TWI787915B

TWI787915B - 人手孔監控系統及人手孔監控方法

Info

Publication number: TWI787915B
Application number: TW110126588A
Authority: TW
Inventors: 宋文財; 張博軒
Original assignee: 國立勤益科技大學
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2022-12-21
Also published as: TW202305753A

Abstract

本發明係提供一種人手孔監控系統及人手孔監控方法，該人手孔監控系統，包括數個感測單元、數個風扇、數個閘道器及一監控單元，其中各該感測單元分別配置於地下管道的多個人手孔，該感測單元用於感測該人手孔內部的可燃性氣體濃度、溫度及濕度，將感測所得通過該閘道器傳送雲端伺服器，並可基於該可燃性氣體濃度的數據、該溫度的數據及該濕度的數據，進行模糊推論，解模糊化得出判斷決策，進而基於該判斷決策控制該風扇運作，避免發生氣爆事件，並可降低各該人手孔巡檢及維護的困難度。

Description

人手孔監控系統及人手孔監控方法

本發明係涉及一種地下管道的維護管理；特別是指一種人手孔監控系統及人手孔監控方法之創新技術揭示者。

都市地區在地面下設有若干地下管道，利用該地下管道作為電力、天然氣、通訊、自來水等系統的設置通道，該地下管道基於功能及目的上的不同，設有若干數量的人孔或手孔，並於該人孔或該手孔相應設置人孔蓋或手孔蓋，該人孔及該手孔通常統稱為人手孔，該人孔蓋及該手孔蓋統稱為人手孔蓋。

該人手孔受到地面上交通的長期衝擊，設備隨著時間的經過而劣化，容易發生管線龜裂、地下水滲漏或汙水滲出、接頭脫離、地面工程廢棄的水泥砂漿流入、樹根侵入、管材腐蝕及排氣爆炸等問題，該地下管道及該人手孔需要有效的管理及維護，定期開啟該人手孔蓋，人員或設備得以進入人手孔，對該地下管道、該人手孔及施設於該地下管道的各類系統，進行必要的調查及診斷維護，以防止後續所帶來的事故發生。

甲烷（CH ₄）是一種無色無味的氣體，比重輕（當空氣為 1 時，甲烷比重為0.5542），燃點約537℃，濃度5~15.4％時，遇火會產生爆炸，是地下管道及人孔中常見沼氣（Marsh gas）的主要成分，沼氣除了甲烷外，尚包括硫化氫（H ₂S）、一氧化碳、二氧化碳和重烴（heavy hydrocarbon）等氣體；一般而言，在地面下的人孔，常會因地底下一些物質，如細菌分解有機物發生化學變化產生氣體，尤其在缺氧環境下容易產生甲烷、一氧化碳及硫化氫等氣體，進而形成了沼氣，存在於該人手孔及該地下管道的沼氣濃度過高時，容易發生氣爆事件；基於維修或巡檢的目的，欲進入該人手孔時，需要在開啟該人手孔蓋後，使用缺氧及有害氣體檢測器進行檢測，確認該人手孔內部的狀態符合安全規範後，始能進入該人手孔。

查，前述人工巡檢的做法，於實際應用經驗中發現仍舊存在下述問題與缺弊：都市地區往往多達數萬個該人手孔及相應的該人手孔蓋，龐大的數量導致依賴人力對各該人手孔及各該人手孔蓋進行巡檢，成為沉重的負擔，近年來施行的人手孔蓋入地化措施，提高了尋找該人手孔蓋時，目視辨識該人手孔蓋的難度，更形提高巡檢及維護的困難度。

本發明之主要目的，係在提供一種人手孔監控系統及人手孔監控方法，其所欲解決之技術問題，係針對如何研發出一種更具理想實用性之新式人手孔監控系統及方法為目標加以思索創新突破。

基於前述目的，本發明解決問題之技術特點，主要在於該人手孔監控系統係包括：

數個感測單元，各該感測單元分別配置於地下管道的多個人手孔，該感測單元包括一氣體感測模組、一溫濕度感測模組、一微處理器及一無線通訊器，其中該氣體感測模組及該溫濕度感測模組分別連接該微處理器，該微處理器連接該無線通訊器，該氣體感測模組用於感測該人手孔內部的可燃性氣體濃度，並將感測所得該可燃性氣體濃度傳送該微處理器，該溫濕度感測模組用於感測該人手孔內部的溫度及濕度，並將感測所得溫度及濕度傳送該微處理器，該微處理器通過該無線通訊器對外傳送該可燃性氣體濃度、該溫度及該濕度；

數個風扇，各該風扇分別對應各該感測單元設於各該人手孔，各該風扇分別連接各該微處理器，據使各該微處理器分別控制各該風扇運轉；

數個閘道器，各該閘道器及各該感測單元的該無線通訊器形成分層式拓樸結構，各該閘道器分別與相應的至少一個該無線通訊器通過無線網路形成無線傳輸，且各該閘道器分別連線一雲端伺服器，據此傳送該可燃性氣體濃度、該溫度及該濕度；以及

一監控單元，該監控單元連線該雲端伺服器，據以顯示各該感測單元的運作及感測資訊，且該監控單元連接一警示器，據使該警示器示警。

該人手孔監控系統執行的人手孔監控方法，包括依序執行的以下步驟：

感測人手孔的環境數據：該人手孔監控系統的多個感測單元分別感測設置各該感測單元之人手孔的可燃性氣體濃度、溫度及濕度，據此作為各該人手孔及地下通道位於各該人手孔周遭區域的環境狀態的判斷依據；

比對及判斷：基於該可燃性氣體濃度的數據、該溫度的數據及該濕度的數據，進行模糊推論，解模糊化得出判斷決策；

應對作為：該人手孔監控系統記錄該可燃性氣體濃度的數據、該溫度的數據及該濕度的數據，並基於該判斷決策作出相應的應對作為；該應對作為包括以下至少一種：提出示警、控制相應的風扇運轉，據此提高人手孔及該地下通道的安全性。

本發明之主要效果與優點，係能夠降低該人手孔內部的可燃性氣體濃度及溫度，即時地避免發生氣爆事件，通過該警示器發送相應的警示訊息，以利於採取相應的應變作為，本發明並可降低各該人手孔巡檢及維護的困難度。

請參閱圖1、2、3所示，係本發明人手孔監控系統及人手孔監控方法之較佳實施例，惟此等實施例僅供說明之用，在專利申請上並不受此結構之限制。

所述人手孔監控系統，包括數個感測單元10、數個風扇20、數個閘道器30及一監控單元40，其中各該感測單元10分別配置於地下管道（圖未繪示）的多個人手孔（圖未繪示），該感測單元10包括一氣體感測模組11、一溫濕度感測模組12、一微處理器13及一無線通訊器14，其中該氣體感測模組11及該溫濕度感測模組12分別連接該微處理器13，該微處理器13連接該無線通訊器14，該氣體感測模組11用於感測該人手孔內部的可燃性氣體濃度，並將感測所得該可燃性氣體濃度傳送該微處理器13，該溫濕度感測模組12用於感測該人手孔內部的溫度及濕度，並將感測所得溫度及濕度傳送該微處理器13，該微處理器13通過該無線通訊器14對外傳送該可燃性氣體濃度、該溫度及該濕度。

各該感測單元10視需要分別配置於該地下通道的多個該人手孔，各該感測單元10在該地下通道的分布配置密度可視需要變化，可選擇地理位置接近的若干個該人手孔為一個群組，每一個群組分別配置一個該感測單元10，藉此降低該感測單元10的設置數量，兼顧感測的有效性，亦可選擇每一個該人手孔分別配置一個該感測單元10。

各該風扇20分別對應各該感測單元10設於各該人手孔，各該風扇20分別連接各該微處理器13，據使各該微處理器13分別控制各該風扇20運轉，藉此降低該地下通道位於該人手孔及其周邊區域的可燃性氣體濃度或溫度，降低氣爆發生的潛在危險性。

各該閘道器30及各該感測單元10的該無線通訊器14形成分層式拓樸結構，各該閘道器30分別與相應的至少一個該無線通訊器14通過無線網路形成無線傳輸，且各該閘道器30分別連線一雲端伺服器50，據此傳送該可燃性氣體濃度、該溫度及該濕度。

各該閘道器30及各該感測單元10的該無線通訊器14形成分層式拓樸結構，使得任一個該無線通訊器14損壞時，不會影響其他該無線通訊器14與相應之各該閘道器30之間的訊號傳輸；各該閘道器30可視需要選擇連接一至數個不等的該無線通訊器14形成無線連接，各該閘道器30連接的該無線通訊器14的數量得視各該人手孔在該地下通道的分佈決定，且各該閘道器30分別設置於該地下管道的外部，據此提高各該閘道器30的運作可靠度，其中各該閘道器30分別設置於地上區域為較佳，當該地下通道的某區域發生氣爆或其他足以影響該感測單元10運作的事故時，配置於地上區域的各該閘道器30不易受到該地下通道內部的事故的影響，各該閘道器30仍得以有效地連接未受損害的該無線通訊器14，降低事故對較佳實施例的損害。

各該閘道器30及相應的各該無線通訊器14選擇以LoRa通訊協定雙向傳輸為較佳，LoRa通訊協定是一種基於展頻技術的遠距離無線傳輸協定，可以實現遠距離傳輸，且同時具備低成本且低功耗的優勢，應用於在該地下通道配置各該感測單元10，LoRa通訊協定的雙向傳輸，有利於降低該無線通訊器14配置的密度及數量需求。

該監控單元40主要由中央處理器構成，該監控單元40連線該雲端伺服器50，據以顯示各該感測單元10的運作及感測資訊，且該監控單元40控制一警示器60，據使該警示器60示警；該監控單元40亦可選擇由終端設備構成。

藉由上述結構組成型態與技術特徵，本發明所述人手孔監控系統，利用分佈配置於該地下管道的多個該人手孔之各該感測單元10分別感測多個不同的該人手孔內部的可燃性氣體濃度、溫度及濕度，各該感測單元10的該微處理器13基於模糊規則庫對該可燃性氣體濃度數據、該溫度數據及該濕度數據進行模糊推論，解模糊化得出對應各該人手孔的環境狀態的判斷決策，該微處理器13將該可燃性氣體濃度數據、該溫度數據、該濕度數據及該判斷決策通過該無線通訊器14及該閘道器30傳送該雲端伺服器50，管理者可通過該監控單元40連線該雲端伺服器50監控各該人手孔的環境狀態，而可即時地監控該地下通道及各該人手孔，有助於降低人工巡檢各該人手孔的負擔，進一步而言，該微處理器13基於該判斷決策，可適時地控制該風扇20運轉，藉此降低該人手孔內部的可燃性氣體濃度及溫度，即時地避免發生氣爆事件，而該監控單元40顯示各該人手孔的狀態分別為標準、可抽風或危險，並在任一個該人手孔的狀態為可抽風或危險時，通過該警示器60發送相應的警示訊息，以利於管理者對顯示為可抽風或危險的相應該人手孔採取相應的應變作為，所述的應變作為包括派遣檢修、通知警政消防單位及通知居住民疏散等作為中的任一種或數種併行。

本發明亦可選擇由該監控單元40執行前述基於模糊規則庫對該可燃性氣體濃度數據、該溫度數據及該濕度數據進行模糊推論，解模糊化得出對應各該人手孔的環境狀態的判斷決策，並將各該判斷決策分別通過該雲端伺服器50、各該閘道器30傳送各該感測單元10，各該微處理器13分別依據相應的該判斷決策控制各該風扇20的運轉。

各該感測單元10設置時，設置人員可將各該感測單元10設置的地理位址及各該感測單元10的編碼進行綁定，並記錄於該雲端伺服器50，據此，管理者可利用該雲端伺服器50排定各該感測單元10的定期巡檢時程，巡檢人員則基於該地理位址快速且有效地定位各該感測單元10，無需依賴巡檢人員的目視尋找，降低各該人手孔巡檢及維護的困難度；所述的地理位址可以是衛星定位資訊。

具體而言，可燃性氣體濃度於標準值下的模糊規則表如表一所示，其中ON代表開啟，OFF代表關閉，LOW代表低速運轉，HIGH代表高速運轉。表一

可燃性氣體濃度-標準值以下	溫度
低	標準	高
濕度	乾	警示OFF 風扇OFF	警示OFF 風扇LOW	警示ON 風扇HIGH
標準	警示OFF 風扇LOW	警示OFF 風扇LOW	警示ON 風扇HIGH
濕	警示ON 風扇HIGH	警示ON 風扇HIGH	警示ON 風扇HIGH

可燃性氣體濃度於可抽風的模糊規則表如表二所示，其中ON代表開啟，OFF代表關閉， HIGH代表高速運轉。表二

可燃性氣體濃度-可抽風	溫度
低	標準	高
濕度	乾	警示OFF 風扇HIGH	警示OFF 風扇HIGH	警示ON 風扇HIGH
標準	警示OFF 風扇HIGH	警示OFF 風扇HIGH	警示ON 風扇HIGH
濕	警示ON 風扇HIGH	警示ON 風扇HIGH	警示ON 風扇HIGH

可燃性氣體濃度於危險的模糊規則表如表三所示，其中ON代表開啟，OFF代表關閉。表三

可燃性氣體濃度-危險	溫度
低	標準	高
濕度	乾	警示ON 風扇OFF	警示ON 風扇OFF	警示ON 風扇OFF
標準	警示ON 風扇OFF	警示ON 風扇OFF	警示ON 風扇OFF
濕	警示ON 風扇OFF	警示ON 風扇OFF	警示ON 風扇OFF

基於可燃性氣體濃度、溫度及濕度，控制該風扇20適時地運轉及其運轉轉速，並使該警示器60適時地提出警示，其中可燃性氣體濃度判定為危險時，該風扇20停止運轉，避免該風扇20運轉產生火花，導致引燃該人手孔及該地下通道內部的可燃性氣體產生氣爆，而可燃性氣體濃度在標準值以下時，若濕度高於預設值，啟動該風扇20運轉，有助於降低該人手孔的濕度，避免濕度過高影響該感測單元10的使用壽命及其感測的可靠度。

該氣體感測模組11係用於感測天然氣或甲烷中的至少一種可燃性氣體的濃度，天然氣甲烷感測器模組係該氣體感測模組11的一種具體示例。

該感測單元10進一步包括一液位感測模組15，該液位感測模組15連接該微處理器13，該液位感測模組15用於感測該人手孔的積水水位，並將感測所得之液位訊號傳送該微處理器13，據使該監控單元40監控該地下通道的積水水位，該液位感測模組15係非接觸式的紅外線液位感測器；利用該液位感測模組15感測該人手孔的積水水位，當積水水位高於預設值時，該警示器60發出警示訊息，管理者得以及時地派遣人員進行巡檢維修，避免所述的積水造成該感測單元10受損。

該感測單元10進一步包括一衛星定位模組16，其中該衛星定位模組16連接該無線通訊器14，據此傳送該感測單元10之定位資訊，據此，該感測單元10安裝設置時，施工人員可以不必繁瑣地設定並記錄該感測單元10的地理位址，利用該衛星定位模組16對該雲端伺服器50傳送衛星定位訊息，該雲端伺服器50可直接獲取各該感測單元10的地理位址，提高該感測單元10設置的方便性。

所述人手孔監控系統執行的人手孔監控方法，包括依序執行的以下步驟：

感測人手孔的環境數據：該人手孔監控系統的多個該感測單元10分別感測所設置之該人手孔的可燃性氣體濃度、溫度及濕度，據此作為各該人手孔及該地下通道位於各該人手孔周遭區域的環境狀態的判斷依據。

比對及判斷：基於該可燃性氣體濃度的數據、該溫度的數據及該濕度的數據，進行模糊推論，解模糊化得出判斷決策；所述的判斷決策包括標準、可抽風及危險。

該比對及判斷步驟可選擇由各該感測單元10或該監測單元40執行。

應對作為：該人手孔監控系統記錄該可燃性氣體濃度的數據、該溫度的數據及該濕度的數據，並基於該判斷決策作出相應的應對作為；該應對作為包括以下至少一種：提出警示、控制相應的該風扇20運轉，據此提高人手孔及該地下通道的安全性。

該感測人手孔的環境數據步驟，可選擇進一步感測各該人手孔的積水水位，據此監控該地下通道的積水水位。

該判斷決策為標準時，該警示器60及該風扇20不作動；該判斷決策為可抽風時，該警示器60示警，設於相應之該人手孔的該風扇20作動；該判斷決策為危險時，該警示器60發出警示，該風扇20不作動。

10:感測單元 11:氣體感測模組 12:溫濕度感測模組 13:微處理器 14:無線通訊器 15:液位感測模組 16:衛星定位模組 20:風扇 30:閘道器 40:監控單元 50:雲端伺服器 60:警示器

圖1係本發明較佳實施例之系統架構圖。圖2本發明較佳實施例之感測單元及風扇的電路方塊示意圖。圖3係本發明較佳實施例之流程圖。

10:感測單元

30:閘道器

40:監控單元

50:雲端伺服器

60:警示器

Claims

一種人手孔監控系統執行的人手孔監控方法，所述的人手孔監控系統包括：數個感測單元，各該感測單元分別配置於地下管道的多個人手孔，該感測單元包括一氣體感測模組、一溫濕度感測模組、一微處理器及一無線通訊器，其中該氣體感測模組及該溫濕度感測模組分別連接該微處理器，該微處理器連接該無線通訊器，該氣體感測模組用於感測該人手孔內部的可燃性氣體濃度，並將感測所得該可燃性氣體濃度傳送該微處理器，該溫濕度感測模組用於感測該人手孔內部的溫度及濕度，並將感測所得溫度及濕度傳送該微處理器，該微處理器通過該無線通訊器對外傳送該可燃性氣體濃度、該溫度及該濕度；數個風扇，各該風扇分別對應各該感測單元設於各該人手孔，各該風扇分別連接各該微處理器，據使各該微處理器分別控制各該風扇運轉；數個閘道器，各該閘道器及各該感測單元的該無線通訊器形成分層式拓樸結構，各該閘道器分別與相應的至少一個該無線通訊器通過無線網路形成無線傳輸，且各該閘道器分別連線一雲端伺服器，據此傳送該可燃性氣體濃度、該溫度及該濕度；以及一監控單元，該監控單元連線該雲端伺服器，據以顯示各該感測單元的運作及感測資訊，且該監控單元連接一警示器，據使該警示器示警；所述的人手孔監控方法，包括依序執行的以下步驟：感測人手孔的環境數據：該人手孔監控系統的多個感測單元分別感測設置各該感測單元之人手孔的可燃性氣體濃度、溫度及濕度，據此作為各該人手孔及地下通道位於各該人手孔周遭區域的環境狀態的判斷依據；比對及判斷：基於該可燃性氣體濃度的數據、該溫度的數據及該濕度的數據，進行模糊推論，解模糊化得出判斷決策；應對作為：該人手孔監控系統記錄該可燃性氣體濃度的數據、該溫度的數據及該濕度的數據，並基於該判斷決策作出相應的應對作為；該應對作為包括以下至少一種：提出示警、控制相應的風扇運轉，據此提高人手孔及該地下通道的安全性；該判斷決策包括標準、可抽風及危險，該判斷決策為標準時，該人手孔監控系統的警示器及該風扇不作動；該判斷決策為可抽風時，該警示器發出警示，設於相應之該人手孔的該風扇作動；該判斷決策為危險時，該警示器發出警示，該風扇不作動。
如請求項1所述之人手孔監控系統執行的人手孔監控方法，其中該感測人手孔的環境數據步驟，進一步感測各該人手孔的積水水位，據此監控該地下通道的積水水位。
如請求項1所述之人手孔監控系統執行的人手孔監控方法，其中該比對及判斷步驟係由該各該感測單元或該監測單元執行。