隨著橋樑老化，讓它們更聰明

當混凝土遇上數據

在德國慕尼黑郊外，有一座不起眼的小橋。它橫跨 Schwindegg 的 Isen River，只有 20 公尺長，開車經過時幾乎不會注意到它。然而，在這座老舊的雙車道橋下，或許蘊藏著基礎建設管理的未來：近 150 個感測器記錄著幾乎所有資訊——壓力、應變、傾斜度、振動，甚至橋樑結構的溫度。

為什麼？因為在為時已晚之前，了解哪些橋樑可能容易損壞是值得的。

概述

在大多數國家都在為基礎設施維護而苦苦掙扎之際，德國正在利用革命性的數位孿生技術來監測和維護關鍵結構。

由 Dr. Stefan Küttenbaum 和 Johannes Wimmer 領導的 Schwindegg 項目，是 University of the Bundeswehr Munich（慕尼黑德國聯邦國防軍大學）和 Muehldorf am Inn 區的合作項目。Küttenbaum 是 Chair of Concrete Structures 的 Working Group Leader Critical Infrastructures，Wimmer 是 Research Associate。Prof. Thomas Braml 領導 Chair of Concrete Structures。該計畫是 Next Generation EU 計畫的一部分，旨在增強關鍵基礎設施的韌性和可持續性。

挑戰

德國許多橋樑的建造時間都超過 60 年，其中一些橋樑甚至屹立了一個世紀或更久。由於年久失修和數十年的持續使用，這些橋樑亟需維修和改造。然而，人力、財力和物力等資源有限，對每座橋樑進行全面翻新並不現實。但公共安全卻難以估量。市民在過橋時可能會想：「這座橋安全嗎？」

"我們現在面臨數千座需要立即翻新甚至更換的橋樑，" Braml 說。"然而，資源太過有限，無法更換每一座橋樑，而且必須考慮延長橋樑的使用壽命。"

除了橋樑安全問題外，資料管理和可擴展性方面也存在挑戰。管理和分析眾多橋樑監測系統產生的大量資料非常複雜。挑戰在於創建可擴展的解決方案，使其能夠應用於多座橋樑，確保即使是技術專業知識有限的小型地區也能從這些系統中受益。

此外，網路安全問題也不容忽視。隨著數位基礎設施日益重要，以及所涉資料敏感度不斷增強，確保網路安全和資料保護至關重要。這包括開發能夠在混合環境中安全運行的系統，因為混合環境可能帶來風險。

解決方案

該解決方案旨在創新地運用數位孿生技術，並藉助 NetApp 先進的資料管理解決方案。透過感測器，團隊收集大量數據，然後透過 IoT 網關將其傳輸到大學數據湖進行分析。

Bundeswehr University 與 Fraunhofer Institute for Experimental Engineering (IESE) 合作，利用數位孿生技術，透過整合不同的資料來源（包括其來源、工作流程和智慧資訊），將實體世界和數位世界連接起來。此橋樑專案是數位孿生技術自誕生之初便應用於現實世界的首個案例。

「數位孿生技術能夠即時、精確地採集和分析橋樑數據，」Braml 說。「這有助於實現智慧化的預測性維護管理。其目標是在延長橋樑剩餘使用壽命的同時，降低資源消耗。這將為提高基礎設施領域的安全性、效率和永續性做出重要貢獻。」

橋樑上的感測器將資料傳輸到資料庫，產生數位影像，用於測試流程和分析；同時，這些數位資訊也可供其他項目或服務使用。NetApp 技術的應用方式多種多樣：

• 資料儲存： NetApp® StorageGRID® 提供高效能、可擴充的儲存解決方案，確保所有擷取的資料安全儲存且易於存取。StorageGRID 可與現有 IT 基礎架構無縫整合，確保感測器資料得到高效管理和擷取。
• 資料安全：鑑於基礎設施資料的敏感性，安全是首要任務。NetApp 提供全面的資料保護功能，包括加密和安全存取控制，以保護資料免受未經授權的存取。此外，資料儲存在安全、私有的雲端環境中，確保符合嚴格的資料隱私法規。
• 即時監控與預測性維護： NetApp 的資料管理解決方案可實現對橋樑狀況的即時監控。透過整合機器學習演算法，該系統能夠分析模式並在潛在問題變得嚴重之前進行預測。這種主動式維護方法有助於延長橋樑的使用壽命並降低整體維修成本。

「我們這樣做是為了橋樑運營方，因為他們在時間、預算和人員方面往往資源有限，難以管理所有橋樑評估和檢測數據以及相關資訊流，」Küttenbaum 說。「我們透過數位化幫助他們，為他們提供支援。這項技術使我們能夠高效地管理和分析大量數據，為我們提供做出明智決策所需的洞察。」

使用效益

• 可擴展性和可轉移性：該專案最顯著的優勢之一是其可擴展性。該系統設計適用於各種類型的橋樑，從小型區域道路到大型結構均可適用。這種可擴展性對於解決基礎設施老化這一普遍問題至關重要。
• 數據驅動的洞察：該專案提供了可用於制定橋樑維護和修復明智決策的寶貴數據。例如，收集到的數據顯示，溫度引起的橋樑應力可能比交通引起的應力更為顯著。這項洞察有助於更準確的預測和更好的維護策略。
• 增強安全性：鑑於基礎設施資料的敏感性，該專案也特別強調網路彈性。資料儲存在安全、私有的雲端環境中，確保其免受未經授權的存取。

未來展望

該計畫前景廣闊，並計劃將數位孿生技術推廣到 Germany 乃至世界各地的更多橋樑。即將開展的項目包括在新橋樑上安裝感測器，以及應用機器學習演算法來增強數據分析能力。

「我們正在根據數據做好一切準備，查看感測器，看看哪些可靠，哪些不可靠，」Wimmer 說。

該團隊還致力於整合來自各種來源的數據，包括衛星觀測數據，以提供橋樑健康狀況和性能的全面視圖。

結論

該專案展示了由 NetApp 先進數據解決方案驅動的數位孿生技術如何革新橋樑管理，為應對老舊基礎設施的挑戰提供可擴展的數據驅動型解決方案。透過整合先進的監控系統並確保資料安全，該計畫為基礎設施的韌性和可持續性樹立了新的標竿。