傳感網絡在地下災害監測的運用

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本文作者：張達德1蔡育秀2楊凱鈞1郭哲維2作者單位：1.中原大學土木工程學系2.中原大學生物醫學工程學系

1研究目的

本研究的目的為建立一套結構性態，感知、防災、節能、環控監測的試驗平臺，能有效實時監控地下結構的狀態。主要分為靜態、動態兩部分監測。靜態主要是量測，地下信道結構受壓力變化而產生傾斜、裂縫開裂等現象，透過傾度計、裂縫計進行監測。動態主要是利用無線加速度計量測，搭配HHT非破壞性安全檢測法，對營運期的地鐵，提出完整結構安全檢測系統。利用無線傳感網絡(WSN，WirelessSensorNetworks)將上述動、靜態分析之數據集結再一起，并透過固接式專網Wi-Max傳回至監控中心。期望能掌控地下通道內的環境參數，形成一套實時可靠的預警監控系統，為之后其他大規模的地下結構的監測，特別是地鐵隧道，提供更加可靠的技術支持和安全保證。

2目前研究成果

目前臺灣中原大學至今仍在執行的國科會計劃-「前瞻性無線傳感器網絡于邊坡和隧道防災預警與實時警示布建計劃」，主要針對:(1)隧道WSN環境溫度監測系統的布建應用［1，2］。(2)坡地/土石流WSN傾斜監測系統的研發與布建演示，相關研究成果如下所述:

2．1WSN隧道監測系統研究成果

本計劃擇定監測目標隧道為臺灣觀音山隧道，觀音山隧道東行線長度2590m，西行線2365．5m，均為單向雙車道。隧道斷面積約110m2，系采用縱流式隧道標準斷面，開挖寬11．9m、開挖高10．4m。在設置仰拱且噴布噴凝土之情況下，開挖面積約為100．6m2。此隧道幾近于臺北港之專用道路中之長隧道。平日有眾多油罐車等載運危險物品車輛進出，此隧道安全已受重視。

2．2隧道監測系統規劃

本計劃針對隧道火災偵測系統以WSN環境溫度監測模塊廣泛布設，透過大量的布設與實時傳輸圖1觀音山隧道位置圖Fig．1LocationofGuanyinshanTunnel的回報功能，增加隧道防災監測的預警速度。規劃如下:(1)環境溫度監測研究目的:對隧道進行節能防災及環境監測，以利規劃及改善。進一步達到防災、減災、避災的實時安全監控。(2)標的:隧道內溫度量測與一氧化碳/二氧化碳量測。(3)讀取數據:攝氏溫度與一氧化碳/二氧化碳變化趨勢，達警戒值時發出預警。(4)無線傳感器數量:無線傳感器網絡節點15組。(5)訊號回傳機制建置:規劃選擇3．5G無線網卡傳輸系統(6)管理平臺建置:規劃可于隧道行控中心設置獨立管理平臺，可供隧道管理人員參考，以評估修正適用性與便利性。

2．3WSN監測系統建置

于隧道中架設傳感器，需考慮當安裝時以及電力方面之便利性。隧道中每50m即有消防栓，將傳感器掛置于消防外面，并使用消防箱內的電源，可提供本系統于隧道緊急狀況下較一般市電及電池供電更為穩定的電源供應。目前于臺灣觀音山隧道放置15組WSN傳感器，包括13組溫濕度、1組一氧化碳、1組二氧化碳，分別針對隧道中的溫濕度、一氧化碳、二氧化碳進行長時間地實時監控。

2．4WSN隧道環控監測管理平臺

透過WSN隧道的管理平臺，使用者可以看到各節點實時的溫濕度、一氧化碳及二氧化碳濃度數值。并注明管理值、里程數。不同溫度區間，會呈現出不同顏色，藉此清楚了解隧道內節點的及時數據與所在位置，參見圖3［3］。

2．5WSN邊坡監測系統研究成果

室內傾度計精度校正試驗:利用自制的可調式傾斜校正臺進行測試。首先以水平儀將校正臺調至水平，將已經TAF(TaiwanAccreditationFoundation)認證試驗單位校正的電子式傾度儀置于臺上固定的傾度盤上。同時將WSN傾度計放置于同平面，如圖6所示。并使平板發生傾斜同步算出傾斜面的角度。經過兩方法比對以后，藉此認證選用的WSN傾度計的線性讀值，以及其再現性。所有節點共33組，均測試比對。節點編號以Node．1～Node．33表示之。針對精度0．5°與0．1°的節點各選一組于圖5、圖6所示。

2．6WSN邊坡監測系統建置

本計劃第二年于邊坡試驗地點的選擇進行多次場勘與會議。與相關負責單位進行簡報，討論傳感器節點相關安裝事宜。最終決定于國道三號3K+100處、臺62線的邊坡作為試驗地點。目前已于國道三號3K+100處放置23組節點，臺62線架設10組節點，如圖7所示［4］。透過WSN邊坡的環控監測管理平臺，使用者可以看到各節點實時的傾度數據、歷時的傾度數據，藉此觀察所有節點的傾斜數據變化。透過表征變異，確實掌握邊坡施穩的過程，清楚了解各節點的傾度數據是否達到管理值，見圖8、9所示。

2．7無線傳感器網絡與無線監測系統之鏈接

隧道與邊坡之監測系統，感測數據的后端處理及網絡傳輸上，無線傳感器網絡中各節點感測的數值回傳至本地端計算機的Coordinator節點后，經由串行傳輸傳至本地端計算機進行封包處理。依據封包來源節點、封包數據類型等存入數據庫中;之后經由中華電信3．5G行動無線網絡將本地端MySQL數據庫內的數據傳送到遠程計算機中的MySQL數據庫儲存，并于遠程計算機建h構一PHP網頁，見圖10～12所示［5］。

3WSN地下結構環控監測

本研究將配合同濟大學973計劃，提出規劃方案以及系統研制的初步成果。主要分為動態、靜態兩部分做監測，靜態即是使用傾度計、裂縫計、滲水方面進行量測，動態則是振動方面的檢測。

3．1MEMSSensor的擇定與模塊開發

3．1．1振動與傾度量測裝置硬件架構

裝置的硬件架構如圖13，主要功能為隧道振動參數監測以及隧道傾度監測，第一部分為高精度單/雙軸傾角傳感器搭配低速模擬/數字轉換器，量測隧道內壁傾斜度;第二部分為三軸加速度傳感器)搭配高速模擬/數字轉換器，量測隧道內的振動參數;根據環境的需求結合不同的芯片做系統控制，并將兩種不同芯片規畫于同一塊電路板上。

3．1．2固態式模擬傾角傳感器

量測隧道雙軸傾度為MEMSIC所生產的CXTL固態式的模擬傾角傳感器，如圖14所示，具有高靈敏度、精度、快速響應、易于安裝使用等特點。采用高穩定性的硅微機械電容傾角傳感器，以仿真信號方式輸出傾斜角度和溫度訊號。

3．1．3三軸加速度傳感器

量測隧道振動參數為Kionix所生產的三軸加速度傳感器，其內部規格如下:封裝大小:3x3x1．9mmLGA電源供應(DC):3．3V電流消耗:正常狀態240uA，休眠狀態5uA靈敏度:660mV/g輸出范圍:+/－2G(19．6m/s/s)

3．2室內傾度計與振動計精度校正試驗

3．2．1室內傾度計校正試驗

參考上述2．6節所提之室內傾度計精度校正試驗。

3．2．2室內振動計校正試驗

利用傳統加速度計系統進行測試比較;試驗室測試比對乃將兩種加速度計系統架設于同一振動源平臺，利用振動頻率控制器設定振動頻率，使振動平臺產生整體振動，此一振動平臺采用土力實驗之相對密度儀。最后測試結束后，將兩種加速度計系統采集之數據，經由希爾伯特－黃轉換法(Hilbert－HuangTransform，HHT)頻譜解析，測試比對其分析結果是否相符，以驗證WSN振動加速度計系統之準確性［6］。

3．3室內滲水試驗

主要于室內之混凝土墻上進行試驗。墻壁打入兩點，透過電流通過電路設計，運用設計的電路，電流通過后兩點之間會產生電阻。假若有水滲出，則電阻就會變小，則出可由輸出的電壓來判斷是否有滲流水滲出。

3．4擇定之示范地點

本項目將于同濟信道下穿四平路，是連接同濟大學本部校區及同濟設計院大樓的一條地下通道，全長約146．6m。由于機動車通道需兩年后才能開通運行且該通道內無需進行表面裝飾，確實提供了一個進行現場試驗的機會［7］。

4WSN環控防災監測系統規劃建置

4．1傾度計布設規劃

擇定區域之隧道長約146．6m，則約20m就于隧道斷面布設約2個傾度計，共7個隧道斷面，共需布設14個傾度計，各斷面一天讀取的次數(仍須研討)，并考慮于上、下班尖峰時段，以及風災來臨時應增加讀取頻率。

4．2振動計布設規劃

擇定區域之隧道長度約146．6m，以140m作為試驗常度。以20m一個斷面，每斷面放置2組加速度規。共7個斷面，需14組加速度規。一個加速度規每秒讀取的數據龐大，本研究應分為兩部分作監測：

4．2．1假設機車經過時的振動

假設機車時速50km/h，跑完每斷面間距的時間約14．2s，跑完全長約100s。

4．2．2平時自然振動監測

各斷面一天讀取的次數(仍須研討)，并考慮于上、下班尖峰時段，增加讀取頻率。

4．2．3水監測布設規劃

擇定之示范地點測試長約140m，每20m布設一組滲水監測電路，共需布設7組滲水監測電路。各組一天讀取的次數(仍須研討)，并考慮于上、下班尖峰時段，以及風災來臨時應增加讀取頻率。4．2．4WSN各傳感器布放位置相關的傳感器布放位置參見圖16所示。

5Wi-Max專網訊息傳輸系統的規劃研訂

特選用臺灣獨步全球的芯片，擬定固接式Wi-Max解決方案［5］，包含基站、終端設備與網管系統，支持2．3/2．5GHz，3．3/3．5GHz與高頻段5．8GHzISM頻帶。本次實驗計劃規劃以常翔科技5．8GHz頻帶固接式Wi-Max解決方案，以避免向無線委會申請實驗頻段的繁復手續。首先將WSN搜集到的量測資料，集中到WSNcoordinator。透過以太網絡接口連接到固接式Wi-Max終端設備，再透過固接式Wi-Max空中信號，傳送到固接式Wi-Max基站，最后經由以太網絡將WSN搜集到的數據儲存到遠程計算機中的MySQL數據庫。Wi-Max已經被ITU定義為第四代行動通信技術(4G)，相較于ADSL、GPRS、3G等，傳輸更穩定、快速。除了具備優異的非直視距離(NonLineofSight，NLOS)傳輸特性，并支持多種服務質量等級，適合在樓宇密布的都會區傳送地鐵實時監控信號，Wi-Max是本計劃無線回程鏈路唯一的選擇。相關規格見表3、4與圖17、18所示。