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
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特性 |
光纖感測 |
傳統電子式感測 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。
照片1 台11線跳浪隧道實景照片
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。
（a）Wind River峽谷實景
（b）訊號光纜安裝實景
（c）臨時監控機房
（d）DAS偵測系統
圖2 鐵路落石偵測相關說明圖(Akkerman and Prahl, 2013)
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。
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.
【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載；未經允許請勿任意轉載】
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