114 年 國立臺灣大學土木系碩士班交通組《運輸工程學》

本題主要在測試考生對運輸工程領域中，幾個重要名詞的理解與定義。

1. Channelization：
   Channelization 是一種道路幾何設計技術，透過設置實體分隔島（如混凝土護欄、植栽帶、標線）或僅透過標線劃設，將車流引導至特定的通道或車道。其主要目的包括：

   • 引導車流：在複雜的交叉口或路段，明確指示車輛應遵循的行駛路徑，減少駕駛人困惑。
   • 分離衝突點：將不同方向的車流或不同類型的交通（如汽車、機車、行人）分開，減少潛在的衝突點，提升安全性。
   • 管制交通：例如在路口設置導流島，限制左轉或迴轉的車道，或引導車流進入特定收費站或停車場。
   • 改善交通效率：透過清晰的路徑指引，減少不必要的變換車道或減速，維持交通順暢。

2. Traffic Actuated Control：
   Traffic Actuated Control，即交通號誌感應控制，是一種交通號誌控制策略，其特色是號誌的週期長度（Cycle Length）、綠燈時間（Green Interval）以及相位順序（Phase Sequence）會根據實際的交通流量和車輛到達情況進行動態調整，而非固定不變。

   • 運作原理：透過設置在路口或路段上的車輛偵測器（如感應線圈、影像偵測器、雷達偵測器），偵測即時的車流量、車隊長度、等待時間等資訊。
   • 控制模式：
     • 感應式（Actuated）：號誌會根據偵測到的車輛需求，自動延長或縮短綠燈時間，甚至跳過不需要的相位。
     • 全感應式（Fully Actuated）：所有相位都可根據偵測到的車輛需求進行調整。
     • 半感應式（Semi-Actuated）：僅部分主要方向的相位可被感應調整，而次要方向的相位則可能較為固定或有最小綠燈時間。
   • 優點：能更有效地反映即時交通狀況，減少不必要的等待時間，提高路口通行效率，尤其在交通量變動較大的情況下效果顯著。

3. Rail Fastenings：
   Rail Fastenings，即軌道扣件，是指用於將鐵軌固定在軌道基材（如軌枕、基板）上的各種零件和系統。

本題結合一個真實的航空事故案例，考驗考生對機場基礎設施及其安全設施的了解。

事故情境分析：
案例描述了飛機衝出跑道並撞擊跑道端頭的混凝土結構，造成爆炸起火。在機場跑道端頭，最常見的、與飛機衝出跑道直接相關的混凝土結構，通常是為了支撐或緩衝 進場燈光系統（Approach Lighting System, ALS） 或 儀器降落系統（Instrument Landing System, ILS） 的相關設備基座。

該混凝土結構為機場何設施的基座？
該混凝土結構最可能是 進場燈光系統（Approach Lighting System, ALS） 的基座。在許多機場，特別是較舊的設計或特定佈局中，為了在低能見度條件下引導飛行員進場，會在跑道兩端（尤其是在進場端）設置一系列燈光設備。這些燈光設備的燈柱或支架，需要穩固地固定在地面上，因此會使用混凝土基座。在某些情況下，ILS 的天線（如 Localizer 或 Glide Slope 天線）也可能需要堅固的基座，但燈光系統的結構通常更為龐大且密集，更容易在飛機衝出跑道時被撞擊。

此設施的主要功能為何？
進場燈光系統（ALS）的主要功能是：

1. 引導進場航跡：在能見度較差（如霧、雨、雪、夜間）的情況下，為飛行員提供進場航道的視覺參考，幫助他們對準跑道。

核心觀念

本題考查 Reason 提出的「瑞士起司模型」（Swiss Cheese Model）在鐵道安全事故分析上的應用。

瑞士起司模型認為，重大事故不是單一人員的一次錯誤所造成，而是安全防線具有多個缺口；當各層防線的缺口在時間與空間上恰好連成一線，危害便會穿透防線，形成事故。

鐵道運輸系統的安全防線可包括：

1. 法規與組織安全政策
2. 車輛與號誌、ATP 等工程防護
3. 維修保養與故障管理
4. 調度及行車監控
5. 司機員操作程序
6. 緊急煞車、疏散及事故應變

事故分析應區分：

• 直接原因：事故發生前立即造成危害的行為或狀態。
• 促成因素：增加事故發生機率的技術、管理或環境因素。
• 潛在原因：長期存在於組織制度、文化與管理決策中的缺陷。

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解題方法

本題可選擇 2018 年普悠瑪第 6432 次列車新馬站事故，依照下列順序作答：

1. 先說明事故結果與直接原因。
2. 將事故過程拆解成數層安全防線。
3. 找出每一層防線的缺口。
4. 說明缺口如何逐步串聯，使列車超速出軌。
5. 針對每一層防線提出工程、管理及操作改善對策。
6. 強調事故責任不能只歸咎於司機員，必須改善整體系統。

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事故概況與直接原因

2018 年 10 月 21 日，臺鐵第 6432 次普悠瑪列車行經新馬站前彎道時，以遠高於該路段容許速度的速度行駛，列車因無法在彎道所需的橫向力條件下維持穩定而出軌，造成重大傷亡。

列車進入彎道時，若速度過高，所需向心力為：

$$F_c=\frac{mv^2}{R}$$

其中：

• $m$：列車質量
• $v$：列車速度
• $R$：曲線半徑

速度增加時，所需向心力與 $v^2$ 成正比，因此速度由 $75$ km/h 增加至 $150$ km/h，所需向心力並非增加一倍，而是增加為四倍。當輪軌橫向力超過軌道與車輛系統可承受的安全範圍時，即可能發生車輪爬軌與列車出軌。

本案的直接原因是：

• 列車以過高速度進入限速彎道。
• 列車自動防護系統 ATP 未能有效介入煞車。
• 司機員未能及時將列車速度降低至彎道安全速度。

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瑞士起司模型事故分析

第一層：法規、制度與安全管理防線

原本的防線包括速限規定、行車規章、ATP 操作規定及鐵路安全管理制度。司機員必須依照速限行駛，ATP 則應在列車超速時提供警告與自動煞車。

本層防線的缺口包括：

• 對 ATP 故障及隔離狀態的管理不夠嚴密。
• 列車在重要防護設備失效時，缺乏足夠的風險分級與限制措施。
• 對「以人工駕駛取代自動防護」所增加的風險評估不足。
• 安全管理制度未能確實追蹤重複性故障及其系統性影響。

因此，ATP 失效不只是單一設備問題，也反映組織未對失去自動防護的列車採取足夠限制。

改善對策：

• 建立 ATP 隔離的分級管理制度。
• ATP 失效時，明確規定降速、限速、停駛或更換車輛的條件。
• 對安全關鍵設備採取「失效即進入安全狀態」的設計原則。
• 將重複性故障納入正式風險登錄與管理階層審查。
• 定期進行獨立安全稽核，確認規章不是停留在紙面上。

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第二層：車輛、ATP 與號誌工程防線

ATP 的功能是監視列車速度及行車距離；當列車超過允許速度時，系統應先警告司機員，必要時自動施加煞車。

本案的工程防線缺口包括：

• ATP 因故未正常發揮超速防護功能。
• ATP 被隔離後，列車仍可在缺乏同等級自動防護的情況下持續運轉。
• 車載系統故障診斷、警示及紀錄功能不足，未能有效防止設備失效後繼續行駛。
• 重要彎道的超速風險過度依賴司機員人工辨識與操作。

改善對策：

• 對 ATP 採取冗餘設計，避免單一故障造成整套防護失效。
• ATP 隔離時，系統自動限制列車最高速度。
• 將 ATP 故障、隔離、重啟及維修紀錄完整保存，供行車與維修部門共同掌握。
• 強化駕駛艙內的視覺與聲響警示。
• 在高風險彎道前增設自動限速、地面感應器或強制煞車設備。
• 以列車控制系統直接執行曲線限速，降低對人工操作的依賴。

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第三層：維修保養與故障處理防線

車輛及 ATP 曾出現異常，顯示維修與故障處理是本案的重要防線。安全關鍵設備不能只以「恢復可運轉」作為維修完成標準，還必須確認其防護功能完整。

本層防線的缺口包括：

本題考驗考生對公共運輸優先號誌（Transit Signal Priority, TSP）策略的理解，以及如何在實務中兼顧效率與整體交通流量。

核心觀念：公共運輸優先號誌（Transit Signal Priority, TSP）
公共運輸優先號誌（TSP）是一種交通號誌控制策略，旨在為公車、電車等公共運輸車輛提供一定的信號優先權，以提高其準點率、縮短行程時間，進而提升公共運輸的吸引力與效率。其基本原理是讓公共運輸車輛在接近路口時，能夠影響號誌的運作，使其獲得較長的綠燈時間或較早的綠燈啟動。

一、常見的優先號誌策略（TSP Strategies）

TSP 策略可大致分為幾類，根據其對號誌系統的干預程度和實現方式而異：

1. 綠燈延長（Green Extension / Advance Green）：

   • 原理：當偵測到優先車輛（如公車）即將到達路口時，若該方向為綠燈，則會盡可能延長該綠燈時間，直到車輛通過。若該方向為紅燈，則會盡早啟動該方向的綠燈。
   • 實現方式：通常需要車輛與號誌系統進行通訊（如無線射頻辨識 RFID、無線通訊 DSRC/C-V2X），將車輛位置、速度、預計到達時間等資訊傳送給號誌控制器。

2. 綠燈提前（Early Green / Green Initiation）：

   • 原理：當偵測到優先車輛即將到達路口，而該方向即將轉為綠燈時，提前啟動該方向的綠燈，讓優先車輛無需等待。
   • 實現方式：與綠燈延長類似，需要車輛與號誌系統通訊。

3. 紅燈縮短（Red Truncation）：

   • 原理：當偵測到優先車輛即將到達路口，而該方向為紅燈時，提前結束該紅燈，並啟動綠燈。
   • 實現方式：通常與綠燈提前結合使用，屬於較強烈的干預。

4. 動態週期調整（Dynamic Cycle Length Adjustment）：

   • 原理：在某些 TSP 系統中，除了調整特定綠燈時間外，還可能根據優先車輛的需求，微調整個路口的週期長度（Cycle Length）或特定綠燈段的時長。
   • 實現方式：需要更複雜的號誌控制器和協調演算法。

二、如何在執行 TSP 策略時，不影響整體號誌路口的週期長度？

這是一個關鍵的挑戰。若過度干預，可能會嚴重影響其他方向的交通流，導致整體效率下降。以下是一些策略和方法：

1. 限制優先權的強度與頻率：
   • 設定優先級別：區分不同類型的公共運輸工具（如快速公車、一般公車、電車），給予不同的優先級別。
   • 設定最大/最小綠燈時間：為優先方向設定一個最大綠燈延長時間和一個最小綠燈時間，避免綠燈過長或過短。

核心觀念

1. 益本比（Benefit-Cost Ratio, $B/C$）之本質與定義：
   益本比法是以現值（Present Worth, $PW$）或等額年值（Equivalent Uniform Annual Worth, $EUAW$）表示之總效益與總成本的比值：

   $$B/C = \frac{PW(B)}{PW(C)}$$

   個別方案的益本比（Individual $B/C$）僅為相對效率指標（Relative Efficiency Index），主要用於檢驗單一方案在經濟上是否可行（當 $B/C \ge 1.0$ 時代表效益大於成本，方案可行；反之不可行）。

2. 互斥方案（Mutually Exclusive Alternatives）評選準則：
   在運輸系統規劃中，互斥方案的最終決策目標是追求社會淨效益最大化（Net Social Benefit Maximization），亦即極大化淨現值（$NPV = PW(B) - PW(C)$），而非追求單位投資成本的效益比例最高。

3. 增額分析原則（Incremental Analysis）：
   評選不同規模的互斥方案時，必須透過**增額益本比法（Incremental Benefit-Cost Ratio, $\Delta B / \Delta C$）**檢驗「額外增加的投資成本是否能帶來大於其成本的增額效益」，不可直接由個別 $B/C$ 排序。

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解題方法與問題剖析

若在比較兩互斥方案（設為方案 A 與方案 B）時，直接以個別 $B/C$ 數值的高低作為方案優劣之依據，將衍生以下重大問題與偏差：

1. 忽略「投資規模差異（Scale Effect）」，導致無法獲取最大淨效益

• 原因：$B/C$ 是無因次的比值，只能反映「每投入 1 元所能回收的效益」，無法反映「總體投資規模與總回收量」。
• 問題：高 $B/C$ 的方案往往是投資規模極小的小型工程，其產生的總淨效益（$B - C$）可能遠低於規模較大、但 $B/C$ 略低的工程。若逕依個別 $B/C$ 挑選，將導致社會福利損失。
• 實例說明：
  • 方案 A（低成本）：成本 $C_A = 10$ 億元，效益 $B_A = 25$ 億元 $$(B/C)_A = \frac{25}{10} = 2.5, \quad NPV_A = 25 - 10 = 15 \text{ 億元}$$
  • 方案 B（高成本）：成本 $C_B = 50$ 億元，效益 $B_B = 100$ 億元 $$(B/C)_B = \frac{100}{50} = 2.0, \quad NPV_B = 100 - 50 = 50 \text{ 億元}$$
  • 若直接依個別 $B/C$ 評判，會誤選方案 A（$2.5 > 2.0$）；但方案 B 能替社會多創造 35 億元（$50 - 15 = 35$ 億元）的淨效益，直接比較顯然做出次佳決策。

2. 未驗證「增額投資（Incremental Investment）」的經濟合理性

• 原因：選擇高成本方案 B 相對於低成本方案 A，本質上代表決策者決定「多投入 $\Delta C = C_B - C_A$ 的資金」。
• 問題：若增額益本比滿足 $\Delta B / \Delta C \ge 1.0$，即代表這筆「額外追加的資金」自身具有經濟可行性，理應升級至高成本方案。

本題考驗考生對水運工程領域中，改善航道通航能力的整治方法的了解。

核心觀念：水路通航整治
水路通航整治是指為確保船舶能夠安全、順暢地在水道中航行而採取的一系列工程或管理措施。其目標通常是維持或提升航道的寬度、深度、水流條件、清除障礙物等，以滿足不同等級船舶的需求。

三種常見促進水路通航之整治方法：

1. 航道疏浚（Channel Dredging）

   • 說明：這是最直接且最常見的改善航道深度和寬度的方法。疏浚是透過各種挖泥機械（如挖泥船、吸泥船）移除河床、港池或航道中的淤積物、沉積物或岩石，以達到設計的航道水深和寬度要求。
   • 目的：
     • 增加水深：使大型或吃水較深的船舶能夠安全通過。
     • 擴寬航道：提供足夠的轉彎半徑和避讓空間，特別是在狹窄或彎曲的航段。
     • 清除障礙物：移除影響航行的礁石、沉船、巨石等。
   • 應用場景：港口航道、主要河流航道、運河等。

2. 水工結構物建設與維護（Hydraulic Structures Construction and Maintenance）

   • 說明：這類方法透過建造或維護特定的水工結構物來改善航道的水流條件、穩定航道邊界、或減緩淤積。
   • 常見結構物與功能：
     • 導航堤（Dikes / Groynes）：在河流中，沿著河岸或航道邊緣建造一系列與岸邊垂直或傾斜的結構物。它們可以約束水流，提高流速，沖刷淤積物，穩定航道位置，並防止航道過度寬化。
     • 護岸（Revetments / Bank Protection）：保護河岸或航道邊界，防止沖刷和塌陷，維持航道原有的寬度。