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建築研究簡訊第101期 《業務報導》

研發山坡地社區人工邊坡智能感測系統

       近年極端降雨事件頻傳,邊坡監測及防災預警實為山坡地社區安居之重要議題,山坡地社區開發需施作擋土設施,周緣邊坡也存在崩塌威脅,山坡地社區擋土牆監測是維護坡地安全重要方法,傳統多以人工定時記錄,卻無法即時獲得山坡地社區局部降雨及邊坡位移資訊進行防災管理、或實施即時應變作為。因此,透過整合型監測器之研發,建構適合山坡地社區邊坡智慧防災監測儀器,可提供及時監測數據,以提升邊坡災害預防及應變作為,使山坡地社區防災能更加及時。

       106年度計畫「山坡地社區智慧防災系統可行性研究─邊坡智能感測暨雲端運算」成果,已研發自然邊坡之土壤邊坡智能感測器,本年度將致力研發低成本及低功耗之人工邊坡智能感測器,透過整合微機電感測器、無線傳輸技術與雲端分析技術,建構適合山坡地社區人工邊坡智慧防災監測儀器,並與前期計畫所建置之「山坡地社區建築管理履歷資料庫」進行連結,提供社區進行監測管理及警戒通知。

一、整合型監測器研發

       本感測器包含雙軸向傾斜儀、三軸加速度計、裂縫量測應變計等,透過無線感測模組進行連結,並佈設於示範山坡地社區中人工邊坡牆面進行監測測試,以下就感測器元件與通訊技術進行描述:

(一)雙軸向傾斜儀

       本計畫規畫裝設雙軸傾斜儀,為微機電式MEMS傾斜變位計,設計目的在於永久裝設在結構物上以求觀測該結構物之長期傾斜變位量。將以自動量測方式,頻率為每10分鐘至少1次,若監測期間傾斜儀5分鐘變化幅度大於1度時,則改以頻率為每分鐘1次。

圖1. 雙軸向傾斜儀

(二)三軸加速度計

       三軸重力加速計是以地表重力加速度為基準來測量三軸的變化,即達到量測變位之效果。為能長期記錄邊坡之變化與穩定情形,每10分鐘即有一筆測值,且可量測X、Y、Z三個軸向的位移,配合自動化量測,達到即時化結構體位移監測與預警之功能,減少人為作業產生之誤差,大幅提升即時預警應變之效能。

圖2. 三軸加速度計

(三)裂縫量測應變計

       振弦式裂縫計(拉伸式)採用振弦式位移感測器測量裂縫,裂縫計內部包含一組振動鋼弦敏感元件,鋼弦一端被固定,另一端則連接到彈簧拉力棒,裂縫變形時帶動拉力棒的移動,使彈簧改變了鋼弦的振動頻率,藉以量測裂縫大小數值。

圖3. 裂縫量測應變計

(四)土壤水分計

       為量測到精確的土壤中水份變化,以量測土壤的介電常數(即電容)變化,進一步換算成土壤含水量。探針式電容感應器能敏感地量測土中電容變化,並將土壤模擬成電阻與電容的並聯等效電路,以換算成水份含量,而多點感測環可依實驗所需深度進行調整。

圖4. 土讓水分計

二、雙向資料傳輸系統建置

       為達低功耗傳輸成本,本研究採LPWAN Weightless無線通訊技術建置雙向傳輸系統,乃因Weightless技術之完整雙向傳輸特點,包括強大的上行以及下行傳輸,可支援遠端韌體更新功能,其同步網路(Synchronized network)架構,可以避免系統內部無通訊封包碰撞問題以致封包遺失,以確保監測資料可以順利送抵,大幅提高系統的可信賴性及穩定度。

使用Weightless無線通訊技術建置雙向傳輸系統對於山坡地智慧防災具實質助益。藉由上行傳輸將Weightless Board所收集到由監測器所感測的資料透過Weightless傳輸基站傳送至雲端平台;透過下行傳輸,可由雲端平台連接Weightless傳輸基站對終端傳感器進行控制,以調整收集監測資料的頻率或於必要時進行韌體更新,達到最佳之系統效能。

三、整合型監測器於示範山坡地社區之測試安裝

       本計畫選定兩處邊坡進行監測與資料傳輸感測器已於107年7月5日完成監測系統安裝架設,四種感測儀器皆可正常動作並將資料上傳至雲端,後續將進行穩定性及可靠度驗證,以及警戒值之在地性調校,並將相關監測數據回饋至社區智慧防災監控平台。

圖5. 人工邊坡智能感測器現地架設