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與災共生(五):利用光纖的橋樑預警系統

李柏昱
・2013/08/18 ・2352字 ・閱讀時間約 4 分鐘
光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)
光纖監測系統能長時間監測橋體受到外力產生的震動,圖為重型車輛通過南投集鹿大橋時的監測數據。(圖片來源:國家地震工程研究中心,李政寬提供)

台灣島上河系眾多,在台灣的開發史中,就因為河流東西阻斷陸上交通,南北向交通往來不易,海上交通興盛促成西部沿海的海港都市最先興起。而今日,橋梁克服台灣先天環境,跨越河流與山谷串連南北,其對於經濟與民生的重要性不言可喻。然而這些橋梁缺乏統一且完善的後續維護,除了颱風豪雨來襲時屢見橋梁遭山洪沖垮,即便晴空萬里亦有橋梁突然崩塌的案例。國家地震中心的李政寬博士長期參與光纖監控技術的研發,就讓我們跟隨李博士一起了解,聽起來相當科幻的光纖科技如何讓我們行的更安全。

橋梁安全管理作業困難

台灣目前約有兩萬八千多座橋梁,由於用途以及興建單位的不同,分屬多個不同單位管轄,包含公路總局、高速公路局、各縣市政府、鐵路局、捷運局以及高鐵公司等等,絕大多數的橋梁都無自動化監測管理。目前的橋梁管理多仰賴人工巡查方式,藉由派遣維護人力至現場以目視搭配監測器具監測橋粱結構是否安全。這種方式不僅曠日廢時,人力成本高昂,且經常有許多死角與到不了的地方,讓許多橋梁結構上潛在的危險無法在第一時間發現。加以台灣的橋梁經常暴露於自然災害中,颱風或暴雨過後,缺乏有效率的安全監測,如果橋梁於災時毀損,可能導致路過民眾傷亡,並讓救災更加不易。

目前橋管單位判斷橋粱是否危險的依據為河水高度,主要是針對颱風豪雨對橋梁的影響,對於橋梁本身的結構安全並未多加著墨。另外,台灣的橋梁常受地震威脅,而且又有超載與老劣化問題,耐久性與安全性日益堪慮,所以針對橋梁結構安全的檢測工作越來越重要。有時即便晴空萬里,橋梁也會突然崩塌,像是2000年高屏大橋便在八月颱風剛過的一個晴朗午後,位於中間的二十二號橋墩突然下陷,導致「落橋」,整個橋面崩塌,導致三十多人輕重傷。最近在2013年6月初,基隆火車站的人行陸橋亦毫無預警塌落,造成一人受傷。這些事件提醒我們台灣橋梁的安全狀況有很多潛在風險,老舊橋梁時時刻刻威脅著用路人,因此有必要開發實用儀器,隨時瞭解橋梁的健康狀況。

全方位全橋光纖監測系統初露身手:二高崩山事件

在2010年4月,北二高3.25公里處的師公格山發生大規模走山,大量土石掩埋下方的北二高路面與部分橋梁。迫於搶通的時間壓力,國家地震中心臨危受命,需在6天的時間內判斷修復後的橋梁結構是否安全。在主線道橋梁的承重試驗過程中,國家地震中心亦是運用傳統的橋梁監測方法,但連續6天耗費大量人力與工作時間,讓人思考是否有更快速的監測方法。於是在半年後匝道橋梁搶通時,便首次運用上光纖監控技術,在相當短的時間內便完成了橋梁結構安全的判斷。

那麼,到底甚麼是全方位全橋光纖監測系統呢?光纖監測系統藉由「光纖光柵(Fiber grating)」的設置,運用光學中光的繞射效應,在光源端打入寬頻光,入射到一個具有狹縫的平面,光會因入射光的波長及狹縫的寬度,而在另一端產生不同間距的亮暗相間繞射條紋。若重複放置這些有狹縫的平面,便可以獲得疊加的效果,此一週期性狹縫的結構便是所謂的光柵(Grating)結構。接著再將光纖與各種感應器結合,例如觀測橋梁結構位移量的位移計、觀測水位的水位計、觀測橋梁結構是否沉陷傾斜的高程計,以及觀察橋梁受到地震與汽車通過造成的震動的振動計,便可相當全面地監控橋梁結構受到的各種力的作用與物理變化。

光纖監測系統的優勢

光纖監測系統與傳統監測方式相較有三大優勢,第一為經濟成本上較為便宜,傳統的橋梁結構監測器具多自進口國外,而光纖橋梁監控技術的軟硬體多為台灣自主研發製造,許多相關儀器亦為台灣首創發明,能大幅減少系統的建置經費。目前光纖監控的成本每兩公里約四百至五百萬元,為進口設備花費的二分之一至三分之一,且因為這項技術在台灣已經趨於成熟,未來亦有技術輸出的潛力。第二能監控長距離多跨距的橋粱,能同時監控水位變化、橋梁是否沉陷與傾斜,以及斜張橋的鋼纜張力等等。第三能長時間全天候的監測橋梁安全,平時協助維護人員監控橋梁,並在地震與洪水來襲時即時提供橋梁結構資訊,協助封橋判斷與事後維修。

然而,目前國內與國外對於橋梁的安全管理監測有認知上的不同,在國內,橋梁安全監測系統的投資額約是工程金額的0.5%,與香港跨海大橋的2%到3%有4至5倍的差距,許多地方政府或橋梁管理單位寧願將經費花在橋的夜間光雕裝飾上,卻不了解或不願意投資橋梁的安全監測,導致台灣實際運用光纖監控的橋梁並不多。相信光纖技術降低了監測費用後,未來極有潛力大量的運用在台灣的橋梁上,目前僅僅於台北市大直橋以及南投縣集鹿大橋有示範性質的設置。

防災及救災是與時間賽跑的工作,國家地震中心的全方位全橋光纖監測系統猶如千里眼,能監控遠處橋梁的安全,且擁有顯微鏡般能力,能檢查橋梁些微的變化,隨時全方位即時監測長橋,讓我們用路更加安全。

臺灣基隆市和平島社寮橋。source: Dodd Lu
  • (本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)
  • 責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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」與災共生(五):當橋梁遇上光纖。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!

  • 編按:原延伸閱讀網址已失效,故逕行刪除。(2019/10/2)

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防疫宅在家的三個科學抒壓提案

PanSci_96
・2021/06/24 ・1955字 ・閱讀時間約 4 分鐘

全台進入疫情三級警戒一個月,無論是分流上班、分組上班或完全居家上班,過去這一個月對上班族來說難免焦躁不安,即便現階段疫情仍然嚴峻,不如專注難得的「低度外出」生活,讓躁動的心安靜下來,迎接宅家新常態。台灣最受知識社群歡迎的新媒體泛科學,整理了三個宅在家的科學抒壓法,讓你不僅宅,還宅得很科學。

一、轉念:將壓力轉助力

居家辦公拉開物理距離,網路會議不如面對面開會來的溝通無礙,甚至更耗費心神,這些壓力讓你工作表現失常了嗎?

圖/pexels

哈佛大學曾做過一個壓力處理方式的研究,發現「認知再評估策略」能夠幫助人們在壓力下較不受影響。

研究人員將受試者分為 A、B、C 三組,研究人員請實驗組 A 試著「忽略壓力」、實驗組 B 嘗試「將壓力轉念」,控制組 C 不採取任何手段。接著讓受試者們分別進行 5 分鐘的演說並計算數學題目,過程中研究人員故意皺眉、雙臂交叉抱胸、給予負向回饋等,讓受試者感受到壓力。

結果發現,試著將壓力轉念的 B 組受試者們的血液更加流暢,這讓他們在演說和算數時不受干擾、專注處理問題。其實研究人員不過是在實驗前和 B 組說「雖然壓力會讓你心跳加速,但可把這些變化看作是興奮的反應」,如此一來,B 組受試者能夠專注即將來臨的挑戰。

二、閉眼休息,增加創意力

面對排山倒海的提案,是否想不出好點子呢?根據日本科學家的研究,只要閉上雙眼就能激發創意

研究人員找來 40 位大學生,分別在睜眼或閉眼時為一款米和茶想新的產品名稱,實驗開始前研究人員各提供 5 個名稱範例以誤導受試者,包括 XX 光、XX 茶,若受試者想出的名稱以「光」或「茶」做結尾,就被視為不具創意的「聚斂」名稱,若跳脫框架、採用不同用字,則是有創意的「擴散」名稱。

圖/pixabay

在睜眼狀態測試時,受試者在思考名稱時同時觀看一支幾何圖形的影片,在睜眼和閉眼的狀態下,受試者各有一分鐘為產品命名。

最後研究結果指出,受試者在閉眼時想出擴散名稱的比例,是睜眼時的 1.6 倍!這可能是因為閉眼會防止我們的大腦受到視覺干擾,確實有助於激發創意。居家辦公別忘了適時閉上雙眼休息,保護視力也提升想像力。

三、理性飲酒,有助放鬆

當然不是在白天上班時喝酒,在結束一天的工作後,很多人會喜歡藉由「喝一杯」放鬆,究竟為何酒精能讓人放鬆呢?

圖/pexels

這個祕密與大腦構造有關,腦部最外側有大腦皮質負責理性與思考,內側邊緣系統負責感情與記憶,酒精第一個影響的事情為抑制大腦皮質的活動,因為酒精是能讓神經運作減緩並鎮定神經的液體,因此當大腦皮質的功能減弱後,被理智意志的情感與本能的衝動可能會顯現出來,喝酒能夠放鬆,僅是舒緩平常緊繃的理性神經、讓壓力宣洩。

雖然適當飲酒有助於抒壓,但過度飲酒也會讓腦部運動和記憶的機能「鎮定」下來,導致無法走直線或直接斷片。(同場加映:酒醉是怎麼一回事?

然而,壓力並不全然是壞事,對於變化莫測的疫情,有點焦慮反而更謹慎,例如擔憂染疫而勤洗手,便能有效降低風險。面對遠距工作的新常態,各行各業勢必得經過一番調整,保持警覺但不過度焦慮,居家辦公也能事半功倍喔!

瀏覽更多宅在家科學:防疫在家不停學,生活也能好科學測你的防疫指數

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