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玻璃笼子：自动化时代和我们的未来 [:1700411222]
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玻璃笼子：自动化时代和我们的未来 2009年2月12日晚上，在呼啸的狂风中，美国大陆连线航空公司的定期航班从新泽西州的纽瓦克市起飞，飞往纽约州的布法罗市。同现在典型的商务航班一样，飞机的两位驾驶员在这一小时的旅程中并没有太多事情需要做。机长马文·伦斯洛是佛罗里达人，待人友善，当时47岁。在起飞期间，机长进行了几项简单的操作，将庞巴迪Q400涡轮螺旋桨飞机送入了天空，随后就开启了自动驾驶模式。副驾驶丽贝卡·肖当时24岁，来自西雅图，刚刚结婚。两人在驾驶舱里留意着5个LCD（液晶显示器）大屏幕上闪动的计算机读数。他们通过无线电波同空中交通管制员交换信息，并进行了几项常规检查。但是大部分的时间里，他们都是在随意地聊家庭、事业、同事和金钱。而此时，涡轮螺旋桨飞机正在16 000英尺[1]的高空中沿着西北航线飞行。
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Q400顺利进入布法罗飞机场，起落架降下，襟翼展开，但此时，机长的控制杆开始震颤，并发出噪声。飞机的抖杆警告被激活，这表示飞机失去了升力，有失速[2]危险。根据预先编写的程序，当出现失速警告后，自动驾驶系统断开，机长将控制飞机飞行。他反应迅速，但犯了一个错误：他猛地往回拉动操纵杆，抬升机鼻，降低空速，而不是向前推杆，使翼尖向下倾，加快飞机的速度。飞机的自动防失速系统启动，尝试向前推杆，但是机长又重复了刚才的动作，向后拉杆。伦斯洛不但没有阻止失速，反而导致飞机失速加剧。Q400失去控制，直线下降。在飞机撞上布法罗郊区的一栋房子前，机长说：“我们正在下降。”
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在这场空难中，机上49人全部遇难并造成地面一人丧生，这一切本不应该发生。美国国家运输安全委员会的调查表明，Q400不存在机械故障问题。飞机上虽然有结冰现象，但对冬天的航班来说，这是常有的事。飞机的防冻装置和其他系统皆运转正常。伦斯洛之前两年的飞行记录良好；肖当时患有感冒，但在飞行时两位驾驶员均头脑清醒。他们都接受过良好的训练，虽然飞机突然出现抖杆警告，但两位驾驶员有足够的时间和空域采取必要措施，防止失速。美国国家运输安全委员会将这次事故的原因归为驾驶员操作失误。伦斯洛和肖都没有察觉到一个“明显的线索”——失速警告。这一疏忽表明，“他们在监控飞机飞行时出现了重大失误”。调查员表示，一旦警告响起，机长“应该自动做出反应，但伦斯洛却感到吃惊和困惑，他并没有按照训练的要求进行操作，而是给出了错误的飞行控制指令”。负责大陆连线航空公司航班运营的是地区性运输公司——科尔根航空公司。科尔根航空公司的高管承认，驾驶员在危机情况发生时缺少“态势感知”能力。如果机组人员操作正确，飞机可能就会平安降落。
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布法罗空难并不是一个孤立的事件。三个月以后，另一场空难造成了更多人员伤亡，这两起灾难有着惊人的相似性。5月31日晚，法国航空公司的空客A330从里约热内卢起飞，飞往巴黎。飞机起飞三个小时后，在大西洋上空遭遇风暴。飞机的空速传感器结冰，开始传送错误的读数，自动驾驶系统断开。让人感到困惑的是，飞机的副驾驶皮埃尔·塞德里克·博宁向后猛拉操纵杆，拉升A330，导致失速警告响起，但是博宁并没有在意，而是继续向后拉动操纵杆，造成飞机在迅速爬升的过程中出现失速。空速传感器恢复工作，向机组人员传送准确的数据。这个时候，驾驶员本应该很清楚地认识到，飞机的速度已经减慢太多了。但是，博宁仍然坚持他的错误操作，造成空速进一步下降。飞机出现失速，开始坠落。如果博宁能松开操纵杆，A330就能进行自我更正，但他没有这么做。法国的调查员在描述机组人员当时的状态时表示，“完全丧失了对情况的认知控制”。几秒后，另一位驾驶员戴维·罗伯特接过操纵杆，但已经太晚了。飞机已经在3分钟内下降了超过3万英尺。
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“怎么会这样？”罗伯特说。
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“怎么了？”博宁仍然很困惑。
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3秒后，飞机坠入大西洋。机上228名乘客和机组人员全部遇难。
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自己飞行的飞机
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如果你想了解自动化给人类带来了哪些影响，你应该先朝天上看看。航空公司、飞机制造商、政府机构和美国空军一直在特别积极地寻找用机器取代人工劳动的方式，并进行了许多独创性的尝试。现在，汽车设计者将计算机融入设计，但其实飞机设计者早在几十年前就开始这么做了。因为驾驶舱内一个小小的失误就会导致大量人员伤亡，并造成几百万美元的损失，所以，人们投入了大量的私人资金和公共资金，对自动化的影响进行心理和行为研究。几十年来，科学家和工程师一直在研究自动化对飞机驾驶员的技术、认知、想法和行为所造成的影响。在人类同计算机协作方面，我们所了解的大部分信息都源自这些研究。
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飞行自动化的故事大概始于100年前的巴黎。那是1914年6月18日，不同的记载都表明，那天风和日丽，天空湛蓝，用来见证伟大的事件再好不过了。巴黎西北部塞纳河畔的阿让特伊大桥旁聚集了一大群人，他们都是来观看飞机安全大赛的。这场飞行比赛将展示飞行安全方面的最新进展。有近60架飞机及其驾驶员参加了这次比赛，展示了令人称奇的各式各样的技术和设备。当天活动进入尾声时，英俊的美国飞行员劳伦斯·斯佩里驾驶着寇蒂斯C-2双翼飞机进场。在C-2开放的驾驶舱里，坐在斯佩里身旁的是法国机械师埃米尔·加香。当斯佩里驾驶着飞机飞过观众队伍上空，接近评委席时，他松开了飞机的操纵杆，举起双手。观众席爆发出一阵惊呼。飞机在自己飞行！
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斯佩里的表演才刚刚开始。飞机转了几圈后，他再次飞过评委席，又将双手举到空中。但这次，加香爬出了驾驶舱，抓着飞机上下机翼之间用于支撑的立柱，在飞机的右下翼上行走。飞机因为这位法国人的体重向右倾斜了一秒，然后立即自动恢复了平衡。在这期间，斯佩里没有进行任何操控。人群的惊呼声更大了。斯佩里又绕了一圈。当飞机第三次接近评委席时，加香和斯佩里都爬出了驾驶室，加香在飞机的右翼，斯佩里在飞机的左翼。C-2飞机仍在平稳飞行，但驾驶室里空无一人。观众和评委都惊呆了。斯佩里获得了特等奖——5万法郎。第二天，他登上了欧洲所有报纸的头版。
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斯佩里这架寇蒂斯C-2搭载了世界上第一台自动驾驶设备——“陀螺稳定器装置”。斯佩里和他的父亲，著名的美国工程师及实业家埃尔默·A·斯佩里，在两年前发明了这个装置。陀螺稳定器由两个陀螺组成，分别以水平和垂直的方式安装在飞行员座椅的下面，由螺旋桨下方的风动发电机提供动力。陀螺仪在一分钟内能转数千次，并且根据飞机三个旋转轴——横向倾斜、纵向侧滚以及垂直偏航，精确地感知飞机的飞行方向。一旦飞机偏离了既定方向，陀螺仪上的带电钢丝刷就会连接飞机机架上的接触点，形成回路。电流将流向操纵飞机主控板的引擎——飞机上的副翼以及尾部的升降舵和方向舵，控制板会自动调整升降舵和方向舵的位置，修正飞行错误。水平陀螺仪用于保证飞机机翼及飞机龙骨的平稳性，垂直陀螺仪控制转向。
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在美国军方的支持下，经过20年的测试和完善，陀螺自动驾驶仪才最终应用于商业飞行。这项技术一问世，就引起了前所未有的轰动。1930年，《科技新时代》（Popular Science）的一名撰稿人发表了一篇激动人心的文章，他解释了配有自动驾驶仪的飞机——“巨大的三引擎福特汽车”，是如何在“没有人类参与”的情况下飞了三个小时，从俄亥俄州的代顿市到达华盛顿特区的。“四个人惬意地向后靠着，坐在飞机的乘客舱里，”他写道，“但是驾驶舱里却空无一人。一位金属材质的‘飞行员’，只有汽车电池那么大，正在控制着飞机的操纵杆。”三年以后，勇敢的美国飞行员威利·波斯特在斯佩里自动驾驶仪的帮助下（他称之为“机械麦克”），成功实现了第一次世界巡回单人飞行，各大媒体纷纷预测，航空飞行的新时代到来了。《纽约时报》写道：“原来飞行员依靠飞行技术，凭借鸟一样的方向感，在数小时的飞行中努力保持航向，度过没有星星的黑夜，穿过雾气弥漫的天空，当这样的日子结束时，我们就会迎来商业飞行的自动化时代。”
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陀螺自动驾驶仪的引进为航空业在战争和交通中地位的大幅提升奠定了基础。自动驾驶仪的应用使得驾驶员不再需要手动保持飞机的平稳性和航向，不必再纠结于操纵杆和脚踏板的配合或是线缆和滑轮的运转问题。这不仅降低了飞机驾驶员因长时间飞行而产生的疲惫感，还解放了他们的双手和双眼，最重要的是，飞机驾驶员有精力去关注更细微的操作。他们可以操纵更多的工具，进行更多的计算，解决更多的问题，总的来说，他们可以深入分析和创造性地思考工作。他们能飞得更高、更远，而且坠机的可能性也降低了。以前有些天气条件不允许飞行员驾飞机飞行，但现在这已经不是问题了。飞行员能进行复杂的操作，在使用自动驾驶仪之前，人们认为进行这些操作绝对是轻率的决定，或者认为飞行员不可能完成这些操作。在自动驾驶仪的帮助下，飞机驾驶员可以运送乘客或是投放炸弹，他们的能力越来越大，职责也越来越重。飞机也发生了变化：它的体积更大，速度更快，内部构造更加复杂。
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自动转向及稳定工具的相关技术在20世纪30年代得到了飞速发展，物理学家对空气动力学的认识逐渐增加，工程师将气压计、气动控制、减震器等设备融入自动驾驶机制。这期间最大的突破是在1940年，斯佩里公司推出第一台自动驾驶的电子模型A-5。A-5利用真空管放大陀螺信号，能够更快、更准地做出调整，纠正错误。它还能感知飞机速率及加速的变化情况。电子自动驾驶仪结合最新的轰炸瞄准技术，成了“二战”时期同盟国空军的一大法宝。
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战争后不久，1947年9月的一个夜晚，美国空军进行了一次试验性飞行。这次试验展示了自动驾驶技术的发展成果。军队测试飞行员——上尉托马斯·J·威尔斯同7名机组人员一起，驾驶一架C-54空中霸王运输机从纽芬兰出发。在飞行的过程中，他松开了操纵杆，按下按钮，开启了自动驾驶模式。驾驶室里的一名同事回忆：“之后，上尉就向后靠在椅子上，手放在大腿上。”飞机自行起飞，自动调整襟翼改变推力，离开地面后，自动收回起落架。然后，飞机按照之前编写好并输入‘机械脑’里的指令，飞越了大西洋。每一个指令都精确到了特定的高度和英里数。飞机上的人不知道飞行线路，也不清楚目的地是哪儿；飞机通过对地面或是海上船只发送的无线电信标进行监控来维持航线。第二天黎明，C-54到达了英国海岸。依旧是凭借自动驾驶系统，飞机开始降低高度，放下起落架，沿着牛津郡皇家空军基地的跑道完美地降落。上尉威尔斯将双手从大腿上拿开，停好了飞机。
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空中霸王完成了这次里程碑式的飞行。几个星期之后，英国航空杂志《班机》（Flight）的一名撰稿人评价了这次飞行的影响。他提到，新一代自动驾驶仪使得“飞机不再需要导航员、无线电话务员或飞机工程师”。机器让一些工作变得多余。他认为飞机驾驶员看起来也不是不可或缺的。至少在最近几年里，飞机驾驶员还会继续待在驾驶舱里，不过他们的任务也就是“观察各个计时器和不同的读数，确保飞行顺利”罢了。
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专业飞行员即计算机操作者
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1988年，C-54坠入大西洋40年后，欧洲航空公司——空中客车公司推出了A320喷气式客机。这架飞机有150个座位，是空客A300客机的缩小版。但是同之前传统的、死气沉沉的机型不同，A320让人大为惊叹。它是第一台真正意义上由计算机控制的商用飞机，是日后飞机设计参照的样板。A320的驾驶舱发生了很大变化，估计威利·波斯特或劳伦斯·斯佩里都会认不出了。A320没有模拟表盘或仪表电池等原来飞机驾驶舱里常见的设备。取而代之的是6块由CRT（阴极射线管）组成的玻璃屏幕，这6块屏幕整齐地排列在风挡下面。飞机驾驶员可以从显示器上获取机载计算机网络的最新数据和读数。
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A320里布满显示器的驾驶舱被飞行员称为“玻璃座舱”，但这并不是A320最突出的特点。NASA兰利研究中心的工程师们早在10年前就尝试使用CRT屏幕传送飞行信息。20世纪70年代末，飞机制造商就已经开始在客机上安装屏幕。让A320真正脱颖而出的——用美国作家兼飞行员威廉姆·朗格维舍的话来说，使A320成为“自怀特兄弟的‘Flyer’以来最具创新性的民用飞机”的——是它的电传操纵系统。在A320出现之前，商用飞机仍然由机械控制。机身和机舱内装配的是电缆、滑轮和齿轮，还有一个由液压管、水泵和阀门组成的微型水厂。控制装置（包括操纵杆、油门杆和脚舵）通过机械系统直接连接控制飞机方位、方向和速度的运动部件。飞行员操作控制装置，飞机做出相应的动作回应。
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要让自行车停下来，你需要握手闸。手闸拉动闸线，收紧制动钳，将垫圈紧紧压在轮毂上。实际上，你是在用手发送指令——停下的信号，刹车将这项指令传给车轮。然后，你的手会感受到手闸传回的命令接收信息：制动钳的阻力、垫圈压在轮毂上的压力、车轮在路上滑行。从小的方面来说，这同飞行员驾驶由机械控制的飞机一样。飞机驾驶员是机器的一部分，他们用身体感知机器的运转以及机器对命令的响应，而机器则负责传达驾驶员的意愿。人类同机械装置之间复杂的纠葛是飞行快感的一大来源。著名的诗人飞行员安东尼·德·圣埃克苏佩里一定会认同这种说法的，当他回想起20世纪20年代驾驶邮政飞机的日子时，他写道：“乍一看，飞机好像是帮人类解决了大自然的一个难题，但事实上，是让人陷得更深了。”
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