Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

0

0
0

文字

分享

0
0
0

815大停電所缺少的那份餘裕?「冗餘系統」與電力供應

活躍星系核_96
・2017/10/16 ・4573字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

文/艾俠

2017年 8月 15日,由於電力供應不穩,發生全台灣各地接連斷電、最後演變成分區輪流限電的事件,讓能源問題再度成為焦點。或許對某多人而言,這次事件的意義似乎在於能夠為核能議題帶來有說服力的啟示,不過這篇文章將不會探討那些和實際發生的事關係不夠明確的問題;相對地,本文要介紹僅僅一個和這次事件直接相關的概念「冗餘」,並且用這個概念,來說清楚僅僅一個具體的問題。

發動機艙。圖/pinterest

多餘的也很重要?「冗餘

在日常用語中,「冗餘」(redundancy)通常是負面的詞彙,用來指一些多餘的、不需要的東西。但在許多學術領域中,我們注意到「多餘」和「不需要」是不同的事;多餘的東西,經常是維持世界正常運轉所不可或缺的。

歸納學術上常見的意義,「冗餘」有一種比較狹義的用法是「在一個系統中,能負擔某一功能的構造有好幾組,並且在其中一組故障時整體能繼續正常運作」。將資料同時存在多個硬碟裡的儲存架構(磁碟陣列 Raid 1)、或者配置有緊急發電機的醫院,都是這個意義下的冗餘系統;這種用法的「冗餘」有時候和「備援」是可以互換的。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

而在另一種用法下,「冗餘」指的是「系統有多餘的性能和複雜度,並且在部分構造故障時能繼續正常運作」。這時,我們不見得能找到特定的被額外設置的備援裝置,但總而言之,當系統一部分故障時,其他部分有能力分擔忽然多出來的工作,並且穩定運轉下去。這種意義下的冗餘在我們的生活中就十分常見。

事實上,「冗餘」還是經常包括一些真的不需要的東西。歸根究柢,廣義的「冗餘」被用來描述一種系統的性質,但並沒有預設它是好是壞。冗餘能增加可靠性,但同時也增加成本;在某些狀況下,它甚至反而會降低可靠性[1]。冗餘的價值,其實要根據個別狀況去判斷。

建築與結構的冗餘

大部分人都知道建築物和各種機械裝置的強度會有餘裕,也有人把這稱為「強度冗餘」。不過比較嚴謹地說,土木工程和結構力學上的「冗餘」或譯「贅餘」,通常指的是「結構贅餘」(structural redundancy)[2],意思是「部分構造受損失去功能之後,其餘構造繼續維持整個結構穩定的能力」。包含了贅餘的設計會比較能抵抗例如在天災中龜裂、建築老化、鄰居在承重牆上挖洞、或者施工品質不如預期之類狀況。像房屋、馬路、橋、或者電梯,這類對安全性需求比較高的東西,在設計時都必須具體地考量贅餘度。

多餘的強度顯然是必須的,但整個構造能隨時代替損壞的零件發揮功能,在結構贅餘中是很重要的因素。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
1967 年美國 Silver Bridge 崩塌的事故。圖/作者提供

1967 年美國 Silver Bridge 崩塌的事故,被認為是一個構造缺乏贅餘引發事故的經典案例。這座橋是以許多單支鋼條連結而成的鋼鏈(eyebar-chain)懸掛起來的,並且僅僅由於關節上有一顆鋼珠大小的累積損傷,在出現損壞徵兆後的一分鐘就崩塌了[3]

生物機制的冗餘

在生命科學領域,「冗餘」比較沒有一致的用法和研究方法。這裡將延續這篇文章的脈絡,介紹一些對生命個體有價值的冗餘生物機制。

  • 許多生物體內的生理和化學機制,包括代謝、血壓、血糖、血液酸鹼度等,都有不只一組調控路徑,能在其他部分失常時繼續運作[4][5, para. 5]。舉例來說,人體的血壓主要是由心血管系統和兩個腎臟(本身就是有名的冗餘器官,只要有一個就能發揮正常的泌尿功能)所共同控制的,而且在其中一部分不健康時仍然可能相當準確地控制血壓。這是功能重複所產生的冗餘。
  • 許多動物能用不同的肌肉組合做出相同的關節動作、並且能用不同的關節組合做出相同的行動。要控制這樣複雜的運動機制,無論是對神經系統、或者學習運動方式的生物個體來說,都是相當複雜的工作。但今天,幾乎所有人都已經同意這樣冗餘的自由度(degree of freedom)以及它造成的額外負擔,總的來說對我們是有幫助的[6]
  • 大腦有相當複雜的容錯與備份能力,讓它在充滿雜訊的環境中能夠還算可靠地思考與記憶,或者避免因為受到損傷而失去資訊[7][8];近期有以小鼠為實驗對象的研究指出,左右腦可能還有明確的相互備份機制,某些資訊會在左右兩個半腦中各儲存一份,當其中一邊的資訊受到破壞時,能夠從另一邊複製回來[9]

這類對生存有幫助的冗餘機制——其實就是一種潛能——讓我們能夠適應各種環境,在許多不同的飲食方式下維持健康,而且不會輕易死於衰竭。

資訊冗餘與語言冗餘

近幾十年,我們在討論大腦處理資訊的方式時,經常會參考資訊理論這門研究資訊本質的嶄新學科。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在資訊理論中,資訊密度的極限能夠明確地用數學表達,而「冗餘」指的是實際上的資訊密度和這極限的差距[10]。在這種用法下,冗餘是不可避免的常態,而且它的正面意義和負面意義同樣受到重視。如果要在有限資源下傳遞或保存最多的資訊,就需要盡可能消除冗餘,檔案壓縮就是在做這件事。

然而,缺乏冗餘的資訊會難以直接利用,這代表它的可讀性比較差,你要耗費比較多時間、精神力、或者計算機資源去解讀它的內容[11][12, p. 351];缺乏冗餘的資訊也會是脆弱的,只要遺失很小一部分就會無法還原,比較糟的情況下你連確認資訊有沒有遺失都沒辦法。

勞依茲咖啡屋(Edward Lloyd’s Coffee house)。圖/作者提供

語言冗餘可以說是一種特殊的資訊冗餘。雖然資訊科學家通常並不處理在語言中承載資訊的語義,以至於資訊理論的基本定理要應用來解決語言學問題有許多困難,但在這兩個領域中,冗餘所造成的影響幾乎是相同的。

我們可以用一個日常英語的例子來說明語言冗餘。在「This man is a solder」這個句子裡,每個字都對應到敘述對象的單數型態,意味著和單複數有關的資訊在這個句子中的每個字裡重複地出現了。我們平常使用的語言中存在許多像這樣重複的資訊,代表我們用了更長的句子或創造了更多的語言規則來表達一樣多的東西,但這也是我們有辦法從一個部分音節遺失了、模糊了的句子猜出它原本意思的原因。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

引用科普著作 Grammatical Man 裡的一段話,為這個段落作結:

「冗餘能夠讓某些字母或字母組合出現的機率變高、讓句子更容易被預測,而這能夠減少錯誤發生。」[13, p. 3]

低可靠性的電力系統

2017 年 8 月 15 日下午,由於中油在施工過程中,錯誤地關閉了大潭火力發電廠的天然氣供應,導致該廠的六部發電機組全部跳機(trip),台灣的電網中瞬間少了 4157 MW 的電力。電力供需失衡造成的衝擊馬上引發電力系統保護設備自動切斷部分用戶的電力供應,開始了我們所知的斷電事件。另一方面,當日全台灣的最大供電能力為 37610 MW(在用電尖峰時有 3.17% 的備用發電能力[14],即「備轉容量率」,percent operating reserve),而事件發生前的實際用電量為 34809 MW,中間僅有約 2801 MW 的緩衝。[15]

沒有足以填補缺口的電力,使得電網無法穩定下來 ,隨後又誘發了台中火力發電廠 5 號機的跳機。最後,在晚間 6 點開始了長達 3 個小時 40 分鐘的分區限電。[15]

8月15日 事故電力供需時序說明。圖/引用自 815 停電事故行政調查專案報告。

大潭火力發電廠的天然氣供應在中油端的管理不良,一般認為是這次事故最直接的原因。但為什麼僅僅這樣一件意外,就能夠造成全國性的限電?最後,我們要回到撰寫這篇文章的契機,了解電力冗餘(電力領域更常用的中文詞彙是「裕度」)的問題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

和前面表達當日供電能力冗餘的「備轉容量率」不同,「備用容量率」(percent reserve margin)指的是以年度為單位的、所有現役發電設備的冗餘發電能力[16]。這是一個長期發展的指標,簡單地說就是電網能應付各種大修、小修、故障、意外事件的餘裕。備用容量率越高電費就越貴,但相對地也更不容易受意外影響。

2016 年,台電的備用容量率根據標準計算方式為 10.4%,但扣掉政治性長期停機的、以及算進未取得執照但參與了發電的機組,實際上的冗餘發電能力為 8.1%。多高的備用容量率足夠可能並不是一件容易分析的事:電費增加會連鎖性地影響物價,電力供應不穩定則會造成經濟衰退;但行政院其實一直對這個指標有建議標準,目前是 15%[17][18]。如果我們的電力建設維持在這個標準上,8 月 15 日的斷電應能在短時間內復原。可以說台灣電網的可靠性比起原先所規劃的要低了許多,而這導致了發生在大潭發電廠的事故,最終演變成為必須以全國性的限電來處理的事件。

  • 2017.11.14 編按:本段有稍飾修改,原因為台電的「備轉容量率」並非採用維基百科以及某些電網使用的即時統計與 10 分鐘升載定義,而是以當日可調度的發電容量與尖峰計算出當日唯一的數值。並將新增的參考資料補充在下方。
分區限電中,燈光全無的臺北市松山區新東街9巷公寓。
source:Wikipedia

在能源議題的論辯中,「台灣的電是否夠用」一直是爭論的焦點之一,但這個問法其實並沒有呈現出真正的問題。如果我們能夠接受比較頻繁的斷限電的話,很可能 5% 的備用容量率都是「夠用」的;而在某些更嚴重的天災或事故之下,15% 的備用容量率也不能讓我們免於限電。多餘的電力關係到的與其說是夠不夠用,更像是可靠程度高低的問題;是如同我們所居住的房子和賴以溝通的語言那樣,我們希望電力系統足以應付多大的錯誤的問題。

  • 2017.10.24 編按:最末段的文章原先寫道關於 8 月 15 日的事件在有足夠的備轉容量下很可能將不會發生斷電,不過由於預備的發電容量需要最大十分鐘升載,因此實際上較可能是仍會發生隨機斷電但於短時間內恢復正常運作。本段經由讀者提出後原作者於內文中進行修改,於此告知、也謝謝讀者的不吝指正。
  1. Scott D. Sagan (2004). Learning from Normal Accidents.
  2. Fabio Biondini, Dan M. Frangopol, & Stefano Restelli (2008). On Structural Robustness, Redundancy and Static Indeterminacy (PDF).
  3. Silver Bridge. In Wikipedia.
  4. Jason A. Papin, Nathan D. Price, Jeremy S. Edwards & Bernhard Ø. Palsson (2002). The Genome-Scale Metabolic Extreme Pathway Structure in Haemophilus influenzae Shows Significant Network Redundancy.
  5. Michael J. Joyner (2013). Physiology and Redundancy.
  6. Degrees of freedom problem. In Wikipedia.
  7. C. Robert Almli, Stanley Finger, T.E. LeVere & Donald Stein, eds. (2012). Brain Injury and Recovery: Theoretical and Controversial Issues.
  8. Sophie Denève, Alireza Alemi, & Ralph Bourdoukan (2017). The Brain as an Efficient and Robust Adaptive Learner.
  9. Nuo Li, Kayvon Daie, Karel Svoboda & Shaul Druckmann (2016). Robust neuronal dynamics in premotor cortex during motor planning.
  10. Redundancy (information theory). In Wikipedia.
  11. Victor Kuperman, Mark Pluymaekers, Mirjam Ernestus & Harald Baayen (2007). Morphological predictability and acoustic duration of interfixes in Dutch compounds (PDF).
  12. Denis McQuail (2010). McQuail’s Mass Communication Theory.
  13. Ernst-Jan C. Wit & Marie Gillette (1999). What is Linguistic Redundancy? (PDF).
  14.  過去電力供需資訊。台灣電力股份有限公司。
  15. 815 停電事故行政調查專案報告 (PDF)。
  16. 備用容量之說明。台灣電力股份有限公司。
  17. 訂定「能源開發及使用評估準則」。行政院公報資訊網。
  18. 經濟部能源局_長期負載預測與電源開發規劃。政府資料開放平臺。

本文原發表於中立之丘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 128 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

1
0

文字

分享

0
1
0
純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
225 篇文章 ・ 313 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia