以桃園市橋梁為例 談防災平台結合物聯網IoT之應用

林曜滄 土木技師/台灣世曦工程顧問公司總工程師

劉新達 台灣世曦工程顧問公司副理

王仁東 桃園市政府養工處橋梁隧道科科長

一、前言

108年10月1日,宜蘭縣蘇澳鎮南方澳跨港大橋,在完工通車21年後,突然鋼纜意外斷裂及橋體結構坍塌,造成6人罹難、12人輕重傷,以及三艘漁船與一台油罐車損毀的重大事件。在橋體坍塌後,因斷橋堵住航行通道,導致600多艘漁船無法進出,造成後續漁獲及財物損失。桃園市政府轄管橋梁,有一千餘座,多年來均依規定辦理橋梁定期檢測,平時也依規定辦理經常巡查。考量氣候變遷,愈來愈嚴重,引發環境劇變,極端天候致災機率大增,有鑑於此,桃園市政府乃規劃建置橋梁安全管理系統,利用GIS平台,整合橋梁基礎資料庫建置、建立橋梁風險與預警機制,亦運用物聯網IoT,建構災害示警資訊整合與查報平台,以提升災前減災整備、災中應變,及災後復建等災害管理及應變能力。

二、防災監測物聯網架構規劃

台灣防災願景在於全民自主防災與離災,因此防救災資訊的傳遞與應用,成為未來重點作業,各種防災資料,從資訊公開提昇為開放資料(Open Data),但仍需專業人員進行資料搜尋、解析與規劃應用。若各機關防救災開放資料,可進化成互相鏈結的開放資料(Linked Open Data),以機器對機器(Machine to Machine,M2M),開啟資料及關聯整合,即可在短時間透過資料網,取得所有各領域有關資訊,並建構各種決策輔助資訊。

為掌握橋梁的災害因子等資訊,規劃橋梁監測,物聯網IoT構想(如圖1),分為感測物聯網裝置、網路服務及應用等三個層次:

(一)感測物聯網裝置:經由儀器,紀錄雨量、影像、溫度、應力變化、沉陷、地震、水位等量測資訊,若橋梁位處於偏遠山區,可選用SigFox、NB-IOT、RoLaWAN等LPWAN(低功率廣域網路)技術,將資料傳遞至基地台或閘道器,再回傳至雲端機房或後端主機。

(二)網路服務:關於監測資料的供應型式,應遵從國家的感測器資料共同規範,支援OGC SensorThings API的格式。對內可供應給桃園市政府各相關系統使用,對外可提供給各防災單位界接。目前在民生物聯網上,舉凡空氣品質、地震、災害、水資源及氣象,都是透過OGC SensorThings API、CAP-TW等共通標準,在網路上傳遞使用。

(三)應用:以監測資料API為資料基準,透過模式計算、大數據分析、機器學習等技術,建立橋梁防災儀表板及示警平台,提供桃園市政府決策輔助之參考。

1244-6-1

圖1 橋梁監測物聯網架構

三、防災監測物聯網IoT建置作業

災害示警資訊之設備安裝與資訊界接,主要目的為提供橋梁安全管理系統之災中應變能力,作為橋梁與車行地下道於災害前養護與防災整備、災中應變、災後復原之基礎資訊。為達此目的,需由三部分構成:車行地下道淹水感知設備安裝、整合新建與既有路面淹水情資、及界接橋梁災害應變相關之國家尺度與桃園市政府開放資料,作為應變基礎。

(一) 車行地下道淹水感知設備情資

車行地下道通常為該區域地形最低點,每逢豪大雨,為降雨逕流集中區位,因此常易受超過設計排水標準之降雨,或排水系統阻塞,而導致積淹情形發生,進而影響用路人安全。本計畫淹水感知設備整合目的,為提早掌握淹水情資,提早辦理警示封路。

(二) 整合路面淹水情資-建構道路IoT感測架構

當路面積淹水深度,如超過30公分,約半個輪胎高度,即有影響車行安全疑慮;如超過積淹水深度60公分,即有可能水體進入排氣管,而導致車輛無法行駛,因此前述兩種積淹深度,將評估作為本設備警戒及封路水位。為有利於掌握道路淹水災害示警資訊,將整合前述12處淹水感知設備資訊、及水務局依據積(淹)水潛勢區防汛熱點所建置之路面淹水感知器,界接其回傳水位高及基本資訊內容,亦可整合至車行地下道及路面淹水情資,逐步發展為道路IoT感測架構。

(三) 界接災害示警資訊

除既有及依實際需求新設之淹水感知器設備外,對於廣泛災害示警,將界接桃園市既有之各項災害示警資訊等動態資訊、及中央政府災害示警資訊。中央已整合之資訊,由國家災害防救科技中心(以下簡稱NCDR)之災害示警服務CAP提供界接,相關可界接項目包含:中央氣象局(地震、颱風及降雨)、水利署(河川高水位、淹水資訊)、農委會水土保持局 (土石流)、公路總局(道路封閉)、水務局(水位警示、雨量)。

四、防災儀表板建置作業

為了讓使用者對整體橋梁與地下道警戒狀態,一目瞭然,本系統設計「橋梁防災儀表板模組」。該防災儀表板模組以情境為主,將上述多種資訊串聯,形成貫穿決策過程、及災害前、中、後的「決策儀表板」,如圖2。

1244-6-2

圖2 橋梁防災儀表板畫面(網頁瀏覽)

以直接災害管理者(區公所人員/工程處人員)為例,可於汛期前之整備,搭配儀表板所提供之資訊演練腳本,訂定應變標準(即:各項指標之警戒值、行動值)、及災前資源儲備等。災中,則可利用即時示警(含水位站)及車行地下道/路面淹水感測器動態資訊之趨勢,配合警戒值/行動值或相應計算方式,綜合判定是否進行橋梁/車行地下道預先封閉作業。

為了讓使用者即時掌握橋梁及災害監測資訊,本系統橋梁防災儀表板模組,以響應式網頁開發,於行動裝置瀏覽時,可配合人員身分(例如中壢區)顯示相應資訊,以關鍵數字呈現各項情資,並於災中或演練時,提供權責人員,對於警戒中橋梁或地下道,執行封橋或地下道之操作(如圖3)。

1244-6-3

圖3 橋梁防災儀表板畫面示意圖(行動裝置瀏覽)

五、結語

本計畫以桃園市橋梁基本資料庫為核心,整合巡檢及維護歷程資料,建置桃園市橋梁履歷資料庫,並規劃全生命週期之橋梁維運管理大數據,以提高圖資實用性及加值運用,作為橋梁智慧維運管理之基礎。

除以各項風險因子開發風險評估模組,進行橋梁風險排序及分析,辨識桃園市橋梁風險外,亦界接桃園市政府、及中央級既有區域性災害示警資訊,建立道路橋梁防災物聯網。

此外,藉由可視化GIS圖台,整合橋梁基本資料、風險評估、街景、鑽探資料及防災儀表板等,提供及時、多元之防減災空間資訊,並藉由大數據的運用及IoT服務,滿足桃園市政府之防災應變需求。

氣候變遷日益加劇,面對層出不窮的災害,工程人員也應跨界學習,善用科技技術,投入防救災之創新開發。台灣世曦工程顧問公司,後續將以此平台開發及應用經驗,持續開發新的模組,提供各地方政府或中央政府參考使用,為國家及社會安全盡心力,為保障民眾行的安全,善盡企業責任。

 

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】



【版權重要說明】:本網站內容係由該著作權人或團體同意下轉載、或由該作者或會員自行創作上載發表之沒有違反著作權之圖稿內容,一切內容僅代表該個人意見,並非本網站之立場,本站不負任何法律責任;若讀者認為文章或評論有侵權不妥之處,請與聯絡我們,將儘速協同處理;同時未經本網站同意請勿任意轉載內容,我們也將保留一切法律追訴權利。