TW201742023A - 光纖式邊坡災害監測方法及系統 - Google Patents

Abstract

本創作為一種光纖式邊坡災害監測方法及系統，該系統包含有複數個光收發模組、複數條光纜、一控制模組及一分析模組；該複數條光纜係縱橫交錯排列在一監測區域並於各光纖上串接有多個感測器；各光收發模組分別對應連接一條光纜；該控制模組控制光收發模組發送檢測信號於光纜上，並接收檢測信號在同一光纜上返回之信號光功率強度；該分析模組係可根據各光纜回傳之信號光功率強度而判斷出發生地質災害事件之位置，實現邊坡災害檢測目的。

Description

光纖式邊坡災害監測方法及系統

本創作關於一種地質災害監測技術，尤指一種利用光纖設備監測邊坡災害之方法及系統。

我國因位於地震帶上，地質敏感脆弱，又因為山坡地的人為過度開發，水土保持工作未確實落行，當面臨颱風或豪雨侵襲時，大量雨水夾帶泥沙將容易導致坡地崩塌、滑坡、土石流等多種地質災害，對鄰近之建築物、道路或民眾生命造成極極大損失或威脅，因此對於地質災害之預警及監測實為重要課題。

傳統的地質災害預警或監測技術，主要包含有：

一、無線式：係利用無線式感測器監測有無災害事件發生。其缺點有容易受其設置環境之雜訊或天候狀態等外在因素明顯干擾，電子元件或天線也容易生鏽損壞，且需要裝設電源裝置提供電力予無線式感測器工作使用。

二、紅外線式：係利用紅外線感測器進行監測，但紅外線信號容易被遮蔽或受到天候干擾，且同樣需要電源裝置提供電力予紅外線感測器。

三、光纖式：可利用一光時域反射儀(OTDR)結合光纖光柵，或是以一布理淵光時域反射儀(BOTDR)結合光纖來實現災害監測，但光時域反射儀(OTDR)或布理淵光時域反射儀(BOTDR)的造價均相當昂貴，不利於推廣應用。

本創作之主要目的係提供一種架構簡單、低製造成本、方便施工且不受天候干擾之光纖式邊坡災害監測方法。

為達成前述目的，該光纖式邊坡災害監測方法包含：

沿第一方向舖設複數條第一光纜於該監測區域上，各條第一光纜上串接有複數個第一感測器；

沿第二方向舖設複數條第二光纜於該監測區域上，其中，各該第二光纜與各第一光纜相交排列且串接有複數個第二感測器，各該第二光纜上之各第二感測器係與相交之第一光纜上的對應第一感測器成對地鄰近排列；

於各該第一光纜上傳送一第一檢測訊號，並偵測該第一檢測訊號在該第一光纜內返回後之一第一回傳信號；

於各該第二光纜上傳送一第二檢測訊號，並偵測該第二檢測訊號在該第二光纜內返回後之一第二回傳信號；

根據該些第一回傳信號及該些第二回傳信號，判斷該監測區域內是否發生一地質事件。

藉由前述方法，當分布在該監測區域內之該第一感測器或第二感測器產生異常時，或是第一光纜及第二光纜過度彎曲，會導致對應連接之第一光收發模組、第二光收模組接收到異常之第一回傳信號及第二回傳信號，故根據該第一回傳信號及第二回傳信號即可判斷有地質事件產生。本創作之方法僅使用價格相對便宜之光纜、感測器，故可降低製造成本而有利於廣泛推廣運用；又光纖本身不受天候干擾，可具有較好的監測效果。

本創作之另一目的提供一種光纖式邊坡災害監測系統，應用於檢測一監測區域，該系統包含：

複數條沿第一方向舖設於該監測區域的第一光纜，各條第一光纜內至少具有二條光纖芯線，且各第一光纜係由複數個第一感測器串接複數條光纖線段構成；

複數條沿第二方向舖設於該監測區域的第二光纜，各條第二光纜內至少具有二條光纖芯線，且各第二光纜係由複數個第二感測器串接複數條光纖線段構成，各該第二光纜上之各第二感測器係與相交之第一光纜上的對應第一感測器成對地鄰近排列；

複數個第一光收發模組，係分別連接該些第一光纜的前端，以各別傳送一第一檢測訊號至對應的第一光纜並接收該第一檢測訊號在該第一光纜內返回後之一第一回傳信號；

複數個第二光收發模組，係分別連接該些第二光纜的一端，以各別傳送一第二檢測訊號至對應的第二光纜並接收該第二檢測訊號在該第二光纜內返回後之一第二回傳信號；

一控制模組，係連接該些第一光收發模組及該些第二光收發模組，以接收該些第一回傳信號及該些第二回傳信號；

一分析模組，係連接該控制模組以接收由控制模組輸出的該些第一回傳信號及該些第二回傳信號，根據該些第一回傳信號及該些第二回傳信號，判斷該監測區域內是否發生一地質事件。

請參考圖1所示，為本創作光纖式邊坡災害監測方法的流程圖，包含有以下步驟：

S11：沿第一方向舖設複數條第一光纜於一監測區域上，各條第一光纜上串接有複數個第一感測器；

S12：沿第二方向舖設複數條第二光纜於該監測區域上，其中，各該第二光纜與各第一光纜相交排列且串接有複數個第二感測器，各該第二光纜上之各第二感測器係與相交之第一光纜上的對應第一感測器成對地鄰近排列；

S13：於各該第一光纜上傳送一第一檢測訊號，並偵測該第一檢測訊號在該第一光纜上之一第一回傳信號；

S14：於各該第二光纜上傳送一第二檢測訊號，並偵測該第二檢測訊號在該第二光纜上之一第二回傳信號；

S15：根據該些第一回傳信號及該些第二回傳信號，判斷該監測區域是否發生一事件。

請參考圖2，為進一步說明前述方法之實現方式，本創作係提出一光纖式邊坡災害監測系統，主要包含有複數個第一光收發模組10、複數條第一光纜11、複數個第二光收發模組20、複數條第二光纜21、一控制模組30及一分析模組40。

首先請參考圖3所示，為該第一光纜11之配置示意圖。該複數個第一光收發模組10係分別對應連接該些第一光纜11的一端，該些第一光纜11係沿著第一方向分散排列在一監測區域100，在此實施例中，第一光纜11係沿著縱向排列在該監測區域100，該監測區域100為山坡表面。其中，各第一光纜11內部具有至少二條光纖芯線，且各第一光纜11是由多條的光纜線段以多個第一感測器12串接構成。

再請參考圖4所示，為該等第二光纜21之配置示意圖，該複數個第二光收發模組20係分別對應連接該些第二光纜21的一端，該些第二光纜21係沿著第二方向分散排列在該監測區域100，在此實施例中，第二光纜21係沿著縱向排列在該監測區域100，其中，所使用之第二光纜21的數量不需等同於該第一光纜11的數量。各第二光纜21內部也是具有至少二條光纖芯線，各第二光纜21也是由多段的光纜線段以多個第二感測器22串接構成。

該控制模組30係連接該些第一光收發模組10及第二光收發模組20，負責控制各第一光收發模組10分別發射第一檢測信號進入到第一光纜11，並通過該第一光收發模組10接收從第一光纜11回傳的第一回傳信號。同樣的，該控制模組30也控制各第二光收發模組20分別發射第二檢測信號進入到第二光纜21，並通過該第二光收發模組20接收從第二光纜11回傳的第二回傳信號。

前述的第一回傳信號是第一檢測信號到進入到第一光纜11後，再由該第一光纜11末端返回之信號，在此是指回傳的光功率強度；同理，第二回傳信號是第二檢測信號到進入到第二光纜21之後，再由該第二光纜21末端回傳的光功率強度。為了達到信號回傳目的，可使用一光纖熔接機將各第一光纜11的末端直接熔接，同時亦將第二光纜21的末端直接熔接，使同一光纜內的光纖芯線相連而形成迴路；或在第一光纜11的末端連接一光纖回接單元50，同時亦將第二光纜21的末端連接一光纖回接單元50，各該光纖回接單元50包含有一個光纖配接器(fiber adapter)及兩個光纖連接器(fiber connector)，兩光纖連接器分別連接同一光纜內的二條不同光纖芯線的末端，再將兩光纖連接器共同插接至該光纖配接器，同樣可以達到連接光纖芯線以形成迴路的目的。

該控制模組30可將接收到的第一回傳信號、第二回傳信號進一步分別轉換為數位信號格式之後，再傳送給分析模組40。

該分析模組40連接該控制模組30，可將接收到的該第一回傳信號、第二回傳信號與該分析模組40上相對應個別第一光纜11與個別第二光纜21的預設閥值相比較，判斷監測區域100是否有事件發生。當該分析模組40判斷出有事件發生，可產生一告警信號並對外傳輸，供接收該告警信號之外部警報裝置或平台發布告警資訊，例如透過警報聲響、燈號、網路發布、個人行動裝置等。

請參考圖5所示，為第一感測器12或第二感測器22之一種可行實施例，每個感測器可包含二光纖連接器61及一光纖配接器62。在正常情況下，兩光纖連接器61係分別連接各自的光纜線段，且共同插接在該光纖配接器62以維持對接。

請參考圖6、圖7，當有地質災害事件發生時，例如土石流、滑坡或類似情形導致地形地貌改變，原本連接的光纖連接器61與光纖配接器62有可能互相脫離，或是導致光纜線段過度彎曲變形，任何一種情況都會導致該光紀內的第一回傳信號或第二回傳信號發生強度改變而低於該預設閥值，由此可判斷出該光纖所在之位置應有事件產生。

請參考圖8所示，利用4＊4之感測器陣列為例說明如何用於邊坡之災害監測，本實施例使用到4個第一光收發模組10A~10D，該4個第一光收發模組10A~10D分別連接4條第一光纜11A~11D，每一條第一光纜11A~11D均具有4個第一感測器12a~12p；同理，4個第二光收發模組20A~20D分別連接4條第二光纜21A~21D，每一條第二光纜21A~21D均具有4個第二感測器22a~22p，該些第一感測器12a~12p與第二感測器22a~22p呈陣列分佈在監測區域100的表面，每一個第一感測器與對應的一第二感測器的位置相近排列。

在正常情況下，因各第一光纜11A~11D、第二光纜11A~11是直順地延伸分布在監測區域100的表面，且各第一感測器12a~12p、第二感測器22a~22p亦正常工作，該第一光收發模組10A~10D接收到之第一回傳信號與第二光收發模組20A~20D接收到之第二回傳信號皆會大於該預設閥值，所以分析模組40可判斷無災害事件發生。

當監測區域100內的某一範圍發生災害事件時，例如虛線範圍表示該位置為一災害區域200，該災害區域200內之第一感測器12k與第二感測器22k因地形地貌改變而觸發，即構成第一感測器12k的光纖連接器61與光纖配接器62分離，構成第一感測器22k的光纖連接器61與光纖配接器62也同樣分離，或第一光纜11C第二光纜21C明顯彎曲，其對應之第一光收發模組10C、第二光收發模組20C接收到之第一回傳信號、第二回傳信號的強度會大幅下降，而低於該預設閥值，因此該分析模組40即可判斷有事件發生，且所在位置為該第一光纜11C與第二光纜21C之相交區域，該分析模組40即可發出一告警信號。

該分析模組40內之預設閥值可根據監測區域100的實地情況而決定，以排除諸如少數石塊掉落、人為觸碰、動物誤碰等非災害事件的誤判情況。除此之外，該分析模組40也可根據第一感測器12、第二感測器22之分布密度，進一步限制要多少數量之相鄰感測器皆被觸發，才視為是成立災害事件，換言之，該分析模組40即可設定要在多大範圍內偵測到有異常情形才視為是滑坡事件。

綜上所述，本創作光纖式邊坡災害監測方法及系統相較於傳統之監測技術，係具備下述特點：

1.本創作之感測器係為被動式光學零件，無需設置電源，可簡化施工複雜度及避免電池更換問題。

2.本創作之光纖不受天候干擾，不會產生因天候不佳而導致信號被干擾或遮蔽的問題。

3.根據監測域區的實地條件，可任意彈性調整光纖與感測器的佈設密度及位置。

4.本創作不必使用昂貴的光時域反射儀(OTDR)或布理淵光時域反射儀(BOTDR)、光纖光柵等設備，即可達監測功效，其整體製作成本可以明顯降低而有利於實際推廣運用，提高邊坡區域之安全性。

5.所使用之光纖線可事先與感測器組裝完成，施工人員在實地現場即單純舖設即可，簡化施工作業。

10、10A~10D‧‧‧第一光收發模組
11、11A~11D‧‧‧第一光纜
12、12a~12p‧‧‧第一感測器
20、20A~20D‧‧‧第二光收發模組
21、21A~21D‧‧‧第二光纜
22、22a~22p‧‧‧第二感測器
30‧‧‧控制模組
40‧‧‧分析模組
50‧‧‧光纖回接單元
61‧‧‧光纖連接器
62‧‧‧光纖配接器
100‧‧‧監測區域
200‧‧‧災害區域

圖1：本創作光纖式邊坡災害監測方法之流程圖。 圖2：本創作光纖式邊坡災害監測系統之示意圖。 圖3：本創作之第一光纜的施工示意圖。 圖4：本創作之第二光纜的施工示意圖。 圖5：本創作之感測器其正常狀態示意圖。 圖6：本創作之感測器受地質災害影響之狀態示意圖。 圖7：本創作之感測器受地質災害影響之另一狀態示意圖。 圖8：本創作應用於一邊坡監測區域之使用示意圖。

10‧‧‧第一光收發模組

11‧‧‧第一光纜

12‧‧‧第一感測器

20‧‧‧第二光收發模組

21‧‧‧第二光纜

22‧‧‧第二感測器

30‧‧‧控制模組

40‧‧‧分析模組

50‧‧‧光纖回接單元

100‧‧‧監測區域

Claims (11)

1. 一種光纖式邊坡災害監測方法，應用於檢測一監測區域，該方法包含： 沿第一方向舖設複數條第一光纜於該監測區域上，各條第一光纜上串接有複數個第一感測器； 沿第二方向舖設複數條第二光纜於該監測區域上，其中，各該第二光纜與各第一光纜相交排列且串接有複數個第二感測器，各該第二光纜上之各第二感測器係與相交之第一光纜上的對應第一感測器成對地鄰近排列； 於各該第一光纜上傳送一第一檢測訊號，並偵測該第一檢測訊號在該第一光纜內返回後之一第一回傳信號； 於各該第二光纜上傳送一第二檢測訊號，並偵測該第二檢測訊號在該第二光纜內返回後之一第二回傳信號； 根據該些第一回傳信號及該些第二回傳信號，判斷該監測區域內是否發生一地質事件。
2. 如請求項1所述之光纖式邊坡災害監測方法，在判斷該監測區域內是否發生一事件之步驟中，該些第一回傳信號及該些第二回傳信號係與一預設閥值比較，若該些第一回傳信號及該些第二回傳信號小於該預設閥值即表示發生該地質事件。
3. 如請求項2所述之光纖式邊坡災害監測方法，在判斷該監測區域內是否發生一事件之步驟中，係依據小於該預設閥值的該第一回傳信號及該第二回傳信號對應之第一光纜與第二光纜的相交位置，確定該地質事件之所在位置。
4. 如請求項1至3項中任一項所述之光纖式邊坡災害監測方法，當判斷有發生該地質事件時，係進一步產生一告警信號。
5. 如請求項4所述之光纖式邊坡災害監測方法，該第一回傳信號及第二回傳信號皆為光功率強度信號。
6. 一種光纖式邊坡災害監測系統，應用於檢測一監測區域，該系統包含： 複數條沿第一方向舖設於該監測區域的第一光纜，各條第一光纜內至少具有二條光纖芯線，且各第一光纜係由複數個第一感測器串接複數條光纖線段構成； 複數條沿第二方向舖設於該監測區域的第二光纜，各條第二光纜內至少具有二條光纖芯線，且各第二光纜係由複數個第二感測器串接複數條光纖線段構成，各該第二光纜上之各第二感測器係與相交之第一光纜上的對應第一感測器成對地鄰近排列； 複數個第一光收發模組，係分別連接該些第一光纜的前端，以各別傳送一第一檢測訊號至對應的第一光纜並接收該第一檢測訊號在該第一光纜內返回後之一第一回傳信號； 複數個第二光收發模組，係分別連接該些第二光纜的前端，以各別傳送一第二檢測訊號至對應的第二光纜並接收該第二檢測訊號在該第二光纜內返回後之一第二回傳信號； 一控制模組，係連接該些第一光收發模組及該些第二光收發模組，以接收該些第一回傳信號及該些第二回傳信號； 一分析模組，係連接該控制模組以接收由控制模組輸出的該些第一回傳信號及該些第二回傳信號，根據該些第一回傳信號及該些第二回傳信號，判斷該監測區域內是否發生一地質事件。
7. 如請求項6所述之光纖式邊坡災害監測系統，該分析模組內儲存一預設閥值，該分析模組將該些第一回傳信號及該些第二回傳信號與預設閥值比較，若該些第一回傳信號及該些第二回傳信號小於該預設閥值即表示發生該地質事件。
8. 如請求項7所述之光纖式邊坡災害監測系統，該控制模組係將該些第一回傳信號及該些第二回傳信號轉換為數位信號後輸出至該分析模組。
9. 如請求項7所述之光纖式邊坡災害監測系統，各第一光纜及各第二光纜的另一端係連接一光纖回接單元，該光纖回接單元包含有一個光纖配接器及兩個光纖連接器，該兩光纖連接器分別連接同一光纜內的二條不同光纖芯線的末端，兩光纖連接器係共同插接至該光纖配接器。
10. 如請求項7所述之光纖式邊坡災害監測系統，在各第一光纜末端的二條光纖芯線係熔接相連；在各第二光纜末端的二條光纖芯線係熔接相連。
11. 如請求項7所述之光纖式邊坡災害監測系統，各該第一感測器及包含一個光纖配接器及兩個光纖連接器，該兩個光纖連接器係分別連接第一光纜之相鄰兩光纖線段，再共同插接至該光纖配接器； 各該第二感測器包含一個光纖配接器及兩個光纖連接器，該兩個光纖連接器係分別連接第二光纜之相鄰兩光纖線段，再共同插接至該光纖配接器。