107年度「山坡地社區智慧防災系統精進－人工邊坡智能感測器研發與雲端系統擴充應用」
- 委託單位：建築研究所
- 計畫主持人：鄧福宸
- 共同主持人：郭治平
- 協同主持人：李威儀、吳偉杰
- 研究助理：李奕緯
- 摘要：
壹、研究緣起
近年極端降雨事件頻傳，邊坡監測及防災預警實為山坡地社區安居之重要議題，山坡地社區開發需施作擋土設施，周緣邊坡也存在崩塌威脅，然以往山坡地社區監測多以人工定時記錄，常遭遇山坡地社區局部降雨及邊坡位移資訊無法即時協勤防災管理。鑑此，基於前期計畫「山坡地社區智慧防災系統可行性研究─邊坡智能感測暨雲端運算」成果，已研發自然邊坡之土壤邊坡智能感測器，本年度將致力研發人工邊坡智能感測器，係整合微機電感測器、無線傳輸技術與雲端分析技術，建構適合山坡地社區邊坡智慧防災監測儀器，提升邊坡災害預防及應變作為，將山坡地社區防災層面提升至人工邊坡局部危害徵兆觀測精度與建立智慧防災網絡。
貳、方法與過程
基於前期計畫「山坡地社區智慧防災系統可行性研究─邊坡智能感測暨雲端運算」成果，已研發自然邊坡之土壤邊坡智能感測器，本年度將致力研發人工邊坡智能感測器，係整合微機電感測器、無線傳輸技術與雲端分析技術，建構適合山坡地社區邊坡智慧防災監測儀器，提升邊坡災害預防及應變作為，將山坡地社區防災層面提升至人工邊坡局部危害徵兆觀測精度與建立智慧防災網絡。
本(107)年度研究計畫具體目標如下：
一、整合型監測器研發：研發適合於社區人工邊坡使用之低功耗、低成本整合型監測器，內應包含雙軸向傾斜儀、三軸加速度計、裂縫量測應變計等，透過無線感測模組進行連結，並佈設於示範山 坡地社區中人工邊坡牆面進行監測測試。
二、雙向傳輸系統建置：採Weightless LPWAN無線通訊技術，使用Sub-GHz ISM非授權頻段，具有長距離、低功耗、低成本特點，更具備雙向傳輸的功能。
三、建立山坡地社區雲端環境大數據管理與分析網絡：採開源程式(OpenSource Software)建立防災監控平台，以利後續推廣及各單位介接使用，並透過網絡平臺達成災害警示機制。
四、於示範山坡地進行監測：於示範山坡地進行監測示範，以驗證本計畫所發展之系統可於可種天候狀況下提供即時、穩定、可靠之監測資料傳輸，並達成本計畫所設定之雙向傳輸溝通功能。
五、山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會：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、人工邊坡智能感測器研發方面
相較於目前實務界常採用分散式配置邊坡感測器之方式，本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、降低維護與巡檢成本，以及提高附近居民之包容感。本案選定兩處距崩塌歷史之邊坡，過去曾經在颱風豪雨事件過後發生過表土崩滑、坡面塌陷與地層掏空，經由以數值模擬探討地下水位與邊坡穩定之關係後顯示該區域平時安全係數雖然大於水土保持規範建議值，然而隨著地下水位上升安全係數急速下降，當地下水位升高至地表時安全係數將小於1.0。此結果說明現地縱然已經有工程治理，然而現行之人工定期巡檢監測方法在未來颱風豪雨事件發生時之取得即時監測數據成果相當有限。本計劃案研發完成之整合型感測器於民國107年7月14日完成儀器安裝並開始監測，確認本案採用之感測器皆可順利作動，然而由於試驗期間未發生重大颱風豪雨事件，精度與耐候性仍需後續監測成果方能評估。
二、雙向傳輸系統建置方面
本案採用之通訊技術已廣為應用於都會區之精密廠房中，由於首次應用於野外，從建置至今已經遭遇各種不同之問題，包括天線形式、韌體調整與受潮等。目前已確認兩站皆可順利通訊，但通訊用之基板受不明原因影響無法順利因應氣候條件調適，推測為受到濕氣影響，團隊已歸納出問題點並著手進行處理因應。然而使用穩定且耐候性高之元件，勢必得提高建置成本，未來需進行適應現地需求最佳化之研究。
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接收場域資料並建置資料庫，如本案於觀星社區與楠興宮旁所佈設的整合型感測器，同時亦建立與本場域相關之防災資訊。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本所105年「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
本計畫於民國107年9月17日於台北市文山區明興里舉辦山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會。除了向山坡地社區居民說明與推廣山坡地社區邊坡監測的重要性、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，並取得山坡地社區居民對於此系統之看法及其需求，藉此進行未來系統推動之精進方式，參與此次說明會之里長與里民皆對於此研究計畫抱持強烈興趣也相當認同其必要性，敘明了本案繼續延續之必要性。
肆、主要建議事項
建議一
人工邊坡智能感測器應用：中長期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：各地方政府主管單位
整合型感測器在耐候性方面，需同時兼具通風降溫與防水功能，相當不易。本次研發出之整合型感測器以符合剛性與通風需求，然而同時兼具防水功能需於未來持續研發。坡地社區經常採用背拉式地錨擋土牆作為爭取用地之方式，然而地錨擋土牆之監測較少應用於坡地社區；建議未來可依照裝設地點之不同需求，將如地錨荷重、錨頭與擋土牆變位等監測依照需求整合至本研究案研發之整合型人工邊坡智能感測器中。此外，相對於防災感測器呈現之數值，民眾較無法理解其代表之意義，相對的雨量較為直觀，且因區域性地區與里內實際的降雨量會有所差異，因此建議增設自動化監測雨量筒，亦可整合至整合型人工邊坡智能感測器中。為取得在地化之安全監測管理值，取得進行邊坡穩定分析參數率定之事件相當不易，建議一處監測之期間至少需跨越兩次事件或三年，已取得較客觀之資料。
建議二
人工邊坡智能防災系統商轉應用：中長期建議
主辦機關：內政部建築研究所
協辦機關：各地方政府主管單位
在緊急災難風險方面，最重要的是避災；人工邊坡之維護與確認安全的責任，可思考保險與管理基金的概念局如何有效的結合起來。藉由智慧防災系統研發，以物聯網傳輸技術，降低監測儀器設備成本並確認其穩定性，期望未來可透過公部門業管單位擴大範圍到台北市乃至全台各個坡地社區，及早發佈警訊，以利坡地社區居民有足夠的時間進行相關防災措施。