WSN讓斷橋憾事不再發生

從以前到現在，許多意外災害的發生，都是受限於人力不足，以及一直無法找出有效率的監控方案，使得許多公共設施安全無法面面俱到，動輒造成人員傷亡及財產損失。現在，「無線感測網路」技術的出現，正好是一個可符合安全需求的解決方案。

這次莫拉克颱風襲台，除因土石流造成重大傷亡外，基礎建設如道路、橋樑的損毀甚至崩斷，也讓災情雪上加霜，尤其是橋樑，這幾年幾乎每次颱風，都至少造成一做橋樑斷裂，像去年的后豐大橋與甲仙大喬，都造成了人員的傷亡，人命與財產的重大損失引發各界重視。政府及民間單位莫不急於補救措施與未來預防方案。利用感測器進行目標物感測，且可以無線傳輸的方式將訊號回傳至主機，加以分析判斷，來進行目標物監控，是為無線感測網路的主要運作方式。

從以前到現在，許多意外災害的發生，都是受限於人力不足，以及一直無法找出有效率的監控方案，使得許多公共設施安全無法面面俱到，動輒造成人員傷亡及財產損失。現在，「無線感測網路」技術的出現，正好是一個可符合安全需求的解決方案。

降低生命威脅 美國全面建置WSN

若能利用無線感測網路來做為上述問題的解決方案，將可為社會節省龐大成本，並減少生命危機。其利用效益及潛力，可首重在橋樑安全的維護與應用上。以往需派員親至該地檢查狀況的方式，若改用無線感測網路做道路與橋樑的持續監控，就可直接將資料傳回總部，總部再視情況派員至正確位置進行修復維護，降低人力派遣的成本，並可及時獲知結構與現場狀況，對於異常狀況的及早診斷，也有助防範災害發生於未然。

目前無線感測網路應用於橋樑及道路的實例有：美國Massachusetts高速公路局引進冬季道路維護系統，在主要道路安裝感測器，用來測量道路溫度與積水的水中鹽度，並利用感測器所回傳至總部的資料來決定雪暴中最需要剷雪的地區，再派員出動，大幅提升人力資源配置的正確性，也降低需派員親至該地勘查的成本。

美國加州運輸局也以經費贊助SRI研究機構開發道路維護系統，發展技術給美國加州運輸局來監控混凝土橋樑的結構狀況，另外，也監測氯離子對鋼骨混凝土橋樑結構的損害。SR I設計混合RFID與Wireless Sensor的裝置，可安裝在現存混凝土結構，也可放置在新的混凝土中，而由卡車慢速通過來讀取sensor資料，並加以回傳給運輸局以利研判，及決定是否派員至現場勘查維修。

兩岸戮力推動WSN政策

另外，目前中國大陸也在深圳灣大橋布建了約200個sensor node，整套系統稱為Smart Structure's Bridge Monitoring System，用來監控橋樑的結構壓力與張力，以及結構的溫度、纜線強度、空間變形狀況、風阻、結構負載情況、鋼骨與混凝土間的連接，並用以進行動態模組分析，來對橋樑做即時監控，並適時發出警訊以預防意外。

Senera也推出橋樑安全監控系統，用於監控橋樑、高架橋、以及高速公路等道路環境。針對許多老舊橋樑，由於其橋墩長期受溪水沖刷，會產生結構上的變化。此系統將感測器放置在橋墩底部、用以感測橋墩結構；同時亦可置於橋樑兩側或底部，以蒐集橋樑的溫度、溼度、振動幅度、橋墩被侵蝕程度等，避免橋樑攤塌等公共意外的發生。

在台灣，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，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，然而，這兩項措施對預防橋梁安全危機都沒有太大幫助，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。

廣建WSN讓橋樑上緊螺絲

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，在這兩次颱風中斷裂的甲仙大橋及牛眠橋，就根本不在前述40座危橋中。

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。

扮演重要角色的感測器

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，同時在2000年使用GPS技術，強化在震動位移與偵測的能力。

在SHM系統中，感測器扮演相當重要的角色，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，選擇光纖感測器的效益將大於電子式感測器。

除了政府機構外，研究單位也致力開發相關方案，如工研院資通所開發的橋墩傾斜儀的自動感測解決方案，針對橋樑工程業主，提供自動化的檢測與遠端監控方案，不僅可省去人工檢測的花費及提供即時回報的功能，也可在地震發生後，快速收集各個橋樑資料。

另外，目前也有許多工程公司引進無線感測網路系統，來檢測橋樑道路及建築物施工的情況，如有異常感測會立即通報，期能避免在施工過程中的工安災害，及正式開通後的公共安全意外發生。

全面佈建 完整蒐集橋樑資料

從潛在需求加以分析，在環境監測方面，根據公路總局資料統計，目前可得知台灣橋樑數共10,491座，總長度達364,852公尺，若以10公尺架設一個無線感測網路節點來計算，則全台在橋樑的無線感測網路節點的市場需求量粗估為36,485個。

在隧道方面，目前台灣橋樑數共383座，總長度達51,975公尺，若以10公尺架設一個無線感測網路節點來計算，則全台在橋樑的無線感測網路節點的市場需求量粗估為5,198個。

另外，若要在一般道路上架設無線感測網路節點（wireless sensor node）來監測交通狀況與空氣污染指數，以及做道路維護監測等功能，目前全台道路長度共20,270公里，若假設100公尺架設一節點的話，那全台在道路的節點的市場需求量粗估為202,700個。因此，若做初步粗估，全台在環境監測方面的總需求節點 數約24.5萬個，以2012年在環境監測應用方面每個節點的平均單價78美元計算，預估將有約1,910萬美元的市場潛力，透過這數量龐大的節點，將構築完善的橋樑與道路監測，讓防災措施得以更全面。

資料來: 機械技術第295期 王明德 2009/9/15