TWI693384B - 地貌結構感測系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供之地貌感測系統包括一支撐柱，至少部分埋設於河床、海床、或坡地中，並具有一容置空間；一訊號傳輸單元，容設於該容置空間中；及至少一感測裝置，於垂直方向間隔地設置於該支撐柱上，並埋設於該河床、海床、或坡地中，所述感測裝置係連接該訊號傳輸單元，且於該河床或海床的結構改變而外露於該河床或海床外並經沖刷後，送出一感測訊號至該訊號傳輸單元。

Description

地貌結構感測系統

本發明係有關於一種地貌結構感測系統，尤指一種可即時監測河床或海床沖刷深度、或監測坡地滑動及土石流之地貌結構感測系統。

在氣候不穩定、河川水流湍急、地勢起伏劇烈的地理環境下，再加上土地過度開發等人為因素，當豪雨或颱風來襲時，突如其來的洪水沖刷河床常導致河床掏空、土石流、或山坡地滑動等問題，尤其對於橋墩的結構穩定與安全性造成嚴重的威脅。

然而，傳統的河床沖刷深度及水位高度的量測主要是依靠人工檢測，但人工檢測的準確性必須依賴檢測人員的操作經驗，而在颱風或豪雨的氣候下因量測人員的安全問題，無法即時掌握河床被沖刷的情況，故當河床被掏空導致橋墩損壞時，無法有效率地發出警告，而可能造成用路人的生命財產損失。因此，近年來，已陸續發展多種監測沖刷其水位狀況的裝置，來監視河床的沖刷情況。舉例來說，河床監控系統可分為接觸式以及非接觸式，其中，接觸式的監控系統可例如利用絞索將重錘延固定套管延伸至沖刷面，利用絞索的收放量來測定沖刷狀況，然而，此種監測方法需要在現場量測，且容易受到泥沙回淤或濃度過高等因素影響，無法準確且即時地掌握河床結構的狀況。再者，非接觸式的監控系統可例如藉由於河床斷面等距設置數個縱向排列的溫度計，透過所述溫度計的溫度變化來推斷每一個溫度計所在的位置的河床是否被掏空，然而，溫度計長期設置於河床下容易受損故障，故依然難以正確掌握河床結構的變化。

有鑑於此，目前亟需發展一種結構簡單、低成本、且壽命長的地貌感測系統，以即時掌握因洪水沖刷的河床深度，監控橋梁的結構安全性。

本發明之一目的在於提供一種地貌感測系統，可即時監測河床或海床沖刷深度、或監測坡地滑動及土石流。

為達到上述之目的，本發明提供之地貌感測系統包括一支撐柱，至少部分埋設於河床、海床、及坡地中之一者，並具有一容置空間；一訊號傳輸單元，容設於該容置空間中；至少一感測裝置，於垂直方向間隔地設置於該支撐柱上，並埋設於該河床、海床、及坡地中之一者，所述感測裝置係連接該訊號傳輸單元，且於該河床、海床、及坡地中之一者的結構改變而外露於該河床或、海床、或坡地外並經沖刷後，送出一感測訊號至該訊號傳輸單元。

於本發明中，該支撐柱的形狀並無特別的限制，可為中空圓柱、中空長方柱等，且較佳為鋼鐵所構成。

於一較佳實施態樣中，該感測裝置包括一盒體、一接頭、一感測單元、以及一訊號傳輸件，該盒體係藉由該接頭而連接至該支撐柱上，該感測單元係容設於該盒體中，該訊號傳輸件係自該盒體連接該感測單元，並穿過該接頭而連接容設於該容置空間中的該訊號傳輸單元。

於本發明中，該盒體的形狀無特別的限制，可為中空的球體、正方體、長方體等。

根據上述之實施態樣，該地貌感測系統更包括複數個防撞裝置，設置於該感測裝置的外側，並圍繞該感測裝置。然而，於本發明中，該防撞裝置之結構並無特別的限制，只要不阻礙河水/海水或河床/海床的土壤與該感應裝置接觸，且可保護該支撐柱以及該感測裝置不受大型的石塊、流木、或其他物件撞擊即可使用。舉例而言，可為具有孔洞的套筒、複數個並列的支柱、防護網結構等。而於一較佳實施態樣中，上述之該防撞裝置係由複數個支柱圍繞該感測裝置排列而成。

根據上述之實施態樣，該防撞裝置更包括複數個加勁隔板，其實質上垂直該支柱且間隔地設置於相鄰的感測裝置之間。如此一來，該加勁隔板除了可加強整體該地貌感測系統的強度之外，亦可避免河水或海水由整體結構的頂部灌注並接觸該感測裝置，使得該感測裝置輸出錯誤地感測訊號，影響準確度。

根據上述之實施態樣，該接頭較佳係可轉動的接頭，該感測裝置經由該接頭設置於該支撐柱上時，該感測裝置可相對於該支撐柱轉動，使得該感測裝置可隨著河水、海水、或土石流等流動而產生飄動。於一較佳實施態樣中，該接頭係選自一萬向接頭、一浮動接頭、或一套筒接頭。其中又以萬向接頭為較佳。

根據上述之實施態樣，該感測單元係包括至少一選自由一加速感測計、壓力感測計、震動感測計、以及溫度感測計所組成之群組。

根據上述之實施態樣，該盒體的內壁係包括一固定件，供該感測單元固定於該盒體中。

此外，根據上述之實施態樣，該盒體內部係以灌膠填充，除了可固定設置於該盒體中的感測單元，更可藉此達到防水的功能，避免感測單元的損壞。

另外， 根據上述之一較佳實施態樣，該盒體為一中空球體。此外，該感測系統可更包括至少一耳掛部，而該支撐柱可更包括至少一固定繩，該固定繩的一端套設於對應之該耳掛部上，以穩固該感測裝置。該固定繩係用以穩固該感測裝置相對於該支撐柱的位置及角度，並支撐該感測裝置的重量。此外，該耳掛部及該固定繩的數量並無特別的限制。

於另一實施態樣中，該感測裝置係包括一壓板、一彈性件、至少一感測單元、以及一訊號傳輸件，該彈性件包含一前端以及一後端，該前端係連接該壓板，該後端係固定於該支撐柱，該感測單元係設置於該壓板上或該彈性件之該後端處，以及，該訊號傳輸件係連接所述感測單元，並連接容設於於該容置空間中的該訊號傳輸單元。

根據上述之實施態樣，該壓板係受一外力後，係將該外力傳遞至該彈性件之該前端，使得該彈性件之前端係隨該外力的改變而被壓縮或釋放。

根據上述之實施態樣，當該感測單元設置於該壓板上時，該感測單元係包括至少一選自由加速感測計、影像感測計、及震動感測計所組成之群組；當該感測單元設置於該彈性件之後端時，該感測單元係一壓力感測計。

根據上述之實施態樣，該彈性件係一彈簧。

根據上述之實施態樣，該感測裝置係設置於該支撐單元之一表面上以凸出該表面，或設置於該支撐單元之內部且該壓板係自該支撐單元之該表面顯露。

於本發明一較佳實施態樣中，該感測系統更包括一訊號處理單元，接收該感測裝置輸出的該感測訊號並藉由該感測訊號以判斷河床結構改變的情況，舉例而言，原本埋設於河床土壤內的感測裝置為靜止不動，此時該感測訊號應為一定值，而當河床經河水沖刷而掏空時，原本埋設於河床土壤中的感測裝置外露於河水中，且受到河水流動的影響，則會使得該感測裝置產生變動的感測訊號，從而，可藉此感測訊號的變動而判定河床的位置。

詳細而言，由於所述感測裝置是垂直並間隔地埋設於河床或海床土壤中，且每一感測裝置皆位於一固定的深度，當河床或海床被沖刷時可藉由是否產生變動的感測數值來推定所述感測裝置中有部分感測裝置外露於河水中，從而可藉由該訊號處理裝置進一步計算並推知河床或海床被掏空的一沖刷深度值。此外，該訊號處理裝置係設定有一預定參考值，而當該沖刷深度值高於該預定參考值時則會發出一警告訊號。另外，加速感測計、壓力感測計、震動感測計、或溫度感測計等亦是藉由埋設於河床土壤中與經沖刷而外露於河水中的情況下能夠產生可區別的加速度、壓力、震動、或溫度訊號，進而推知河床掏空的深度、流速、水位高度等參數。

根據上述之感測系統，所述感測裝置可為至少一選自由一加速感測計、一壓力感測計、一震動感測計、影像感測計、及一溫度感測計所組成之群組。而其中係以該加速感測計及該震動感測計為較佳。然而，本發明之感測裝置並不受限於此，只要當所述感測裝置因河床掏空而外露於河流中時可產生一不同的感測訊號的感測器皆可使用。舉例而言，當所述感測裝置為震動感測計時，埋於河床土壤中的所述感測裝置由於是靜止不動的，故所述震動感測計所量測之數值應為一定值，而當河水沖刷河床導致所述感測裝置外露於河水水流中時，由於所述震動感測計受水流的影響而位移或震動而產生變動的數值。因此，可藉由其變動的數值來判定該感測裝置所設置的位置是否有河床沖刷的現象。

本發明所提供之地貌感測系統可用於監測河床或海床的沖刷深度及水位高度/流速，以掌握防洪安全，並於危急時適時地提供安全警告，確保河工及海工構造物(如橋墩、堤防、鑽油平台、離岸風力發電設施等)之安全性。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。惟需注意的是，以下圖式均為簡化之示意圖，圖式中之元件數目、形狀及尺寸可依實際實施狀況而隨意變更，且元件佈局狀態可更為複雜。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

[實施例1]

本實施例之地貌結構感測系統1000之立體結構係如圖1所示，其主要包括一支撐柱1、一訊號傳輸單元2、複數個感測裝置3、以及複數個防撞裝置4。該支撐柱1中具有一容置空間，係用於容置該訊號傳輸單元2，而所述感測裝置3係於垂直於河床方向間隔地設置於該支撐柱1上，所述感測裝置3皆連接該訊號傳輸單元2，以送出該感測裝置3所測得之感測訊號。所述防撞裝置4係設置於該感測裝置3的外側並圍繞所述感測裝置3以保護所述感測裝置3。該訊號傳輸單元3則連接一訊號處理單元，以將感測訊號輸入至該訊號處理單元並處理該感測訊號。

於本實施例中，係以跨河橋的橋墩為例，故該支撐柱1可為橋墩，而該支撐柱1以及所述感測裝置3係埋設於河床下。而所述感測裝置3的數量沒有特別的限制，相鄰的感測裝置3之間的間距亦無特別的限制，可依照河床深度或橋墩結構(支撐柱1)來設計。

詳細而言，該支撐柱1可部分埋設於河床下，部分顯露於河水中，以及部分顯露於河面上。該支撐柱1內部之該容置空間係用於容置該訊號傳輸單元2，而該訊號傳輸單元2係一訊號傳輸線，以連接所述感測裝置3以及該訊號處理單元，而該訊號處理單元可設置於該支撐柱1上，即橋墩上。所述感測裝置3與該支撐柱1之間的連接關係係如圖2所繪示，所述支撐柱1上設有兩個掛勾12，並藉由兩條連接線14連接所述掛勾以及該感測裝置3以穩定該感測裝置3，並減少重力對於該感測裝置3的影響，以增加感測訊號的正確度。

接著，請再參照圖1，所述防撞裝置4包括複數個支柱41以及複數個加勁隔板42，所述支柱41係圍繞所述感測裝置3以保護所述感測裝置3，避免所述感測裝置3受到河水或海水中漂流物的撞擊而損壞，而所述加勁隔板42係垂直該支柱且間隔地設置於相鄰的感測裝置3之間。所述加勁隔板的設置除了可穩固所述支撐柱1以及所述支柱41，以加強其結構強度之外，更可避免河流或海流因碰撞該支撐柱1轉向而形成的向上或向下的水流由頂部灌注所述感測裝置3，而影響所述感測裝置3的準確度。

接下來更詳細說明該感測裝置之結構，請參照圖3及圖4所分別繪示之立體圖及爆炸圖，該感測裝置3主要包括一盒體31、一接頭32、一感測單元33、以及訊號傳輸件34。其中，該盒體31呈中空球形，並具有上半球部311、下半球部312、及設置於該下半球部312外表面上之兩個掛耳部313，該上半球部311與該下半球部312可相互組配成一中空球體，而兩個掛耳部313則是供上述之兩條連接線14固定之處。該上半球部311之內壁上設置有一固定件3111，供該感測單元33固定於其上，使得該感測單元33可容設於該盒體31中。該接頭32為一萬向接頭，包括一軸體321、一球轉軸322、以及一耦接部323，該軸體321係與該球轉軸322連接，而該耦接部323係套設於該球轉軸322上，故該耦接部323可相對該軸體321轉動。此外，該接頭32與該盒體31之間藉由一連接件35而彼此連接。於本實施例中，該感測單元3係以震動感測計為例，由於該盒體31與該支撐柱1之間設置有該萬向接頭，故該盒體31可自由地相對該支撐柱1產生動作，又因水流流經該盒體31使得該盒體31受力而產生震動，因此該震動感測計可感測震動訊號作為該感測裝置3是否已因沖刷而從河床外露。

具體而言，每一感測裝置3皆設置於河床下一固定的深度，而於原始狀態下，每一感測裝置3係埋設於河床下且為靜止狀態，故不會產生震動的感測訊號。而當河床經沖刷後，會使得一部份的感測裝置3外露於河水中，而該感測裝置3之盒體31受河水流動的影響而震動，使得盒體31中的感測單元33產生震動的感測訊號。故此時可藉由是否產生變動的感測訊號來推斷所述感測裝置3中有部分感測裝置外露於河水中，再藉由訊號傳輸單元2將每一感測裝置3之感測訊號傳輸至訊號處理單元中，以計算河床被掏空的一沖刷深度值。

再者，該訊號處理單元係藉由該訊號傳輸單元2而接收來自所述感測裝置3的感測訊號，並處理所接收的感測訊號後，輸出該河床之該沖刷深度值。接著，該訊號處理單元可藉由無線或有線的傳輸方式將該沖刷深度值傳輸至一接收端。更詳細而言，該訊號處理單元可更包括一通信模組，該通信模組可於一預定時間間隔讀取該沖刷深度值或水位高度值，並傳輸至該接收端以利即時監控河水的沖刷深度，而當該沖刷深度值若大於該預定參考值，則會即時傳輸該警告訊號提醒管理人員。

[實施例2]

本實施例之地貌結構感測系統2000之立體結構係如圖5所示，其設置位置，以及作用原理皆與實施例1所述類似，故不在此贅述。該地貌結構感測系統2000主要包括一支撐柱1、一訊號傳輸單元2、以及複數個感測裝置6。其中，該支撐柱1中具有一容置空間以容置該訊號傳輸單元2，其特徵與實施例1相似故不在此贅述。而所述感測裝置6係垂直於河床方向間隔地設置於該支撐柱1上，所述感測裝置3接連接該訊號傳輸單元2，以送出該感測裝置6所測得之感測訊號，並將感測訊號輸入至一訊號處理單元，以計算河床被掏空的一沖刷深度值。

本實施例與實施例1不同之處在於感測裝置6之結構，請參照圖6，於本實施例中，該感測裝置6係包括一壓板61、一彈性件62、複數個感測單元63、以及一訊號傳輸件64(圖5)。其中，該彈性件62包含一前端621以及一後端622，該前端621係連接該壓板，而該後端622則固定於該支撐柱1。該感測單元63係設置於該壓板61上以及該彈性件62之後端622。

於本實施例中，設置於該壓板61上之一個感測單元63為震動感測器，而設置於該彈性件62後端622的兩個感測單元63為壓力感測器，而在原始狀態下，每一感測裝置6係埋設於河床下且為靜止狀態，故設於壓板61上之振動感測單元63不會產生震動的感測訊號，而設置於彈性件62後端622的兩個壓力感測單元63亦不會產生壓力變化的感測訊號。而當河床經沖刷後，會使一部份的感測裝置6外露於河水中，河水的流動會施加不同的壓力於該壓板61上，使得壓板61震動，故設置於該壓板61上之震動感測單元63會產生震動的感測訊號；再者，由於壓板61的震動，該彈性件62進而壓縮或釋放，故設置於該彈性件62後端622之壓力感測單元63可感測到壓力的變化而產生壓力的感測訊號。故此時可藉由是否產生變動的震動及壓力感測訊號來推斷所述感測裝置6中有部分外露於河水中，再藉由訊號傳輸單元2將每一感測裝置6之感測訊號傳輸至訊號處理單元中，以計算河床被掏空的一沖刷深度值。

再者，該訊號處理單元係藉由該訊號傳輸單元2而接收來自所述感測裝置6的感測訊號，並處理所接收的感測訊號後，輸出該河床之該沖刷深度值。接著，該訊號處理單元可藉由無線或有線的傳輸方式將該沖刷深度值傳輸至一接收端。更詳細而言，該訊號處理單元可更包括一通信模組，該通信模組可於一預定時間間隔讀取該沖刷深度值或水位高度值，並傳輸至該接收端以利即時監控河水的沖刷深度，而當該沖刷深度值若大於該預定參考值，則會即時傳輸該警告訊號提醒管理人員。

1000、2000‧‧‧地貌結構感測系統1‧‧‧支撐柱12‧‧‧掛勾14‧‧‧連接線2‧‧‧訊號傳輸單元3、6‧‧‧感測裝置31‧‧‧盒體311‧‧‧上半球部3111‧‧‧固定件312‧‧‧下半球部313‧‧‧掛耳部32‧‧‧接頭321‧‧‧軸體322‧‧‧球轉軸323‧‧‧耦接部33‧‧‧感測單元34‧‧‧訊號傳輸件35‧‧‧連接件4‧‧‧防撞裝置41‧‧‧支柱42‧‧‧加勁隔板6‧‧‧感測裝置61‧‧‧壓板62‧‧‧彈性件621‧‧‧前端622‧‧‧後端63‧‧‧感測單元64‧‧‧訊號傳輸件

圖1係本發明實施例1之地貌結構感測系統之立體示意圖。 圖2係本發明實施例1之地貌結構感測系統之部分立體示意圖。 圖3係本發明實施例1之感測裝置之立體示意圖。 圖4係本發明實施例1之感測裝置之爆炸示意圖。 圖5係本發明實施例2之地貌結構感測系統之示意圖。 圖6係本發明實施例2之感測裝置之示意圖。

1000‧‧‧地貌結構感測系統

1‧‧‧支撐柱

2‧‧‧訊號傳輸單元

3‧‧‧感測裝置

4‧‧‧防撞裝置

41‧‧‧支柱

42‧‧‧加勁隔板

Claims (7)

1. 一種地貌結構感測系統，包括：一支撐柱，至少部分埋設於河床、海床、及坡地中之一者，並具有一容置空間；一訊號傳輸單元，容設於該容置空間中；以及至少一感測裝置，於垂直方向間隔地設置於該支撐柱上，並埋設於該河床、海床、及坡地中之一者，所述感測裝置係連接該訊號傳輸單元，且於該河床、海床、及坡地中之一者的結構改變而外露於該河床、海床、及坡地中之一者外並經沖刷後，送出一感測訊號至該訊號傳輸單元；其中，該感測裝置包括一壓板、一彈性件、至少一感測單元、以及一訊號傳輸件，該彈性件包含一前端以及一後端，該前端係連接該壓板，該後端係固定於該支撐柱，該感測單元係設置於該壓板上及該彈性件之該後端處，其中，設置於該壓板之該感測單元包括至少一選自由加速感測計、影像感測計、及震動感測計所組成之群組，設置於該彈性件之該後端處之該感測單元係一壓力感測計，以及，該訊號傳輸件係連接所述感測單元，並連接容設於該容置空間中的該訊號傳輸單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感測系統，其中，該支撐柱係選自一中空圓柱及中空長方柱所組成之群組。
3. 如申請專利範圍第2項所述之感測系統，其中，該支撐柱係由鋼鐵所構成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之感測系統，該壓板係受一外力後，係將該外力傳遞至該彈性件之該前端，使得該彈性件之前端係隨該外力的改變而被壓縮或釋放。
5. 如申請專利範圍第1項所述之感測系統，其中，該彈性件係一彈簧。
6. 如申請專利範圍第1項所述之感測系統，其中，該感測裝置係設置於該支撐單元之一表面上以凸出該表面，或設置於該支撐單元之內部且該壓板係自該支撐單元之該表面顯露。
7. 如申請專利範圍第1項所述之感測系統，更包括一訊號處理單元，接收該感測裝置輸出的該感測訊號並藉由該感測訊號以判斷地貌結構改變的情況。

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