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2015年，美國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)了“駕駛艙內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)”（ALIAS）項(xiàng)目，旨在讓自動(dòng)化系統(tǒng)接管基礎(chǔ)飛行操作，降低人類作戰(zhàn)負(fù)荷，提高任務(wù)能力和飛行安全，減少飛行員的培訓(xùn)周期和規(guī)模，節(jié)省培訓(xùn)和工資成本。目前，ALIAS項(xiàng)目在實(shí)施了43個(gè)月后，已成功實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，即將向軍種轉(zhuǎn)化。根據(jù)DARPA預(yù)算文件，該項(xiàng)目總共獲得了8951.5萬美元經(jīng)費(fèi)。

一、項(xiàng)目要求

根據(jù)招標(biāo)書文件，ALIAS項(xiàng)目將發(fā)展一種可定制、嵌入式的自動(dòng)飛行系統(tǒng)，并能通過人機(jī)接口與飛行員流暢互動(dòng)。未來，飛行員將僅關(guān)注任務(wù)規(guī)劃、軍事戰(zhàn)術(shù)等復(fù)雜問題，而ALIAS系統(tǒng)將完成起飛、巡航、避障、降落等飛行操作，另外也能糾正飛行員的失誤、與人類協(xié)商規(guī)劃飛行方案。

ALIAS項(xiàng)目構(gòu)想圖（DARPA圖片）

DARPA要求：ALIAS系統(tǒng)必須在一個(gè)月之內(nèi)嵌入到全新戰(zhàn)機(jī)，或在一天之內(nèi)集成至現(xiàn)役戰(zhàn)機(jī)；可安裝在80%的軍用固定翼和旋翼平臺(tái)以及相關(guān)民用平臺(tái)；全面覆蓋典型的飛行任務(wù)和應(yīng)急程序；擁有冗余設(shè)計(jì)和軟件保障設(shè)計(jì)；可在現(xiàn)役飛機(jī)上快速集成最新應(yīng)用，包括第三方算法。

項(xiàng)目有三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域：一是盡可能減少ALIAS系統(tǒng)嵌入飛機(jī)復(fù)雜程度，以加速自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)與使用；二是獲取飛機(jī)操作知識(shí)，使系統(tǒng)快速嵌入不同平臺(tái)；三是發(fā)展流暢的人機(jī)接口，使飛行員能快速進(jìn)行任務(wù)監(jiān)控和重規(guī)劃。

項(xiàng)目分三個(gè)研發(fā)階段：第一階段開展概念設(shè)計(jì)，并在地面飛行模擬器上驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)；第二階段將成熟和豐富第一階段的成果，增強(qiáng)人機(jī)界面的可用性和魯棒性，以及地面演示系統(tǒng)的可靠性，以支持飛行試驗(yàn)；第三階段將開展包括從起飛、著陸、出現(xiàn)緊急狀況在內(nèi)的全自動(dòng)化飛行演示，并驗(yàn)證系統(tǒng)移植到其他飛機(jī)上的能力。

二、發(fā)展歷程和設(shè)計(jì)方案

2015年1-3月，DARPA分別授予西科斯基飛機(jī)公司（經(jīng)費(fèi)800萬美元）、極光飛行科學(xué)公司（經(jīng)費(fèi)600萬美元）、洛·馬公司第一階段合同。同年8月，西科斯基飛機(jī)公司（經(jīng)費(fèi)2274.6633萬美元，其中公司自籌758.1453萬美元，DARPA提供1516.518萬美元）和極光飛行科學(xué)公司獲得第二階段合同。在該階段，美國航空航天局、空軍、陸軍和海軍都表達(dá)出對(duì)ALIAS系統(tǒng)的興趣。2016年12月，DARPA最終授予西科斯基飛機(jī)公司3570萬美元的第三階段合同。2019年9月30日前，項(xiàng)目將按預(yù)期完成全部目標(biāo)。以下介紹極光飛行科學(xué)公司和西科斯基飛機(jī)公司的技術(shù)方案和試驗(yàn)情況。

1．極光飛行科學(xué)公司

極光飛行科學(xué)公司的ALIAS系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、視覺感知系統(tǒng)、語音交互系統(tǒng)、一臺(tái)安裝在副駕駛位置上的機(jī)械臂、先進(jìn)平板電腦以及一套飛機(jī)操控知識(shí)的獲取流程。感知系統(tǒng)包含四個(gè)攝像頭，用于讀取儀器面板和監(jiān)視儀表的數(shù)值，以及開關(guān)控制按鈕的位置，然后將這些信息數(shù)字化并傳送給控制系統(tǒng)。機(jī)械臂擁有六自由度，可在控制指揮下像人類一樣操縱飛機(jī)，包括使用駕駛桿、桿盤、方向舵腳蹬和油門桿等。飛行時(shí)，飛行員通過平板電腦為控制系統(tǒng)下指令，機(jī)械臂的動(dòng)作如果和飛行員的操作沖突，可自動(dòng)撤回。除了通過平板電腦，飛行員也可通過語音與ALIAS系統(tǒng)交互，后者會(huì)向前者提醒操作失誤和警告意外情況。

極光飛行科學(xué)公司ALIAS項(xiàng)目方案

在項(xiàng)目第一階段，極光飛行科學(xué)公司的ALIAS系統(tǒng)成功在鉆石DA-42固定翼飛機(jī)的模擬器和實(shí)機(jī)上開展了試驗(yàn)。項(xiàng)目第二階段，公司把ALIAS系統(tǒng)安裝到DARPA提供的賽斯納“凱旋”（舊譯“大篷車”）固定翼飛機(jī)上，驗(yàn)證了系統(tǒng)的多平臺(tái)適應(yīng)性，并在飛行員的監(jiān)控下完成了基礎(chǔ)飛行機(jī)動(dòng)。之后，公司開展了把ALIAS系統(tǒng)集成到貝爾直升機(jī)公司UH-1直升機(jī)和波音公司737飛行模擬器上的工作。

2．西科斯基飛機(jī)公司

西科斯基飛機(jī)公司的ALIAS系統(tǒng)基于其2013年自籌經(jīng)費(fèi)發(fā)展的“西科斯基自主性研究飛機(jī)”（SARA）項(xiàng)目。SARA項(xiàng)目改裝了一架S-76B商用直升機(jī)，加裝了飛行控制系統(tǒng)、電傳伺服控制系統(tǒng)、激光雷達(dá)和攝像機(jī)，旨在極大提升直升機(jī)的飛行性能、可靠性和安全性。在ALIAS項(xiàng)目中，該公司并未在駕駛艙中設(shè)計(jì)機(jī)械臂，而是把操縱機(jī)構(gòu)植入于機(jī)體內(nèi)部。另外在項(xiàng)目每一階段，其都會(huì)對(duì)ALIAS系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)更加精確的操控和便捷的人機(jī)交互。

SARA試驗(yàn)機(jī)（美國西科斯基飛機(jī)公司圖片）

在項(xiàng)目第一階段，ALIAS系統(tǒng)可利用數(shù)據(jù)庫和傳感器提供的態(tài)勢感知數(shù)據(jù)，在與飛行員通過平板電腦交互后，自動(dòng)完成任務(wù)規(guī)劃和飛行控制。飛行過程中，飛行員還可通過安裝在右窗邊的六自由度空間鼠標(biāo)調(diào)整飛行器的位置。另外，地面人員也可使用平臺(tái)電腦控制S-76B。值得注意的是，西科斯基飛機(jī)公司的ALIAS系統(tǒng)并未使用目前流行的人工智能算法，而是刻意使用了傳統(tǒng)的“確定性”軟件（相同輸入總會(huì)輸出同一結(jié)果），以提高系統(tǒng)的可靠性和飛行員對(duì)其的信任程度。2016年6月，公司成功在S-76B上驗(yàn)證了ALIAS系統(tǒng)的自動(dòng)化能力，飛行了48.3千米，ALIAS系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制飛行方向。

ALIAS平板電腦界面（美國西科斯基飛機(jī)公司圖片）

在項(xiàng)目第二階段，西科斯基飛機(jī)公司在多型固定翼飛機(jī)和直升機(jī)機(jī)體內(nèi)部和駕駛艙地板下安裝了ALIAS系統(tǒng)，與原有的機(jī)械、電子和檢測系統(tǒng)完成了快速連接。同時(shí)，在駕駛艙中安裝了攝像頭以讀取儀表數(shù)據(jù)和開關(guān)位置，還配裝了UTC航宇系統(tǒng)公司的激光雷達(dá)和短波紅外線傳感器。在該階段，公司在兩架塞斯納固定翼飛機(jī)、一架鉆石DA-42固定翼飛機(jī)和一架S-76B直升機(jī)上成功開展了飛行驗(yàn)證。

在項(xiàng)目第三階段，西科斯基飛機(jī)公司為ALIAS系統(tǒng)引入了一套類似操縱桿的“飛行控制器”，通過與平板電腦配合使用，可快速實(shí)現(xiàn)多種類型的精確控制，如飛行期間動(dòng)態(tài)重規(guī)劃等。“飛行控制器”右側(cè)桿可操作縱向運(yùn)動(dòng)和空速，而垂直和偏航控制通過左側(cè)桿進(jìn)行。2018年10月，美陸軍、DARPA和西科斯基飛機(jī)公司成功開展了ALIAS系統(tǒng)的飛行演示驗(yàn)證，陸軍飛行員認(rèn)為其顯著降低了認(rèn)知負(fù)擔(dān)，提高了作戰(zhàn)能力和飛行安全。在一小時(shí)的飛行驗(yàn)證中，飛行員執(zhí)行了一系列真實(shí)的任務(wù)（飛行員僅接觸該系統(tǒng)三天），如低空飛行、在受限區(qū)域起飛和降落、降落地點(diǎn)選擇、航跡規(guī)劃、避開電線等。飛行員通過平板電腦向ALIAS系統(tǒng)發(fā)出一些基本指令，如起飛、向那兒飛、在這兒降落等，并使用“飛行控制器”輸入更加精確的控制。最后，陸軍人員還在駕駛艙控制直升機(jī)和地面控制直升機(jī)之間進(jìn)行了多次切換。

美陸軍人員在模擬器上進(jìn)行試驗(yàn)（美國西科斯基飛機(jī)公司圖片）

目前，西科斯基飛機(jī)公司使用ALIAS系統(tǒng)改裝了一架UH-60A，并計(jì)劃在2019年秋進(jìn)行飛行試驗(yàn)。美陸軍也正使用項(xiàng)目成果改進(jìn)一架最新的UH-60M，計(jì)劃于2020年1月首飛，2020年5月驗(yàn)證ALIAS系統(tǒng)。2019年5月，DARPA表示ALIAS系統(tǒng)將植入一架美空軍國民警衛(wèi)隊(duì)的F-16第30批次戰(zhàn)斗機(jī)，并預(yù)計(jì)在三年內(nèi)進(jìn)行飛行試驗(yàn)；而DARPA更加長遠(yuǎn)的規(guī)劃是在美軍下一代偵察和攻擊直升機(jī)的設(shè)計(jì)之初便考慮融入ALIAS系統(tǒng)。

三、項(xiàng)目影響

ALIAS項(xiàng)目解放了飛行員基礎(chǔ)駕駛?cè)蝿?wù)，極大改變了人類和飛行器的交互方式，將在軍民用航空領(lǐng)域產(chǎn)生較大影響。

在軍用航空方面，鑒于ALIAS系統(tǒng)極短的裝機(jī)周期、極強(qiáng)的機(jī)型適應(yīng)能力，以及各軍種對(duì)其表現(xiàn)出的興趣，可預(yù)期美軍大部分戰(zhàn)機(jī)近期便可擁有自動(dòng)化駕駛的能力。這不僅降低了飛行員的飛行負(fù)擔(dān)，使其更加專注于作戰(zhàn)，還擁有可避免因低級(jí)失誤造成機(jī)毀人亡、大幅縮短飛行員培訓(xùn)周期、使新手飛行員能執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)、可全面提升美空中力量作戰(zhàn)水平等優(yōu)勢。在遠(yuǎn)期，美軍有人戰(zhàn)機(jī)在植入ALIAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化飛行的基礎(chǔ)上，還可使用DARPA在研的“分布式作戰(zhàn)管理”、“對(duì)抗環(huán)境強(qiáng)韌同步規(guī)劃和評(píng)估”等項(xiàng)目的成果，進(jìn)而從打擊效果投送平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)榭罩袘?zhàn)場的決策和指控節(jié)點(diǎn)，為DARPA設(shè)想的未來分布式空中作戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。

在民用航空方面，目前城市空中運(yùn)輸是全球發(fā)展熱點(diǎn)，而這種任務(wù)的需求與ALIAS系統(tǒng)具備的自動(dòng)化飛行能力強(qiáng)、培訓(xùn)時(shí)間短、飛行安全性突出等特點(diǎn)十分吻合。另外，由于ALIAS系統(tǒng)未采用人工智能算法，因此不會(huì)出現(xiàn)人類難以預(yù)料的控制結(jié)果，極大增強(qiáng)了普通民眾對(duì)飛行器的信任程度。因此，西科斯基飛機(jī)公司認(rèn)為ALIAS系統(tǒng)是其進(jìn)軍城市空中運(yùn)輸市場的關(guān)鍵。除此之外，ALIAS系統(tǒng)還可在近海油氣保障、緊急醫(yī)療服務(wù)以及搜索救援等各種任務(wù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，全面塑造未來民用航空的發(fā)展態(tài)勢。

袁成先生已為《空天防務(wù)觀察》提供12篇專欄文章，如下表：