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下一座斷橋在哪裡? 讓物聯網告訴你
[作者 王明德]   2019年09月11日 星期三 瀏覽人次: [429]

台灣的地形獨特,在3萬6千平方公里中,海拔超過3千公尺的高山就多達268座,狹小環境下的高山,其山勢必然極為陡峭,結果就是大雨一來,就造成台灣溪流的湍急水勢,除了對居民帶來威脅,也不時傳出橋梁受損。過去就曾因颱風來襲,導致位於台中的后豐大橋斷裂,最後造成民眾死傷的不幸情事,近年來物聯網應用逐漸拓展,而橋樑偵測就是其中之一,透過物聯網感測與通訊層的連結,將可精準偵測橋梁狀況,預防斷橋事件的再發生。


對於斷橋事故,前文所敘的悲劇其實早可預防,當年於后豐大橋橋墩早已裸露多年,在三年前就被列入台灣十大危橋中,公路總局修繕養護作業不積極,加上封橋動作又太慢,最終造成三輛車隨著斷裂橋梁墜落河面的慘劇。


其實,后豐大橋斷裂並非特例,也非僅在台灣發生,世界各地包括印度、中國、葡萄牙、祕魯等國,從2001年至今將近20年,都發生了損傷嚴重的斷橋事件,撇開政府官員的人為疏失不看,在這些斷橋事件背後,突顯出橋梁管理的重要性。


台灣對於橋梁的管理至今已有19年,交通部運輸研究所從2001年就建立了台灣地區橋梁管理系統,透過資訊系統、GPS、GIS及網路技術,協助橋梁管理機關進行管理。



圖1 : 物聯網的感測與通訊技術,將有效提升橋梁偵測的精準度。(source:Intelligent Infrastructure Systems)
圖1 : 物聯網的感測與通訊技術,將有效提升橋梁偵測的精準度。(source:Intelligent Infrastructure Systems)

此外,行政院公共工程委員會則訂定台灣地區橋梁維護管理作業評鑑實施要點,對橋梁管理機關維護管理作業,包括基本資料建立、檢測、維修、維護管理人員之教育訓練、維護管理制度等進行評鑑,以求落實橋梁維護工作。


然而,政府這兩項措施對預防橋梁安全危機都沒有太大的幫助,先就運研所的資訊系統來看,主要紀錄的是橋梁基本資料,例如:名稱、建造日、結構型式、橋墩型式、造價、材質等,這些資料對於橋梁安全並沒有直接而正面的幫助,頂多只是讓橋梁管理單位方便進行保養維護作業而已,至於公共工程委員會的制度看似完整,實則容易陷入紙上作業的盲點中。


結構安全監測SHM 彌補人眼視覺不足處

美國是在2007年開始致力於開發即時遠端監測系統,並設計出結構健康監測系統(Structural Health Monitoring,SHM),SHM是以感測器為基礎,其架構就是現在的物聯網,SHM適用對象除了橋梁外,還包括建築物、水庫壩體等大型結構物。


過往,美國對於橋梁的檢查幾乎完全依賴人眼視覺,只有當肉眼看到腐蝕或裂紋時,才會使用渦流、超音波或滲透性的染料作進一步的測試,而感測器能檢測人眼觀察不到的微小裂紋,利用無線節點把橋梁結構的健康資訊傳送至維修單位,在裂紋還很微小時就進行修復,彌補人眼和後續測試的監測系統不足之處。



圖2 : 橋梁早年多由人力負責偵測,因此資訊的精準度與完整性都不足。(source:DLR)
圖2 : 橋梁早年多由人力負責偵測,因此資訊的精準度與完整性都不足。(source:DLR)

SHM好比是橋梁危機預警系統,台灣過往的幾起斷橋案例,幾乎都是因為橋墩裸露、不堪水流衝擊所致,這就是所謂結構安全問題,橋梁管理單位若希望及早預知危機,除了日常保養維護外,更不能忽略結構安全監測的重要性。


SHM應用架構是先在橋樑各位置(如:橋面、橋柱)嵌入震動感測器,感應橋梁在車輛經過後的震動程度,並將擷取到的感測數據,透過通訊網路傳送至後端電腦,電腦內建聲域震動軟體,用來分析震動訊號等,讓工程師據此判斷找出脆弱位置,並進行事先性的補強,以避免橋梁坍崩的事故發生。


感測器未卜先知 橋梁管理化被動為主動

目前,台灣大小橋梁共計約有2萬6千座,超過40年歷史的老舊橋梁為952座,列入老舊橋梁待改進的省道橋梁則約40座,若是單靠人工巡橋作業預防危機,免不了有疏漏的可能性。


面對這些年歲已大的老舊橋梁,最好的管理方法就是SHM系統,例如,在橋墩放置感測器,隨時監測橋墩的結構變化(橋墩在垮掉之前會先傾斜),以便能在第一時間內發出警報訊息,甚至還可以在橋梁兩側或底部架設不同種類的感測器,蒐集橋梁的溫度、溼度、震動幅度、橋墩被侵蝕程度等環境狀態,主動發現諸如甲仙或牛眠橋等還未被監測到的「潛在危橋」。


這其實就是智慧型結構物的概念,透過數量眾多的感測器,賦予橋梁思考、及時反應意外的能力,目前主要的橋梁觀測項目共有12種:應變、變位、傾斜轉角、裂縫、作用力、溫度、潛變乾縮、腐蝕、動力反應、沖刷掏空、交通量及超載行為。


現今全球最具智慧化概念的橋梁,當屬香港青馬交通管制區內三座大型吊橋:青馬大橋、汲水門大橋及汀九大橋,總共佈建774個橋梁監測感測器,包括風速計、氣象感測器、動力稱量系統、加速度計、位移感測器、應變規和水平儀等七大類,用以監測纜索、橋塔和橋面的結構位移,纜索受力、橋面應變、應力和橋面加速度等。


慎選感測器 遠端監測成功的第一步

在SHM系統中,感測器扮演了相當重要的角色,目前大致分成兩種類型,其一為傳統的電子式感測器,價格便宜,但當量到達某一定程度時,容易出現電子訊號互相干擾的現象,其二則是光纖感測器,直接使用光纖傳送感測信號,具備傳輸頻寬大、損耗低和不受外界電磁干擾等優點,缺點則是價格較為昂貴,應以後者為主,橋梁監測通常需要大量的感測器,從量測準確度來看,選擇光纖感測器的效益將大於電子式感測器。此外,橋梁架設於戶外、環境較為嚴苛,最好選擇規格較高的感測器,才能在惡劣環境下維持正常運作。


真正的橋梁管理作業,強調的是安全防護重要性,政府若受限於預算問題,即便無法,也應配合人工巡橋作業,詳實紀錄橋梁在定期或後進行檢測評估的結果,若發現橋梁在安全上存在重大風險,就得立即研擬因應對策,畢竟橋梁不是說斷就斷,如果能定期巡查、維護與補強,就能將斷橋風險降到最低。


**刊頭圖(source:PHYS)


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