全面自動監測天橋 解除橋樑結構的潛在危機

全面自動監測天橋 解除橋樑結構的潛在危機

香港理工大學（理大）的主校園位於紅磡地段，期後建成的Z座校園位處漆咸道旁，兩者之間被一條多線行車的西九龍走廊分隔，因此行人天橋就成為了師生穿梭兩個校園的主要通道。

橋樑設計原理及安全性涉及多個範疇

優秀的橋樑設計主要講求兩大指標：安全性和功能性。當中安全性是指橋樑能否承受內外壓力，以避免出現斷橋或崩塌危機；而功能性則指橋樑的卓越功能能否全面發揮，例如當行人在橋面走過的時候會否因嚴重震盪而感到頭暈。

除了在用料細節和結構需要恰當之外，優秀的橋樑設計還要顧及其他外來因素，例如風速會否導致顛簸、車輛及行人數量會否超過橋樑的承受能力、沿海地區的空氣環境會否侵蝕結構等。

因此，工程設計師一般都會把橋樑的負載能力加大，以應對極端情況，減少出現事故的機率。

然而，橋樑的安全性不限於構思及施工階段，建成後對各指數的監察亦十分重要，以便在出現極端情況下立即作出應對。因此，來自理工大學土木及環境工程學系的夏勇教授及其團隊，研發了一套跨學科實時監測感應器系統，全年無休地自動監測理大行人天橋橋面上數據的變化。

自動化收集實時數據 跨學科數據全面監察

透過於天橋不同位置安裝不同類型的感應器，這套系統能針對各項指標，進行實時數據收集及分析。「因為影響天橋結構的外在因素太多，需要用上不同的感應器才能全面地獲取所需數據。」夏教授解釋道。

系統共用上了11種不同的感應器，當中大致上可分為以下種類：

加速度計：當行人和橋底下的車輛走過，都會引起橋樑震動，繼而有機會影響行人的舒適度，甚至危害橋樑自身的結構。透過在橋樑的東西兩根鋼樑上安裝8個加速度計，便能測量到天橋不同方向上的加速度。

應變計：某些外力，包括橋樑本身的重量、行人、溫度、風及地震都會令橋樑產生一定的內力，若然其結構內力超過了其允許值，亦會危害橋樑的安全性。透過在橋樑的關鍵受力部位安裝應變計，能偵測到內力的變化。

太陽輻射儀：熱力會影響天橋部件的結構變化。然而，因為熱力分佈不同，難以每個部件都安裝溫度計，因此夏教授於X座上安裝一部太陽輻射儀，用以偵測天橋附近範圍的日照強度，藉此推算出天橋各部件的溫度。

風速計：香港經常受颱風侵襲，風力及風速過大都會令橋樑震盪，影響行人舒適度和結構安全。透過在X座上安裝的一部風速計，能偵測到天橋所受的風力數據。

氣像站：安裝在天橋的末端，用以監測氣溫、濕度、大氣壓和降雨量等。

光纖傳感器：天橋上共安裝了2套光纖傳感器，分別是20個互相連接的光纖光柵傳感器，用以測量混凝土橋面板的應變，以及只需在橋面上安裝一根特殊光纖就能測量橋面溫度分佈的布里淵散射時域分析傳感器。兩組傳感器平行舖設於橋面板頂部，以組成一個環形結構，將數據透過主幹光纜傳送到Z座的光柵解調儀及布里淵散射分析儀作分析。

全球衛星定位（GNSS）接收器：透過在天橋的橋面兩側及玻璃棚面上安裝共4個GNSS監測點，利用北斗及全球定位系统(GPS)，能全天候、實時、自動及精準地監測天橋的三維移動數據，以監測其功能性。

位移計：在荷載作用下，橋樑會產生變形。透過在天橋的伸縮縫處安裝一支位移計，能測量天橋在長度方向的位移。

因為各種感應器所偵測的範疇不同，其安裝的位置亦會影響到數據收集的準確性。「每個學科都需要動用到其自身經驗及理論，才能令每部感應器發揮出最大效用。」夏教授續說，「所以這的確是個跨學科的合作領域。」

相關數據將會透過大數據和人工智能來進行分析，並在出現極端情況下即時通知校園相關部門。另外，這些實時數據亦可於天橋旁邊的屏幕以及系統網站上獲取，行人通過橋面時也可以即時看到數據上的變化。

現時，類似系統已應用在港珠澳大橋上，而且團隊已參與大橋監測系統的運營，在感應器的優化、數據收集和分析、以及結構計算等方面，提供專業意見。「這樣做，能從零到期後的營運階段都能監察大橋的整個生命周期的數據，能更全面地掌握其功能性及安全性。」夏教授說。