DARPA「駕駛艙內自動化系統」項目分析

極光飛行科學公司ALIAS項目方案

SARA試驗機

美陸軍人員在模擬器上進行試驗

袁成

中國航空報訊：2015年，美國防預先研究計劃局（DARPA）啟動了「駕駛艙內自動化系統」（ALIAS）項目，旨在讓自動化系統接管基礎飛行操作，降低人類作戰負荷，提高任務能力和飛行安全，減少飛行員的培訓周期和規模，節省培訓和工資成本。目前，ALIAS項目在實施了43個月後，已成功實現預期目標，即將向軍種轉化。根據DARPA預算文件，該項目總共獲得了8951.5萬美元經費。

項目要求

根據招標書文件，ALIAS項目將發展一種可定製、嵌入式的自動飛行系統，並能通過人機介面與飛行員流暢互動。未來，飛行員將僅關注任務規劃、軍事戰術等複雜問題，而ALIAS系統將完成起飛、巡航、避障、降落等飛行操作，另外也能糾正飛行員的失誤、與人類協商規劃飛行方案。

DARPA要求：ALIAS系統必須在一個月之內嵌入到全新戰機，或在一天之內集成至現役戰機；可安裝在80%的軍用固定翼和旋翼平台以及相關民用平台；全面覆蓋典型的飛行任務和應急程序；擁有冗餘設計和軟體保障設計；可在現役飛機上快速集成最新應用，包括第三方演算法。

項目有三個關鍵技術領域：一是儘可能減少ALIAS系統嵌入飛機複雜程度，以加速自動化技術的研發與使用；二是獲取飛機操作知識，使系統快速嵌入不同平台；三是發展流暢的人機介面，使飛行員能快速進行任務監控和重規劃。

項目分三個研發階段：第一階段開展概念設計，並在地面飛行模擬器上驗證系統架構；第二階段將成熟和豐富第一階段的成果，增強人機界面的可用性和魯棒性，以及地面演示系統的可靠性，以支持飛行試驗；第三階段將開展包括從起飛、著陸、出現緊急狀況在內的全自動化飛行演示，並驗證系統移植到其他飛機上的能力。

發展歷程和設計方案

2015年1～3月，DARPA分別授予西科斯基飛機公司（經費800萬美元）、極光飛行科學公司（經費600萬美元）、洛馬公司第一階段合同。同年8月，西科斯基飛機公司（經費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、陸軍和海軍都表達出對ALIAS系統的興趣。2016年12月，DARPA最終授予西科斯基飛機公司3570萬美元的第三階段合同。2019年9月30日前，項目將按預期完成全部目標。以下介紹極光飛行科學公司和西科斯基飛機公司的技術方案和試驗情況。

1．極光飛行科學公司

極光飛行科學公司的ALIAS系統包括控制系統、視覺感知系統、語音交互系統、一台安裝在副駕駛位置上的機械臂、先進平板電腦以及一套飛機操控知識的獲取流程。感知系統包含四個攝像頭，用於讀取儀器面板和監視儀錶的數值，以及開關控制按鈕的位置，然後將這些信息數字化並傳送給控制系統。機械臂擁有六自由度，可在控制指揮下像人類一樣操縱飛機，包括使用駕駛桿、桿盤、方向舵腳蹬和油門桿等。飛行時，飛行員通過平板電腦為控制系統下指令，機械臂的動作如果和飛行員的操作衝突，可自動撤回。除了通過平板電腦，飛行員也可通過語音與ALIAS系統交互，後者會向前者提醒操作失誤和警告意外情況。

在項目第一階段，極光飛行科學公司的ALIAS系統成功在鑽石DA-42固定翼飛機的模擬器和實機上開展了試驗。項目第二階段，公司把ALIAS系統安裝到DARPA提供的賽斯納「凱旋」（舊譯「大篷車」）固定翼飛機上，驗證了系統的多平台適應性，並在飛行員的監控下完成了基礎飛行機動。之後，公司開展了把ALIAS系統集成到貝爾直升機公司UH-1直升機和波音公司737飛行模擬器上的工作。

2．西科斯基飛機公司

西科斯基飛機公司的ALIAS系統基於其2013年自籌經費發展的「西科斯基自主性研究飛機」（SARA）項目。SARA項目改裝了一架S-76B商用直升機，加裝了飛行控制系統、電傳伺服控制系統、激光雷達和攝像機，旨在極大提升直升機的飛行性能、可靠性和安全性。在ALIAS項目中，該公司並未在駕駛艙中設計機械臂，而是把操縱機構植入於機體內部。另外在項目每一階段，其都會對ALIAS系統進行改進升級，以實現更加精確的操控和便捷的人機交互。

在項目第一階段，ALIAS系統可利用資料庫和感測器提供的態勢感知數據，在與飛行員通過平板電腦交互後，自動完成任務規劃和飛行控制。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滑鼠調整飛行器的位置。另外，地面人員也可使用平台電腦控制S-76B。值得注意的是，西科斯基飛機公司的ALIAS系統並未使用目前流行的人工智慧演算法，而是刻意使用了傳統的「確定性」軟體（相同輸入總會輸出同一結果），以提高系統的可靠性和飛行員對其的信任程度。2016年6月，公司成功在S-76B上驗證了ALIAS系統的自動化能力，飛行了48.3千米，ALIAS系統主要負責控制飛行方向。

在項目第二階段，西科斯基飛機公司在多型固定翼飛機和直升機機體內部和駕駛艙地板下安裝了ALIAS系統，與原有的機械、電子和檢測系統完成了快速連接。同時，在駕駛艙中安裝了攝像頭以讀取儀錶數據和開關位置，還配裝了UTC航宇系統公司的激光雷達和短波紅外線感測器。在該階段，公司在兩架塞斯納固定翼飛機、一架「鑽石」DA-42固定翼飛機和一架S-76B直升機上成功開展了飛行驗證。

在項目第三階段，西科斯基飛機公司為ALIAS系統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，可快速實現多種類型的精確控制，如飛行期間動態重規劃等。「飛行控制器」右側桿可操作縱向運動和空速，而垂直和偏航控制通過左側桿進行。2018年10月，美陸軍、DARPA和西科斯基飛機公司成功開展了ALIAS系統的飛行演示驗證，陸軍飛行員認為其顯著降低了認知負擔，提高了作戰能力和飛行安全。在一小時的飛行驗證中，飛行員執行了一系列真實的任務（飛行員僅接觸該系統3天），如低空飛行、在受限區域起飛和降落、降落地點選擇、航跡規劃、避開電線等。飛行員通過平板電腦向ALIAS系統發出一些基本指令，如起飛、向那兒飛、在這兒降落等，並使用「飛行控制器」輸入更加精確的控制。最後，陸軍人員還在駕駛艙控制直升機和地面控制直升機之間進行了多次切換。

目前，西科斯基飛機公司使用ALIAS系統改裝了一架UH-60A，並計劃在2019年秋進行飛行試驗。美陸軍也正使用項目成果改進一架最新的UH-60M，計劃於2020年1月首飛，2020年5月驗證ALIAS系統。2019年5月，DARPA表示ALIAS系統將植入一架美空軍國民警衛隊的F-16第30批次戰鬥機，並預計在三年內進行飛行試驗；而DARPA更加長遠的規劃是在美軍下一代偵察和攻擊直升機的設計之初便考慮融入ALIAS系統。

項目影響

ALIAS項目解放了飛行員基礎駕駛任務，極大改變了人類和飛行器的交互方式，將在軍民用航空領域產生較大影響。

在軍用航空方面，鑒於ALIAS系統極短的裝機周期、極強的機型適應能力，以及各軍種對其表現出的興趣，可預期美軍大部分戰機近期便可擁有自動化駕駛的能力。這不僅降低了飛行員的飛行負擔，使其更加專註於作戰，還擁有可避免因低級失誤造成機毀人亡、大幅縮短飛行員培訓周期、使新手飛行員能執行複雜任務、可全面提升美空中力量作戰水平等優勢。在遠期，美軍有人戰機在植入ALIAS系統實現自動化飛行的基礎上，還可使用DARPA在研的「分散式作戰管理」「對抗環境強韌同步規劃和評估」等項目的成果，進而從打擊效果投送平台轉變為空中戰場的決策和指控節點，為DARPA設想的未來分散式空中作戰奠定基礎。

在民用航空方面，目前城市空中運輸是全球發展熱點，而這種任務的需求與ALIAS系統具備的自動化飛行能力強、培訓時間短、飛行安全性突出等特點十分吻合。另外，由於ALIAS系統未採用人工智慧演算法，因此不會出現人類難以預料的控制結果，極大增強了普通民眾對飛行器的信任程度。因此，西科斯基飛機公司認為ALIAS系統是其進軍城市空中運輸市場的關鍵。除此之外，ALIAS系統還可在近海油氣保障、緊急醫療服務以及搜索救援等各種任務領域發揮重要作用，全麵塑造未來民用航空的發展態勢。

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