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災害預測新技術 (四):地動天搖 地震預警分秒必爭

陳 慈忻
・2013/04/11 ・1983字 ・閱讀時間約 4 分鐘

台灣基於先天上位於板塊交界帶,後天又有人口稠密、高度開發等特性,因此對於地震是很脆弱的。但是另一方面,台灣也投入大量的研究能量在地震防災上,加上實際經驗豐富,國內的監測技術、預警技術發展相當積極。

在上一個專題「2012全球災難回顧」當中,中央氣象局地震測報中心的郭鎧紋主任針對地震的原理和迷思,為讀者們上了1堂有趣的課;而在本專題「災害預報與監測新科技」,郭主任更進一步介紹台灣的地震監測技術,並將地震預警剖為3個環節來介紹。

地震預警和地震預測是同一件事嗎?

我們常常聽到地震預警、地震預測,它們究竟有什麼不同?以提前的時間來看,預測比預警更早,而且在地震波從震源傳遞出來之前,就能夠從某些徵兆預知地震發生,例如在地震之前可能會有地下水位、電離層等發生變化等現象,有些學者也發現在921大地震發生的1個半月前,地震活動有減少的趨勢。世界各國都希望能夠發展出地震預測技術,目前也有許多預測地震的研究方向,但至今還沒有一套放諸四海皆準的技術。

相較於預測,地震預警提供的應變時間較短,在地震發生後十幾秒到幾十秒之才能夠產生,也比預測還要容易做到,為什麼呢?地震波的速度由快到慢可區分為「P波」、「S波」及「表面波」等。表面波的振幅最大,其次是S波,這兩種地震波的破壞性較大;而振幅小的P波波速較快,有一種現地型的預警儀器,就是利用偵測P波來預警破壞性較大的S波。

中央氣象局的強震預警系統,是利用「地震速報系統」快速測出地震的規模、位置,然後利用電波傳遞比地震波快的原理,對離震央較遠的都會區提出預警。

地震預警必備條件:又快又準的監測資訊?

要能夠快、狠、準的掌握地震到來的訊息,監測技術是關鍵。地震監測站可以獲得有感地震發生的p波及s波的到時數據、震度等資訊,在地震中心則根據這些數據計算震央位置、震源深度、規模等。

事實上,1個地震的規模運算數據來自台灣各地的多個地震監測站,透過運算得到平均的結果。但是要多少個監測站一起運算,牽涉到資料處理的時間,因此依據不同目的,會在「時間」與「準確度」做出不同程度的取捨。

當地震波到來的初期,離震源最近的監測站會最先感測到地震波,這些少數稱為「子網」的監測站為了搶在第一時間發布訊息,不等待距離更遠的測站資料蒐集好一起運算,以快速為目標先發布訊息。

在全台灣能夠即時連線的測站統稱為「全區網」,包含的測站共有119個,在50秒左右會統整全區網各測站的監測資料,修訂出準確度較高的規模數據。這就是我們在地震後一段時間,會看到新聞報導出現的較準確的地震資訊。

如果把沒有即時連線的觀測站一起含括近來,台灣總共有七百多個觀測站,稱為「強震觀測網」,如果七百多個觀測站的數據都要在地震發生的第一時間就進行運算,將會耗費過多的時間,達不到預警效果。但是這樣完整的數據,更有利於地震後的研究,像是台灣各地的建物應該要有什麼樣的鋼骨結構才足夠耐震。

預警技術3環節

儘管地震預警提供的時間不長,卻可能避免人命傷亡,甚至挽救龐大的經濟損失,但儘管有了國家的地震監測技術,就可以做到了嗎?

其實預警技術可分成上中下游,並不是單由「上游」中央氣象局發布預警訊息就可以了,傳播的通訊技術、如何使用預警訊息也都是重要的工作。因此「中游」的通訊業者需要研發技術、因應上下游的需求設計,才能將預警訊息傳遞出去;但是這些訊息要如何使用?依照不同的「下游」使用者〈例如:醫療單位、工業園區、學校、一般民眾……〉而有各種操作方式,則需要由下游的機關來決定。

舉例來說,醫院在發生地震時,可能會面臨手術房門卡住而無法打開的危機,因此收到地震預警,會自動將各種機門開啟並固定;而在一間工廠當中,不同設備受地震影響的程度不同、緊急停止需付出的成本也不同,因此由「下游」不同的使用單位來規畫如何反應。

當地震發生時,高速運行中的列車可能會發生出軌現象。雖然中央氣象局也提供地震預警訊息給交通相關單位,能決定高鐵列車是否剎車的只有高鐵自行設立的接收器,氣象局提供的訊息只有參考作用。

2009年日本311大地震前,大部分的民眾都收到了地震預警的簡訊,雖然台灣的地震監測技術在世界上名列前茅,要同樣發布簡訊給所有民眾卻不太容易。主要的原因在於手機系統本身,日本的手機建置全國統一廣播系統,國家可以在發生重大事件時由政府發布廣播,如果台灣要有這種廣播功能,可能全國民眾的手機都需要更換才做得到。

(本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!)

延伸學習:國家災害防救科技中心:強震即時警報傳遞機制規劃及應用推動成果

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陳 慈忻
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在丹麥的博士生,專長是用機器學習探索人類生活空間,正在研究都市環境變遷與人類健康的關係。曾擔任防災科普小組編輯、社會創新電子報主編。

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第一輛 MIT 的「捷運」——淡海輕軌「行武者號」

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/08/19 ・2199字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 交通部鐵道局 委託,泛科學企劃執行。

2018 年底,淡海輕軌完工通車,目前已經通車的路段有從紅樹林站到崁頂站的山線,以及從濱海沙崙站到漁人碼頭站的藍海線一期路段,沿途各站有櫻花大道、知名古蹟和電影商城,成為一日輕旅行程不可錯過的選擇。而藍海線二期將會從漁人碼頭站延伸接回淡水站,結合捷運淡水信義線連接到紅樹林站,形成環狀路網,未來也在規劃從崁頂延伸至北海岸的三芝線。

但你知道嗎?淡海輕軌所使用的車輛,可是臺灣自製的!「行武者號」由台灣車輛公司和德國福伊特公司跨國合作,從設計、製造到測試,全車在臺灣完成,突破過去捷運車輛都是向國外購買,技術長期被外商壟斷的困境,成為臺灣捷運「國車國造」的首例。

圖/郭令鈞攝

融入當地特色之設計與節能效果

淡海輕軌「行武者號」在外觀上以海為意象採流線型設計,水藍色的車身彩繪代表淡水河清流,而白色象徵水面映射的日光。

由於淡水氣候變化大,夏天常有 30-35 度高溫,冬天最低溫可達 5 度,且地形位於迎風面,梅雨季、颱風都帶來豐沛雨量。為了因應淡水溫差大且濕度高的特性,「行武者號」列車材質使用不鏽鋼與耐候鋼打造。

圖/郭令鈞攝

比較不同於一般所熟知的大眾交通工具,列車到站後會自動開門,淡海輕軌的車輛到站後需要旅客手動開門。這樣的設計是考量在不會每站都有乘客上下車的狀況下,除了能避免冬天冷風灌入車廂造成車內乘客不舒適外,在平時更能節省許多不必要的能源消耗,達到節能減碳的效果。[註1]

車輛零組件國產化並兼顧安全品質

淡海輕軌在車輛設計上完整導入 3D 設計與分析模擬,可自主產出系統模組 3D 繪圖、機械與電氣施工圖,並進行結構應力、結構疲勞強度、結構撞擊等模擬分析,大幅強化在地設計與驗證能力。

國內輕軌車輛國產化比例,從淡海輕軌的 21.5%,提升到目前興建中安坑輕軌的 42%,項目包括車體製造與組裝、車頂、外牆、車頭、內裝板與地板、轉向架框、車內空調、客室座椅、玻璃、車上照明、漆料、電纜、CCTV 等。其中車輛完全符合歐盟 EN 45545 防火規範,車端碰撞抗壓縮力具備 500 kN(輕軌一般為 200~400 kN),車頭與內裝板採用非金屬複合材料,安全設計納入列車自動防護系統(ATP)及電子式後視鏡,均為國內輕軌首次採用;而車輛設計納入臺灣地區人因資料,所有車門與車窗均為緊急逃生出口,車上照明全面採用 LED 燈具,更是國內鐵道車輛首例。

而淡海輕軌的車輛與零組件供應商,大多都符合 UNIFE(歐洲軌道工業協會)所制定 IRIS(國際軌道工業標準)品質管理認證,以確保車輛各子系統之高品質,並進行合作及技術轉移,協助國內建立自主的鐵道車輛工業與零組件供應鏈。

未來展望

目前除了營運中的淡水輕軌,未來還有安坑、八里、淡海二期、五股泰山、基隆、桃園及新竹等地的捷運及輕軌計畫,除了為日常通勤或是假日輕旅行增添更多可能性,也因為這些計畫將製造上百組車輛,是不容忽視的國產經濟能量,將可作為產業界進一步掌握關鍵核心技術,達成並突破車輛國產化 50% 的重要契機。

因此,交通部鐵道局已自 2021 年起透過產業發展補助計畫來逐步推動關鍵系統國產化研發,包含車輛之集電弓、車門、轉向架、牽引系統、列車監控系統、車體設計、儲能電力管理系統、超級電容,以及號誌系統、轉轍器與自動列車防撞系統等項,將國產化技術領域從目前偏重在車體結構材料、零件與服務性設備,拓展到與行車運轉及安全維生有關之核心系統,以提升臺灣鐵道工業的競爭力。此外,交通部更借鏡先進國家經驗成立「鐵道技術研究及驗證中心」,藉由國家級鐵道技術專責機構,帶動國內鐵道產業研發與檢測驗證技術能量,產品符合安全品質標準並與國際接軌。

圖/交通部鐵道局

藉由政府創造市場需求與提供資源,讓民間廠商藉機推動製造業的轉型與突破,建立自主鐵道車輛工業的完整生態鏈。「國車國造」的計畫,將培養更多鐵道專業人才,將技術根留臺灣,也能有效降低建置、營運及維修成本,對經濟發展及創造就業帶來正面幫助。

藉由政府創造市場需求與提供資源,讓民間廠商藉機推動製造業的轉型與突破,建立自主鐵道車輛工業的完整生態鏈。「國車國造」的計畫,將培養更多鐵道專業人才,將技術根留臺灣,也能有效降低建置、營運及維修成本,對經濟發展及創造就業帶來正面幫助。

在家悶了很久,解封後想來一場櫻花古蹟之旅?那就來規劃一場淡海輕軌輕旅行吧!

註解

註1. 由於疫情影響,為減少非必要的接觸,目前淡海輕軌全線改為列車長統一開門( 2021 年 5 月

參考文獻:

  1. 新北市淡海輕軌列車國產製造:由政府起頭,帶領臺灣軌道產業升級進化
  2. 淡海輕軌BIM技術應用與設計施工整合特色
  3. 淡海輕軌綠山線上路北臺灣第一條| 生活| 重點新聞
  4. 鐵道產業- 產業政策- 鐵道科技產業政策
  5. 交通部鐵道局-鐵道產業國產化

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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