調查實驗室

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調查實驗室簡介

本會於88年建置飛航紀錄器實驗室(Flight Recorders Lab),90年5月更名為調查實驗室(Investigation Lab),以下簡稱實驗室。主要工作包括:事故現場量測、飛航紀錄器水下定位、飛航紀錄器解讀、飛航性能分析、飛航動畫製作、以及各項調查工程與技術之研發。目的為整合任何事故調查涉及時空環境之事故鏈(Sequence of Events),透過電腦科技重建事故現場,還原事故發生經過,以協助調查小組研判事故可能肇因。此外,實驗室亦接受國、內外相關機關(構)委託辦理之飛航紀錄器解讀及分析事項。

一. 飛航紀錄器解讀

飛航紀錄器可以泛指航空器上能記錄資料之各種裝備,其中飛航資料紀錄器及座艙語音紀錄器具備有受損保護的功能,用來調查飛航事故之可能肇因及其飛安風險。

隨著全球衛星定位系統接收機的普遍使用,目前我國公務航空器及普通航空業者之旋翼機、個人使用之超輕型載具,使用手持式接收機的情形已逐漸增加,但是接收機本身並不具備受損保護之功能,因此接收機之解讀難度有時甚高於CVR及FDR。

實驗室目標為建立100% CVR及FDR解讀能量,並持續建置全球衛星定位系統接收機之解讀能量。

飛航記錄器解讀圖一 飛航記錄器解讀圖二
圖1  飛航紀錄器解讀

二. 事故現場量測及圖層套疊

由於傳統測量方法曠日廢時,實驗室使用GPS進行飛航事故現場測量,以滿足時效性及準確性。依據現場環境及精度需求,實驗室目前使用三款GPS:手持式Garmin GPS、測量型Trimble Pro XR及精密測量型Leica GPS system 1200,其定位精度分別可達到數公尺、次公尺、次公分之等級。103年度新添購一台Trimble GeoExplorer 6000 GPS,在樹林裡或遮蔽環境中仍能進行現場測量作業。

另配合雷射測距儀,量測範圍可延伸至樹梢、電線桿、纜線等人員不易到達處。實驗室目前使用Leica D510雷射測距儀,測距能力可達200公尺,精度可達1公釐,由於重量輕,適合山區或野外之調查作業。此外,為快速整合事故現場資訊,實驗室亦能使用三維雷射掃描儀,進行事故現場立體測繪及飛機殘骸建模等工作。

手持式、測量型、精密測量型衛星定位儀及雷射測距儀(由左至右)
圖2  手持式、測量型、精密測量型衛星定位儀及雷射測距儀(由左至右)

 Trimble GeoExplorer 6000 GPS及Leica D510雷射測距儀
圖3  Trimble GeoExplorer 6000 GPS及Leica D510雷射測距儀

三. 座艙語音頻譜分析

座艙語音紀錄器所記錄之組員對話與座艙聲響為事故調查之重要證據。有些聲音無法以人耳辨別,實驗室採用聲音能量分布或頻譜分析技術,探討座艙內聲音的來源、起始時間與持續時間,以及特定警告作動(Warning Activation)情形,可協助調查一些發生過程不明確或缺乏飛航資料紀錄器之事故,如聲紋辨別、動力組件失效分析、空中解體爆炸之估算等技術。

座艙語音頻譜分析圖
圖4  座艙語音頻譜分析

四. 飛航資料處理及性能分析

計算飛航軌跡需處理飛航資料及地面觀測資料,飛航資料包括:CVR、FDR、QAR、機載之GPS;地面觀測資料包括:航管雷達、機場場面雷達、都卜勒氣象雷達、剖風儀、風速計與雨量計、能見度與風切警告、場站監視錄影資料等。過去10年,實驗室持續研發飛航軌跡重建系統(Flight Path Reconstruction System),第1代系統係以2D GIS平台為核心,97年度著手規劃第2代飛航軌跡重建系統,係以3D GIS平台為核心,稱為事故調查資訊管理系統(Occurrence Investigation Management and Information System, OIMIS)。該套系統可快速整合上述飛航資料、雷達資料、現場量測資料以及數位圖資(精密影像、精密地形、向量資料等)。

由於飛航紀錄器記錄之飛航參數有限,為能獲取更多與事故相關之飛航參數,需透過航空器運動方程式及性能方程式以進行航空器之性能分析,以利分析事故發生之原因,歷年來實驗室已陸續發展性能分析相關研究,包括風場估算、風切識別因子、彈道軌跡分析、跑道面摩擦係數估算、航空器煞車減速性能分析、航空器升力及阻力係數估算、航空器積冰性能研究、亂流強度分析、航空器機腹觸地分析、衝/偏出跑道航空器性能分析以及空中接近分析等。

某偏出跑道事故之事故鏈套疊圖
圖5  某偏出跑道事故之事故鏈套疊圖
A multi-layer GIS map of a runway excursion occurrence
某偏出跑道事故之事故鏈套疊圖
圖6  事故調查資訊管理系統OIMIS展示圖台

某偏出跑道事故之事故鏈套疊圖
圖7  某型機之煞車減速性能分析圖

五. 飛航動畫製作

飛航動畫主要資料來源為飛航資料紀錄器記錄之航空器操作及機械狀態,如航空器位置、姿態、控制面、駕駛桿位置,引擎狀態,以及座艙語音紀錄器記錄之座艙情境。此外能見度、下雪、下雨等影響飛航操作之環境因素,有時亦須整合於動畫中。首先必須將所有的資料(CVR、FDR、雷達紀錄、現場量測及GIS圖層等)經過時間與空間同步處理,唯有在資料同步後,才能顯示出駕駛員、飛機與環境之間的相對關係,進而精確地以動畫模擬還原飛航事故發生的過程。

某偏出跑道事故之事故鏈套疊圖
圖8  某重落地飛航事故之飛航動畫模擬圖

六. 飛航紀錄器水下定位系統

為爭取飛航紀錄器搜尋及打撈之時效性,本會實驗室於94年度開始發展飛航紀錄器水下定位系統(Flight Recorder Underwater Locating System, FRULS),配合全球衛星定位系統(GPS)、水下聽音器、地理資訊系統(Geographic Information System, GIS)及定位定向估測程式,估算飛航紀錄器於水下之位置。目前已完成可攜式之飛航紀錄器水下定位系統(FRULS II),提升原系統硬體操作靈活性,適用於海洋、湖泊及水庫等不同事故現場環境。近期研擬發展第3代飛航紀錄器水下定位系統,搭配智慧型攜帶裝置、聲音訊號處理與紀錄器水下偵搜軟體工具等。

紀錄器水下定位系統裝備比較圖(FRULS I Vs. FRULS II)
圖9  紀錄器水下定位系統裝備比較圖(FRULS I Vs. FRULS II)

七. 飛航記錄器之技術委託解讀及分析服務

 基於國家資源共享並為促進亞太地區飛航事故調查機關間之技術合作,本會自99年開始辦理國內、內外相關機關(構)委託辦理之飛航紀錄器解讀及分析服務事項,近三年的統計資料如下:

Year CVR FDR/QAR ANI (GPS, Radar, GIS/DB) Total
2011 1 35 * 4 (16, 4, 8) 68
2012 7 19 * 4 (0, 5, 7) 42
2013 6 32 7* (3, 3, 4) 55

八. 工程失效分析

工程失效分析系統係以模型建構系統及有限元素分析為主體,首先沿用逆向工程的概念,利用掃描儀器量測結構組件輪廓,透過逆向工程軟體將點資料自動轉換為網格,加以編輯修改後,建構成曲面模型;透過巨觀觀察及照相、化學成分分析、金相分析、硬度試驗、掃描式電子顯微鏡觀察斷裂面等材料測試,分析材料破壞模式;並透過有限元素分析技術之導入,研判工程失效之可能原因。

工程失效分析系統
圖10  工程失效分析系統