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下一座断桥在哪里? 让物联网告诉你
[作者 王明德]   2019年09月11日 星期三 浏览人次: [1380]

台湾的地形独特,在3万6千平方公里中,海拔超过3千公尺的高山就多达268座,狭小环境下的高山,其山势必然极为陡峭,结果就是大雨一来,就造成台湾溪流的湍急水势,除了对居民带来威胁,也不时传出桥梁受损。过去就曾因台风来袭,导致位於台中的后丰大桥断裂,最後造成民众死伤的不幸情事,近年来物联网应用逐渐拓展,而桥梁侦测就是其中之一,透过物联网感测与通讯层的连结,将可精准侦测桥梁状况,预防断桥事件的再发生。


对於断桥事故,前文所叙的悲剧其实早可预防,当年於后丰大桥桥墩早已裸露多年,在三年前就被列入台湾十大危桥中,公路总局修缮养护作业不积极,加上封桥动作又太慢,最终造成三辆车随着断裂桥梁坠落河面的惨剧。


其实,后丰大桥断裂并非特例,也非仅在台湾发生,世界各地包括印度、中国、葡萄牙、秘鲁等国,从2001年至今将近20年,都发生了损伤严重的断桥事件,撇开政府官员的人为疏失不看,在这些断桥事件背後,突显出桥梁管理的重要性。


台湾对於桥梁的管理至今已有19年,交通部运输研究所从2001年就建立了台湾地区桥梁管理系统,透过资讯系统、GPS、GIS及网路技术,协助桥梁管理机关进行管理。



图1 : 物联网的感测与通讯技术,将有效提升桥梁侦测的精准度。(source:Intelligent Infrastructure Systems)
图1 : 物联网的感测与通讯技术,将有效提升桥梁侦测的精准度。(source:Intelligent Infrastructure Systems)

此外,行政院公共工程委员会则订定台湾地区桥梁维护管理作业评监实施要点,对桥梁管理机关维护管理作业,包括基本资料建立、检测、维修、维护管理人员之教育训练、维护管理制度等进行评监,以求落实桥梁维护工作。


然而,政府这两项措施对预防桥梁安全危机都没有太大的帮助,先就运研所的资讯系统来看,主要纪录的是桥梁基本资料,例如:名称、建造日、结构型式、桥墩型式、造价、材质等,这些资料对於桥梁安全并没有直接而正面的帮助,顶多只是让桥梁管理单位方便进行保养维护作业而已,至於公共工程委员会的制度看似完整,实则容易陷入纸上作业的盲点中。


结构安全监测SHM 弥补人眼视觉不足处

美国是在2007年开始致力於开发即时远端监测系统,并设计出结构健康监测系统(Structural Health Monitoring,SHM),SHM是以感测器为基础,其架构就是现在的物联网,SHM适用对象除了桥梁外,还包括建筑物、水库坝体等大型结构物。


过往,美国对於桥梁的检查几??完全依赖人眼视觉,只有当肉眼看到腐蚀或裂纹时,才会使用涡流、超音波或渗透性的染料作进一步的测试,而感测器能检测人眼观察不到的微小裂纹,利用无线节点把桥梁结构的健康资讯传送至维修单位,在裂纹还很微小时就进行修复,弥补人眼和後续测试的监测系统不足之处。



图2 : 桥梁早年多由人力负责侦测,因此资讯的精准度与完整性都不足。(source:DLR)
图2 : 桥梁早年多由人力负责侦测,因此资讯的精准度与完整性都不足。(source:DLR)

SHM好比是桥梁危机预警系统,台湾过往的几起断桥案例,几??都是因为桥墩裸露、不堪水流冲击所致,这就是所谓结构安全问题,桥梁管理单位若希??及早预知危机,除了日常保养维护外,更不能忽略结构安全监测的重要性。


SHM应用架构是先在桥梁各位置(如:桥面、桥柱)嵌入震动感测器,感应桥梁在车辆经过後的震动程度,并将撷取到的感测数据,透过通讯网路传送至後端电脑,电脑内建声域震动软体,用来分析震动讯号等,让工程师据此判断找出脆弱位置,并进行事先性的补强,以避免桥梁坍崩的事故发生。


感测器未卜先知 桥梁管理化被动为主动

目前,台湾大小桥梁共计约有2万6千座,超过40年历史的老旧桥梁为952座,列入老旧桥梁待改进的省道桥梁则约40座,若是单靠人工巡桥作业预防危机,免不了有疏漏的可能性。


面对这些年岁已大的老旧桥梁,最好的管理方法就是SHM系统,例如,在桥墩放置感测器,随时监测桥墩的结构变化(桥墩在垮掉之前会先倾斜),以便能在第一时间内发出警报讯息,甚至还可以在桥梁两侧或底部架设不同种类的感测器,搜集桥梁的温度、湿度、震动幅度、桥墩被侵蚀程度等环境状态,主动发现诸如甲仙或牛眠桥等还未被监测到的「潜在危桥」。


这其实就是智慧型结构物的概念,透过数量众多的感测器,赋予桥梁思考、及时反应意外的能力,目前主要的桥梁观测项目共有12种:应变、变位、倾斜转角、裂缝、作用力、温度、潜变乾缩、腐蚀、动力反应、冲刷掏空、交通量及超载行为。


现今全球最具智慧化概念的桥梁,当属香港青马交通管制区内三座大型吊桥:青马大桥、汲水门大桥及汀九大桥,总共布建774个桥梁监测感测器,包括风速计、气象感测器、动力称量系统、加速度计、位移感测器、应变规和水平仪等七大类,用以监测缆索、桥塔和桥面的结构位移,缆索受力、桥面应变、应力和桥面加速度等。


慎选感测器 远端监测成功的第一步

在SHM系统中,感测器扮演了相当重要的角色,目前大致分成两种类型,其一为传统的电子式感测器,价格便宜,但当量到达某一定程度时,容易出现电子讯号互相干扰的现象,其二则是光纤感测器,直接使用光纤传送感测信号,具备传输频宽大、损耗低和不受外界电磁干扰等优点,缺点则是价格较为昂贵,应以後者为主,桥梁监测通常需要大量的感测器,从量测准确度来看,选择光纤感测器的效益将大於电子式感测器。此外,桥梁架设於户外、环境较为严苛,最好选择规格较高的感测器,才能在恶劣环境下维持正常运作。


真正的桥梁管理作业,强调的是安全防护重要性,政府若受限於预算问题,即便无法,也应配合人工巡桥作业,详实纪录桥梁在定期或後进行检测评估的结果,若发现桥梁在安全上存在重大风险,就得立即研拟因应对策,毕竟桥梁不是说断就断,如果能定期巡查、维护与补强,就能将断桥风险降到最低。


**刊头图(source:PHYS)


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