高度復雜的“軟件定義”產(chǎn)品，安全隱患不容忽視

2019年3月10日上午，一架載著149名乘客的波音737-MAX8墜毀在埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴附近，包括8名中國公民在內(nèi)的所有乘客全部罹難，令人扼腕痛心！這是繼去年10月29日印尼獅航空難造成189人罹難的波音737-MAX8客機發(fā)生的第二起空難。時隔不到5個月，波音737-MAX8飛機發(fā)生兩起空難，實屬罕見。而3月4日，國航CA983航班（波音777-300ER執(zhí)飛）因為火警信息故障備降俄羅斯，執(zhí)行了緊急撤離程序，也讓乘客虛驚一場。

以往的空難事件一般容易出現(xiàn)在服役多年的老飛機，而且往往是在維護水平比較差的窮國，飛機失事的概率比較高。而最近接連失事的兩架波音7370MAX8型飛機卻都是剛剛投入使用的新飛機。這兩次空難，對于整個全球民航界，對于波音等全球航空巨頭而言，都需要深刻反思。

高度復雜的“軟件定義”產(chǎn)品，安全隱患不容忽視

在波音的產(chǎn)品家族中，波音737 MAX是波音737配備新型發(fā)動機的衍生機型。截止2019年1月，波音737MAX系列飛機已經(jīng)交付350架，訂單數(shù)達到5077架，堪稱波音目前最受歡迎的機型之一。

如果說波音787集民用客機高科技之大成，那么波音737MAX也充分沿用了其數(shù)字化技術(shù)和理念，甚至被稱為常青客機的終極進化。在飛機系統(tǒng)方面，737 MAX進行了一系列改進，包括：電傳擾流板系統(tǒng)，以改進可靠性、減輕重量并縮短降落滑行距離；電動引氣系統(tǒng)，可以進一步優(yōu)化客艙壓力和防冰系統(tǒng)。對燃油效率也有好處；機載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，737 MAX將采用一種增強的機載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括數(shù)字式飛行數(shù)據(jù)獲取組件（eDFDAU）和網(wǎng)絡(luò)文件服務(wù)器（NFS）。這些系統(tǒng)可以提供一整套新的能力，包括先進的數(shù)據(jù)收集能力、預(yù)載飛機軟件的機上存儲，以及實時數(shù)據(jù)處理。

另據(jù)公開的資料顯示，波音737MAX有著由軟件和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的“大腦”和“神經(jīng)”——傳感器和許多硬件的功能都由開放式的軟件實現(xiàn)和擴充?？梢哉f，737MAX和787一樣“智能”，其數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)能力有著大幅提升，可以為乘客提供更多的娛樂選擇，還可以提升維護運營效率。

737 MAX采用更加中心化的“內(nèi)置測試設(shè)備”系統(tǒng)，可以讓維修技師更加方便地獲得維修信息。而以往飛機的故障信息要從飛機的前電子艙中才能獲得，這需要更多的時間。與此同時，波音737 MAX進一步增強了連接能力，可以在飛行中向地面提供關(guān)于飛機系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)。這些設(shè)計目的就是讓航空公司更容易地做出關(guān)于維修維護的運營決策。

全面數(shù)字化的新一代客機，其優(yōu)勢顯而易見：更佳的能源效率、更強大的航電和機載系統(tǒng)、更透明的飛機健康狀況、更佳的乘客體驗……。然而，再強大的功能，再高的燃油經(jīng)濟性，再舒適的機艙環(huán)境，如果存在飛行安全隱患，一切都是白搭！在實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化和智能化的過程中，應(yīng)當恪守一條重要底線，那就是可靠性和安全性。

民航領(lǐng)域的自動駕駛已經(jīng)普及了幾十年。飛機的自動駕駛系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的航路，全程駕駛飛機，甚至完成降落。從獅航波音737Max墜機的調(diào)查結(jié)果來看，問題可能就出自飛機的自動駕駛系統(tǒng)。

該型號飛機的自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計了一個智能化功能，在傳感器探測到客機失去升力或氣動失速時，自動以俯沖方式獲得加速。但在相關(guān)操作手冊中，對該功能并未做準確描述。自動駕駛系統(tǒng)基于錯誤的信息自動觸發(fā)了錯誤的決策，并且無法進行人工干預(yù)，可能是這兩次災(zāi)難的原因之一。自動駕駛系統(tǒng)通過所謂的智能來自動防錯，結(jié)果連摔兩架！ 雖然本次調(diào)查結(jié)論還沒出來，但是迎角傳感器故障導致飛機向下俯沖仍有重大嫌疑。

飛機的Digital Twin示意圖

對數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的幾點反思

眾所周知，民航飛機是十分復雜的“系統(tǒng)之系統(tǒng)”，有眾多的子系統(tǒng)，涉及到機電液軟等多個學科，現(xiàn)代飛機大量使用了復合材料。類似波音737MAX這樣的飛機，可以說完全是“軟件定義的智能產(chǎn)品”，有海量的軟件代碼，也有大量的傳感器。作為新一代的民航客機，自動駕駛系統(tǒng)也已經(jīng)成為標配。因此，要確保飛機性能的安全性、可靠性，需要對各種工況，各種氣候條件，各種負載情況下的飛機運行狀態(tài)進行大量的實驗；同時，也會廣泛應(yīng)用各種仿真軟件，來模擬可能出現(xiàn)故障隱患的各種情形，對產(chǎn)品的可靠性進行驗證。

這兩次波音737MAX飛機墜機事件，從數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的角度，應(yīng)當引起以下反思：

1.人機協(xié)作而非機器換人。

對于汽車的自動巡航，駕駛員一踩剎車就可以解除。而對于更加復雜的民航客機而言，如果解除了自動駕駛狀態(tài)，則自動駕駛系統(tǒng)應(yīng)當徹底停止工作，完全由駕駛員指揮飛機。只保留傳感的功能，而不能再自動執(zhí)行。也就是說，可以把故障信息傳輸?shù)絻x表盤，由駕駛員做出判斷，而不是自動調(diào)整尾翼的姿態(tài)。日本企業(yè)非常強調(diào)“自働化”，就是指人機協(xié)作，不要盲目推進機器換人。因此，日本企業(yè)積極推進Andon系統(tǒng)的應(yīng)用，把產(chǎn)線的故障實時顯示出來，由人來進行協(xié)作和處理。

2.數(shù)字化與智能化技術(shù)發(fā)展的方向是增強人的技能，幫助人類提高效率，而非替代人。

IBM提出，AI的發(fā)展方向是Augmented Intelligence，或者Assistant Intelligence。人工智能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該是為人類提供更好的服務(wù)，輔助人類做出正確的決策。人工智能的程序可以在某些專業(yè)領(lǐng)域超過人類，比如下棋、圖像識別、故障預(yù)測等。但這并不意味著在實際的生產(chǎn)和生活中，人工智能技術(shù)做出的判斷，能夠替代人類在復雜狀況下，憑借自身的經(jīng)驗，甚至直覺快速做出正確判斷的能力。

3.推進Digital Twin應(yīng)用，不能輕易通過數(shù)字化模型控制實物產(chǎn)品。

當前，Digital Twin（數(shù)字孿生）是企業(yè)關(guān)注的熱點。在整個產(chǎn)品生命周期之中，Digital Twin可以充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多尺度的仿真過程，作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，映射相應(yīng)的物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。

在航空領(lǐng)域，飛機的數(shù)字孿生模型與飛機物理產(chǎn)品建立了一對一的映射，不僅包括傳統(tǒng)的幾何模型，還包括材料屬性、生產(chǎn)、檢驗、力學分析、空氣動力、健康維護以及試飛等物理實現(xiàn)環(huán)節(jié)所反饋的一系列數(shù)據(jù)。

在Digital Twin可以實現(xiàn)的功能層級中，首先是狀態(tài)顯示；第二是監(jiān)測、診斷、預(yù)測；第三是加入環(huán)境、人力、過程等因素后，更有利于分析、預(yù)測和控制。從這兩次飛機失事事件來看，在將實物飛機的數(shù)字孿生疊加到無比復雜的航空飛行環(huán)境中，如果僅僅根據(jù)數(shù)字化模型來控制實物產(chǎn)品，存在很大的風險。一旦出現(xiàn)故障時數(shù)字化模型無法糾正外界環(huán)境帶來的影響，或沒有完備的人為干預(yù)機制，自動駕駛系統(tǒng)作出錯誤的判斷并執(zhí)行控制，會造成不可彌補的災(zāi)難。

隨著數(shù)字化技術(shù)的深入應(yīng)用，企業(yè)在產(chǎn)品生命周期中產(chǎn)生了大量的基于物理的、數(shù)學的模型，如何將它們有效、安全并且可靠的映射，如何使得Digital Twin真正包括產(chǎn)品實時的完整信息，比建立Digital Twin本身更為重要。在這個過程中，企業(yè)必須注重構(gòu)建Digital Twin的安全防范手段，建立基于風險分析的與國內(nèi)外標準相協(xié)調(diào)的分級管理制度，同時，不可忽視人為干預(yù)機制，在發(fā)揮“Digital Twin”作用的同時，不能輕易通過數(shù)字化模型來控制實物產(chǎn)品。

航空發(fā)動機的Digital Twin

回顧人類民航的歷史，每一次航空安全的進步，背后都有多次事故血的教訓。讓我們在緬懷逝者的同時，也感謝每一個為了航空安全付出過努力的人，正是因為他們，讓我們依然熱愛飛行！同時，也希望這兩次航空事故讓我們能夠警醒，能夠正確理解數(shù)字化、自動化與智能化技術(shù)的局限性，在用其長處的同時，也要由人類牢牢把握自己發(fā)展的未來！