飞机“黑匣子”有必要换成“云匣子”吗?

云匣子在当前既不具备大规模推广的现实条件也没有必要,民航业的提升主要集中在另外两个方向

文 | 李军

社交媒体上有一个讨论,在卫星网络如此发达的今天,为什么还需要采用原始的“黑匣子”存放飞行数据,不能够通过卫星网络将飞行数据实时传输到地面,类似“云匣子”的机制来保存吗?

类似的问题,每次民航业发生重大空难时都会被问起。因为每当空难发生,搜救队伍在救援幸存乘客的同时也在同步寻找“黑匣子”,以便获取飞机失事前的飞行数据。八年前马航MH370航班神秘失踪,由于缺乏MH370航班的实时数据,相关国家和民航业想尽各种办法,最终也没有能够确定MH370航班最后的航向和下落。此后,公众对于飞行数据实时传输的呼声进一步提高。

在过去的几年里,全球卫星通信的确有了极大的飞跃,尤其是马斯克SpaceX公司的星链(Starlink)系统。根据使用 SpaceX API 数据的 Spacexstats 数据统计,到2022年2月底已经有 1919 颗 Starlink 卫星绕地球运行。

那么,通过现有的卫星系统实时传输数据,甚至取代现有的“黑匣子”来同步民航航班的飞行相关数据是否可行呢?

三个核心判断

我们先来看看“黑匣子”里存放着什么样的数据,再分析目前的卫星网络是否能够支撑。

“黑匣子”自 1950 年代后期出现以来就成为商用飞机的标配。目前每架飞机都有两个“黑匣子”:收集飞机速度、高度、加速度、姿态、推力等飞行和系统关键信息的飞行数据记录器,以及捕获驾驶舱声音和对话的驾驶舱语音记录器。

早期的“黑匣子”记录信息较为简单。如1980年代的飞行数据记录器包括不超过18个输入参数的记录,一般包含每个发动机的状态数据和 11 个飞行参数。数据时长为 25 个小时。

1991年起,波音公司将参数扩展到 34 个。1997年前后美国联邦航空管理局 (FAA)将参数增加到88个,2010年之后进一步扩展到91个。

民航飞机黑匣子历史 来源:FAA

实际上,飞机制造公司在设计的时候就进行了多通道冗余设计,或者是多点采集数据。例如 FAA 规定的参数之一是“后缘襟翼”(Trailing Edge Flaps)。目前在很多飞机上使用四个(或更多)参数来记录飞机上各种后缘襟翼的位置。所以实际进行参数存储的时候 91 个操作参数就成为 91 个参数组,每个参数组都可能需要记录多个参数。

由此可见,“黑匣子”记录的数据量是非常大的,内容也非常庞杂。以空客 A350 机型为例,其飞行数据记录器记录 88 个参数组的超过 2500 个参数。每次飞行生成接近1TB的数据。这样的数据规模通过卫星实时传送的成本是非常高昂的。

所以我们可以得出第一个判断:就算卫星网络能够支撑飞行数据的实时传送,从运营成本上来考虑也是几乎无法承受的。

第二个判断是,就算不考虑经济因素,单从技术上来看,现有的卫星网络也无法支撑全球商业航班的实时数据传输。

根据FlightAware 2017年的数据,全球在任何时刻平均有 8000-9000 架商用飞机在空中飞行。如果再加上货运、军用和私人飞机,这个数量还将翻倍。任意时刻卫星网络要支撑起近万架航班的实时数据流传输,在现阶段卫星网络规模下,也是难以实现的。

依靠其它数据传输手段可行吗,比如地面站?这对于绝大多数国际航班都是困难的。可靠的空地数据链接目前只能覆盖航线的一小段。大部分国际和越洋航班必须经过海洋、荒漠、极地或各种人烟稀少的地区。只有卫星数据传输是始终可靠的。

但卫星数据传输太贵了,数据通道也过于狭窄,我们无法依赖于它传输所有数据。

第三个判断,就算找到了合适的技术方案,想在现有情况下推动全球民航业转向实时数据流的同步传输也是非常困难的。

民航客机制造业作为“工业之花”,是一个极其“长周期”的行业,产业技术变革是相对缓慢的。一方面严苛的适航标准要求相关组件必须经过长期的实验和测试才能被投入商用,另一方面大量现有的老旧飞机改装改造是相当困难的,因为飞机的设计通常都很精确和紧凑,很难找到合适的位置安装新的组件。所以,各国民航监管部门,包括美国联邦航空管理局也没有对于飞机数据实时传输作出具体的要求。

除了技术和成本障碍之外,飞行机组的隐私保护也成为阻碍实时数据传输的原因之一。在过去的二十年里,美国国家运输安全委员会(NTSB) 一直建议在驾驶舱内进行视频记录。但由于隐私原因,飞行员工会反对这种做法。飞行员们也不愿让事故调查员以外的任何人能够随意使用机舱的录音。这初听起来有点匪夷所思,但也并不是完全不能理解。

曾经有一个民航驾驶员公开表示:假设我和副驾驶完成了八小时的飞行任务。其中的每一次谈话,每一个个人故事,关于我们的家庭和其他一切的细节,都被实时传输到某个地方保存。如何保护这些充满了个人隐私的信息?

“黑匣子”中的驾驶舱语音记录器最终成为让飞行员放心的声音监控系统。在没有发生空难的情况下,任何人都不会接触到这些隐私信息。打开驾驶舱语音记录器读取信息也一定是在监管部门、飞机制造商等多方参与和管理下进行,无需担心未被授权的访问和潜在的信息泄露风险。

两个可以改进的方向

从另一个角度考虑,是否有必要采用昂贵的卫星链路实时传输飞行数据,既需要衡量技术难度和传输成本,也需要评估不这样做带来的风险和损失。

根据国际民航组织(IATA)的数据,在航空记录良好的2019年,全球每 100 万次航班才会产生3个事故。而2019年导致旅客死亡的事故只有6起,占全球全部115个事故的5.2%。全球民航目前的安全水平是非常高的,真正机毁人亡需要依赖“黑匣子”判断事故原因的情况每年只是个位数。

就算是这样,绝大多数空难后“黑匣子”也都能够被最终找到并读取其中的数据。哪怕是发生在大海上空的空难,只要定位准确,“黑匣子”多数情况下都能够被找到并打捞上来,只是需要更长的时间和昂贵的打捞成本。

而真正像马航MH370那样完全拿不到黑匣子,必须依赖实时数据传输才能搞清真相的情况几乎是绝无仅有——这就意味着实时数据传输带来的益处只有在非常极端的情况下才存在,而这种极端情况几乎是几十年难遇的。

当然,这并不意味着现有的民航系统没有改进空间。2009 年,法航 447 航班在大西洋坠毁后,搜索小组花了两年时间才找到飞机的“黑匣子”,这显示在越洋飞行时现有的信息保护机制还存在相当大的数据丢失风险。

目前的民航业在这方面的提升主要集中在两个方向。一个是飞机位置信息的准实时传输,另一个是故障发生后的数据流同步。

2009 年在大西洋坠毁的法航客机是四年机龄的空中客车 A330,上面已经配置了可以每隔几分钟发送一次位置和相关数据的模块,这为搜救人员迅速缩小搜索范围创造了良好的条件。但尽管这样,最终找到“黑匣子”还是花费了两年时间。

而马航MH370执飞的是波音777-200机型,机龄12年,并未安装法航客机那样的准实时数据传输系统,所以无法准确获知和跟踪飞机位置。马航MH370飞机传回地面的最后数据是与 Inmarsat 卫星系统进行的。尽管数据传输在马航飞机与地面联系中断后几小时还在进行,但很遗憾的是这些数据只是系统间自动触发的“握手”信息和登陆请求,并不包含准确的位置信息,所以无法帮助搜救人员准确定位飞机的位置。

民航业在马航空难之后痛定思痛,加快了民航客机位置信息准实时传输的普及范围,以便实时掌握飞行动态。2016年国际民航组织(ICAO)要求所有新设计的飞机都配备在紧急情况下至少每分钟传输一次位置的跟踪装置,这就基本可以避免马航MH370悲剧的再次发生。

另一个革新是故障时的短时间数据同步。目前已经商用的机载数据流管理模块可以在飞机出现异常情况时实时触发警报和“黑匣子”数据流,将警报和消息解释传输到地面监控机构,例如航空公司、运营中心和监管机构等,在短时间内可以传输大量数据,为后续定位和分析故障提供依据。

这在很大程度上缓解了实时卫星数据传输的压力,也大大降低了航空公司的运营成本。不过航空公司仍然需要花费至少10万美元以上的成本安装相关的卫星通讯系统。

我们可以看到,不管目前采取什么技术手段,由于海量数据传输的瓶颈和飞行员隐私的保护要求,希望依靠数据实时传输来全面替代“黑匣子”既没有可能,也没有必要,从运营成本来考虑更不划算。所以在相当长的一段时间内“黑匣子”是无法被取代的。只是民航业会进一步加强数据实时传输的能力,让飞行数据获取更加便捷。

在美国联邦航空管理局 (FAA)主导的美国下一代航空运输系统(NextGen)规划中,2024-2027年的阶段将着力实现基于卫星传输的准实时监控系统。那时民航客机和地面监控的数据同步将会更加频繁,数据传输带宽也将进一步加大。

尽管现在还没有更多的技术细节披露,但现有的无线电通讯为主,卫星和地面站通讯为辅的飞机数据与信息交换方式,将很快升级为以卫星为主要承载平台的数字化通讯。再经过二三十年的技术发展,卫星实时数据传输能够100%覆盖全球后,或许“黑匣子”有一天会真的退出历史舞台。

(作者李军为TMT领域专业技术产业分析人士,编辑:谢丽容)

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