本月15日雙脈沖測試，馬來西亞交通部發(fā)表聲明表示，今年6月份在坦桑尼亞海岸發(fā)現(xiàn)雙脈沖測試的飛機殘骸確認(rèn)是屬于MH370航班，這個殘骸是客機的外側(cè)襟翼殘片，襟翼是指現(xiàn)代機翼邊緣部分的一種翼面可動裝置，用于在飛行中增加升力。根據(jù)澳大利亞聯(lián)合新聞社（AAP）報導(dǎo)，專家在研究這塊襟翼殘片時赫然發(fā)現(xiàn)，襟翼并未張開，調(diào)查小組負(fù)責(zé)人Peter Foley表示，襟翼并未像控制著陸時那樣停在正確位置，而是被停放在機翼中間。

　　如此將排除機長迫降的可能性，也間接證實當(dāng)時衛(wèi)星的觀測，F(xiàn)oley說，衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，MH370航班墜落的速度非?？?，并在不斷增加，“墜落速度再加上襟翼的位置，幾乎可以確定排除人為控制的緊急迫降或者滑行”。專家稱這架波音777客機墜海前經(jīng)歷了可怕的“死亡之墜”（Death Dive），即以每分中高達20000英尺（約合6096米）的速度從35000英尺（10668米）的高空直墜入海，證明機長可能有意墜機。

　　自馬航370航班客機失蹤以來，澳大利亞一直主導(dǎo)在南印度洋的海底搜索行動。今年7月22日，馬來西亞、澳大利亞和中國三方部長會議發(fā)布聯(lián)合公報說，如果在當(dāng)前劃定的12萬平方公里搜索區(qū)域內(nèi)未找到馬航370航班客機并缺乏新的可靠證據(jù)，搜尋行動將中止。目前，海底搜尋行動仍在南印度洋海域進行。

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　　用數(shù)學(xué)算法確定殘骸位置

　　在歷史上的多次飛機船只等交通工具出現(xiàn)失聯(lián)情況的突發(fā)事件中，數(shù)據(jù)的收集、分析以及信息的及時發(fā)布都在搜尋中起到過關(guān)鍵的作用。比如在2009年，法國航空447號班機失去聯(lián)絡(luò)和蹤跡。當(dāng)時，有不少基于數(shù)據(jù)分析的文獻為失事飛機的搜尋提供了援助。

　　據(jù)統(tǒng)計，自1948年至今，全球共有80架航班徹底失蹤，就這些飛機最后一次與地面聯(lián)系的位置來看，它們中近六成消失在海上。毫無異議，這些飛機應(yīng)該是失事了，只是在茫茫大海中找到殘骸的難度太大。不過，在面對這種困境時，搜救人員可采用統(tǒng)計學(xué)上一個叫 “貝葉斯”的方法來縮減搜索范圍。

　　18世紀(jì)40年代，蘇格蘭著名哲學(xué)家休謨提出一個觀點，認(rèn)為人們使用歸納法尋求自然現(xiàn)象之間的因果聯(lián)系只是人們養(yǎng)成的習(xí)慣，并不意味著這里面必定有著因果關(guān)系。舉個例子，當(dāng)有人連續(xù)100天看到公雞一叫，太陽就升起來，就以為太陽是公雞喚起的雙脈沖測試；并以歸納法推而論之，公雞第101天鳴叫，太陽也必定會第101次升起。

　　殊不知，公雞叫和太陽升起之間并沒有因果關(guān)系。比如在陰雨天，任憑公雞怎么叫，太陽都不會露臉。休謨認(rèn)為，我們迄今的所有認(rèn)識都是建立在歸納法基礎(chǔ)上的，而“以歸納法來認(rèn) 識世界并不科學(xué)”。雙脈沖測試他的觀點當(dāng)時在社會上引發(fā)很大的爭議， 也引起了一位 業(yè)余數(shù)學(xué)家托馬斯·貝葉斯的研究興趣。

貝葉斯決定使用數(shù)學(xué)來驗證“以歸納法來認(rèn)識世界是否科學(xué)”。

　　他設(shè)想了一個思想實驗：假想有一張臺球桌，以及一顆白球和許多紅球。這些球投在桌面，不會彈跳，也無法掉下桌去，只能在桌面有限地滾動。球和球之間也不會相撞。一顆球停在桌面任何位置的概率是均等的。

　　設(shè) 想一名助手幫著投 球，在實驗中，貝葉斯本人則蒙上眼睛，不能看桌面上的情形。助手先將白球投擲到桌面，接下去投出一顆顆紅球，每投一次，就報 出紅球相對白球的位置，貝葉斯 根據(jù)聽到的情況進行猜測 。比如，當(dāng)助手報出“紅球在白球左 側(cè)”，貝葉斯會猜測“白球在桌面右側(cè)”。隨后助手繼續(xù)扔紅球并報告兩球相對位置，貝葉斯繼續(xù)猜測白球的位置——如果第二個紅球落在白球右側(cè)，貝葉斯則會猜測“白球在桌面右側(cè)，但不會處于右側(cè)邊緣”。

　　做這個猜測的道理是顯然的：如果白球處于桌的右側(cè)邊緣，那么白球和右側(cè)桌 沿之間的空間已經(jīng)很小，再塞進 一個球的概率是很小的。

　　這樣，相比第一次，貝葉斯對白球位置的猜測更準(zhǔn)確了。而臺球桌面積有限，隨著投出的紅球數(shù)量增加，白球位置的范圍越這樣，相比第一次，貝葉斯對白球位置的猜測更準(zhǔn)確了。而臺球桌面積有限，隨著投出的紅球數(shù)量增加，白球位置的范圍越來越窄，盡管貝葉斯無法得出白球的具體位置，但由于獲得大量新信息，他對于白球位置的判斷越來越精準(zhǔn)，最后鎖定白球最有可能在桌面上的范圍。比如，在一個極端的情況下，如果所有紅球都落在了白球的左側(cè)，那么他就可以推斷，白球位于桌面右側(cè)邊緣。

　　貝葉斯想通過這個思想實驗證明，隨著獲得越來越多的新信息，我們對事實最初的猜測會逐漸得到修正和完善，越來越接近真相——所以休謨的觀點不正確，通過歸納是可以認(rèn)識世界真相的。

　　貝葉斯的結(jié)論可以用一個公式來表達：

　　初始猜想+最新的客觀數(shù)據(jù)=一個新的改進了的猜想。

　　然后，當(dāng)又有新數(shù)據(jù)出現(xiàn)時，我們把上輪“改進了的猜想”當(dāng)作“初始猜想”，迭代到公式中，形成一個更新的猜想，如此周而復(fù)始。這個方法現(xiàn)在被稱為“貝葉斯方法”。

　　當(dāng)我們在搜救過程中逐漸收集到更多更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，科學(xué)地結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)、科學(xué)知識、以及主觀經(jīng)驗無疑可為找尋失聯(lián)客機帶來一線曙光。在統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域，貝斯方法（Bayesian Methods）提供了一個可以將觀測數(shù)據(jù)、科學(xué)知識以及各種經(jīng)驗結(jié)合在一起的應(yīng)用框架。

　　貝葉斯對數(shù)學(xué)的最大貢獻就是解決了如何計算逆概率問題。而這個逆概率，正是關(guān)切搜尋失事飛機的一個重要的數(shù)學(xué)問題。那么，什么是逆概率雙脈沖測試？正概率問題是知道了原因，推測發(fā)生某個結(jié)果的概率。而逆概率問題則反過來，知道了結(jié)果，要倒推原因。

　　再舉一例。小紅是一名愛美的女孩，夏天晴朗的天氣都要打傘?，F(xiàn)在正概率問題是：“下雨天小紅打傘的概率有多大？”毫無疑問，這個概率幾乎是100%。而逆概率問題則是：“如果看到小紅打傘，那么這一天下雨的概率有多大？”顯然，這一天是雨天的概率不可能是10 0%，因為那一天也有可能是夏天里某個晴朗的日子。

　　由此可見，正概率跟逆概率不是一回事。不過，兩者是有聯(lián)系的，這個聯(lián)系就是貝葉斯公式。

　　在現(xiàn)實世界，不確定因素很多，而人類的觀察能力是有局限性的，不可能把所有有用的信息都搜集到（就好比猜黑白球的例子中，只允許從袋子中摸3次球），這時就需要大膽猜測。而猜測同樣具有不確定性，很可能有多種猜測都能滿足目前的觀測，但我們可以利用貝葉斯方法不斷更新猜測，以求接近真相。與猜黑白球的游戲類似，飛機失事也是一個典型的逆概率問題。

　　貝葉斯搜索理論利用貝葉斯統(tǒng)計理論搜索失蹤物，曾被多次用于搜救失蹤的船只和飛機。一般的流程如下：

提出所有關(guān)于失蹤事件的假設(shè)。

針對每一假設(shè)，構(gòu)造失蹤對象位置的空間分布概率。

針對每一位置，假設(shè)已知對象位于此處，計算能找到失蹤對象的概率分布。在海洋中，這一般取決于水深：在淺水處找到失蹤物的機會比在深水處大。

結(jié)合上述兩個概率分布，構(gòu)造整體的搜索成功的概率分布。

構(gòu)造搜索路徑：始于高概率區(qū)，經(jīng)過居中概率區(qū)，最后搜索低概率區(qū)。

在搜索過程中，持續(xù)更新上述概率分布。例如，如果在某處未能找到失蹤物，那么失蹤對象位置分布于此的概率要被降低。這一更新過程需要用到貝葉斯定理。

　　貝葉斯搜索不僅可以綜合多個信息來源，而且可以自動估計搜索成功的概率。即使在搜索前，我們可以估計“5天內(nèi)找到失蹤物的概率是65%。在搜索十天后，這個概率會升高到90%。15天后，升高到97%”。如此，在分配搜索資源前可以評估可行性。

　　2009年的失聯(lián)法航客機447的搜尋過程中，以貝葉斯統(tǒng)計方法為基礎(chǔ)，經(jīng)過三次失敗的搜尋，終于在第四次找到了飛機。在正常的情況下，地面控制臺每5分鐘就會收到飛機發(fā)回的信息，其中包括飛機的位置、高度、航速和航向等。信號消失前飛機最后所在的位置乘以5分鐘時間，就能確定出一個以飛機最后所在的位置為中心，以當(dāng)時航速條件下5分鐘能走的距離為半徑的一個圓，這就是飛機落水的最大海域范圍。也就是說，如果是由飛機故障問題或飛行員操作失誤所造成的飛機失事，這架飛機一定在這個圓的范圍內(nèi)，而這個圓的半徑大約為40海里（約1.7萬平方公里）。

　　可是要在這個圓內(nèi)找到飛機也不是一件容易的事。通常的做法是用聲吶儀在附近進行高密度地尋找。在大多數(shù)情況下，飛機應(yīng)當(dāng)離飛機最后所在的位置不遠的位置。但由于法航客機最后所在的位置范圍內(nèi)的海區(qū)有4000米之深，且處于復(fù)雜海脊帶，所以用高密度尋找方法未能找到。當(dāng)人們在海面上發(fā)現(xiàn)了有遇難者的遺體后，反演至飛機失事時的位置，見下圖：

　　通過反演以及對當(dāng)?shù)厮鞯难芯?，專家確定出四個可能的地點：第一地點就在飛機最后所在位置附近，第二地點是在東北海域內(nèi)，第三個地點在飛機航線后方（那里曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過油跡），第四個地點在航線右后方的最大圓之外。最后經(jīng)過依次搜尋，終于在第一個地點的海底找到了飛機殘體。

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　　光譜技術(shù)助力殘骸分析

　　在確定了殘骸可能出現(xiàn)的位置之后，接下來的工作就是開展殘骸搜尋打撈工作。黑匣子雖然能夠給出最詳實的飛行數(shù)據(jù)，但其搜索打撈工作難度極大，并且數(shù)據(jù)的保存、復(fù)原、解析等一系列工序極其繁復(fù)，往往耗時數(shù)年。在一些空難中，飛機的機體殘骸也十分重要，因其體積大、目標(biāo)明顯而易于搜索，并且可能提供更加直接的分析憑據(jù)。

　　工作人員在鑒定馬航MH370飛機殘骸

　　回收機體殘骸的主要目的就是交由飛機制造商進行鑒定處理，以憑借殘骸推斷失事前飛機的狀態(tài)，如：整機墜毀還是空中解體、部件故障還是外力破壞、是否發(fā)生爆炸等等。這些深入的分析不能僅憑照片進行，必須回收殘骸原件，進行金相分析和力學(xué)分析。

　　定量金相

　　定量金相技術(shù)是指在金相觀測中對金相組織進行幾何學(xué)定量測定的技術(shù)，也稱立體金相。為研究金屬材料的金相組織和性能的定量關(guān)系，常需將檢驗面上二維空間的組織參數(shù)，依立體幾何和體視學(xué)原理換算成三維空間參數(shù)進行分析。1938年美國材料試驗協(xié)會制定ASTM-E八級晶粒度標(biāo)準(zhǔn)，定量金相技術(shù)就開始應(yīng)用于金屬材料的檢驗和研究。60年代，由于可自動測量的定量金相顯微鏡的制成和體視學(xué)的應(yīng)用，金相定量測定的技術(shù)得到進一步發(fā)展和推廣。應(yīng)用定量金相技術(shù)來測定第二相體積分?jǐn)?shù)、第二相尺寸、質(zhì)點間距、對有方向性組織的取向程度、比相界面、近鄰率、連續(xù)性等。有比較法和測量法兩類。

　　金相分析

　　金相分析是金屬材料試驗研究的重要手段之一，采用定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。將圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用于金相分析，具有精度高、速度快等優(yōu)點，可以大大提高工作效率。

　　在坦桑尼亞海岸發(fā)現(xiàn)的飛機殘骸確認(rèn)屬于MH370航班.（澳大利亞媒體）

　　機翼材質(zhì)中的金屬元素也是解開飛機失事之謎的重要技術(shù)之一。最新研制的分析金屬材料成分的方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法、激光誘導(dǎo)等離子體光譜法、電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法等。

　　激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）是一種激光燒蝕光譜分析技術(shù)，激光聚焦在測試位點，當(dāng)激光脈沖的能量密度大于擊穿閾值時，即可產(chǎn)生等離子體?；谶@種特殊的等離子體剝蝕技術(shù)，通常在原子發(fā)射光譜技術(shù)中分別獨立的取樣、原子化、激發(fā)三個步驟均可由脈沖激光激發(fā)源一次實現(xiàn)。等離子體能量衰退過程中產(chǎn)生連續(xù)的軔致輻射以及內(nèi)部元素的離子發(fā)射線，通過光纖光譜儀采集光譜發(fā)射信號，分析譜圖中元素對應(yīng)的特征峰強度即可以用于樣品的定性以及定量分析。

　　為了提高LIBS技術(shù)的準(zhǔn)確可靠性與經(jīng)濟實用性，目前的研究熱點主要集中在增強光譜信號強度，降低連續(xù)譜強度，降低基體效應(yīng)，提高信背比，降低相對標(biāo)準(zhǔn)偏差與檢出限以及提高元素定量分析的精確性等方面?隨著激光技術(shù)和光譜探測技術(shù)的迅猛發(fā)展，LIBS技術(shù)也有了蓬勃的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了納秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜（nanosecond-LIBS，ns-LIBS）、飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜（femtosecond-LIBS，fs-LIBS）、飛秒激光成絲誘導(dǎo)擊穿光譜（femtosecond filament-LIBS，filament-LIBS）、偏振分辨激光誘導(dǎo)擊穿光譜（polarization resolved LIBS，PRLIBS）、雙脈沖激光誘導(dǎo)擊穿光譜（dual pulse LIBS，DP-LIBS）等諸多技術(shù)?

　　自從1960年第一臺紅寶石激光器的發(fā)明為原子光譜分析注入新鮮血液之后，類似于火花源的激光光束聚焦擊穿現(xiàn)象即見諸文獻報道。1962年 Jarrell-Ash的Brech發(fā)表第一篇關(guān)于用激光產(chǎn)生等離子體進行分析的文章，標(biāo)志著激光燒蝕分析技術(shù)的誕生。1964年，得益于激光器Q開關(guān)脈沖技術(shù)，使得激光燒蝕無需通過輔助電極放電，直接通過激光產(chǎn)生等離子體進行分析，這也是今天LIBS的雛形。至20世紀(jì)80年代，美國Los Alamos實驗室利用激光等離子體的光譜信息實現(xiàn)了對于物質(zhì)元素信息的測量，從而將該技術(shù)正式命名為LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy)。本世紀(jì)分析領(lǐng)域的一大新聞就是美國NASA采用LIBS技術(shù)作為火星車表面礦物分析手段——ChemCam，并出色地完成了科考任務(wù)。因而，LIBS技術(shù)的應(yīng)用也相應(yīng)地成為了一大研究熱門。與其他常用元素分析的方法相比，其主要優(yōu)點有:

　　（1） 利用激光特有的性能，可實現(xiàn)遠程、實時、在線元素檢測。

　?。?） 儀器體積相對較小，適用于現(xiàn)場分析、可在惡劣條件下進行測定。

　?。?） 可用于各種形態(tài)的固體、液體甚至氣體分析，而且無需繁瑣的樣品前處理過程，分析簡便、快速。

　?。?） 可測定難溶解的高硬度材料，對樣品尺寸要求不嚴(yán)格，且對樣品的破壞性小，實現(xiàn)微損甚至近于無損檢測，樣品消耗量極低(約0.1μg-0.1mg)。

　　（5） 分析時間短，從激光脈沖發(fā)射到信號收集的整個過程僅僅需要毫秒級別的時間。

　?。?） 可進行多元素同時檢測。

　　遠距離輻射光接收技術(shù)及光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展使得激光技術(shù)對高溫、惡劣環(huán)境下的非接觸分析得以實現(xiàn)，對環(huán)境的較好適應(yīng)性使其成為優(yōu)秀的原位監(jiān)測手段，賦予其優(yōu)異的實用性。憑借著以上優(yōu)勢，LIBS技術(shù)在光譜分析領(lǐng)域的舞臺上嶄露頭角。在過去的三十多年中，國際研究者對LIBS的理論基礎(chǔ)進行了大量的研究工作。主要集中于高速相機拍攝LIBS等離子體形貌、不同物質(zhì)時間分辨譜圖、LIBS等離子體溫度及電子數(shù)密度的估算、激光與物質(zhì)相互作用機理的研究等。

　　2015年1月29日，馬來西亞民航局宣布，馬航MH370航班失事，并推定機上所有239名乘客和機組人員已遇難。MH370航班上載有227名乘客（其中中國大陸153人，中國臺灣1人），機組人員12名。據(jù)外媒報道，按照造就制定好的計劃，MH370客機再次起航，到達南印度洋上空后實施技術(shù)墜毀，而美國輿論媒體讓所有人認(rèn)為飛機是因為燃油耗盡后墜毀，并將責(zé)任歸咎于飛機駕駛員。239條鮮活的生命就這樣隕落，這個事件的真相雖然很難挖掘，但是為了告慰這239條生命，馬航MH370失聯(lián)真相必將有一天會浮出水面，給所有人一個交代！

　　參考文獻

邵妍，張艷波，高勛，杜闖，林景全，《激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的研究與應(yīng)用新進展》

薛廣鵬，《淺析金屬材料的分析方法》

吳治華，《用數(shù)學(xué)方法尋找飛機殘骸》

　　編輯·整理·校對丨丑燦

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