研究方法與步驟

爰引內政部建築研究所協同研究計畫需求說明研究內容，將研究案之工作項 目如下：

研究內容初步之7 項研究內容，研究案之工作項目如下：

1. 案例資料蒐集與評估，選擇合適的驗證案例並針對既有雨水貯集滯洪設 施進行檢討分析。

2. 智慧監控與相關軟、硬體設備之規劃設計。

3. 軟體設備之操控程式撰寫與相關內容。

4. 硬體設備選擇並連結智慧雨水貯集系統雨洪管理操作模式。

5. 智慧雨水貯集系統雨洪管理平台與通訊技術資訊連結與測試。

6. 透過初步的監測數據接收與雨洪操作之成果進行智慧雨洪管理操作模式 驗證檢討與參數修正。

7. 驗證案例成果與系統評估以及未來發展之建議。

以下則依據工作項目分述採用之研究方法：

壹、案例資料蒐集與評估，選擇合適的驗證案例並針對既有雨水貯集滯洪設施 進行檢討分析

本計畫擬蒐集國內外有關雨水貯集滯洪設施之研究報告與相關文獻，以及國 內既有雨水貯集滯洪設施之案場資料與檢討分析，進而選擇合適的驗證案例進行 後續研究，其研究方法概述如下：

1. 文獻收集—透過國內外期刊與研究發表之文獻、相關推廣政策、法規及 案例進行蒐集彙整，並研究分析其系統架構設計方法與排洪操作策略，

作為後續驗證案例系統裝設規劃與滯洪操作決策之參考。

2. 案例遴選—驗證案例以公有建築為原則，擬與內政部營建署、台北市或 新北市等相關政府單位進行洽商，取得既有建築物雨水貯集滯洪設施之 相關案場資料並進行現場調查與檢討分析，遴選資料取得較完整且利於 未來設備裝設與系統操作之案例。

3. 專家技術諮詢及調查－主要針對國內建築物雨水貯集滯洪設施案例之運 作情形、遭遇困難、滯洪排水操作情況、監測及智慧通訊技術整合相關 技術之建議事項等進行專家諮詢與調查並邀請專家參與座談會。

貳、智慧監控與相關軟、硬體設備之規劃設計

綜整國內外有關雨水貯集滯洪設施之研究報告、國內既有雨水貯集滯洪設施 之案場資料與智慧雨洪管理所需相關資訊，將針對驗證案例進行智慧監控與相關 軟、硬體設備之規劃設計，其研究方法概述如下：

1. 系統規劃－智慧雨水貯集系統雨洪管理於物聯網在概念上可分為三層架 構，由底層至上層分別為感測層、網路層與應用服務層。感測層係利用有線傳輸 或感測區域網路的天線與無線存取點傳遞至現場控制器或電腦設備，透過水位、

流量警報系統，及遠端或現場的控制，有效的立即進行抽、排水之控制；網路層 主要透過通訊技術將感測資訊傳遞至後端主機或應用設備上，也可用於獲取其他 相關數據資訊；應用服務層係結合各種資料分析技術及各系統之間的重新整合，

第一章 緒論

將數據化的資料以圖形、表格、投影的方式呈現給相關部門之管理人員及民眾，

可將所有數據整合後，依使用者需求作適當的修正設計，呈現出有效的資訊成果，

以達到監控管理的目的，其系統規劃示意如圖1-1 所示。

圖 1- 1 智慧雨水貯集系統雨洪管理系統規劃示意圖 (資料來源：本研究蒐集彙整)

2. 防溢淹緊急措施－為預防智慧雨水貯集系統滯洪設施之相關設備於颱洪 期間發生排洪不及、設備故障或停電的情形，造成系統失效而發生雨水溢淹之狀 況，故本研究擬於系統架構規劃設計時，將針對系統防溢淹之相關緊急措施進行 探討，如：備用抽水機啟動機制、入流口防溢淹設計、設置緊急發電機、設備故 障警示等，可作為未來智慧雨水貯集系統滯洪設施規劃之參考。

3. 軟、硬體設備－針對案場感測設備之監測數據資料傳輸至控制設備，以及 閘道器數據的發送，需透過軟體撰寫進行數據格式轉換與資料輸出，其流程如圖 1-2 所示意，其它詳細的軟、硬體設備相關工作內容如叁、肆說明。

水位計 雨量計

流量計 幫浦

I/O模組 控制器

DO、AO控制 Modbus控制

數據交換器

顯示器(LED、TPD)

閘道 雲端平台

LPWAN

圖 1- 2 智慧雨水貯集系統雨洪管理之案場軟、硬體設備操控流程示意圖 (資料來源：本研究蒐集彙整)

4. 通訊技術與後端配置－由於本案雨洪管理係透過雨水貯集系統滯洪設施 之即時監測數據傳輸至後端處理，並經模式軟體同步運算後，再將資訊回傳而進 行進行智慧化操控，故在系統規劃上須考量案場雨水貯集滯洪設施之監測數據傳 輸至後端處理的速度與穩定性。本研究擬初步探討通訊技術的選擇(如：物聯網 路、Wifi、乙太網路等)與其後端資料處理的配置方法(如：電腦主機資料庫、雲 端運算資料庫等)，並進行優、缺點評估與適用性分析。

參、軟體設備之操控程式撰寫與相關內容

本案智慧雨水貯集系統之雨洪管理需透過監測設備即時數據傳輸，透過API 程式撰寫而獲取資訊與其格式轉換，並連結智慧雨水貯集系統雨洪管理操作模式 進行運算，進而輸出資訊進行系統回控及後端資料整理，其研究方法概述如下：

1. API 操控程式撰寫－為連結智慧雨水貯集系統之雨洪管理所有資訊傳輸 的主要媒介，由監測設備的即時數據接收與格式轉換，輸入控制器運算並由閘道 器進行資訊傳送，連結智慧雨水貯集系統雨洪管理操作模式進行運算及後端資料 庫儲存，進而經模式運算成果回傳排洪泵浦開關訊息至I/O 板並執行操作；在使 用端方面，透過模式與資料庫數據資訊，擬撰寫程式以圖形、表格、投影等的方 式呈現於應用設備上，如手機APP。由於此程式撰寫涉及資訊工程學相關的專業 領域較多，本案為利於計畫的進行與減少錯誤的發生，擬將尋求專業的程式設計 人員協助，以順利完成API 操控程式之建置。

第一章 緒論

2. 決策模式撰寫－參考本所 108 年「智慧雨水貯集系統在建築物雨洪管理 及操作模擬研究」之計畫成果，將透過MATLAB 軟體進行智慧雨水貯集系統雨 洪管理操作模式之建置，透過灰色理論將降雨量、入流量或水位的變化來預測下 一時刻之入流量，進而決策是否進行系統排洪並啟閉泵浦開關，使雨水滯洪設施 可在每場降雨前進行針對性降雨的滯洪空間預留操作，達到智慧雨洪管理之目的，

其模式之決策流程如圖1-3 所示意。

即時監測數據接收

(降雨量數據M1(t)、入流量數據M2(t)、水位數據M3(t)、排洪量M4(t)... ) 基本資料

(設施容量、集雨面積、逕流係數、泵浦抽排規格 )

下一時刻雨水入流量預測值

預測入流量-排洪量 > 滯洪設施剩餘空間

由水位數據計算滯洪設施剩餘空間

啟動泵浦排洪 (10min or 15min)

水位是否達到呆水位？

關閉泵浦 Yes

Yes No

No

完成 t 時刻操作

圖 1- 3 智慧雨水貯集系統雨洪管理操作模式之排洪決策流程圖 (資料來源：本研究蒐集彙整)

本研究將依據系統硬體裝設方式而進行排洪決策之程式撰寫與測試，其預測 方法與排洪決策考慮的內容如下：

(1) (雨量計+)水位計

透過現場裝設雨量計或以中央氣象局Open Data 之 API 程式碼資訊連 結等方式獲得即時降雨量數據，並透過智慧雨水貯集系統雨洪管理操作模 式來預測下一時刻之降雨量，並換算為滯洪設施之雨水入流量，進而由水 位計即時監測數據換算槽體剩餘空間與預測降雨量之關係，繼而進行系統

排洪決策並回傳泵浦控制開關之訊息。

(2) 入流流量計+水位計

透過滯洪設施之雨水入流管路裝設流量計而獲得即時雨水入流量數據，

並透過智慧雨水貯集系統雨洪管理操作模式來預測下一時刻之雨水入流量，

進而由水位計即時監測數據換算槽體剩餘空間與預測雨水入流量之關係，

繼而進行系統排洪決策並回傳泵浦控制開關之訊息。

(3) 水位計+出流流量計

透過滯洪設施之水位計而獲得即時水位之數據，並透過智慧雨水貯集 系統雨洪管理操作模式換算雨水入流量並預測下一時刻之入流量值，進而 由水位計即時監測數據換算槽體剩餘空間與預測雨水入流量之關係，繼而 進行系統排洪決策並回傳泵浦控制開關之訊息。

肆、硬體設備選擇並連結智慧雨水貯集系統雨洪管理操作模式

硬體設備包括的主要項目為感測元件、通訊元件、控制器、幫浦等，需考慮 案例實際情況而進行裝設，並需選擇支援的通訊格式、搭配的通訊技術、通訊元 件與其後續應用性等，進而裝設配置與其連結數據及智慧雨水貯集系統雨洪管理 操作模式進行測試。本研究感測元件擬需的設備項目包括水位計、流量計、雨量 計、泵浦等，相關內容說明如下：

1. 水位計－主要用來感測雨水貯集系統的即時水位。因雨水貯集系統的水 位計裝設於儲水槽內，故比較不會有太大的水位波動之情況發生，且不易有外物 干擾(如環境溫度、蒸氣、槽內揮發物等)，以及雨水儲水槽內的水位深度通常不 會有耐壓的問題，在設備的選擇上可考慮適當的量測範圍、量測精度、成本及接 收器的信號類型進行搭配，本研究將水位計各型式的差異性簡易彙整如下表1-1 所示。

表1- 1 感測設備之水位計型式差異性比較表

壓力式 超音波 雷達式 浮球式 電磁式

精度 高 中 高 中 中

穩定度 中 差 中 高 中

第一章 緒論

維護費 中 高 高 低 低

(資料來源：本研究蒐集彙整)

2. 流量計－主要針對雨水入流量及雨水出流量(包含溢流量與排洪量)進行 數據監測。雨水貯集系統的管路流體為雨水，比較不具溫度、壓力、黏度及異物

2. 流量計－主要針對雨水入流量及雨水出流量(包含溢流量與排洪量)進行 數據監測。雨水貯集系統的管路流體為雨水，比較不具溫度、壓力、黏度及異物