作者：陸向陽
2019 年 10 月宜蘭的南方澳大橋突然崩塌斷裂，事後各界開始調查，發現港務單位 21 年沒有確實檢測，而斷裂前的 3 年由某科技大學檢測，斷裂發生後卻難以出示報告。
南方澳大橋斷裂事件如何避免？（圖片來源）
近期筆者也在 YouTube 上觀看一些南韓過去的重大公安意外，撇除非建築結構問題的世越號船難、大邱車站火燒車事件，亦有 1994 年聖水大橋崩塌 32 人死亡、1995 年三豐百貨倒塌 502 人死亡等重大事件。同為 2019 年 10 月美國紐奧良興建中的飯店倒塌，也造成 1 死 19 傷。而在南方澳大橋之前，國內也早有多次建築、橋樑嚴重崩塌事件。
南韓漢城（首爾的昔稱）跨越漢江的聖水大橋崩塌（圖片來源：維基百科）
筆者約在 2007 年、2008 年開始接觸無線感測器網路（Wireless Sensor Network, WSN）的議題，當時即有各種應用被提出，如在森林廣佈溫度感測器以便能預警監控森林大火，或石油公司在輸油管沿線埋設壓力感測器以便能預警漏油等，而橋樑或建築安全監控檢測也在其中。
而後 2013 年、2014 年開始興起的物聯網（Internet of Things, IoT）其實也包含了 WSN 的概念，或說 IoT 是以 WSN 為基礎所擴展延伸成。
由於橋樑、建築安全監測只是 WSN/IoT 諸多應用之一，筆者並沒有特別關注後續具體發展，且一般認為WSN/IoT 遲遲不能開展是因為應用多樣、想像空間大卻缺乏殺手應用（明顯的主流大宗運用），或多數人認為較可能成為殺手應用的應是自動抄錶取向的應用，因此就更少關切結構安全應用。
然而十年過去了，我國似乎沒能重視 WSN/IoT 在公共建設上的安全價值，此促使筆者對此方面進行一次探索，針對技術應用發展上提供一篇動向更新，讓大家更了解具體方案的近況。
學術研究
有關橋樑健康監督系統（Bridge Health Monitoring System, BHMS）的學術研究筆者找到數篇：
- 2014 年 5 月 IOSR-JECE 期刊，某印度大學的研究，用於印度 Akashi Kaikyo 橋
- 2015 年 IJSR 期刊，某印度工程學院的研究
- 2015 年 EDP Sciences，大陸北京某大學的研究，用於張家口通泰大橋
- 2018 年 4 月 IJRASET 期刊，某印度大學的研究
當然還有更多的研究可以搜尋，只是在 Google 上較快浮現為上述研究，以下簡單比較上述研究。
1. 感測器
橋樑監控有賴各種感測器
感測器是一大重點，IOSR-JECE 刊載的研究使用 4 種感測器：加速度感測器、溫度感測器、測力計（load cell）以及風力計（anemometer）；ISJR 刊載的研究則使用 3 種，一樣有加速度感測器（使用ADI的ADXL335）、測力計，但還用上了彈性感測器（flex sensor/bend sensor），其實是量測金屬彎曲度所造成的電阻值改變。
EDP Science 的刊載則有 8 項感測，前述的風力、加速度感測外，溫度感測也加上濕度感測，然後有動態應力感測、靜態應力感測、攝影機、纜線振動感測（南方澳大橋即是用纜線吊著的）以及WIM（Weigh In Motion）等。
IJRASET 的刊載則使用振動感測器與沖刷感測器（scour sensor），前者其實也是使用 ADXL335 加速度感測器，後者則是偵測泡在水中的橋墩被水流沖刷的狀況。
通泰大橋上的感測器類型與配置位置（圖片來源：source）
2. 晶片主控器
IOSR-JECE 用的是 PIC16F877A；ISJR 只說是 PIC18 系列；EDP Science 沒有詳述；IJRASET 的也是 PIC16F877A。看來印度研究有點喜歡用 Microchip 的 PIC 系列微控制器晶片。
3. 通訊方式
IOSR-JECE 使用 900MHz 的 GSM 2G 通訊；ISJR 的研究是用 TI 的 CC-2500 Zigbee 進行通訊，將感測資料傳到閘道器上，閘道器是用樹莓派充當，而後樹莓派也是透過 GSM 通訊再將資料往後拋；EDP Science 的作法比較特別，是用光纖線路將感測數據傳遞到中控位置，並沒有使用無線傳輸；IJRASET 則一樣使用 GSM 模組。
商業方案
商業方案上，筆者找到 2 家業者提供佈建與監控服務，一是美國的 IAI（Intelligent Automation, Inc.），另一是美國的 MachineSense, LLC，與商業方案的技術內容。不過 IAI 網站似乎無法連通，因此本文僅先說明 MachineSense 的作法。MachineSense 將公共建設結構安全的方案稱為 SignaGuard（IoT for Public Safety），其中包含橋樑結構安全監控、高樓結構安全監控、電災與火災防範以及洪水預測等。
SignaGuard 的作法是埋設 3 軸加速度感測器、陀螺儀、磁場感測器（部分實際導入案例中也有是用測力計與應力感測），並搭配影像監控，感測器的數據是透過藍牙無線傳輸到閘道器（SignaGuard 稱為DataHub），而後透過 4G 通訊傳至雲端，最前線的感測到最後端的雲端上傳是每 100 秒同步一次。
SignaGuard的橋樑健康監督系統示意圖（圖片來源：source）
另外 SignaGuard 方案既可在感測器節點上使用電池運作也可用能源收割方式運作，以及正嘗試將光學移位感測器導入到方案中。SignaGuard 的方案已用於印度 Kolkata 的天橋、Haldiram 橋，美國的 Lehigh River 橋（已裝設 3 年）。
小結
最後，令人膽顫心驚的是，在 SignaGuard 官網上引用了 CNN 於 2018 年 2 月的報導，美國約 61 萬座橋樑中有 5 萬座被評定為結構不足，但每天仍有 1.74 億個人在上頭經過。結構不足有缺陷的橋平均壽命約 67 年，高於無缺陷的橋樑（平均約 40 年），美國有 1/3 的橋樑需要檢修。看來橋樑健康監督系統需要加緊拓展腳步才行。
（責任編輯：楊子嫻）
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