搖搖不墜！
撰文／Mike Corder｜譯者／鍾樹人
轉載自《科學人》2004年9月第31期
1989年7月19日，當美國聯合航空232號班機在愛荷華州上空盤旋時，這架DC-10客機機尾引擎的風扇突然破裂，機體的三條液壓管路全遭碎片殘骸切斷。由於飛行員完全無法操控飛機的控制面，包括機翼上的副翼、機身後方的升降舵與方向舵，可怕的墜機事件似乎已經無可避免。不過，飛行員謹慎地操控另兩具引擎的動力，最後總算把飛機降落在蘇市（Sioux city）。雖然機體撞向跑道之後就傾覆並且開始燃燒，不過296位乘客與機員當中，有184位倖存下來。
這架232號班機的飛行員證明了，僅僅依靠引擎，也可能控制現代飛機。這個發現激勵某些創新的工程師開始思考，是否可在飛機的電腦內加入新程式，以達成相同的功能，讓飛行員更容易把嚴重受損的飛機安全降落在地面上。這項研究在過去15年中漸有進展，預計在不遠的將來，這項技術就可能整合到商用客機或軍機內。為了判斷這些電腦飛控系統的性能，我決定找一位具有適當經驗的飛行員（好比我自己），看看能不能藉由這些系統，操控發生問題的飛機。
讓我先介紹一些背景知識。早期飛機的控制桿與方向舵踏板，是直接以金屬線、棍棒或纜線與控制面相連，但是隨著機體變大、飛行速度加快，飛行員要操縱控制桿也就愈來愈難。因此，工程師為飛機加上「動力方向盤」，把纜線接到液壓伺服裝置，藉此放大飛行員的力氣。接著，數位時代來臨，航空器製造商開發出新的控制系統，可把飛行員的操作輸入電腦內。這種所謂的「線傳飛控系統」可大幅提升飛機的性能。例如，戰鬥機在輕負載的狀態下可能表現良好，一旦在機翼上安裝炸彈，飛行性能就可能下降。如果在機體迴路中安裝電腦，便可改變控制規則，使飛機表現趨於一致。線傳飛控同時創造了防護裝置：如果飛行員試圖以某種動作造成航空器解體或墜落，電腦可略過飛行員的輸入，取得操控權，使飛機只能位於「飛行包線」（flight envelope）的範圍之內。
就在232號班機失事後不久，當時於美國加州愛德華的航太總署德萊登飛行研究中心擔任首席推進工程師的柏查姆爵士，開始研發軟體，想利用噴射引擎彌補受損的飛機控制板。一開始，這個研究被認為太過前衛而申請不到經費，不過德萊登中心有幾位工程師自願貢獻出閒暇時間。這個計畫後來稱為「推進控制飛機」（PCA），而且終於取得一小筆預算，並且在MD-11噴射機上進行飛行測試。1995年8月29日，PCA小組僅利用電腦控制引擎來操縱飛機，就讓飛機順利降落在愛德華空軍基地。航太總署的工程師認為他們已經證明，只要改良飛機的軟體，就能有效提升大型客機的安全。但不幸的，沒有任何飛機製造商選擇採用這項技術。
幾年後，位於美國加州山景城的航太總署艾密斯研究中心智慧飛控（IFC）小組的研究人員，以PCA小組的成果為基礎，再接再勵開發出新系統，使受損飛機的電腦控制引擎，能夠與其他功能尚存的控制面一起合作。這個系統以類神經網路軟體為基礎，可模仿人類大腦的行為，從經驗中學習；也就是說，網路連結會因為使用而增強，也會因為不使用而衰退。IFC系統的類神經網路會比較飛機應有的與實際的飛行狀況。由於參考模型可能會有誤差，飛機也會出現正常的折舊與磨損，甚至飛機的實際結構發生損壞，所以飛機實際的飛行狀況可能會和應有的狀況不同。類神經網路則會監測並且試著縮小差異。
比如，如果想讓一架正常的飛機攀升，就要把控制桿往後拉，升起升降舵。但如果升降舵失效，IFC系統就會升起兩側的副翼，好拉起機鼻。（副翼的移動一般都是不對稱的，其中一個升起時，另一個就會下降。）如果這樣的操作還是無法校正錯誤，或已經達到預防側翻的極限，IFC系統就會利用引擎的推力，讓機身達到目標高度。
艾密斯中心的研究人員邀請專業客機飛行員與航太總署的試飛員，在實驗室的模擬器中試飛，以測試系統。一開始，飛行員先進行正常狀況的模擬飛行，之後研究人員再模擬各種故障現象，觀察飛行員如何運用各種控制系統來因應。幾乎在所有狀況中，IFC系統的表現都比傳統的線傳飛控系統好。當工程師模擬機尾所有控制面都故障的狀況時，只有一半的飛行員能夠利用線傳飛控系統，讓飛機安全降落；但改用IFC系統之後，所有飛行員都能讓飛機安然回到跑道上。
那麼，駕駛一架配有類神經網路的飛機，感覺如何？最近，我接受了IFC小組領隊岡迪–伯利特的邀請，在他們的實驗室待了幾個小時，親眼觀察這個系統。我本身會駕駛私人小飛機，但沒有飛行大型客機的經驗。IFC的模擬器被設定成美國空軍的C-17運輸機，那是具有四組引擎的大機型。模擬器內包覆著一面大螢幕，可顯示動畫景觀以及全尺寸模型的玻璃座艙，取代了傳統飛行儀的彩色平面顯示器。
岡迪–伯利特把我設定在最後進場狀態，距離舊金山機場19公里，然後讓我灰頭土臉地試著把一架未受損的飛機降落在地面上。我笨手笨腳地努力操控飛機，IFC小組的成員布萊恩特很好心，並沒有笑我，他是已退休的美國海軍戰鬥機飛行員。我最大的問題是不熟悉玻璃座艙，因為玻璃座艙才剛開始運用在私人飛機上。所以大部份時間，我都是盯著模擬顯示器，試圖找到我所熟悉的數值，好比飛行速度、高度等，而不是真的在駕駛飛機。總之，基本上我已經知道沒有受損的飛機是怎麼飛的了。
接著，岡迪–伯利特把模擬器重設到初始狀態，並且說：「機長，抱歉，機尾的所有控制面全都故障了。」升降舵與方向舵已經不聽使喚，在真實世界中，這對業餘飛行員來說，無疑是宣判死刑。但我發現，在這種情況下模擬飛機還是滿好操控的，這真是令我又驚又喜。我一邊慢慢轉動機身，感覺飛機的狀況，一邊試著保持正確的航向。受損的飛機緩緩震動顛簸著，但我一放慢操控速度，它似乎反而變得比較正常。這種改變無疑是因為類神經網路的協助，因為這種網路會自我訓練，補償受損的狀況。當網路適應新的狀況之後，飛機也會變得比較容易操控。幾分鐘之後，我已經讓模擬飛機安全降落了，雖然它還是偏離了跑道。
整體經驗相當平凡無奇，幾乎和平常沒有兩樣。過了一會兒，我才體認到這是多麼大的進步。從未操控過大型飛機的私人飛機駕駛員，竟然能夠讓一架嚴重受損的四引擎噴射機降落，而沒有任何人員傷亡（至少在模擬狀況中是如此）。
這項技術何時能真正派上用場？航太總署的研究人員預計在未來兩年內，讓F-15戰鬥機與C-17運輸機搭配IFC系統試飛。率先採用這個系統的，最可能是軍機製造商。對駕駛飛機衝鋒陷陣的飛行員來說，可補償受損狀況的飛控系統，應該會特別有用。
(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)