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本文作者：張達(dá)德1蔡育秀2楊凱鈞1郭哲維2作者單位：1.中原大學(xué)土木工程學(xué)系2.中原大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系

1研究目的

本研究的目的為建立一套結(jié)構(gòu)性態(tài)，感知、防災(zāi)、節(jié)能、環(huán)控監(jiān)測的試驗(yàn)平臺，能有效實(shí)時監(jiān)控地下結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。主要分為靜態(tài)、動態(tài)兩部分監(jiān)測。靜態(tài)主要是量測，地下信道結(jié)構(gòu)受壓力變化而產(chǎn)生傾斜、裂縫開裂等現(xiàn)象，透過傾度計(jì)、裂縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。動態(tài)主要是利用無線加速度計(jì)量測，搭配HHT非破壞性安全檢測法，對營運(yùn)期的地鐵，提出完整結(jié)構(gòu)安全檢測系統(tǒng)。利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN，WirelessSensorNetworks)將上述動、靜態(tài)分析之?dāng)?shù)據(jù)集結(jié)再一起，并透過固接式專網(wǎng)Wi-Max傳回至監(jiān)控中心。期望能掌控地下通道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，形成一套實(shí)時可靠的預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，為之后其他大規(guī)模的地下結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，特別是地鐵隧道，提供更加可靠的技術(shù)支持和安全保證。

2目前研究成果

目前臺灣中原大學(xué)至今仍在執(zhí)行的國科會計(jì)劃-「前瞻性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)于邊坡和隧道防災(zāi)預(yù)警與實(shí)時警示布建計(jì)劃」，主要針對:(1)隧道WSN環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)的布建應(yīng)用［1，2］。(2)坡地/土石流WSN傾斜監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)與布建演示，相關(guān)研究成果如下所述:

2．1WSN隧道監(jiān)測系統(tǒng)研究成果

本計(jì)劃擇定監(jiān)測目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)斷面，開挖寬11．9m、開挖高10．4m。在設(shè)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(yùn)危險(xiǎn)物品車輛進(jìn)出，此隧道安全已受重視。

2．2隧道監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)劃

本計(jì)劃針對隧道火災(zāi)偵測系統(tǒng)以WSN環(huán)境溫度監(jiān)測模塊廣泛布設(shè)，透過大量的布設(shè)與實(shí)時傳輸圖1觀音山隧道位置圖Fig．1LocationofGuanyinshanTunnel的回報(bào)功能，增加隧道防災(zāi)監(jiān)測的預(yù)警速度。規(guī)劃如下:(1)環(huán)境溫度監(jiān)測研究目的:對隧道進(jìn)行節(jié)能防災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測，以利規(guī)劃及改善。進(jìn)一步達(dá)到防災(zāi)、減災(zāi)、避災(zāi)的實(shí)時安全監(jiān)控。(2)標(biāo)的:隧道內(nèi)溫度量測與一氧化碳/二氧化碳量測。(3)讀取數(shù)據(jù):攝氏溫度與一氧化碳/二氧化碳變化趨勢，達(dá)警戒值時發(fā)出預(yù)警。(4)無線傳感器數(shù)量:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)15組。(5)訊號回傳機(jī)制建置:規(guī)劃選擇3．5G無線網(wǎng)卡傳輸系統(tǒng)(6)管理平臺建置:規(guī)劃可于隧道行控中心設(shè)置獨(dú)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(jiān)測系統(tǒng)建置

于隧道中架設(shè)傳感器，需考慮當(dāng)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(nèi)的電源，可提供本系統(tǒng)于隧道緊急狀況下較一般市電及電池供電更為穩(wěn)定的電源供應(yīng)。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(jìn)行長時間地實(shí)時監(jiān)控。

2．4WSN隧道環(huán)控監(jiān)測管理平臺

透過WSN隧道的管理平臺，使用者可以看到各節(jié)點(diǎn)實(shí)時的溫濕度、一氧化碳及二氧化碳濃度數(shù)值。并注明管理值、里程數(shù)。不同溫度區(qū)間，會呈現(xiàn)出不同顏色，藉此清楚了解隧道內(nèi)節(jié)點(diǎn)的及時數(shù)據(jù)與所在位置，參見圖3［3］。

2．5WSN邊坡監(jiān)測系統(tǒng)研究成果

室內(nèi)傾度計(jì)精度校正試驗(yàn):利用自制的可調(diào)式傾斜校正臺進(jìn)行測試。首先以水平儀將校正臺調(diào)至水平，將已經(jīng)TAF(TaiwanAccreditationFoundation)認(rèn)證試驗(yàn)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(jì)放置于同平面，如圖6所示。并使平板發(fā)生傾斜同步算出傾斜面的角度。經(jīng)過兩方法比對以后，藉此認(rèn)證選用的WSN傾度計(jì)的線性讀值，以及其再現(xiàn)性。所有節(jié)點(diǎn)共33組，均測試比對。節(jié)點(diǎn)編號以Node．1～Node．33表示之。針對精度0．5°與0．1°的節(jié)點(diǎn)各選一組于圖5、圖6所示。

2．6WSN邊坡監(jiān)測系統(tǒng)建置

本計(jì)劃第二年于邊坡試驗(yàn)地點(diǎn)的選擇進(jìn)行多次場勘與會議。與相關(guān)負(fù)責(zé)單位進(jìn)行簡報(bào)，討論傳感器節(jié)點(diǎn)相關(guān)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(yàn)地點(diǎn)。目前已于國道三號3K+100處放置23組節(jié)點(diǎn)，臺62線架設(shè)10組節(jié)點(diǎn)，如圖7所示［4］。透過WSN邊坡的環(huán)控監(jiān)測管理平臺，使用者可以看到各節(jié)點(diǎn)實(shí)時的傾度數(shù)據(jù)、歷時的傾度數(shù)據(jù)，藉此觀察所有節(jié)點(diǎn)的傾斜數(shù)據(jù)變化。透過表征變異，確實(shí)掌握邊坡施穩(wěn)的過程，清楚了解各節(jié)點(diǎn)的傾度數(shù)據(jù)是否達(dá)到管理值，見圖8、9所示。

2．7無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線監(jiān)測系統(tǒng)之鏈接

隧道與邊坡之監(jiān)測系統(tǒng)，感測數(shù)據(jù)的后端處理及網(wǎng)絡(luò)傳輸上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)感測的數(shù)值回傳至本地端計(jì)算機(jī)的Coordinator節(jié)點(diǎn)后，經(jīng)由串行傳輸傳至本地端計(jì)算機(jī)進(jìn)行封包處理。依據(jù)封包來源節(jié)點(diǎn)、封包數(shù)據(jù)類型等存入數(shù)據(jù)庫中;之后經(jīng)由中華電信3．5G行動無線網(wǎng)絡(luò)將本地端MySQL數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)中的MySQL數(shù)據(jù)庫儲存，并于遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)建h構(gòu)一PHP網(wǎng)頁，見圖10～12所示［5］。

3WSN地下結(jié)構(gòu)環(huán)控監(jiān)測

本研究將配合同濟(jì)大學(xué)973計(jì)劃，提出規(guī)劃方案以及系統(tǒng)研制的初步成果。主要分為動態(tài)、靜態(tài)兩部分做監(jiān)測，靜態(tài)即是使用傾度計(jì)、裂縫計(jì)、滲水方面進(jìn)行量測，動態(tài)則是振動方面的檢測。

3．1MEMSSensor的擇定與模塊開發(fā)

3．1．1振動與傾度量測裝置硬件架構(gòu)

裝置的硬件架構(gòu)如圖13，主要功能為隧道振動參數(shù)監(jiān)測以及隧道傾度監(jiān)測，第一部分為高精度單/雙軸傾角傳感器搭配低速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，量測隧道內(nèi)壁傾斜度;第二部分為三軸加速度傳感器)搭配高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，量測隧道內(nèi)的振動參數(shù);根據(jù)環(huán)境的需求結(jié)合不同的芯片做系統(tǒng)控制，并將兩種不同芯片規(guī)畫于同一塊電路板上。

3．1．2固態(tài)式模擬傾角傳感器

量測隧道雙軸傾度為MEMSIC所生產(chǎn)的CXTL固態(tài)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(yīng)、易于安裝使用等特點(diǎn)。采用高穩(wěn)定性的硅微機(jī)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(shù)為Kionix所生產(chǎn)的三軸加速度傳感器，其內(nèi)部規(guī)格如下:封裝大小:3x3x1．9mmLGA電源供應(yīng)(DC):3．3V電流消耗:正常狀態(tài)240uA，休眠狀態(tài)5uA靈敏度:660mV/g輸出范圍:+/－2G(19．6m/s/s)

3．2室內(nèi)傾度計(jì)與振動計(jì)精度校正試驗(yàn)

3．2．1室內(nèi)傾度計(jì)校正試驗(yàn)

參考上述2．6節(jié)所提之室內(nèi)傾度計(jì)精度校正試驗(yàn)。

3．2．2室內(nèi)振動計(jì)校正試驗(yàn)

利用傳統(tǒng)加速度計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行測試比較;試驗(yàn)室測試比對乃將兩種加速度計(jì)系統(tǒng)架設(shè)于同一振動源平臺，利用振動頻率控制器設(shè)定振動頻率，使振動平臺產(chǎn)生整體振動，此一振動平臺采用土力實(shí)驗(yàn)之相對密度儀。最后測試結(jié)束后，將兩種加速度計(jì)系統(tǒng)采集之?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)由希爾伯特－黃轉(zhuǎn)換法(Hilbert－HuangTransform，HHT)頻譜解析，測試比對其分析結(jié)果是否相符，以驗(yàn)證WSN振動加速度計(jì)系統(tǒng)之準(zhǔn)確性［6］。

3．3室內(nèi)滲水試驗(yàn)

主要于室內(nèi)之混凝土墻上進(jìn)行試驗(yàn)。墻壁打入兩點(diǎn)，透過電流通過電路設(shè)計(jì)，運(yùn)用設(shè)計(jì)的電路，電流通過后兩點(diǎn)之間會產(chǎn)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(diǎn)

本項(xiàng)目將于同濟(jì)信道下穿四平路，是連接同濟(jì)大學(xué)本部校區(qū)及同濟(jì)設(shè)計(jì)院大樓的一條地下通道，全長約146．6m。由于機(jī)動車通道需兩年后才能開通運(yùn)行且該通道內(nèi)無需進(jìn)行表面裝飾，確實(shí)提供了一個進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)的機(jī)會［7］。

4WSN環(huán)控防災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)劃建置

4．1傾度計(jì)布設(shè)規(guī)劃

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

4．2振動計(jì)布設(shè)規(guī)劃

擇定區(qū)域之隧道長度約146．6m，以140m作為試驗(yàn)常度。以20m一個斷面，每斷面放置2組加速度規(guī)。共7個斷面，需14組加速度規(guī)。一個加速度規(guī)每秒讀取的數(shù)據(jù)龐大，本研究應(yīng)分為兩部分作監(jiān)測：

4．2．1假設(shè)機(jī)車經(jīng)過時的振動

假設(shè)機(jī)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(jiān)測

各斷面一天讀取的次數(shù)(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(jiān)測布設(shè)規(guī)劃

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

5Wi-Max專網(wǎng)訊息傳輸系統(tǒng)的規(guī)劃研訂

特選用臺灣獨(dú)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(shè)備與網(wǎng)管系統(tǒng)，支持2．3/2．5GHz，3．3/3．5GHz與高頻段5．8GHzISM頻帶。本次實(shí)驗(yàn)計(jì)劃規(guī)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(shí)驗(yàn)頻段的繁復(fù)手續(xù)。首先將WSN搜集到的量測資料，集中到WSNcoordinator。透過以太網(wǎng)絡(luò)接口連接到固接式Wi-Max終端設(shè)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(jīng)由以太網(wǎng)絡(luò)將WSN搜集到的數(shù)據(jù)儲存到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)中的MySQL數(shù)據(jù)庫。Wi-Max已經(jīng)被ITU定義為第四代行動通信技術(shù)(4G)，相較于ADSL、GPRS、3G等，傳輸更穩(wěn)定、快速。除了具備優(yōu)異的非直視距離(NonLineofSight，NLOS)傳輸特性，并支持多種服務(wù)質(zhì)量等級，適合在樓宇密布的都會區(qū)傳送地鐵實(shí)時監(jiān)控信號，Wi-Max是本計(jì)劃無線回程鏈路唯一的選擇。相關(guān)規(guī)格見表3、4與圖17、18所示。