜、流動,絕對不是死的,所以機師必須隨時下決定,每個決策都事關重大。雖然有各式各樣的協定、檢查表、步驟,寫成白紙黑字,機組成員仍舊必須依據主觀判斷,下達成百上千個指令,譬如避開堆疊起來的積雲、解決機械問題等等,不勝枚舉。我指的是那些稀鬆平常的狀況,任何一天、任何一次飛行都會遇到,甚至多到工作飽和的程度。即使是在最最普通的情況,駕駛艙一樣會忙到讓你驚訝──而且還開著自動駕駛。

機師必須對時時變化的情況做出應對。圖/pixabay

另外一種老掉牙的言論是,駕駛艙自動化讓開飛機比以前簡單。恰恰相反,現在開飛機大概是有史以來最難。考量到現代航空所有操作相關領域(從飛行計畫、導航,再到通訊),駕駛飛機的必要知識比以往多上許多。現在,主要所需技能的確和過去不太一樣,但如果你認為某些技能比其他更重要,那你就錯了。

無人載具行不行?

你一定想指出:

可是,遠端駕駛的軍用遙控機跟無人飛行載具數量暴增,又怎麼說?這難道不是未來趨勢的預兆嗎?

這種觀點的確很誘人。這些機器設計精密,事實也證明它們很可靠──可惜程度有限。遙控飛機不像商務客機一樣載著上百名乘客,它的任務與客機大相逕庭,運作環境截然不同,若是出了差池,代價輕微得多。光是借用無人機的概念,將之擴大規模、加上幾個備用設施就想上路,這是行不通的。

無人飛行載具離商務客機的距離還非常遙遠啊!圖/wikipedia

我很想見識看看,遠端操控無人機如果遇到引擎失效放棄起飛,接著遭遇煞車過熱輪胎起火,要怎麼迅速放棄起飛,疏散兩百五十名乘客。我很想見識看看,無人機如果在山區遇到加壓系統問題,需要改航,會怎麼排除問題。我很想見識看看,無人機要怎麼在海上穿越風暴。老天,就連最簡單的任務,我都想見識一下。每一趟航程都會發生無數大大小小的偶發事件,需要機組成員花費心神處理、憑直覺下判斷,如果你身在千里之外的地面上,要怎麼解決這些狀況,我真沒辦法想像。

即使真的要把無人飛行載具的模型應用在商務航空領域,也必須砸下大筆資本,大幅修改現行民用航空制度與基礎架構,舉凡設計一代的新飛機並進行測試、建立新的飛航管制系統,諸如此類。連無人汽車、無人火車、無人船的概念都未臻完美了,就要一下子跳到商務客機,難度和成本都會呈次方成長,即使真的成功,還是要有人遠端控制那些飛機才行。

若要將無人飛行載具的模型應用在商務航空領域,需大幅修改現行民用航空制度與基礎架構。圖/pixabay

我不是要說人類辦不到這種事,說不定有一天,我們真的可以搭無人民航機旅行,就好比我們也可能在月球上或海底建造城市。說到最後,最大的問題不在於科技是否做得到,而在於成本和實用性。離這個目標還有很長一段路要走,前提是我們真的要走這一條路。

我知道這些話聽在你聽來有什麼感覺。對你來說,我不過是個反科技分子,抗拒逐步進逼的科技,只為保住終將被時代淘汰的飯碗;正因為我是民航機機師,所以我的論據不足採信。你大可這樣想無所謂,但我可以保證,我不是過於天真,說話也完全憑良心,更不反對科技進步;我只反對過度引申科技功用的愚昧之舉,以及那些明顯曲解機師在做些什麼的言論,因為我和同事賴以維生的工作絕不是那樣。

本文摘自《機艙機密:空中旅行大百科》,2019 年 1 月,行路出版。

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讓你一看就懂的無人機原理!——《世界第一簡單無人機》
世茂出版_96
・2022/03/23 ・2311字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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為什麼無人機飛得起來?

不管是載人的直升機,還是無人機,飛起來的原因都相同。轉子可帶動螺旋槳旋轉,使螺旋槳上下的氣壓產生差異。當螺旋槳上方的氣壓比下方的氣壓低,就會有一股拉力將螺旋槳往上拉(升力,將物體垂直向上拉升的力量),如此一來便能讓機體上升。

再來,同時使用多個螺旋槳,並分別調整各螺旋槳的轉速,就可以讓無人機自由上升 / 下降、前進 / 後退、左 / 右移動。事實上,仔細觀察飛行中的無人機螺旋槳,會發現相鄰的螺旋槳旋轉方向剛好相反。

想讓無人機前進時,會讓機體前方下傾。左右移動時也一樣,會讓前進方向的機體部份下傾。只要讓其中一側的螺旋槳轉速下降,就可以讓那一側的機體下傾,往那個方向移動。如果要讓四軸無人機旋轉,則需讓其中一條對角線上的螺旋槳轉速降低。

無人機的運動機制

無人機需靠轉子(馬達)轉動螺旋槳才能移動。大疆 Phantom 系列的多軸無人機所搭載的馬達,是所謂的無刷馬達(brushless motor)。

大疆「精靈4」民用無人機。圖/維基百科

無刷馬達顧名思義,就是沒有電刷的馬達。相對的,學校自然科課程中提到的電刷馬達則是需要讓電刷與整流子持續摩擦旋轉,使用時會逐漸磨損。無刷馬達則是透過特殊電路驅動其旋轉,可以減輕維護的負擔。而且,無刷馬達可以透過名為 Hall IC 的磁場感應器持續監測馬達狀態,故可穩定控制其速度,當發生馬達負荷過重、線路接觸不良、斷線等異常狀況,可以馬上停止馬達運作,並發出警告訊號,以提高無人機的安全性。其他還有速度可控範圍廣、均勻扭矩(flat torque)、高功率等優點。

另外,將訊號送至轉子的零件叫做 ESC(Electric Speed Controller)。也可以說,ESC 就是控制轉子旋轉速度的零件。原則上,無人機搭載的 ESC 數量會與轉子數量相同。

ESC 的輸出端有三條電線,電流可控制轉子的旋轉。隨著轉子位置的不同,ESC 會輸出不同方向、不同大小的電流,使轉子能夠持續旋轉。也就是說,無刷馬達中的 ESC,扮演著一般馬達中整流子及電刷的角色。

相對的,ESC 的輸入端也有三條電線,分別是連接到電源正負極的電源線,以及從 FC(Flight Controller)接收訊號的訊號線。其中,FC 會蒐集來自陀螺儀感應器、加速度感應器、氣壓感應器、超音波感應器、磁場方位感應器、GPS 等裝置的資訊,以控制機體的行動。

A generic ESC module rated at 35 amperes with an integrated eliminator circuit。圖/維基百科

無人機的感應器

  • 陀螺儀感應器與加速度感應器

陀螺儀感應器可以計算機體傾斜的角度,是穩定機體時不可或缺的感應器。相對的,與陀螺儀感應器十分相似的加速度感應器,則用於檢測速度。陀螺儀感應器與加速度感應器的組合,可以同時計算「傾斜狀況」與「速度」兩者的變化量,並控制機體往傾斜方向的反方向拉回,保持機體平衡,懸停於空中。簡單來說,陀螺儀感應器與加速度感應器就是能夠保持無人機姿態平衡的重點感應器。

  • 氣壓感應器與超音波感應器

高度越高時,氣壓感應器會測到越低的氣壓,故無人機可參考氣壓數字,以維持在特定高度。不過畢竟這只能用來偵測氣壓,要是遇到陣風或其他原因造成的氣壓變化,就有可能會失去功能。

超音波感應器可以利用超音波的回聲來感應自身高度。在無人機起飛或降落時,如果位於地表附近的無人機沒辦法透過氣壓感應器蒐集到足夠的高度資訊,就會用到超音波感應器。在高空使用氣壓感應器,在地表附近使用超音波感應器,兩種感應器的組合搭配,便可讓無人機在每個高度區間都能維持一定高度。

  • 磁場方位感應器與 IMU

磁場方位感應器有時也直接稱做羅盤,可感應地球的磁場(地磁),藉此瞭解無人機目前朝向東西南北哪個方向。不過,地磁的北邊(磁北)與地圖的北邊有一定差異,即磁偏角。而且隨著時間與地點的不同,磁偏角也不大一樣。舉例來說,札幌的磁北比地圖北邊往西偏了 9°,那霸卻只偏了 5°(參考自日本國土地理院網站)。因此,若換一個地方飛無人機,就需進行「羅盤校正」,重新確認磁場感應器所指示的北方,與實際北方間的差異。

  • IMU

GPS 是全球衛星導航系統(GNSS:Global Navigation Satellite System)的一種,是美國的衛星系統。就像汽車的導航系統與智慧型手機的位置資訊服務一樣,無人機可接收 GPS 的電波,藉此判斷自身所在位置,並設定好飛行路線的經緯度自動飛行,或是可以懸停在某個固定位置。這就是所謂的「衛星定位系統」,用於戶外飛行的無人機多會裝設相關的電波收訊器。不過,就像汽車在進入隧道後,導航系統會失效一樣,無人機使用 GPS 時也有可能會突然收不到訊號。因此,為了維持無人機的安全飛航,操控者需隨時注意 GPS 電波的接收狀況。

另外,包括 Phantom 在內的某些多軸無人機,不僅會接收 GPS 訊號,也會同時接收俄羅斯衛星系統 GLONASS 的訊號,偵測機體本身的位置。

這些控制機體姿態的感應器通稱為 IMU(慣性測量單元:Inertial Measurement Unit)。

當出現「IMU 錯誤訊息」「機體不穩定」「羅盤方向不對」「穩定器傾斜」等狀況,就需進行「IMU 校正」。請養成攝影前以及在他處飛行前,一定要進行 IMU 校正的習慣。

——本文摘自《世界第一簡單無人機》,2021 年 9 月,世茂出版
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旗下有三家出版公司,分別是世茂出版有限公司、世潮出版有限公司及智富出版有限公司。出版品以養生保健、銷售管理、親子幼教、簡易圖解科學、芳香精油、寵物教養、心理勵志、NLP等類為主。

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想知道鯨魚健不健康?首先,你需要牠們的「鼻涕」!
Lea Tang
・2022/03/07 ・2203字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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為了瞭解鯨豚的健康狀況,科學家們正試圖用更好的方法,來蒐集牠們的鼻涕。

來觀察鯨豚囉!

鯨豚的背鰭,是牠們最容易被人們觀察到的部位,類似於人類的指紋,背鰭是鯨豚的辨識區,可以作為研究人員個體種類辨識上的依據【註1】。然而,若想進一步了解鯨豚的演化史,就不得不仰賴含有 DNA 的活體組織。

不同種類的鯨豚,背鰭都不同。圖/成功海洋環境教室 X ㄈㄈ尺

早期,科學家採集鯨豚活體組織的方式稱作「活體組織切片飛鏢」。如同字面上的意思,他們會向動物投擲飛鏢,獲得牠們的小部分組織作為樣本。但是,這種光用聽的就很痛的方式,不僅會讓鯨豚對研究船隻感到畏懼,更會使得牠們在水中生活時,成為傷口感染的高風險群。

值得高興的是,隨著科技進步,現在科學家已有了新的採集方式。這回,他們自製非侵入性的工具,而且決定改成採集「鼻涕」。

此鼻涕非彼鼻涕

說到鼻涕,我們容易聯想到感冒生病時,從鼻孔裡流出來的東西,不過這裡所提到的「鼻涕」,和那個可不一樣。鯨魚呼氣時所吐出的黏液並非來自呼吸孔,而是來自肺部【註2】。

當鯨豚換氣時,會以相當大的力道呼氣,進而向空中發射鼻涕。有趣的是,不同種類的鯨魚也有不同的吐氣型態。圖/north-atlantic-society.com

藉由蒐集鯨豚呼吸孔吐出的氣,可以得到許多關於牠們的資訊——包含肺表面活性物質(一種蛋白質和脂質的混和物)、呼吸液與肺細胞。同時,這些樣本也可以用來檢測疾病以及皮質醇【註3】、孕酮【註4】等荷爾蒙,幫助研究者知道一頭鯨魚是否染病,甚至可以知道雌鯨是否有孕。

不過,鯨豚的鼻涕藥怎麼蒐集呢?接下來讓我們一起來看看方法。

鼻涕機器人登場

隨著 DNA 提取技術的進步,研究員們從 2010 年起便開始使用新的工具採集。一但在海面上觀察到鯨魚蹤跡,他們便驅船前往,伸出長長的的竿子,利用末端的培養皿來收集鼻涕。

最初,蒐集樣本的工具是一種培養皿與竿子的組合。圖/bbc.com

另一種進階版的工具稱作「鼻涕機器人」(The Parley Snotbot),由無人機和培養皿所組成。鯨魚換氣時,機器人會從後方靠近鯨身,讓鯨魚的鼻涕因慣性往後落在無人機上的培養皿中。

不過以上兩種方法通常用來蒐集座頭鯨等大型鯨魚的 DNA,對於體積、肺部容積較小的海豚則不易達成【註5】。

鯨魚躍升時,鼻涕機器人會迅速在牠後上方 standby,在不驚擾與傷害對方的狀況下蒐集鼻涕。圖/howstuffworks.com

鯨魚鼻涕在遺傳學上的貢獻

至於我們能不能利用鼻涕檢體來進行遺傳學相關的研究呢?答案是可行的。儘管小型鯨豚的鼻涕提取比預期中困難,科學家仍然能從樣本中回收一些粒線體 DNA。

正在分析的鼻涕樣本。圖/bbc.com

他們嘗試以聚丙烯製成的管子倒置在水族館豢養的海豚氣孔上,以得到每隻海豚體內的粒腺體 DNA 和微衛星 DNA ,收集到比野外樣本更加豐富的數據。此外,科學家也發現,從海豚鼻涕中獲得的 DNA 圖譜與從血液中取得的 DNA 圖譜相符,證明了在研究海豚遺傳學上,使用鼻涕的結果可能和抽血一樣好。

現在,科學家們要克服野外採集樣本量不足的挑戰,以期在未來能結合傳統的照片識別,建立有關海豚種群的遺傳學目錄

【註】

  1. 不同種類的鯨豚會有不同形狀的背鰭。就算是同種,不同個體背鰭上的花紋也都不一樣。
  2. 由於鯨豚僅靠呼吸孔呼吸,呼吸孔的堵塞會使牠們窒息死亡。2016 年,研究員曾發現一條呼吸孔先天畸形的海豚在換氣時用嘴呼吸,但這是目前所知的唯一例外。
  3. 腎上腺皮質激素中的糖皮質激素,可以提高血壓、血糖水平和產生免疫抑制作用,有助身體調節壓力事件。
  4. 屬於孕激素荷爾蒙的一種,與懷孕、胚胎與月經週期有關。
  5. 座頭鯨的體型大,吐息也大,容易被船上的研究員發現。海豚因為個體嬌小,肺部僅有約兩個橄欖球大,因此採樣相對困難:牠們呼出的液氣混和物距離海表過近,常在竿子到達前就被海浪打散。另外,面對來勢洶洶的龐大漁船,牠們往往跑得飛快、「走敢若飛」(tsáu kánn-ná pue),不利採樣進行。

資料來源:

  1. 【鯨豚大小事】鯨豚背鰭說
  2. whales-do-not-catch-colds-but-they-do-get-snotty-blowholes
  3. ‘Dolphin snot’ used to look at health of pod off Gower
  4. Those snot-collecting drones are back, and this time they’re seeking dolphins
  5. The Usefulness of Dolphin Snot
  6. The ‘SnotBot’ Drone Is Making Scientific Research Easier on Whales

討論功能關閉中。

Lea Tang
20 篇文章 ・ 8 位粉絲
徜徉在極北之海的浪漫主義者。 喜歡鯨豚、地科、文學和貓。

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聽說現代商務客機基本上可以全自動駕駛,這話的真實性多高?遠端操控無人機真的可行嗎?

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航空領域總是充滿了陰謀論和都市傳說,我聽得可多了。然而,最讓我錯愕的,莫過於關於自動駕駛的迷思與誇大不實的傳言:以為現代飛機是由電腦操控,機師在場只不過是當做緊要關頭時的備胎,諸如此類的想法。

我們都聽說過,在不遠的將來,機師會完全遭到淘汰。舉例而言,《連線》雜誌曾在二○一二年刊登一篇關於機械的報導,記者寫道:「自動駕駛是一種電腦裝置,能夠獨立操控一架 787,無須人力支援,但我們還是不理性地在駕駛艙塞幾個人類機師當保母,只為了以防萬一。」

圖/wikipedia

這段關於民航機師工作內容的描述,是我聽過最不經大腦、最侮辱人的話。說 787 或任何民航機「無須人力支援」就能航行、機師在場只是要當自動駕駛的「保母」,已經不只是誇飾,不只是為了文采而稍稍曲解事實,不只是「不太對」──而是大錯特錯。既然連一份口碑良好的科技雜誌都不明白這點,讓這種言論得以出版,可見這種迷思有多盛行。這種謬論一天到晚出現在媒體上,竟到了大眾視之為理所當然的地步。

媒體上經常出現對自動駕駛的謬論。圖/pixabay

你會發現,說這種荒唐論調的多半不是機師,而是新聞記者或學者(教授、研究者之類的)。管他多聰明、研究多有價值,這些人都極為不熟悉商務航空每天要面對的狀況。有些時候,機師自己也助長了這種歪風,我們之中可能有人會說:「媽啊,這架飛機根本就是自己飛了嘛。」最大的敵人往往就是自己人;我們由衷讚歎高科技工具,在對外行人解釋複雜操作步驟時,索性簡化內容,最後描繪出一幅把飛行實際情況給扭曲的誇大漫畫,同時貶低了這個職業的價值。

自動駕駛是輔助工具,操作才是硬功夫!

高科技駕駛艙設備基本上是輔助機師,就像高科技醫療設備輔助醫生和外科醫師一樣。設備大幅提升機師的能力,但絕對不可能減少操作設備所需的經驗技巧,更遠遠談不上把經驗、技術變成沒有必要的東西。要飛機自動駕駛,差不多像是要現代手術室自動開刀。外科醫師兼作家葛文德寫過一篇文章,刊登在二○一一年某期《紐約客》雜誌:「說到醫學進步,每個人都只想到科技。可是,醫生的技術也非常重要,絲毫不輸科技。這點可以套用在各行各業上。真正造成差異的,是大家運用科技的技巧。」這話可說是一針見血。

再說,「自動化」和「自動駕駛」到底是什麼意思呢?自動駕駛就跟其他設備一樣,是供機組成員使用的工具,你還是得告訴它該做什麼、何時做、如何做。我自己比較喜歡「自動飛行系統」這個詞,因為自動駕駛綜合了好幾種不同功能,可以調整速度、推力、水平和垂直航向,要同時或獨立控制都行,這些功能全都需要組員定時輸入指令,才能妥善運作。

這些功能全都需要組員定時輸入指令,才能妥善運作。圖/wikipedia

在我開的波音飛機上,如果要設定自動爬升或下降,我可以各想出七種不同的方式,視情況判斷採用哪一種。媒體會引用所謂的專家說的「每趟航班,機師手動操作的時間大概只有九十秒」,然而這種話不但有誤,更表明說話的人根本不知道手動、自動的差別,彷彿自動操作純粹只是按下按鈕、雙手抱胸等待。

應對複雜狀況,下達成千指令

有天晚上,我搭飛機坐經濟艙,降落過程出奇平順,背後有個老兄喊道:「幹得好啊,自動駕駛! 」也許很好笑,但完全錯了,這次著陸從頭到尾是手動操作,絕大多數飛機著陸都是如此。對,大部分噴射客機都獲得認證,可以自動執行降落(用機師行話來說,這叫做「自動落地」),可是現實中極為少用,飛機降落時,採取自動控制的不到百分之一。要詳細解釋如何設定、實行自動落地,要花上好幾頁篇幅才行。總之,假如只要按個按鈕這麼簡單,我又何必每年用模擬器練習兩次,還要每隔一段時間就複習手冊上標記起來的地方。就很多層面而言,自動落地遠比手動要來得耗神。

一趟航行中,情況時時刻刻變化,複雜、流動,絕對不是死的,所以機師必須隨時下決定,每個決策都事關重大。雖然有各式各樣的協定、檢查表、步驟,寫成白紙黑字,機組成員仍舊必須依據主觀判斷,下達成百上千個指令,譬如避開堆疊起來的積雲、解決機械問題等等,不勝枚舉。我指的是那些稀鬆平常的狀況,任何一天、任何一次飛行都會遇到,甚至多到工作飽和的程度。即使是在最最普通的情況,駕駛艙一樣會忙到讓你驚訝──而且還開著自動駕駛。

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另外一種老掉牙的言論是,駕駛艙自動化讓開飛機比以前簡單。恰恰相反,現在開飛機大概是有史以來最難。考量到現代航空所有操作相關領域(從飛行計畫、導航,再到通訊),駕駛飛機的必要知識比以往多上許多。現在,主要所需技能的確和過去不太一樣,但如果你認為某些技能比其他更重要,那你就錯了。

無人載具行不行?

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可是,遠端駕駛的軍用遙控機跟無人飛行載具數量暴增,又怎麼說?這難道不是未來趨勢的預兆嗎?

這種觀點的確很誘人。這些機器設計精密,事實也證明它們很可靠──可惜程度有限。遙控飛機不像商務客機一樣載著上百名乘客,它的任務與客機大相逕庭,運作環境截然不同,若是出了差池,代價輕微得多。光是借用無人機的概念,將之擴大規模、加上幾個備用設施就想上路,這是行不通的。

無人飛行載具離商務客機的距離還非常遙遠啊!圖/wikipedia

我很想見識看看,遠端操控無人機如果遇到引擎失效放棄起飛,接著遭遇煞車過熱輪胎起火,要怎麼迅速放棄起飛,疏散兩百五十名乘客。我很想見識看看,無人機如果在山區遇到加壓系統問題,需要改航,會怎麼排除問題。我很想見識看看,無人機要怎麼在海上穿越風暴。老天,就連最簡單的任務,我都想見識一下。每一趟航程都會發生無數大大小小的偶發事件,需要機組成員花費心神處理、憑直覺下判斷,如果你身在千里之外的地面上,要怎麼解決這些狀況,我真沒辦法想像。

即使真的要把無人飛行載具的模型應用在商務航空領域,也必須砸下大筆資本,大幅修改現行民用航空制度與基礎架構,舉凡設計一代的新飛機並進行測試、建立新的飛航管制系統,諸如此類。連無人汽車、無人火車、無人船的概念都未臻完美了,就要一下子跳到商務客機,難度和成本都會呈次方成長,即使真的成功,還是要有人遠端控制那些飛機才行。

若要將無人飛行載具的模型應用在商務航空領域,需大幅修改現行民用航空制度與基礎架構。圖/pixabay

我不是要說人類辦不到這種事,說不定有一天,我們真的可以搭無人民航機旅行,就好比我們也可能在月球上或海底建造城市。說到最後,最大的問題不在於科技是否做得到,而在於成本和實用性。離這個目標還有很長一段路要走,前提是我們真的要走這一條路。

我知道這些話聽在你聽來有什麼感覺。對你來說,我不過是個反科技分子,抗拒逐步進逼的科技,只為保住終將被時代淘汰的飯碗;正因為我是民航機機師,所以我的論據不足採信。你大可這樣想無所謂,但我可以保證,我不是過於天真,說話也完全憑良心,更不反對科技進步;我只反對過度引申科技功用的愚昧之舉,以及那些明顯曲解機師在做些什麼的言論,因為我和同事賴以維生的工作絕不是那樣。

本文摘自《機艙機密:空中旅行大百科》,2019 年 1 月,行路出版。

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塞車好心煩!自動駕駛能解嗎?——台大資工林忠緯專訪
科技大觀園_96
・2021/02/08 ・4673字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

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每到年節時期,不管返鄉或是出遊,用路人最討厭遇到的就是塞車,漫長的等待、讓人踩剎車踩到腳痛的行車速度,抑或是被汽車廢煙包圍的感覺,本是愉悅心情恐怕都大打折扣。你也是恨不得讓「塞車」這個詞消失在這世界上的人嗎?自動駕駛或許能幫你達成心願喔~感到好奇的話,那就繼續看下去吧!

造成塞車的幕後黑手是誰?

試想,人類與機器人在駕駛汽車時,要維持車與車之間等速前進,誰會 hold 得最好呢?答案很明顯是……機器人!為什麼呢?關鍵就在於「人類的反應速度」,反應速度因人而異:當老(手)司機在開車時,他們能夠對於哪時候該踩剎車、油門的反應速度快,因此不會因誤判與前車之間的距離,而落下一大段「空白車距」;然而菜鳥司機就不一樣了,他們反應速度沒有老(手)司機快,所以在看到前方車輛時,因無法正確判斷哪時候踩剎車最恰當,加上基於安全意識都會先減慢避免 A 到前車為第一反應,「空白車距」自然就出現了~而後方的車輛們會因為這位菜鳥司機(老鼠屎)的行車速度減慢而開始擠成一團,造成塞車。

相信駕駛人們遇到塞車的反應都跟圖片中的人一樣煩悶不堪。圖/GIPHY

相反地,當機器人在行車時,因為他們的動作程序一致,因此能穩穩地維持等速行駛。這也就是為何現今車廠想推出自動駕駛車(以下簡稱「自駕車」)的原因之一。自動駕駛真有那麼神嗎?讓我們來一一剖析它吧!

延伸閱讀:連假無法逃離宿命!為什麼會塞車呢?

自駕車大小事

自動駕駛,顧名思義就是讓車子在無人為操作的情況下,將行車速度與控制車間距離等原本需要手動操控車子行進的動作轉為自動化,以減輕駕駛人的行車負擔。

  • 自動駕駛分級:

自動駕駛可是也有分級制度的!國際汽車工程師協會 (Society of Automotive Engineers, SAE) 依據汽車的自動化程度分為以下級別:

參考資料:SAE International

時至 2020 年末,汽車業的自動駕駛即將發展至第四級,第五級則是各企業競相達成的最終目標。

  • 自駕車的配備主要有哪些?
    • 感測器:相當於人類的眼睛,能辨識障礙物的種類及位置。而感測器又可分為攝影機(Camera)、光達(LiDAR)、雷達(Radar)、超音波這四種,不同種的感測器對於環境辨識及障礙物解析力也會有差異。
    • 動態定位:相當於 Google 地圖功能,當接收來自感測器的環境資訊後,自駕車能協同 GPS、IMU 與高精準地圖資訊等定位工具自動辨識車輛所在位置及設定目的地。
    • 智慧決策:相當於人腦的決斷力,透過整合電子地圖 (RNDF/OpenStreetMap)、感知融合(Perception)、靜態軌跡規劃(Mission Planning)、行為規劃(Behavior Planning)以決定自駕車整體需執行哪些動作及規劃。
    • 電控底盤:負責車子的轉向、剎車及油門。

參考資料:自駕車發展趨勢與關鍵技術

自駕車能透過感測器偵測車距以維持車與車之間最佳距離。圖/GIPHY

自動駕駛真的能解決塞車嗎?

自駕車本身雖能達到自動辨識路口標誌及安全煞停系統,但它就像一個好的食材,需要透過精湛的廚藝及調料的輔助才能發揮它最完美的風味,而輔助自駕車的便是「車聯網」。究竟什麼是「車聯網」?自駕車與車聯網的搭配真的能解決塞車嗎?就讓台大資工系的林忠緯教授來幫大家解惑吧!

林忠緯教授熟知自駕車與車聯網的研究。圖/轉自科技大觀園。

林忠緯教授小檔案:
林忠緯教授在博班時期的研究題目即是關於 Cyber-Physical System(CPS)的研究,而 CPS 簡單來說是指能夠執行物理層面上動作的電子產品,例如車子(能在路上行走)、心律調節器(能放電控制心律)都屬於 CPS。林教授在博班的研究即是關於車子的 CPS,也曾在美國通用汽車(General Motors)實習,畢業後持續拓展自己所長,進入加州矽谷的豐田汽車(Toyota InfoTechnology Center)擔任研究員。林教授熟知自駕車與車聯網的研究,自身也致力於自駕車、車聯網與資安問題的研究,並開心表示對於未來 28 年後自駕車的展望懷抱深深的期許。

  1. 車聯網是什麼?
    車聯網(Internet of Vehicles,IoV)是指車與車之間(vehicle-to-vehicle,V2V),或車與道路狀況(Vehicle-to-everything, V2X)之間利用網路互相交換、接收感測器所會彙整出的訊息,以達到更完善、迅速的交通網絡資訊交流,讓用路人能即時獲得路況的整體資訊。
車聯網就是車子版本的物聯網。圖/Pixabay
  1. 自駕車結合車聯網真能解決塞車嗎?
    若要剖析塞車問題,其實可以分成以下幾種狀況,自駕車必須面對各種塞車情況作出相對應的解決方案。
    1. 選擇路徑:假如過年走春行程是去宜蘭玩,大家通常會想到要走雪隧,然而當大家都走雪隧的話,勢必會造成大塞車。而車聯網能即時追蹤到已經開始塞車的道路,並通知自駕車可以改走較為不塞車的路段(例如北宜),這時候就達到了疏散車流量的效果。
    2. 路口與路口間的交通號誌:假如今天車子走在路上,一路都是綠燈當然令人心情愉悅,反之,則會導致後面開始塞車,因此在車聯網當中也可以整合總體交通號誌的順暢運行。
    3. 單一路口的車輛運行:通常遇到駕駛人遇到路口,都需先放慢行駛速度,觀察轉角方向是否有來車,再行通過;當一個路口車多時,塞車肯定逃不掉~而車聯網能達成上述第二點的升級版——便是不用交通號誌!車聯網就像是開上帝視角,可以同時獲得路口的各道路資訊,而這些資訊是單一自駕車無法自行偵測的,自駕車針對這些資訊做出相對應的動作,而自駕車對於這些動作的控制能比駕駛人更加精準,因此車聯網與自駕車能夠相輔相成增加路口的運行效率。
    4. 單一車輛的運行:車聯網與自駕車亦能互相搭配在安全的前提下縮短跟車距離並減少過度保守的煞車,如此道路的使用率能夠提升,也能減少塞車的機率。
自駕車結合車聯網能達成無須紅綠燈,路口間也能順暢行駛。圖/GIPHY

林教授認為自駕車結合車聯網勢必能解決部分層面的塞車問題,也能避免酒駕、恍神、視線死角等人為意外肇事的發生比率,但在現實生活要自駕車能實際放在道路上跑,現階段仍面臨重重難關。

  1. 自駕車的發展現階段會遇到哪些瓶頸?
    讓我們想像一下,當自駕車、車聯網已完全取代所有的交通系統,實際上最有可能會發生以下幾種瓶頸:
    • 瓶頸一:自駕車的整合系統尚未完善
      林教授個人認為目前自駕車的整合系統會是一大問題,即便供應商提供再好的車組配件,配件與配件之間的整合系統不佳還是會造成車子載運行時效率不佳甚至還可能會釀成車禍,或是遭駭客入侵自駕車系統。所以教授認為設計一個具縝密規畫的整合系統,不僅可以讓車子運行順暢,也能保障駕駛人的安全。
    • 瓶頸二:法規訂定的難題
      當自駕車發生車禍了,那誰該跳出來負責任呢?該怪自駕車內部的機器學習沒有收納進這些意外狀況的數據嗎?還是都是工程師的錯?其實這也是自駕車衍伸出的頭疼題,而林教授針對這個問題也提出相關建議,例如在購買自駕車時,售價的一部分可以作為保險補償,當發生意外時,便能獲得補償金。
    • 瓶頸三:消費者的接受程度
      消費者在購買商品時常會考慮價格及使用感受,而自駕車雖然目前製造成本高昂,但相信未來隨著自駕車的研發技術逐漸成熟,成本也會隨之下降,但成本要降到多低才能達到量產,以及售價普遍是消費者能接受的範圍仍是個問題。另外,感受度的部分,當我們坐進自駕車裡面,由於自駕車可以精準縮小車距,因此當對向來車很近地迎面衝過來,真的不會嚇到嗎?因為自駕車有別於以往的行車感受,所以也不見得能被所有消費者接受。
      另外,有部分消費者享受自己駕馭車子的樂趣,所以他們也不會想使用自駕車,當道路上並非統一是自駕車的情形,要達成車聯網更是難上加難哪~
    • 瓶頸四:資安問題
      自駕車結合車聯網運行時極需網路,而有網路的地方,駭客便如影隨形,當駭客像電影情節一樣駭入車聯網時,不但會構成駕駛人的性命威脅,甚至還會造成全面性的交通世紀大癱瘓!水能載舟亦能覆舟,車聯網雖能讓交通運行更順暢,也可能會釀成一場可怕的災難,因此林教授強調維護資安也是設計車聯網的重點項目。

解決塞車問題的理想藍圖

當我們檢視塞車問題的視野再拉遠一點,除了自駕車及車聯網以外,教授也慷慨地分享了以下管道解決塞車問題:

  • 共享汽車:當大家都選擇搭乘共享自駕車,便能減低車流量與車子的總量(大家更傾向不買車),路上的車子少了,便能減低塞車的發生率。(傳染病盛行的時代不太適用)
  • 道路擴大:當車子的總量下降,停車需求減少,空間使用更有彈性。當道路新增了好幾條線,便能分散車流,避免全部車子堵在同一條路上。
  • 網路通訊:現在網路科技發達,人們在家也能透過網路完成視訊會議、參與活動,減少出門的必要性,也就無須駕車。

結語

雖然現階段自駕車要完全解決塞車問題仍需經時間歷練,但相信透過林忠緯教授及眾多研發單位的辛勤貢獻,大家在春節期間能夠利用自駕車與車聯網享受更加順暢、迅速的行車體驗,而不再受塞車之苦的日子指日可待!新春期間,也祝大家行車平安,旅途別塞!

塞車問題仍需大家共同努力解決,才能營造良好的交通網絡。圖/GIPHY

參考資料

  1. 「自駕車受騙上當和辨識盲點」之專家回應
  2. 為何美國交通部選用SAE的自動駕駛分級,而棄NHTSA丨汽車商業評論
  3. 自動駕駛車發展現況與未來趨勢
  4. 何謂自動駕駛?
  5. 關於自動駕駛:內行人才會懂的有話直說
  6. 對於塞車問題,智慧交通提供的四大解決方案
  7. 塞車讓駕駛踩煞車踩到抽筋,汽車新科技解決這困擾!(內有影片)
  8. 2020 最新自動駕駛技術報告出爐!以特斯拉、Volvo 為例,全面涵蓋智駕技術
  9. 網宇實體系統與製造應用- 熱門焦點- 經濟部技術處
  10. Wevolver: Knowledge for engineers
  11. 一起來用十分鐘略懂自駕車吧!GoGoGo!
  12. 無人駕駛車/自駕車技術探索
  13. SAE International
  14. 科學月刊:不需駕駛也能輕鬆上路-淺談自駕車與高精地圖
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