传感网络在地下灾害监测的运用

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本文作者：张达德1蔡育秀2杨凯钧1郭哲维2作者单位：1.中原大学土木工程学系2.中原大学生物医学工程学系

1研究目的

本研究的目的为建立一套结构性态，感知、防灾、节能、环控监测的试验平台，能有效实时监控地下结构的状态。主要分为静态、动态两部分监测。静态主要是量测，地下信道结构受压力变化而产生倾斜、裂缝开裂等现象，透过倾度计、裂缝计进行监测。动态主要是利用无线加速度计量测，搭配HHT非破坏性安全检测法，对营运期的地铁，提出完整结构安全检测系统。利用无线传感网络(WSN，WirelessSensorNetworks)将上述动、静态分析之数据集结再一起，并透过固接式专网Wi-Max传回至监控中心。期望能掌控地下通道内的环境参数，形成一套实时可靠的预警监控系统，为之后其他大规模的地下结构的监测，特别是地铁隧道，提供更加可靠的技术支持和安全保证。

2目前研究成果

目前台湾中原大学至今仍在执行的国科会计划-「前瞻性无线传感器网络于边坡和隧道防灾预警与实时警示布建计划」，主要针对:(1)隧道WSN环境温度监测系统的布建应用［1，2］。(2)坡地/土石流WSN倾斜监测系统的研发与布建演示，相关研究成果如下所述:

2．1WSN隧道监测系统研究成果

本计划择定监测目标隧道为台湾观音山隧道，观音山隧道东行线长度2590m，西行线2365．5m，均为单向双车道。隧道断面积约110m2，系采用纵流式隧道标准断面，开挖宽11．9m、开挖高10．4m。在设置仰拱且喷布喷凝土之情况下，开挖面积约为100．6m2。此隧道几近于台北港之专用道路中之长隧道。平日有众多油罐车等载运危险物品车辆进出，此隧道安全已受重视。

2．2隧道监测系统规划

本计划针对隧道火灾侦测系统以WSN环境温度监测模块广泛布设，透过大量的布设与实时传输图1观音山隧道位置图Fig．1LocationofGuanyinshanTunnel的回报功能，增加隧道防灾监测的预警速度。规划如下:(1)环境温度监测研究目的:对隧道进行节能防灾及环境监测，以利规划及改善。进一步达到防灾、减灾、避灾的实时安全监控。(2)标的:隧道内温度量测与一氧化碳/二氧化碳量测。(3)讀取數据:摄氏温度与一氧化碳/二氧化碳变化趋势，达警戒值时发出预警。(4)无线传感器數量:无线传感器网络节点15组。(5)讯号回传机制建置:规划选择3．5G无线网卡传输系统(6)管理平台建置:规划可于隧道行控中心设置独立管理平台，可供隧道管理人员參考，以评估修正适用性与便利性。

2．3WSN监测系统建置

于隧道中架设传感器，需考虑当安装时以及电力方面之便利性。隧道中每50m即有消防栓，将传感器挂置于消防外面，并使用消防箱内的电源，可提供本系统于隧道紧急状况下较一般市电及电池供电更为稳定的电源供应。目前于台湾观音山隧道放置15组WSN传感器，包括13组温湿度、1组一氧化碳、1组二氧化碳，分别针对隧道中的温湿度、一氧化碳、二氧化碳进行长时间地实时监控。

2．4WSN隧道环控监测管理平台

透过WSN隧道的管理平台，使用者可以看到各节点实时的温湿度、一氧化碳及二氧化碳浓度数值。并注明管理值、里程数。不同温度区间，会呈现出不同颜色，藉此清楚了解隧道内节点的及时数据与所在位置，参见图3［3］。

2．5WSN边坡监测系统研究成果

室内倾度计精度校正试验:利用自制的可调式倾斜校正台进行测试。首先以水平仪将校正台调至水平，将已经TAF(TaiwanAccreditationFoundation)认证试验单位校正的电子式倾度仪置于台上固定的倾度盘上。同时将WSN倾度计放置于同平面，如图6所示。并使平板发生倾斜同步算出倾斜面的角度。经过两方法比对以后，藉此认证选用的WSN倾度计的线性读值，以及其再现性。所有节点共33组，均测试比对。节点编号以Node．1～Node．33表示之。针对精度0．5°与0．1°的节点各选一组于图5、图6所示。

2．6WSN边坡监测系统建置

本计划第二年于边坡试验地点的选择进行多次场勘与会议。与相关负责单位进行简报，讨论传感器节点相关安装事宜。最终决定于国道三号3K+100处、台62线的边坡作为试验地点。目前已于国道三号3K+100处放置23组节点，台62线架设10组节点，如图7所示［4］。透过WSN边坡的环控监测管理平台，使用者可以看到各节点实时的倾度数据、历时的倾度数据，藉此观察所有节点的倾斜数据变化。透过表征变异，确实掌握边坡施稳的过程，清楚了解各节点的倾度数据是否达到管理值，见图8、9所示。

2．7无线传感器网络与无线监测系统之链接

隧道与边坡之监测系统，感测数据的后端处理及网络传输上，无线传感器网络中各节点感测的数值回传至本地端计算机的Coordinator节点后，经由串行传输传至本地端计算机进行封包处理。依据封包来源节点、封包数据类型等存入数据库中;之后经由中华电信3．5G行动无线网络将本地端MySQL数据库内的数据传送到远程计算机中的MySQL数据库储存，并于远程计算机建h构一PHP网页，见图10～12所示［5］。

3WSN地下结构环控监测

本研究将配合同济大学973计划，提出规划方案以及系统研制的初步成果。主要分为动态、静态两部分做监测，静态即是使用倾度计、裂缝计、渗水方面进行量测，动态则是振动方面的检测。

3．1MEMSSensor的择定与模块开发

3．1．1振动与倾度量测装置硬件架构

装置的硬件架构如图13，主要功能为隧道振动参数监测以及隧道倾度监测，第一部分为高精度单/双轴倾角传感器搭配低速模拟/数字转换器，量测隧道内壁倾斜度;第二部分为三轴加速度传感器)搭配高速模拟/数字转换器，量测隧道内的振动参数;根据环境的需求结合不同的芯片做系统控制，并将两种不同芯片规画于同一块电路板上。

3．1．2固态式模拟倾角传感器

量测隧道双轴倾度为MEMSIC所生产的CXTL固态式的模拟倾角传感器，如图14所示，具有高灵敏度、精度、快速响应、易于安装使用等特点。采用高稳定性的硅微机械电容倾角传感器，以仿真信号方式输出倾斜角度和温度讯号。

3．1．3三轴加速度传感器

量测隧道振动参数为Kionix所生产的三轴加速度传感器，其内部规格如下:封装大小:3x3x1．9mmLGA电源供应(DC):3．3V电流消耗:正常状态240uA，休眠状态5uA灵敏度:660mV/g输出范围:+/－2G(19．6m/s/s)

3．2室内倾度计与振动计精度校正试验

3．2．1室内倾度计校正试验

参考上述2．6节所提之室内倾度计精度校正试验。

3．2．2室内振动计校正试验

利用传统加速度计系统进行测试比较;试验室测试比对乃将两种加速度计系统架设于同一振动源平台，利用振动频率控制器设定振动频率，使振动平台产生整体振动，此一振动平台采用土力实验之相对密度仪。最后测试结束后，将两种加速度计系统采集之数据，经由希尔伯特－黄转换法(Hilbert－HuangTransform，HHT)频谱解析，测试比对其分析结果是否相符，以验证WSN振动加速度计系统之准确性［6］。

3．3室内渗水试验

主要于室内之混凝土墙上进行试验。墙壁打入两点，透过电流通过电路设计，运用设计的电路，电流通过后两点之间会产生电阻。假若有水渗出，则电阻就会变小，则出可由输出的电压来判断是否有渗流水渗出。

3．4择定之示范地点

本项目将于同济信道下穿四平路，是连接同济大学本部校区及同济设计院大楼的一条地下通道，全长约146．6m。由于机动车通道需两年后才能开通运行且该通道内无需进行表面装饰，确实提供了一个进行现场试验的机会［7］。

4WSN环控防灾监测系统规划建置

4．1倾度计布设规划

择定区域之隧道长约146．6m，则约20m就于隧道断面布设约2个倾度计，共7个隧道断面，共需布设14个倾度计，各断面一天读取的次数(仍须研讨)，并考虑于上、下班尖峰时段，以及风灾来临时应增加读取频率。

4．2振动计布设规划

择定区域之隧道长度约146．6m，以140m作为试验常度。以20m一个断面，每断面放置2组加速度规。共7个断面，需14组加速度规。一个加速度规每秒读取的数据庞大，本研究应分为两部分作监测：

4．2．1假设机车经过时的振动

假设机车时速50km/h，跑完每断面间距的时间约14．2s，跑完全长约100s。

4．2．2平时自然振动监测

各断面一天读取的次数(仍须研讨)，并考虑于上、下班尖峰时段，增加读取频率。

4．2．3水监测布设规划

择定之示范地点测试长约140m，每20m布设一组渗水监测电路，共需布设7组渗水监测电路。各组一天读取的次数(仍须研讨)，并考虑于上、下班尖峰时段，以及风灾来临时应增加读取频率。4．2．4WSN各传感器布放位置相关的传感器布放位置参见图16所示。

5Wi-Max专网讯息传输系统的规划研订

特选用台湾独步全球的芯片，拟定固接式Wi-Max解决方案［5］，包含基站、终端设备与网管系统，支持2．3/2．5GHz，3．3/3．5GHz与高频段5．8GHzISM频带。本次实验计划规划以常翔科技5．8GHz频带固接式Wi-Max解决方案，以避免向无线委会申请实验频段的繁复手续。首先将WSN搜集到的量测资料，集中到WSNcoordinator。透过以太网络接口连接到固接式Wi-Max终端设备，再透过固接式Wi-Max空中信号，传送到固接式Wi-Max基站，最后经由以太网络将WSN搜集到的数据储存到远程计算机中的MySQL数据库。Wi-Max已经被ITU定义为第四代行动通信技术(4G)，相较于ADSL、GPRS、3G等，传输更稳定、快速。除了具备优异的非直视距离(NonLineofSight，NLOS)传输特性，并支持多种服务质量等级，适合在楼宇密布的都会区传送地铁实时监控信号，Wi-Max是本计划无线回程链路唯一的选择。相关规格见表3、4与图17、18所示。