2024 IEKTopics|運用無人機強化交通設施與運補韌性

亞太地區位在環太平洋地震帶,地震、海嘯頻繁,需要有預防、減災的措施,如基礎建設維護、運輸替代方案等,以降低災害帶來的損失和衝擊。此外,許多亞太地區國家面臨高齡化和少子化的人口結構調整,勞動力短缺情況日益顯著,雙重壓力之下,相關的預防、減災因應方案更需提前準備。

臺日長年易受地震侵襲,亟需強化交通運補韌性

臺灣高山林立特別是偏遠地區,道路易受風災、土石流、地震等影響,造成陸路運輸耗時且不利救災。2024年4月,花蓮7.2級強震導致房屋倒塌、連外道路和橋梁損毀,清水橋斷裂使陸面交通中斷,花東地區變成孤島,民生物資與通行,轉由海空加班船機疏運天祥地區受困民眾。離島部分,如小琉球、綠島、蘭嶼及澎湖群島,日常補給依賴定期船班,若遇到緊急運補情況,僅能透過昂貴的空運補給。

鄰近國家日本也有許多鄉鎮、景點及電力設施位於山區,平時仰賴運輸量有限的道路與鄰近城市聯繫,或是海上交通船與本土或周圍島嶼聯繫。2024年1月發生能登半島地震,造成民宅受損、路面道路中斷,使得房屋倒塌、供水排水設施及道路搶修面臨考驗。由於基礎建設老朽嚴重加上人手不足,致使延遲災後復原進度。於是,近年日本各地開始在交通基礎設施維護領域導入無人機,確保設施使用情況及可用壽命,協助高空作業、降低檢查成本。

從臺日情況說明可發現,為確保交通系統持續穩定運作,需要有日常巡檢和監控措施。一旦發生災害或事故,才能即時掌握災區狀況、有效執行救災與事故處理,以降低生命財損規模,並快速恢復交通運輸功能。

在維護交通設施方面,經常受不同因素影響,例如:關鍵設施長期缺乏全面檢修與適當維護保養,導致橋梁、鐵道和公路逐漸損毀。或是發生自然災害、人為因素或蓄意破壞,鐵道、公路和建築物受嚴重損壞,導致地面運輸功能中斷,無法滿足緊急物資運送需求,加劇災後救援和復原的難度。另外,日本與臺灣正面臨人口老化、少子化等壓力,未來還需解決高齡民眾日常採購和醫療需求。因此,日本廣泛測試驗證無人機巡檢及送貨方案,值得臺灣進一步探索其可能性與效益。

 

無人機重要發展領域:維護交通基礎設施、運輸補給功能

在此背景下,無人機是眾多國家積極推行的重點發展項目,因應各種環境需求,構思一系列潛在的解決方案。例如:無人機用以協助高空巡查,解決人力短缺和高風險作業需求,並且在災後快速建立緊急通訊和照明系統,加速災區恢復工作。除此之外,無人機也可用於日常基礎設施健康度檢查,提升設施的耐久性和抗震能力。透過無人機技術應用,不僅有效提升交通基礎設施的維護效率,也能在災害發生時,迅速有效地進行救援和恢復工作,進一步強化交通系統整體韌性和可靠度。

 

案例1:日本導入無人機強化橋梁巡檢效率、為偏遠地區、高齡民眾運送物資

日本國土交通省要求橋梁和隧道設施每5年檢查1次,過去人工檢查費用高,難掌握橋梁狀況,採用檢測工程車,常引發交通堵塞,嚴重影響檢測效率。為解決這些問題,自2020年起,日本開始採用無人機技術進行橋梁檢測,不僅降低檢測成本,還可提高檢測的準確性和效率。藉由建立檢測模型和量化分析數據,瞭解並預測設施的健康度和耐久性,有效解決過去橋梁作業安全和交通問題。

除了橋梁檢測,日本把無人機也廣泛用於物流運輸,國土交通省於2022年發布第三版無人機物流運輸應用指引,介紹各地區的試驗成果。例如:大分縣杵築市山區由於人口減少和高齡化問題,陸地公共運輸能力不足,且距離最近的舊山鹿町中心超過10公里,導致民眾在購物、就醫面臨不便。因此,無人機作為應用方案,為當地居民提供空中配送採購物品以及醫療用品。

另外,在長野縣伊那市,正進行無人機運補商業化服務,協助高齡民眾日常採買需求,改善人民生活品質。2022年10月,全日本空輸(ANA)和超商業者7-11合作,將1.6公斤熟食和飲料,在10分鐘內送到5公里外的能古島公民館運動場,驗證無人機夜間離島送貨安全性,以解決離島居民夜間購物需求。這些應用情境彰顯無人機具有改善社區生活品質方面的潛力,特別是在偏遠地區和離島居民的生活之中,扮演著越來越重要的角色。

 

案例2:臺灣運用無人機巡檢橋梁,示範計畫展現成效

針對橋梁巡檢,臺灣過去同樣採用人工目視檢測方式,交通部統計自2018年起,全臺橋梁數量有2萬3千多座,若採用人工目視法進行逐一檢查,其檢測效率不彰。自2018年起,交通部便開始納入無人載具檢測方案,並且在2023年制定自動航飛路線、AI影像辨識等發展目標,計算區域劣化範圍,建置橋梁3模型等發展目標,以臺南國道3號頭前溪橋為驗證場域。這些措施旨在減少橋梁檢測成本和作業風險,並有效提升檢測的效率和準確性,為橋梁安全維護奠定更穩固的基礎。

針對偏鄉、離島的運輸需求,臺灣自2019年起由交通部與中華郵政展開合作,鎖定離島偏遠山區進行無人機運送貨物可行性測試驗證。2019年4月,在嘉義縣阿里山鄉(從當地衛生所到里佳部落)進行無人機物流運補測試,該測試旨在運送蛇毒血清,以爭取救援時間。一般車程需1小時,無人機僅需15分鐘便可完成任務,實現偏鄉醫療用品緊急遞送。此外,從東港到小琉球的物流遞送測試,也顯示無人機導入優勢。以往離島運輸須配合客船,需65分鐘,而無人機可在16公里採直線飛行,縮短運送超過1/2時間,大幅提高信件運送的即時性。

2022年,交通部辦理「無人機整合示範計畫」,模擬新竹縣尖石鄉發生天然災害時,若連外道路中斷的情況下,以無人機做物資運補的驗證。結果發現,中光電智能機器人(CIRC)所研製的商用智能無人機,從尖石鄉公所送到新光部落,航程約21.2公里,海拔高度落差達1,580公尺,飛行時間僅需45分鐘,成功實現國內偏鄉遠距離緊急物資運補任務,解決偏遠地區居民補給需求。

 

擴大無人機應用場景,中大型無人機發展是趨勢

無人機在設施維護和運輸補給,展現其重要性與泛用性,克服過去傳統檢測方式的諸多問題。而且無人機能部署於大範圍巡檢,抵達人類難以到達區域和高空危險作業環境,降低人員的操作風險。同時,無人機能夠確保檢測的精確性和可追溯性,同時大幅降低檢測成本。儘管國內多數市區城鎮擁有便捷的交通網絡,但許多基礎設施在維護上,仍存有潛在問題,各地通訊品質仍受挑戰。為此,工研院機械所研發出油電複合動力的高負載、長航程無人機,可應用於貨物運送、救災、噴灑農藥、清洗電塔礙子(絕緣器)等工作。例如:機械所就曾操作大型無人機,在屏東進行農產品運送示範飛行。同時,工研院材化所研發出可搭載於無人機上的燃料電池與儲氫模組,電池能量密度是一般鋰電池的3倍,有助於延長巡檢任務時間,以及擴大無人機物資配送服務範圍。

隨著技術持續進步,中大型無人機在跨區物流運輸和緊急服務應用將進一步發展。有效控制成本之際,無人機有望提高基礎設施維運和物流運輸的滲透率,並且在各種挑戰環境當中展現其競爭優勢。無人機在基礎設施維護、運補應用及效益,會因應環境需求而變化,故持續推動測試驗證,並逐步建立商業服務,是眾多國家持續發展的方向。

 

結語

未來針對我國交通基礎設施維護、運輸補給任務需求,無人機勢必為絕佳的解決方案。因此,在技術研發、應用環境、以及法規調適等方面,需持續精進以看齊國外發展的最新進度。

首先在技術方面,持續提升續航力和酬載量,強化電池和動力系統,以滿足長距離巡檢和運輸需求,並且改進機體設計和控制算法,提升抗風等級,有利於在惡劣天氣下,仍保持飛行穩定性和操控性。此外,自主化飛行和AI影像技術升級,節省巡檢和數據處理時間,是未來發展方向。

其次,在應用環境方面,在偏遠地區增設通訊基地,確保穩定的訊號傳輸品質。同時,充電站的增設,可延長無人機的運行時間和使用壽命。最後,在法規方面,建議持續完善飛行法規,飛行申請流程朝向數位化,鼓勵國人多加運用並確保顧及民眾隱私保護和飛行安全性。

圖1.中光電智能機器人的無人機尖石物流示範案(圖片來源:中光電)

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