中華民國內政部建築研究所中華民國內政部建築研究所

壹、研究緣起
台灣地區因為地狹人稠，居住用地不斷往山坡地擴展。既有之坡地社區開發時間已久，當時之擋土工法與材料不見得能夠適應目前之極端氣候，其設計之服務生命週期恐怕比預期短很多；加上並無相關之檢測工作與監測設備，居民只能透過自主目視巡檢方式自保，然而隱藏在結構物或地層中之變化，實在無法透過人力觀測得到，因此進行週期性檢測與監測勢在必行。本所多年來不斷針對「山坡地社區智慧防災系統可行性研究」進行一系列研究，硬體開發之成果相當豐碩。然而實務操作上，受限於近年來因示範場址無遭受較大之降雨或地震等天災事件，且示範場址皆位於社區，無法進行大尺度之破壞型實驗，相關之破壞參數無法取得，成為本系列研究面臨之最大課題之一。另一方面由於市面既有之監測設備成本高，自行開發之監測設備耐候性亦須檢驗，因此進行用於推估社區監測儀器安全管理值之大尺寸試驗相當重要。
貳、方法與過程
本研究以大尺寸模型試驗，克服過去在示範社區無法驗證整合型監測儀器之問題。首先以常用市售邊坡安全穩定分析軟體進行可能邊坡滑動安全性，規劃出2M寬、4M長、3M高之土槽容量，模擬自然邊坡與人工擋土邊坡，並進行降雨模擬與相關邊坡安全數據監測，包括降雨量、地下水位、地層變位、擋土牆傾斜度、裂縫變化等。地層以現地土壤夯實回填、擋土設施採用不同材料進行模擬。經過多次工作會議與現勘討論，模擬不同降雨情境造成之邊坡失穩滑動行為、擋土牆變位等監測，並以常用市售邊坡變形模擬軟體進行地層變化趨勢驗證，以供後續訂定管理對策之參考。
本(109)年度研究計畫具體目標如下：
一、驗證前期開發之智能感測器擴充性與穩定性：以建研所已研發之適合於一般社區人工與自然邊坡使用之整合型智能感測器為藍本，該智能感測器之最大特色為以高剛性之不銹鋼盒保護通訊元件、感測記錄模組與電源模組等，達到高耐候性之要求。當外蓋罩上後則相當低調，不亦引發居民關注，以免遭受破壞。今年度預期將雨量計、水位計與地錨荷重計納入，並提升「防水與通風」之需求，故共包含雨量計、雙軸向傾斜儀、裂縫量測應變計、水位計與地錨荷重計等，透過地功耗無線傳輸模組進行連結，並佈設於示範山坡地社區中人工邊坡牆面進行監測。
二、大尺寸模型試驗：於明新科大校園建置一座2M寬、4M長、3M高之土槽，於內回填現地夯實土壤，模擬自然邊坡與人工擋土邊坡，並進行降雨模擬與相關邊坡安全數據監測，包括降雨量、地下水位、地層變位、擋土牆傾斜度、裂縫變化等。結果顯示，在模擬降雨過程中，地下水位會不斷蓄積至一個程度後，邊坡才開始滑動，相當符合實際狀況，這個時間差可以做為未來應變預警的一個參考。另外本實驗採用相高紀錄頻率監測邊坡與擋土設施變化，皆可完整記錄，顯示儀器之穩定度相當高。
三、研究低功率廣域網路傳輸方式於坡地監測之適用性，並整合物聯網系統至現有的感測器標準：新發展的低耗能長距離廣域無線網路技術(Low Power Wide Area Network, LPWAN)，包含LoRa、NB-IoT等無線通信技術皆已逐漸成熟，全球的物聯網與通訊廠商也積極廣設各種跨域或獨立的LPWAN基地台，將長距離、高覆蓋率、低功耗、低成本優勢與高端傳感器和智慧裝置結合，開始提供相關創新服務。因此，如能透過此新一代萬物聯網概念 (Internet of Things, IoT)並透過LPWAN通訊技術加以實證，將可大幅擴展物聯網的應用情境，包含應用於各種生活需求，改善生活環境。低功耗廣域網路專為機器對機器(M2M)應用而設計，這些應用通常對應偏遠地區需求，由於偏遠地區數據傳輸率相對較低，需要較長的電池續航時間，以及可長期在無人看管的情況下運行。對未來進行防災業務而言相當重要，特別是人力無法時常到達之處。本研究已探討目前最常用之LoRa與NB-IoT技術在本示範場址應用之可行性，發現仍以4G較為穩定。
四、整合監測數據至建研所防災資訊平台：本監測系統為整合場域即時監測資料以及提供使用者端簡潔且具有防災意義性的場域資訊，以視覺化呈現人工邊坡即時監測數據，讓使用者能直觀地掌握邊坡各監測狀況。
五、辦理推廣說明會與請媒體採訪，並針對完成之自動化監測系統研題推廣應用機制與途逕：於計畫後其辦理，以此宣導此系統，並提升民眾之山坡地社區自主防災觀念，落實防災即時化、在地化以及效率化。
參、重要成果
一、驗證可透過大尺寸模型試驗推估監測儀器安全管理值
前期計劃案成功整合各感測器至一個箱體內，除可節省現場建置成本外，也可降低維護與巡檢成本。而耐候性與擴充性在本年度獲得驗證。本計畫中建置了大尺寸之邊坡模型，以及人工降雨裝置，將同一監測裝置架設於邊坡模型外，並額外增加IPI等監測儀器，接著模擬重大颱風豪雨事件後，經現場破壞情形與量測結果來看，趨勢上有符合預期結果，符合監測需求順利作動，精度與耐候性可維持一定水準，並可進一步於各社區取得一定量之監測值後，客製並修正適合各社區之儀器安全管理值。
二、低功耗傳輸系統建置方面
本研究經過比較LoRa與NB-IoT兩種通訊方式後，採用較為容易架設之NB-IoT通訊技術於本研究。該技術已廣為應用於都會區之精密廠房中，然而應用於野外防災監測之案例仍在起步中，從建置至今已經遭遇各種不同之問題，包括供電、漏失率與韌體調整等。目前已確認可順利通訊，但漏失率部分需透過電信商一同合作處理改善，團隊已著手進行因應處理，實驗期間仍已4G傳輸為主，未來將進一步延伸應用於5G傳輸。
三、山坡地社區智慧防災監控平台建置方面
本平台以開源程式建立，提供使用者整合的場域即時監測資料以及簡潔且具有防災意義性的場域資訊。首先透過人工邊坡監測物聯網監測資料庫接收場域資料，如本案於過去示範社區與明新科大校園實驗場址的整合型感測器，建立相關資料。此外為讓本整合平台能提供使用者端更多元的服務，亦介接防救災相關公開資料，如氣象局即時雨量以及國家災害防救科技中心公開示警訊息。且此平台已連結納入建研所105年所建置「山坡地社區建築管理履歷資料庫平台」，以利應用。
四、山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會方面
為推廣與說明整合各感測器與山坡地社區建築管理履歷資料庫平台本計畫，本計畫研究團隊於109年11月26日至大尺寸試驗現場辦理應用推廣說明會，並於民國109年10月27日、109年11月11日接受媒體採訪。除了向媒體、學界、業界說明與推廣山坡地社區邊坡監測的重要性與導入智慧防災即時監測系統的有效性，提升邊坡災害預防及應變作為外，並可了解山坡地社區居民對於此系統之看法及其需求藉此進行精進，且此次說明會參與之媒體、學界、業界代表與過去歷次專家學者會議皆對於此抱持強烈興趣也相當認同其必要性。
肆、主要建議事項
建議一
持續進行邊坡監測系統成效驗證：短期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：財團法人台灣建築中心
建研所歷年主辦多項關於坡地社區自然邊坡、人工邊坡等監測設備與系統之研發，以及相關監測管理值之推估方法，並以示範社區進行驗證示範工作，本年度選擇於無保全對象之擋土設施或空地以大尺寸模型試驗進行，為國內少見之創舉，並獲得初步之成效。目前於國內建置大尺寸邊坡模型非常稀少且相當困難，但土壤材料的性質不同可能有不同破壞型式，又對於現地邊坡而言大尺寸邊坡模擬的破壞可能仍存在尺寸效應的影響等等，在許多方面持續精進，如未來在條件許可情況下(合法運送土方)，可嘗試以本年度計完成之土槽進行不同材料破壞試驗，以得到更多種類邊坡性質的破壞參數供社區建置本系統時應用。
建議二
山坡地社區建築管理履歷資料庫以及邊坡智慧監控系統提升與維護：短期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：財團法人台灣建築中心
山坡地社區建築管理履歷資料庫以及人工邊坡智慧監控系統，此兩套系統為獨立系統，並使用不同的技術所開發，本研究已將其升級至與目前系統可相容之最新版；若需往上升級將需對既有系統進行大幅度改寫，且未來須植入預繳所需之運算程式，亦須大幅度提升軟硬體。因此建議可擴充與時俱進之相關軟硬體，未來更可搭配VR一併開發，以促進推廣成效。
建議三
人工邊坡智慧防災監測系統商轉應用與整合提昇防災監測系統技術降低系統技術費用：中長期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：各保險商業同業公會、各公寓大廈管理維護商業同業公會、各技師公會與顧問公司
坡地社區之擋土設施可由本研究研發之相關監測系統進行長期邊坡監測作業，以提供坡地社區啟動擋土設施維護與更新之進行。然而這些研發成果仍需推廣與商轉單位配合應用。建議未來可結合保險業者與物業管理業，推出應用坡地社區整合性監測之相關商品。
未來整合型感測器在推廣應用階段安裝完成並進行監測時，其監測數值仍需經由專業的團隊或者技師進行分析判斷，成本將因此增加，導致邊坡社區無法負擔，建議往後可邀請各界相關技師，探討適用於各邊坡的架設準則作為參考，使邊坡社區在評估需求及進行監測時可做初步簡易的參照，降低整體成本並提高監測代表性。
建議四
協助坡地社區自主監測系統設置推廣：中長期建議
主辦機關：內政部營建署、內政部建築研究所
協辦機關：各地方政府
部分地方新建坡地社區已開始著重邊坡安全監測，然而既有坡地社區相關坡地安全設施的維護，大多不完善且實際功效有限。透過本計畫的邊坡整合型防災監測系統研發，可應用於既有坡地社區之邊坡設施，使社區居民即時了解其變化情況，協助發現危險徵兆，以尋求專業協助並進行後續改善。因此建議各地方政府能夠推廣運用邊坡監測系統以達到自主性監測的目的，提高居民對於坡地與擋土設施安全之警覺。