人们的导航技能正在退化

胡德良/编译



人们的导航技能正在退化

胡德良/编译

利用长时间曝光技术拍摄的伦敦摄政街上的车道

· 罗杰·麦金利（Roger McKinlay）是一名卫星通信和导航顾问，在英国的莱瑟黑德市工作。曾任皇家航海学会会长、英国泰利斯公司工程主管，现在仍是英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）量子技术战略顾问委员会委员。他认为：自动导航设备正在侵蚀人们天生的导航能力。

1984年，我所在的团队正在开发卫星导航系统的一种接收器。经过数周的调试，随机数字信号模模糊糊地选定一个地址，我们拿过一张地图，标出那个地点，铅笔标出的十字记号恰好落在我们那栋楼所在之处。30多年之后，当时的那种惊喜仍然存在。我们现在所利用的技术是一样的，但是设备变小了，我们对于精确定位的依赖程度也发生了改变。

导航已经渗透到我们未来的梦想之中——无人驾驶的汽车车队将会搭载我们游遍全市；当车辆通过你在网上看到的那家商店时，穿着你点击过的那款服装的模特就会向你招手并喊出你的名字；或者，你可以呆在家里，让无人机给你送货。像谷歌和亚马逊这类的创新型公司，就是凭这样的想象力来诱惑我们。

迷失方向的时代应该结束了。卫星导航的使用无处不在；到2020年，全球80%的成年人都可能拥有一部智能手机。但是，对于人们或机器来说，还是不太容易找到周围该走的道路。卫星导航是不可靠的，因为这种导航在室内或者在高层建筑密集区是不起作用的。例如：当手机表明你在购物中心的某个位置时，那实际上是一种基于地面无线网络（WiFi）的猜测位置，因为来自卫星的信号很微弱，相当于从20 000公里的远处看一盏20瓦的灯泡，比较容易出错，容易受到干扰。

为了提高覆盖范围，越来越多的卫星发射升空。到2020年，欧洲伽利略卫星导航系统将会拥有30颗轨道卫星，和美国全球定位系统（GPS）以及俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）的卫星网络具有互补性。在北斗卫星导航系统中，中国刚刚发射了21颗卫星。

在室内实现成功导航还需要其他的解决办法，如将壁挂式天线和WiFi结合起来。量子物理学可能会有所帮助。尽管这项技术仍然处于起步阶段，所需要的开发时间将会超过10年，但是通过获取地球引力场和磁场的微弱变化，超灵敏的微型量子传感器或许能够确定我们的位置，做到误差不超过几厘米。

然而，导航所涉及的问题不仅仅是了解自己的位置。有一次，我按照卫星导航系统来到了一所农村的房子，这时我发现一扇大门堵住了我的去路，门上还贴着一条通知：“此门不通，GPS出错啦！”我并没有迷路，我的导航系统知道我所在的精确位置，但该系统并不了解路况。报纸上不断刊登卫星定位造成的灾难事件，如：开往地中海地区的一辆货车却到达英国斯凯格内斯附近的直布罗陀角。方向感、比例感和地图都是不可缺少的，另外了解要到达的目的地也会对我们有帮助。2014年失踪的马来西亚航空公司MH370号航班，能使我们了解到世界有多大。

一位货车司机听从卫星导航指令行驶，结果被卡在英国布鲁顿的房子之间

不使用，即丢失

除非我们做到以下两点，车辆移动才会实现智能化。首先，我们必须认识到数字导航工具并不是免费提供的。这些工具要依靠昂贵的基础设施——卫星和地面站，这些费用都是政府不得不支付的。美国将GPS卫星发射到位，投资超过了100亿美元，而且每年花掉大约10亿美元对这项服务进行维护。第二，应该更好地利用我们与生俱来的能力。导航设备能够锁定目标位置，但不能提供到达目的地的最佳路线；要想避免撞车，利用人力司机比为自动驾驶汽车编程更可靠。即人工选择路线，更胜设备一筹。如果我们对天生的导航能力不珍惜的话，那么随着我们越来越严重地依赖智能设备，这种能力将会退化。

人类的空间记忆能力是很突出的。在古希腊，演说家们将他们的演讲材料想象成一套住宅，将各种主题存放在各个房间里，然后利用想象路径穿越建筑物将那些主题从房间里调出来。现在，记忆冠军仍然是这样做的。

但是，导航能力是一种“不使用，即丢失”的技能。在模拟装置中，跟那些使用地图的司机相比，按照导航指令行驶的司机发现自己更加难以搞清自己所在的位置，而且他们也没有注意到被引导着两次通过同一地点。现在，使山地救援队感到厌烦的搜救情况是：智能手机电量耗光，而且又没有了方向感和纸质地图。

随着年纪的增大，我们的空间认知能力、路线的辨别能力和回忆能力也都会下降。空间方位感的丧失是痴呆症的早期征兆，那些患有痴呆症的人经常会被转到像疗养院这样他们并不熟悉的地方，而这会使病人的方向感进一步恶化。2015年的一项研究显示：将近半数的初级医生说，听到病人呼救警报在前去救助的路途中，由于医院里极简单的室内布置中通常不设指示牌，他们曾经迷路，结果危及病人的生命。

这种问题的解决办法可能在于，要设计容易辨别方向的建筑物，而不是靠导航设备。重复的布局和有镜面映照的布局会引起混乱，凌乱的走廊会使人们的心理负担加重，简单的、令人难忘的独特标志（如各种图片）有助于人们辨别方向。

人类的大脑中涵盖了登山者可能放在背包中的一切物件。伦敦大学学院行为神经科学家凯特·杰弗里（Kate Jeffery）介绍，当我们离开熟悉的路线时，我们大脑的活动是从大脑的纹状体向海马体转移的。对大鼠的研究显示，三类细胞有助于导航：位置细胞，在特定的位置会兴奋起来；头部方向细胞，负责跟踪头部的方向；网格细胞，负责建立起一个坐标系，用以判断比例和距离。

“认知街道活动”是一项了解伦敦街道布局的活动，研究证明这项活动能够使出租车司机海马体部分的区域增大，在音乐家们中也观察到了同样的效果。有一位朋友是自由爵士派的萨克斯手，他在进行即兴音乐表演时能够“看到”引导他的一串音符。

出现新区位可能会跟我们大脑中的地图发生冲突，因此当我们从地铁站出来或者听到车内卫星导航系统发出刺耳声音的时候，需要花时间进行重新定位，这并不奇怪。我们的大脑必须决定是否要接受这条新信息，是否要调整我们大脑内部的地图，或者是否要将其作为错误信息而予以排斥。一条简单可靠的线索可能会加快我们的重新定位，如：自动扶梯顶部标出的朝北的箭头。

“六个9”的标准

利用卫星进行精确定位也可能会产生错误。在开阔的地区，GPS有着很好的水平精度，可以精确到大约3米之内。定位是通过计算信号到达接收器所花的时间来确定的，而不是通过信号中所携带的任何信息来确定的。在室内或者像城市中高楼林立的地区，信号会跳来跳去，产生错误。

受到故意干扰的情况正在增多。2009年，工程师们在新泽西州纽瓦克机场测试一个基于GPS的系统，可是每天都会受到干扰，经过跟踪之后找到了一辆过往的卡车——司机在卡车上安装了GPS干扰器，目的是为了逃避雇主对他的跟踪监视。盗贼通过使用这样的干扰器使轿车里的跟踪装置失效。

为了便于旅行，标注的位置一定要跟全球的参考地图一致。例如，GPS利用的是1984年版的世界测地系统。20世纪80年代，很少区域性航海图遵循这一系统标准，致使多名船员意外触礁。当今的地图是巨大的数字化数据库，例如：英国全国地形测量主图，其中包含4.5亿个地貌特征，而且还不断地在更新。

当涉及到路线选择时，人类会比设备更加明智。然而，设计师的本能就是要设计出更加智能的设备，例如：能够了解交通状况的卫星导航系统。一个好的选择是让用户更容易为自己的出行路线做出安排。尽管计算机程序通过道路数据库可以找到最短或者最省时的路线，但实际上一天中的时间、交通车辆的疏密程度以及个人偏好也会有影响。至于有高侧板的车辆，司机需要知道这个路线是否能通过。

在没有司机的情况下，如果方位、地图或选择路线方面出现错误，那么后果可能是很严重的。为车辆提供的信息必须是准确无误的、始终可用和可靠的、具有高度完整性的。

通常，这些要求仅利用简单的导航系统就能满足。如飞机的飞行依靠基于无线电的辅助设备，其历史可以追溯到20世纪40年代。这些设备可以测量飞机跟地面已知位置的距离或相对方位。自从20世纪60年代中期开始，飞机在雾天中可以自动着陆了，靠的是跑道尽头传来的无线电波束。

这样的系统旨在达到工程师所谓的“六个9”的标准——在99.9999%的时间里运行无误。还有一点必须要明确：谁来负责这些系统的维护，以及一定要遵循维护的工序。

只有可靠的地面站系统提供帮助，卫星导航系统才能满足这一标准。早在20多年前，广域增强系统和欧洲地球同步卫星导航增强服务系统的开发计划便已经就绪。然而，目前航空中还没有制造出足够优质的卫星导航系统来替代传统的地面导航系统。对于航海来说，目前正在考虑使用一种新型的地面导航系统，该系统被称为“远距离无线电导航系统（eLORAN）”，产生的信号比GPS使用的信号强100万倍。

导航辅助设备

我们为什么需要导航工具呢？跟多数动物一样，我们起主导作用的感觉是视觉，眼睛和我们自身的内部地图结合起来可以发挥突出的作用。但我们同样也需要在夜间和雾天中看到物体，需要了解到视线之外的地标。鸽子利用磁场接收器来感测地球的磁场，如果人类能够“看到”地球的引力场或磁场，那么我们也许就不需要耗资巨大的卫星和无线电发射台了，甚至连视力也不需要了。

几十年以来，飞机、轮船和潜艇都利用陀螺稳定平台上的惯性传感器来确定所处的位置。相对于某个已知出发点来说，这些系统能够精确地测量运动情况；但是，随着航行距离越来越远，所产生的误差也越来越大。到20世纪60年代末，飞机在飞行10个小时后，其惯性传感系统仍然能够精确到25海里（大约46公里）的范围之内，能够使飞机在穿越海洋期间仍然处于设定的航空路线内。但是，这样的设备笨重而昂贵。

量子引力系统正在开发之中，这种系统或许能够探测到微弱的作用力变化，如站在大约一米远的人所产生的微弱引力都能探测到。这些系统是依靠量子态叠加原理运行的，量子态叠加中的粒子同时以多态形式存在，对于时间以及电场和磁场都非常敏感。

但是，所有的传感器本身都会受到某种干扰。指南针可能会因磁性岩石而造成指示混乱，登月曾经受到月海岩石密度的影响。可靠的解决方案可能需要多种传感器组合起来。对于卫星导航，我们也将需要新的标准和新的地图。

技术上所面临的挑战是巨大的。要想将传感器原子降温至接近绝对零度，以便降低热噪声，所需要的庞大激光器和精密光学仪器就能挤满一个房间。将仪器小型化是需要花费一定时间的，希望十年之内能够设计出一个足够小的系统安装在火车上，用以勘探铁轨之下的结构、电缆和管道，但目前这方面的工作进展缓慢，且代价高昂。

这项技术将给机器人和自动驾驶带来巨大的影响。在黑暗中，长距离飞行的无人机将能够避免碰撞。在具有充足空间的地方，如海洋和天空，无人驾驶技术是可行的。

在拥挤的道路上，效率和安全需要得到平衡。确立规章制度和共同标准就显得非常重要了。以紧密队形飞行的绿头鸭在着陆时往往都是头部朝南或者朝北，只靠视力不能够阻止这些高速飞行的鸟类之间发生碰撞，因此绿头鸭利用眼睛、嘴和耳朵中的传感器使自己能对准地球磁场。飞机只限于在空中走廊中飞行，因此需要解决航空冲突的问题，管制员必须决定哪架飞机获得优先权。

如果车辆之间没有一套商定的规则和交流方式，完全自动驾驶的汽车将无法运行，这些规则都需要配套的基础设施。慢行的游览车在购物中心周围安全地巡回行驶，这或许是可以做到的；但是，数百辆独立的无人驾驶车辆在城市的街道上行驶，或者一群无人机在市区的天空飞翔，这些都是不切实际的。要想使这样的系统安全运行，其成本之高可能会令人望而生畏。法律和制度问题、责任和保险问题，也都必须要解决。

即使没有完全自动化，传感器和连接也会使汽车驾驶更加容易和安全。卫星导航可能会将每一条道路都变成收费道路。汽车上记录的行车历史可能会用来当作向司机征收实际道路使用费的依据，而不只是向他们征收费率固定的公路税了。2003年，为了减少伦敦市中心的交通流量而推出了进城费，当时唯一可用的方法就是进行车牌识别。

下一步的工作

政府必须在研发、基础设施的建设和规章制度的建立上进行投资，提高导航水平不能只靠企业。如果想要建立一个可靠的地面卫星接收站网络，以提高导航能力使其足以引导无人驾驶，那么像英国这样大的国家每年需要的维护费用，相当于全球卫星导航系统每年的维护费用。能够自己执行任务的汽车几年之内可能会出现，如有些汽车已经能够自动停车了，但是在公路上运行方式的根本性变革还要等几十年才能实现。

在此期间，要采取三项实际措施。

第一，提高科学水平。我们需要了解，有人参与或无人参与的系统实际上是如何运行的。认知能力的研究可以告诉我们，人体工程学和系统工程学在哪些方面将会帮助或阻碍人类能力的提升。为受欢迎的量子技术增加研究经费，例如：英国2013年的研究经费为2.7亿英镑（3.86亿美元）。然而，基础设施建设更是需要多达数十亿英镑的资金。

第二，工程师们必须认识到这些系统的复杂性。他们必须利用有关人类驾驶的定量模型，并且应该把来自神经科学领域的发现考虑在内。工程师们需要避免基础性的错误，如：卫星导航系统在车站或铁路中不可穿透带上开辟门口和开挖路堑，英国一家火车公司在2014年就犯了这样的错误。

第三，进行教育投资。学校要把导航知识和查阅地图作为一种生活技能教给学生。电脑和计算器的介入并不代表没有必要去了解数字，美国海军又将天文导航知识作为一种备用技能重新教授给海军们。

导航系统就是把复杂的系统和有技能的用户结合起来，真正地实现智能运输，这将会使我们能够在许多领域充分地利用人才和技术。解决方案就在不远处，翻过山头即可找到！

［资料来源：Nature］［责任编辑：丝 丝］