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專家觀點
 
土木防災預警之新趨勢探討-以「光纖感測」為例
 
近年來光纖感測技術已廣泛應用在建築結構、離岸風機、橋樑、隧道、邊坡等環境監測,由於光纖屬於被動元件且本質安全(有防爆之特性),相較傳統電子儀器之優勢具有體積小、傳輸距離遠、耐用性與穩定度高、維護性低,以及不受電磁波、雷擊、水氣等影響。
 
撰文:李瑞庭 博士
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依據不同之感測原理,可分為全分佈式及部分分佈式之感測型態。所謂全分佈式感測表示設置於監測現場之感測光纖或光纜,其光纖之每一點位可即時感應外在環境溫度、應變、聲波震動之變化,猶如人體的神經網絡,可時時刻刻反映身體的狀況,告知大腦何處有異常需要進行診斷及醫治。
部分分佈式感測為光纖作為傳輸訊號的介質,針對特殊結構、重要之區域進行感測器佈放,感測器可依照不同之監控性質,來進行設置以符合監測需求。且同一光纖可串聯多個不同形式之光纖感測器,並可透過樹狀結構進行擴充,以達到大區域監控之特性。



隧道線性結構溫度監控
隧道為長條線型結構,一旦災害事故發生時,救援路線因受限隧道兩端出入口,恐難以及時到達救援。以隧道消防設備監控設施而言,既有火警探測監控大都採用電子式感測器,以熱電偶或熱電阻感應外在環境溫度變化。整體系統建置時,需要大量配置管線、安裝極度複雜,不同型式感測器需配對符合之傳輸電纜及接收模組,系統相容性低。採等間距分區安裝,無法及時掌控隧道內部整體溫度變化。火災高溫情況下,系統無法在繼續維持正常運作,監控火災蔓延分佈情形。感測器常有誤報情況且發生故障時,不易進行更換,長期維護成本高。

使用光纖感測偵溫系統,可透過單一感測光纖(纜),沿線連續監控隧道每一位置溫度變化,且光纜耐溫性極高,即使在高溫環境,仍可發揮作用。加上光纖(纜)不易受濕氣、突波衝擊、電磁波等干擾。整體系統可免除前述之諸多影響,對於系統之規劃建置、功能及後續維運,可大幅減少支出成本,提高管理效益。

照片1為應用於台11線跳浪隧道實景,感測光纜沿隧道頂部進行架設,光纜尾端則連結至隧道機房內之光纖偵溫解讀系統,並利用圖控軟體(SCADA),如圖1以視覺化畫面,提供管理人員監控隧道內每一處溫度變化。當有異常狀況發生時,光纖偵溫解讀系統會傳送訊號觸發消防受信總機,以避免災害事故擴大。相關應用也同時使在蘇花改東澳東岳隧道之火警監控系統。





鐵路/道路邊坡落石監控
山區鐵路或道路邊坡,若行經路徑坐落於地質不穩定區域時,恐遭遇土石流、落石及邊坡滑動之危害,進而影響用路人的行車安全。其中以落石災害,較難以預測發生機制及滾動路徑,為避免災害發生,通常使用工程手段來進行防範,例如落石棚、攔索網等。但如果行徑路徑過長且礙於經費考量,可能無法全面以防護工程來解決,此時,必須倚靠監測預警系統來防範未然。

目前對於落石監控預警之方法,包含於現場架設影像監控系統,透過後端影像分析軟體,再來研判監控範圍是否發生異常狀況。或者於落石攔索網安裝電子感測元件,以偵測攔索網應變及應力變化,判別是否有落石掉落事件發生。但這些監測預警方法,需要大量多點佈設,感測儀器電力來源、耐用性、穩定性等必須納入考量。加上山區常有濃霧、暴雨,氣候條件不佳影響,夜間環境無法有效透過影像進行判別。諸如種種因素,藉由光纖聲波探測方式及背景聲波類型之建置,可有效分辨現場環境狀況是一最佳可行之方法。









由於聲音背景資料會與現場環境有所關聯,必須透過相關測試實驗及環境資訊的蒐集加以修正系統參數,該偵測系統經過約6個月的測試與調校,可成功判斷現場是否有落石災害事件發生,其系統偵測準確度可達到97%以上。



綜合前述案例成果,利用光纖全分佈式感測方式,不僅可大範圍監控現場環境應變、溫度、聲音等物理變化量,並可準確有效辨別事件發生位置,即時提供資訊給相關管理人員,且系統初期建置時,僅須佈放感測光纜,無繁瑣電子零件設備,不僅在耐用及穩定度可大幅提升,對於系統之後續維運支出成本也可大幅降低。
 
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