土木防災預警之新趨勢探討-以『光纖感測』為例(上)

一、 前言

近年來光纖感測技術已廣泛應用在建築結構、離岸風機、橋樑、隧道、邊坡等環境監測,由於光纖屬於被動元件,且本質安全(有防爆之特性),相較傳統電子儀器具,有體積小、傳輸距離遠、耐用性與穩定度高、維護性低,以及不受電磁波、雷擊、水氣等影響之優勢。表1為傳統電子感測與光纖感測優缺點比較說明表。

依據不同之感測原理,可分為全分佈式及部分分佈式。所謂全分佈式感測,表示設置於監測現場之感測光纖或光纜,其光纖之每一點位,可即時感應外在環境溫度、應變、聲波震動之變化,猶如人體的神經網絡,可時時刻刻反映身體的狀況,告知大腦何處有異常,需要進行診斷及醫治;部分分佈式感測,為光纖作為傳輸訊號的介質,針對特殊結構、重要之區域進行感測器佈放,感測器可依照不同之監控性質,來進行設置以符合監測需求。且同一光纖可串聯多個不同形式之光纖感測器,並可透過樹狀結構進行擴充,以達到大區域監控之特性。

本文先就目前國內外全分佈式感測應用成果,進行統整,提供各位土木先進、公部門、學術研究單位參考。

二、 實績案例簡述

以下就光纖感測實績案例說明,包含隧道偵溫系統以及鐵路/道路邊坡落石監控。

表1 傳統電子式與光纖感測之性能比較

特性

光纖感測

傳統電子式感測

本質

安全性

光纖不帶電,無火災、感電問題,安全可靠。

現場器材均帶電,潮濕環境有感電危險,危險場所有引起火災之危險。

量測

訊號

光纖不受水氣與電磁波干擾量測,量測訊號穩定可靠。

電子式感測器易受水氣與電磁波干擾,信號穩定性差。

電源

供應

現場感測元件為被動式感測,無需配置電源供應設施。

現場感測器必須供電,電源管線、電源轉換設施昂貴,配線複雜、維修成本高。

傳輸

訊號

感測訊號採光波長調變方式傳輸,不受光源起伏、特性老化、光纖施工應力等影響。

感測訊號傳輸為微小之電子訊號,易受環境及線路干擾。

感測器

相容性

同一套光纖系統可以量測多種不同光纖傳感器。

不同傳感器需要不同訊號模組,各類感測器相容困難。

量測

精確度

內部無電子元件,且採光波長調變方式進行感測,所以無元件老化及信號飄移問題,量測可靠確實且長期無需校準。

電子式感測器無法完全排除電磁干擾及信號飄移、環境變化之誤差問題,精確度差,需不斷進行調校以縮小誤差。

系統

擴展性

藉由光通道數目的增加,很容易就可以擴展系統的容量。

需增加各種不同信號模組、轉換器及電源供應設備等,系統擴充器材繁瑣不便。

耐久性

感測機制無電子零件,不怕水氣及雷擊突波傷害,耐天候,無老化問題壽命長,耐久性佳。(遠大於2年)

電子感測器受水氣及雷擊突波傷害,惡劣環境下元件,老化問題嚴重,壽命約1~2年。

接續點

可靠性

光纖熔接接點訊號穩定,無電源極化、接點短路等不良現象產生。

接續點採絞接或迫緊方式連接,金屬部分易因高溫及水氣侵蝕導致生鏽接觸不良,可靠度不佳。

傳輸

距離

以光電訊號進行感測,透過光纖可輕易達到長距離(數公里以上)之穩定信號傳輸。

電子信號受環境干擾影響大,傳輸距離短。

1.隧道結構溫度監控

隧道為長條線型結構,一旦災害事故發生時,救援路線因受限隧道兩端出入口,恐難以即時到達救援。以隧道消防設備監控設施而言,既有火警探測監控大都採用電子式感測器,以熱電偶或熱電阻,感應外在環境溫度變化。整體系統建置時,需要大量配置管線、安裝極度複雜,不同型式感測器,需配對符合之傳輸電纜及接收模組,系統相容性低。採等間距分區安裝,無法及時掌控隧道內部整體溫度變化。火災高溫情況下,系統無法在繼續維持正常運作,監控火災蔓延分佈情形。感測器常有誤報情況且發生故障時,不易進行更換,長期維護成本高。

使用光纖感測偵溫系統,可透過單一感測光纖(纜),沿線連續監控隧道每一位置溫度變化,且光纜耐溫性極高,即使在高溫環境,仍可發揮作用。加上光纖(纜)不易受濕氣、突波衝擊、電磁波等干擾。整體系統可免除前述之諸多影響,對於系統之規劃建置、功能及後續維運,可大幅減少支出成本,提高管理效益。

照片1為應用於台11線跳浪隧道實景,感測光纜沿隧道頂部進行架設,光纜尾端則連結至隧道機房內之光纖偵溫解讀系統,並利用圖控軟體(SCADA),如圖1以視覺化畫面,提供管理人員監控隧道內每一處溫度變化。當有異常狀況發生時,光纖偵溫解讀系統,會傳送訊號觸發消防受信總機,以避免災害事故擴大。相關應用也同時使在蘇花改東澳東岳隧道之火警監控系統。

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照片1 台11線跳浪隧道實景照片

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圖1 圖控(SCADA)監控畫面

2.鐵路/道路邊坡落石監控

山區鐵路或道路邊坡,若行經路徑坐落於地質不穩定區域時,恐遭遇土石流、落石及邊坡滑動之危害,進而影響用路人的行車安全。其中以落石災害,較難以預測發生機制及滾動路徑,為避免災害發生,通常使用工程手段來進行防範,例如落石棚、攔索網等。但如果行經路徑過長,且礙於經費考量,可能無法全面以防護工程來解決,此時,必須倚靠監測預警系統來防範未然。

目前對於落石監控預警之方法,包含於現場架設影像監控系統,透過後端影像分析軟體,再來研判監控範圍是否發生異常狀況。或者於落石攔索網安裝電子感測元件,以偵測攔索網應變及應力變化,判別是否有落石掉落事件發生。但這些監測預警方法,需要大量多點佈設,感測儀器電力來源、耐用性、穩定性等必須納入考量。加上山區常有濃霧、暴雨,氣候條件不佳影響,夜間環境無法有效透過影像進行判別。諸如種種因素,藉由光纖聲波探測方式及背景聲波類型之建置,可有效分辨現場環境狀況是一最佳可行之方法。

柏林頓北方聖塔菲鐵路公司(BNSF Railway Co.),是運營北美洲最大的鐵路之一,擁有51,500公里的運營網路,遍及美國的28個州和加拿大的2個省。BNSF每年運送超過500萬個集裝箱和拖車,亦被公認為世界最大的鐵路多式聯運承運公司。圖2(a)為在風河(Wind
River)峽谷南側所拍攝的照片,該峽谷位於懷俄明州(Wyoming)中部並呈南北走向。在2010年5月期間,一輛運行在峽谷旁單一支線之列車,衝撞到掉落於鐵軌的巨石(約30噸),導致列車車頭及3節車廂發生出軌意外。為了防範再次的意外發生、及考量電子式感測的缺陷,BNSF在該路段安裝光纖分散式聲波探測系統(DAS),監測距離長達22英哩,圖2(b)為在鐵路側邊處,埋入一通訊用光纜,並同時作為DAS感測光纜。圖2(c)及(d)為現場臨時監控機房與DAS偵測系統實景圖,透過臨時監控機房圖控監測畫面,可立即判斷監控區域範圍之鐵路是否遭遇落石危害,如圖3所示。

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(a)Wind River峽谷實景

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(b)訊號光纜安裝實景

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(c)臨時監控機房

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(d)DAS偵測系統

圖2 鐵路落石偵測相關說明圖(Akkerman and Prahl, 2013)

 

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圖3 監控機房監控畫面(Akkerman and Prahl, 2013)

由於聲音背景資料會與現場環境有所關聯,必須透過相關測試實驗、及環境資訊的蒐集,加以修正系統參數,該偵測系統經過約6個月的測試與調校,可成功判斷現場是否有落石災害事件發生,其系統偵測準確度可達到97%以上。相關成果如圖4所示。

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圖4 DAS偵測系統修正結果(Akkerman and Prahl, 2013)

三、 綜合討論

綜合前述案例成果,利用光纖全分佈式感測方式,不僅可大範圍監控現場環境應變、溫度、聲音等物理變化量,並可準確有效辨別事件發生位置,即時提供資訊給相關管理人員。且系統初期建置時,僅須佈放感測光纜,無繁瑣電子零件設備,不僅在耐用及穩定度可大幅提升,對於系統之後續維運支出成本也可大幅降低。因此,建議公部門、研究單位,在未來規劃相關監測需求,可適時採用光纖感測系統並建立相關規範。(待續)

四、 參考文獻

1.Akkerman, J. and Prahl,F., (2013)."Fiber Optic Sensing for Detecting Rock Falls on Rail Rights of Way.", The American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association (AREMA) Conference., pp. 1099~1118.

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