學研初心之防災工程科技中心 - 國立臺北科技大學工程學院
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學研初心之防災工程科技中心

 

 

學研初心之防災工程科技中心

土木系 張哲豪副教授

民國86年台北科技大學正式改制,同一年,土木工程系以及土木與防災研究所碩士班也同步成立,這是國內第一次將防災主題列為研究所名稱,足見前輩在此時,已經看到土木環境領域未來在台灣的定位。隨著民國88年的集集地震、民國89年政府訂定災害防救法、以及民國98年的莫拉克風災,都持續提醒著我們生活在寶島臺灣,我們必然需要學習如何能夠適應頻繁天災,並且在這塊土地上永續經營。

由於整體自然環境的高度不確定性,從災害管理所揭櫫的減災、備災、應變、復舊四個階段,都需要充分的訊息支持,並透過順暢體系運作,才能增加各項防災措施的可靠度。基於個人空間資訊的專長,始終思考著要如何在土木環境領域上,能夠充分掌握多元資訊,在災害管理的循環上,將橫向整合力量持續發揮出來,以即時對應處理。

時至民國109年的今日,很高興有機會能夠在工程學院電子報為大家介紹學研並重的防災工程科技中心,已經初具規模,能夠在防災實務的社會責任上,為北科大發光發熱。

圖一

圖1、民國104年杜鵑颱風前夕,北科大與荷蘭合作團隊在水利署值勤時與經濟部長及水利署主秘(現任水利署長)討論(https://sec.ntut.edu.tw/p/16-1027-56801.php?Lang=zh-tw)

圖1 拍攝於杜鵑颱風前夕,其實正是北科大防災團隊的颱風值勤日常。當周荷蘭合作團隊訪台,遇到杜鵑颱風侵台,在應變中心成立初期,經濟部長訪視水利署應變情況,留下了這個我們團隊的實際工作畫面。FEWS_Taiwan是防災工程科技中心的核心技術之一,當時已經具備全島作業化能力的水情預報系統:每日24小時不間斷即時運作,每小時都能夠提供未來最多72小時的河川水位預報。打造這樣技術的服務團隊,來自個人所帶領的北科大土木系所莘莘學子為主體,在水利署國家計畫的支持之下,每次颱風洪災時,都配合水利署應變中心的啟動而進駐,持續提供即時與預報水情,為水利防災貢獻心力。

目前團隊技術更領先國內,進一步將FEWS_Taiwan的水情測預報規格,提高到每3小時的頻率,供應未來6小時全島可能的淹水範圍。高效能的演算服務讓水利預報的能量從河川水位,一口氣拉升到民眾更為有感的社區淹水議題。個人特別難以忘懷,民國104年第一次平行運算架構試驗成功的地點,就在我們北科大土木系一樓電腦教室內。在半夜沒有人上課的情況下,連續測試了五個晚上,終於突破瓶頸,完成這當時看起來不可能的任務。

結合上述高效能的淹水模擬技術,配置智慧型的物聯網感測器,能夠由點到面,將觀測與計算交叉得到相互印證,如圖2-4所示,在台南市安南區朝皇宮前的觀測與模擬計算比較,顯示出相當接近的內容。這個跨研究領域的結合,對於模式計算研究長久以來缺少觀測資料驗證的問題,實在是一大突破。讓原本像是在空中樓閣的研究內容,直接落地,跟淹水第一現場的時序列觀測資料結合,大大確認了淹水範圍預估的可靠度。

圖二

圖2民國105年6月11日暴雨台南市朝皇宮前積淹水情況

圖3

圖3民國105年6月11日暴雨台南市朝皇宮前淹水模擬區域

圖4

圖4民國105年6月11日暴雨台南市朝皇宮前淹水模擬與感測資料比對

荷蘭Deltares 研究所的FEWS(Flood Early Warning System)平台技術,能夠提供資料與模式的主要介接基礎,包含:多種資料格式或是屬性資料庫的支援、時空間對位與內插補遺,以及作業化排程的伺服器控制。在水利署的支持下,團隊以臺灣本島區域為主,基於FEWS平台技術,開發出FEWS_Taiwan的水情測預報平台。其中,技術核心包含建立中央氣象局的雷達降雨QPESUMS、雨量站、多項定時定點定量的預報產品等連接,逐步定義各集水區對應機制,設置多項時空間內插或是補遺的流程,結合全島一維河川模式,以及配置平行運算之排程環境。民國104年時,FEWS_Taiwan已經成為具備全島作業化能力的水情預報系統:每日24小時不間斷即時運作,每小時都能夠提供未來最多72小時的河川水位預報。

團隊不只發揮國際合作的能力,更結合國內淹水計算與暴雨模擬的頂尖團隊-國家高速網路與計算中心。透過FEWS_Taiwan 的平行運算架構,把過去冗長的淹水計算,一舉提高十數倍以上的速度。在這樣基礎上,更把水情測預報系統FEWS_Taiwan的產出,由預報河川水位,進一步提升到預報淹水範圍。這個服務同時得到水利署支持,在今年開始,將逐步完成全島架構。

早在民國105年時,北科大團隊與新竹科學園區績優物聯網感測器團隊安研科技合作,獲得科學園區支持,共同執行MG+4C計畫。在台南市安南區的測試場域中,採用路面淹水感測器所獲得的淹水歷程資料,跟模擬計算的淹水多邊形區塊相互比較。過去由於感測器體積限制,需要使用空間不小,在都市區中配置路面水位計有其實際困難度。結合物聯網技術,整體感測器的耗電量大減,通訊規格與能量更遠低於過去4G方式,採用鋰電池與太陽能板即可長期使用,大大減少感測器體積,也不用再考慮長期供應市電,安裝位置極具彈性。也因為能夠廣佈感測器,原本具有高度不確定性的淹水事件過程,現在已經可以有適當的觀測歷程可供分析。

在北科大主導的水情測預報研究能量上,綜合了台荷國際合作、大學與國家實驗室的跨單位技術整合、甚至於土木環境與物聯網之跨領域上下游技術銜接,其實都說明了從研究到產學,我們的師生貫徹了實務型研究的理念,將研究成果帶到實務問題之應用面。團隊能突破困難,解決各項整合介面問題,並且提出了具有價值的解決方案。實體產出不僅反映在研究論文與被引用的數量,更獲得數項國家計畫的支持,正符合本校實務型研究之定位。

面臨各種合作的需求,包含跨國、跨團隊、跨領域等的考驗,參與成員的知識門檻不在話下。之所以本校土木系所學子能夠深入參與,校方重視實務教學的方向,更是有著巨大影響。個人參與工程學院PBL(Problem Based Learning)計畫,將淹水感測與高解析度地形測設的議題,整合應用於北科附工,如圖5,就是試圖將研究成果帶入教學場域,引導學生能夠從實務問題上,理解到知識應用方向,自然建立了主動學習動機。此外,工程學院也主導微課程設計,個人以研究成果開設全新研究所課程「水情預警系統」,將各種跨領域主題:包含水文分析、水理模擬、資料庫介接、時空間資訊對位、系統排程運作等,試圖把已經達到應用等級的科技內容,能夠逐步在北科大建立起獨特的傳承。此外,土木系capstone 課程,設定在專題製作;也特別要求師生在互動學習上,能夠以綜合議題的歸納與實現,來引導出各基礎課程的對應。這些教學方向的要求與設計,確實有助於在未來各種整合上,我們學生應對各種陌生面向能夠從容無懼,進而挑戰各種困難。

圖a

北科附工數值地形模型實作

圖b

邀請土木系老師與北科附工老師協同辦理PBL 學術交流

圖5、於北科附工現場講演與施作地形測繪

民國104年10月本校土木系多位老師共同合作,提出防災工程科技中心設立的申請。截至民國108年底的統計,中心經常性經費來源如圖6所示,連續兩年都在2000萬元左右,並且來自不同研究主題。這些數據顯示防災領域上本校的團隊合作,已經不限於水情測預報這項主題,更深入建築物耐震能力評估技術與系統,以及無人機獲取高空間解析度資料能力,每一項主題都具備實務型研究能量。跟前述水情測預報主題相同,這些研究成果,都已經在本校土木系所課程上有所對應展開,建築物耐震能力評估技術甚至已經獲得內政部肯定,推動到各技師公會,成為專業認證的一個重要課程。

從台北工業學校到台北科技大學,我們的校友總是在臺灣工業發展上兢兢業業,克盡己職,重要時刻從未缺席,任何困難一肩扛起;秉持這個技術扎根、接軌深耕的實務精神,在本校土木防災領域上,我們一刻未曾懈怠。秉持學研初心這一路走來,土木系所與防災工程科技中心念茲在茲的是,我們新生代學子們可以學用兼備,充滿信心面對土木環境新科技的發展。多年來看著團隊裡的學子,畢業成了校友,又轉換成了新創夥伴,繼續在防災研發領域上茁壯﹐彷彿看到了民國86年,改制科技大學時,前輩教授對學子的殷殷期待。能夠跟著北科大走來,實是躬逢其盛,與有榮焉。

圖6

圖6民國107-108年防災工程科技中心之研究經費統計

 

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