【安防知識(shí)網(wǎng)】近年來(lái)，由于不斷遭到種種天然災(zāi)害侵襲，讓國(guó)人深刻認(rèn)識(shí)到國(guó)土安全已影響到日常生活，應(yīng)該加強(qiáng)防范天然災(zāi)害。過(guò)去政府對(duì)于國(guó)土安全持續(xù)進(jìn)行安全監(jiān)控，但建設(shè)并沒(méi)有很完善。比如說(shuō)，以前建設(shè)規(guī)劃河川及水庫(kù)上游集水區(qū)的早期預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)由于無(wú)法預(yù)測(cè)氣候變遷及地震等天然災(zāi)害，會(huì)如此劇烈且快速，而造成預(yù)警系統(tǒng)毀于洪水、土石流或地形變動(dòng)等災(zāi)害。

　　因此，相關(guān)單位應(yīng)積極思考如何建設(shè)更多靈敏的災(zāi)害早期預(yù)警系統(tǒng)。本文將針對(duì)河川與集水區(qū)水上中下游的有效監(jiān)控、預(yù)警機(jī)制部份，檢視現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的早期災(zāi)害預(yù)警監(jiān)控是否符合需求?具備哪些智能化功能?比如說(shuō)系統(tǒng)能否提高耐受力及數(shù)據(jù)搜集能力，讓整體系統(tǒng)能更快速傳遞訊息嗎?

　　何謂早期預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)?

　　研究如何智慧化建設(shè)前應(yīng)該要先了解，何謂河川及水庫(kù)早期預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)?其過(guò)去也稱為遙控遙測(cè)系統(tǒng)或監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory Controland Data Acquisition System，SCADA)，其主要目的是透過(guò)特定的傳感器(Sensor)、計(jì)量器(Counter)或偵測(cè)器(Detector)，所收集到的遠(yuǎn)程信息，利用特定的傳輸方式，將數(shù)據(jù)上傳或下載到控制中心。

　　其原理與許多遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)相似，但應(yīng)用于國(guó)土安全監(jiān)控，在傳輸及遠(yuǎn)程設(shè)備上由于地處特殊環(huán)境，對(duì)于前端設(shè)備與傳輸介質(zhì)有特殊要求。其基本架構(gòu)是由傳感器(Sensor)、數(shù)據(jù)收集器(RTU)、傳輸設(shè)備及數(shù)據(jù)庫(kù)(Data Base)組成。另外，由于河川及水庫(kù)各有不同的遙控遙測(cè)資料與控制要求項(xiàng)目。因此，在不同的項(xiàng)目?jī)?nèi)提供遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)參數(shù)或模擬的圖形及影像數(shù)據(jù)，讓水利局、水庫(kù)管理局或水力發(fā)電廠，獲得上中游或取水口遠(yuǎn)端水文信息。并且可同時(shí)針對(duì)河川溪流上中游或水庫(kù)前池、取水進(jìn)水或攔沙壩沉淀池等設(shè)施，遠(yuǎn)程控制閘門(mén)。

　　早期預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)以收集資料為主

　　了解早期預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)后，也應(yīng)該知道早期的搖控遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)為何，又分別在遙測(cè)上提供哪些必要參數(shù)分析功能呢?

　　首先，水文數(shù)據(jù)在河川及水庫(kù)的信息分析很重要，可提供水流速度、水流量、水位高低與水流方向等信息，讓下游工作人員，可于遠(yuǎn)程掌握上中下游不同區(qū)段下的水文信息。還有，討論電話線路傳輸?shù)倪h(yuǎn)程視頻監(jiān)控，早期大部份針對(duì)溪流河川上游集水區(qū)、水庫(kù)上游庫(kù)區(qū)或取水口，觀測(cè)其狀態(tài)而裝置的設(shè)備。通常采用一般專線電話或E1數(shù)據(jù)線路傳送，大部份是黑白畫(huà)面，且需要大約3?5秒時(shí)間，才傳送一個(gè)JPEG的畫(huà)面回到遠(yuǎn)端。雖然傳輸速度較慢，但對(duì)早期的遠(yuǎn)程監(jiān)控而言，此方式已是遠(yuǎn)程遙控遙測(cè)中較為先進(jìn)的應(yīng)用。再者，就早期的遙控遙測(cè)系統(tǒng)，利用SCADA可監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備電力及使用狀態(tài)，可有效掌握遠(yuǎn)程資料設(shè)備收集器的電力狀態(tài)。以上架構(gòu)，普遍被用于早期的遙控遙測(cè)，其優(yōu)缺點(diǎn)詳見(jiàn)表一。

表一 早期國(guó)土安全-江流河川遙控遙測(cè)系統(tǒng)優(yōu)缺說(shuō)明

　　由此可知，早期水利遠(yuǎn)程監(jiān)控，都以資料收集為主、監(jiān)控為輔。直到光纖電纜及寬帶數(shù)據(jù)專線，廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離監(jiān)控后，遠(yuǎn)距離遙控遙測(cè)的重點(diǎn)由數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)而變成以遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控為主的方式。但因自然環(huán)境變遷，使得既有的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，已變得不足應(yīng)付災(zāi)害。

　　若要保護(hù)國(guó)土安全，就要針對(duì)河川或山林謹(jǐn)慎監(jiān)控，掌握災(zāi)害發(fā)生因素，預(yù)先做好防范機(jī)制，且需符合實(shí)際災(zāi)害偵測(cè)，才能達(dá)到預(yù)警功效。 [nextpage]

　　實(shí)際建構(gòu)有效監(jiān)控措施

　　然而，在建構(gòu)智能型早期預(yù)警遙控遙測(cè)系統(tǒng)前，必須先了解現(xiàn)階段災(zāi)害發(fā)生因素，及可能引發(fā)的災(zāi)害模式，再研究擬建設(shè)系統(tǒng)的方式及架構(gòu)。舉例來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段國(guó)土安全在河川溪流引發(fā)的最大災(zāi)害就是“泥石流”。而泥石流又是目前山林、溪流、河川的主要災(zāi)害，同時(shí)也正是許多早期遙控遙測(cè)的摧毀殺手。當(dāng)發(fā)生泥石流時(shí)，除了生命財(cái)產(chǎn)損失外，更會(huì)損壞很多早期遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，所以建設(shè)新的系統(tǒng)，也需要考慮泥石流的成因及監(jiān)控的方式。

　　另外，由于降雨屬于自然因素，無(wú)法制定災(zāi)害臨界值，且泥石流災(zāi)害的產(chǎn)生及影響因素復(fù)雜，需要足夠的事件經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能推估較正確的土石流量。

　　目前地質(zhì)專家只能判定山坡面的平均坡度超過(guò)55%的陡峭邊坡極容易發(fā)生崩塌，還有溪谷之上游坡度超過(guò)20度，也容易發(fā)生土石流。由于無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)災(zāi)難發(fā)生時(shí)間，因此，建設(shè)傳感器時(shí)必須考慮環(huán)境特性、適用何種傳感器?？赡馨l(fā)生的地形征兆及因應(yīng)措施如下：

　　一、 上游坡地可能剛發(fā)生坍塌，所以土壤呈現(xiàn)顏色不同，可添加坡地傾斜偵測(cè)器，進(jìn)行監(jiān)控。

　　二、 若中游可能發(fā)生過(guò)坍塌，導(dǎo)致河面面積在短時(shí)間內(nèi)變窄或變形。因此，可用視頻分析系統(tǒng)，監(jiān)控河面寬度及形體變動(dòng)。

　　三、 中游因水流量及流速改變，而使河岸有異常切割情況。因此，可采用視頻分析加邊坡滑動(dòng)級(jí)傾斜偵測(cè)器，掌控河川狀態(tài)。

　　四、 上中游段土質(zhì)含水量過(guò)度飽和，導(dǎo)致邊坡下會(huì)隆起滑動(dòng)體及產(chǎn)生起伏地形，故可采用地下含水量測(cè)試儀及視頻分析偵測(cè)器。

　　五、 中下游段因?yàn)楹看?，使邊坡滑?dòng)而斷裂及地面裂縫情形，可增加坡地傾斜偵測(cè)器予以監(jiān)控。

　　六、 中游因地質(zhì)含水造成液化、軟化，使地形產(chǎn)生不自然的洼地或陷落。因此，可添加傾斜偵測(cè)及視頻分析來(lái)監(jiān)控。

　　七、 中游因雨水量過(guò)大突然產(chǎn)生的積水長(zhǎng)低洼地，能采用地下含水量偵測(cè)器進(jìn)行偵測(cè)。

　　八、 下游段對(duì)河川邊陂突然出現(xiàn)大量的土石堆積，應(yīng)加設(shè)傾斜偵測(cè)及視頻分析來(lái)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)狀況。

　　九、 下游沖積段出現(xiàn)大量土石堆積，應(yīng)加設(shè)視頻分析來(lái)監(jiān)控。

　　十、 由于前段坍塌以致于下游段水量突然變化起伏、河床突然干涸，應(yīng)加設(shè)水量及視頻分析監(jiān)測(cè)予以監(jiān)控。

　　雖然上述方式可防范部分災(zāi)害發(fā)生，但是，全面性早期災(zāi)害預(yù)警的國(guó)土安全智能型遙控遙測(cè)系統(tǒng)，不僅是在泥石流的掌握與預(yù)防監(jiān)控，應(yīng)該還要結(jié)合地下水位監(jiān)測(cè)記錄、水量管理、給排水渠道的水量管理。

　　此外，還有農(nóng)田水利的灌區(qū)水位流量自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)、相關(guān)輸配水監(jiān)控系統(tǒng)，還有更重要的水庫(kù)各段區(qū)水位管理、集水區(qū)水文遙測(cè)排洪閘門(mén)監(jiān)控及防洪整合監(jiān)控系統(tǒng)等，才可構(gòu)成完整的智能型早期預(yù)警遙控遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)。

　　該系統(tǒng)可能包含風(fēng)速風(fēng)向計(jì)、溫濕度計(jì)、大氣壓力計(jì)、雨量計(jì)、日射計(jì)、記憶模塊、溫度計(jì)、自動(dòng)數(shù)據(jù)搜集系統(tǒng)、百葉箱、強(qiáng)震儀、表面型地震儀、埋入型地震儀、地震實(shí)時(shí)偵測(cè)警報(bào)系統(tǒng)、地震紀(jì)錄器、橋梁地震/振動(dòng)量測(cè)系統(tǒng)、大壩地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、中央集錄系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)、水壓計(jì)、水位計(jì)、水量計(jì)、位移計(jì)、地滑計(jì)、傾斜儀、地錨荷重計(jì)、資料擷取器太陽(yáng)能板供電系統(tǒng)、數(shù)字訊號(hào)傳送器、數(shù)據(jù)記錄器、數(shù)據(jù)擷取器、影像遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控等。 [nextpage]

　　智能型遙控遙測(cè)系統(tǒng)建設(shè)方式

　　有別于早期的遙控遙測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)階段的相關(guān)設(shè)備，已有了大幅度的更新應(yīng)用，除了既有遙控遙測(cè)，所應(yīng)用的一些PLC及數(shù)據(jù)收集器設(shè)備外，視頻、微波、網(wǎng)絡(luò)及生化科技等，都已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)土安全上的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，但是，新一代智能型遙控遙測(cè)應(yīng)用設(shè)備的形式與功能，有哪些應(yīng)該注意與考慮的問(wèn)題呢?詳見(jiàn)表二。

表二  現(xiàn)階段智能型遙控遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)備說(shuō)明

　　國(guó)內(nèi)外已有許多專家學(xué)者在泥石流及目前超大雨量的監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)防上，提供很多措施及有效方法。舉例來(lái)說(shuō)，GPS/GIS衛(wèi)星定位位移監(jiān)控及透過(guò)光纖的反射量、張力等數(shù)據(jù)資料，也可以用來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁安全和泥石流狀況。

　　此外，還可利用被動(dòng)感測(cè)組件如土石撞擊力量感測(cè)之拉力索(TensionTendon)、壓力轉(zhuǎn)換器、荷重計(jì)等，固定于溪流兩岸巖盤(pán)或防砂壩上;還有感知泥石聲響的地聲感測(cè)裝置等方式，藉以警報(bào)泥石流將要發(fā)生。同時(shí)，為了讓這些智能型遙控遙測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，能發(fā)揮穩(wěn)定而持續(xù)的作用，也為了克服過(guò)去傳輸或電力系統(tǒng)，建設(shè)地點(diǎn)選擇不當(dāng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良，因?yàn)?zāi)害中斷后總無(wú)法繼續(xù)傳送遠(yuǎn)端信息的困難。

　　因此，傳輸系統(tǒng)研發(fā)包含軟硬件在內(nèi)，更具整合功能性的平臺(tái)及互換性高的傳感器系統(tǒng)。

　　此外，除了現(xiàn)有的有無(wú)線電信網(wǎng)路或光纖電纜，還可采用802.15.4 / ZigBee及最新無(wú)線感測(cè)收集器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)的多形式通訊協(xié)議，為固定式或移動(dòng)式泥石流無(wú)線感測(cè)網(wǎng)路傳輸技術(shù)提供一種新的無(wú)線系統(tǒng)整合，提升現(xiàn)有系統(tǒng)的預(yù)警能力。

　　結(jié)論

　　在面臨環(huán)境變遷所造成的無(wú)數(shù)災(zāi)害后，安防產(chǎn)業(yè)也應(yīng)緊跟上這一區(qū)域的應(yīng)用研發(fā)，必須再全面性針對(duì)國(guó)土安全遙控監(jiān)測(cè)，掌握淹水河川邊坡多元化遙測(cè)、河川盜采砂石、泥石流、淹水等多種監(jiān)測(cè)，以及集水區(qū)整體環(huán)境變化監(jiān)控、資料搜集取得，提供分析且作為河川及水庫(kù)水利安全整治規(guī)劃等應(yīng)用目標(biāo)，有效建構(gòu)國(guó)土安全在全面性智能遙控遙測(cè)，可完整應(yīng)用的解決方案。