山坡地社區智慧防災系統精進－人工邊坡智能感測器研發與雲端系統擴充應用

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山坡地社區智慧防災系統精進－

人工邊坡智能感測器研發與雲端系

統擴充應用

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國107年12月

(本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見 )

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山坡地社區智慧防災系統精進－

人工邊坡智能感測器研發與雲端系

統擴充應用

受委託者：國立臺灣科技大學

研究主持人：鄧福宸

共同主持人：郭治平

協同主持人：李威儀、吳偉杰

研究助理：李奕緯

計畫期程：中華民國107年1月至107年12月

計畫經費：新台幣133萬7千元

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國107年12月

(本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見 )

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I

目次 ... I

表次 ... V

圖次 ... VII

第一章

緒論 ... 1

第一節

研究緣起與背景 ... 1

第二節

第三節

工作項目與範圍 ... 3

第四節

研究方法及進度說明 ... 5

第二章

文獻回顧與研究區域概述 ... 9

第一節

人工邊坡致災原因回顧 ... 9

第二節

人工邊坡監測器 ... 13

第三節

無線傳輸系統技術 ... 15

第四節

研究區域概述 ... 26

第三章

人工邊坡整合型監測器 ... 35

第一節

整合型監測器研發 ... 35

第二節

整合型感測器電力來源 ... 42

(6)

II

第三節

整合型監測器於示範山坡地社區之測試安裝 ... 44

第四節

整合型監測器測試成果 ... 46

第四章

雙向傳輸系統建置 ... 51

第一節

雙向傳輸系統建置概念 ... 51

第二節

雙向傳輸系統架構與功能 ... 53

第三節

雙向傳輸系統與監測器之整合 ... 55

第四節

訊號傳輸測試成果 ... 56

第五節

整合型感測器初期運作成果 ... 60

第六節

整合型感測器重新上線後監測成果 ... 62

第七節

雲端平台介紹 ... 64

第五章

山坡地社區智慧防災監控平台 ... 65

第一節

平臺系統需求分析 ... 65

第二節

平臺系統架構與核心技術 ... 66

第三節

平臺開發成果與展示 ... 70

第四節

山坡地社區智慧防災系統示範案說明網頁 ... 78

第六章

示範邊坡穩定性評估 ... 81

第一節

案例介紹 ... 81

第二節

數值模擬 ... 81

(7)

III

第三節

數值驗證結果與討論 ... 84

第七章

山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會 ... 89

第八章

結論與建議 ... 95

第一節

結論 ... 95

第二節

建議 ... 97

附錄一評選委員意見回覆 ... 99

附錄二示範山坡地相關文件 ... 105

附錄三工作會議 ... 115

附錄四期中審查意見回覆 ... 119

附錄五推廣說明會 ... 123

附錄六感測器相關文件 ... 127

附錄七期末審查意見回覆 ... 131

參考書目 ... 135

(8)

(9)

V

表次

頁次

表 1-1 各工作項目之研究規劃進度 ... 7

表 2-1 LPWAN主要技術比較表 ... 22

表 2-2 文山(C0AC80)測站歷年雨量資料 ... 29

表 3-1 各項既有感測器比較表 ... 41

表 4-1 LPWAN通訊技術之傳輸功能 ... 52

表 6-1 材料參數 ... 83

表 6-2 GEO-SLOPE分析設計 ... 83

表 6-3 GEO-SLOPE分析設計結果 ... 87

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VII

圖次

頁次

圖 1-1 計畫研究流程圖 ... 6

圖 2-1 達觀鎮社區擋土牆崩塌 ... 11

圖 2-2 達觀鎮社區雨量圖 ... 12

圖 2-3 LPWAN廣域物聯網服務之願景模擬 ... 22

圖 2-4 訊號傳輸示意圖 ... 23

圖 2-5 新店區達觀鎮社區 ... 23

圖 2-6 LPWAN廣域物聯網路之優勢及IoT頻譜分析... 24

圖 2-7 LPWAN具長距離低耗能之傳輸特性 ... 24

圖 2-8 LoRaWAN 基地台規格特色 ... 24

圖 2-9 Sigfox服務架構 ... 25

圖 2-10 Weightless的特色 ... 25

圖 2-11 LPWAN通訊技術支援服務比較 ... 25

圖 2-12 研究區域位置圖 ... 29

圖 2-13 研究區域分布圖 ... 30

圖 2-14 研究區域現況照片 ... 31

(12)

VIII

圖 2-15 觀星台北社區鄰近區域與順向坡地形關係 ... 31

圖 2-16 坡面塌陷與地層掏空 ... 32

圖 2-17 發生塌陷之坡面旁人工邊坡與既有監測儀器 ... 32

圖 2-18 研究區域空拍圖 ... 33

圖 3-1 雙軸傾斜儀 ... 37

圖 3-2 三軸加速度計 ... 38

圖 3-3 振弦式裂縫計 ... 38

圖 3-4 土壤水分計 ... 39

圖 3-5 整合感測器外箱之尺寸 ... 39

圖 3-6 整合感測器外箱施作 ... 40

圖 3-8 整合感測器測試 ... 41

圖 3-9 傳輸層太陽光電發電案例 ... 43

圖 3-10 感測層太陽光電發電案例 ... 43

圖 3-12 明興里測試點相對位置空拍圖 ... 45

圖 3-13 RX點接收訊號測試(明興里辦公室) ... 46

圖 3-14 觀星台北社區人工擋土牆上之測試點 ... 47

(13)

IX

圖 3-15 觀星台北社區測試點發出訊號後之接收畫面 ... 47

圖 3-16 觀星台北社區測試點發出訊號之強度值 ... 48

圖 3-17 楠興宮旁人工擋土牆旁之測試點 ... 48

圖 3-18 楠興宮旁擋土牆測試點發出訊號後之接收畫面 ... 49

圖 3-19 楠興宮旁擋土牆測試點發出訊號之強度值 ... 49

圖 4-1 LPWAN雙向傳輸系統架構 ... 54

圖 4-2 本計畫智慧感測器及LPWAN監測網絡系統架構 ... 55

圖 4-3 地點1無線感測器與閘道器之傳輸畫面 ... 57

圖 4-4 地點1閘道器控制頁面之各監測資料狀態 ... 58

圖 4-5 地點2無線感測器與閘道器之傳輸畫面 ... 58

圖 4-6 地點2閘道器控制頁面之各監測資料狀態 ... 59

圖 4-7 重新上線後監測成果(土壤水分計) ... 62

圖 4-8 重新上線後監測成果(傾斜儀) ... 62

圖 4-9 重新上線後監測成果(裂縫計) ... 63

圖4-10 重新上線後監測成果(三軸加速度計) ... 63

圖 4-11 AWS基本架構圖 ... 64

(14)

X

圖 5-1 本系統前後端需求分析 ... 65

圖 5-2 本研究之智慧監控系統前後端開發架構圖 ... 67

圖 5-3 Bootstrap分段點響應效果示意圖 ... 68

圖 5-4 響應式效果案例說明 ... 68

圖 5-5 Web-GIS各種地圖視覺化方式 ... 69

圖 5-6 turf.js IDW空間內插-以全台雨量測站為例 ... 69

圖 5-7 明興里人工邊坡智慧監控系統首頁 ... 72

圖 5-8 專案介紹功能(1) ... 73

圖 5-9 專案介紹功能(2) ... 73

圖 5-10 監測示警功能-子彈圖 ... 74

圖 5-11 監測示警功能-時序列折線圖 ... 74

圖 5-12 Web-GIS地圖功能-可互動式地圖 ... 75

圖 5-13 Web-GIS地圖功能-邊坡裝設照片 ... 75

圖 5-14 Web-GIS地圖功能-動態查詢與同步序列折線圖 ... 76

圖 5-15 即時防災看板 ... 76

圖 5-16 本系統RWD效果呈現 ... 77

(15)

XI

圖 5-17 示範說明網頁首頁 ... 78

圖 5-18 示範說明網頁-計畫緣由與背景 ... 79

圖 5-19 示範說明網頁-系統監測架構 ... 79

圖 5-20 示範說明網頁-監測案例 ... 80

圖 5-21 示範說明網頁-未來願景 ... 80

圖 6-1 GEO-SLOPE分析數值模型圖(1，觀星社區) ... 82

圖 6-2 GEO-SLOPE分析數值模型圖(2，楠興宮旁) ... 82

圖 6-3 無地下水位狀態之數值分析結果 ... 85

圖 6-4 地下水位面位於地表下約20M之數值分析結果 ... 86

圖 6-5 地下水位面位於地表之數值分析結果 ... 86

圖 7-1 內政部建築研究所蔡綽芳組長致詞 ... 91

圖 7-2 國立台灣科技大學建築系李威儀教授致詞 ... 91

圖 7-3 張志彰土木技師主題分享1 ... 92

圖 7-4 郭治平教授主題分享2 ... 92

圖 7-5 明興里辦公室訊號接收站 ... 93

圖 7-6 觀星台北社區人工擋土牆之監測器 ... 93

(16)

XII

圖 7-7 興家里劉宗勳里長對話討論 ... 94

圖 7-8 推廣說明會合照 ... 94

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XIII

摘要

關鍵字：極端降雨事件、人工邊坡、自動化連續監測、功耗遠距離雙向無線傳輸技術 壹、研究緣起 近年極端降雨事件頻傳，邊坡監測及防災預警實為山坡地社區安居之重要議題，山坡地社區開發需施作擋土設施，周緣邊坡也存在崩塌威脅，然以往山坡地社區監測多以人工定時記錄，常遭遇山坡地社區局部降雨及邊坡位移資訊無法即時協勤防災管理。鑑此，基於前期計畫「山坡地社區智慧防災系統可行性研究 ─ 邊坡智能感測暨雲端運算」成果，已研發自然邊坡之土壤邊坡智能感測器，本年度將致力研發人工邊坡智能感測器，係整合微機電感測器、無線傳輸技術與雲端分析技術，建構適合山坡地社區邊坡智慧防災監測儀器，提升邊坡災害預防及應變作為，將山坡地社區防災層面提升至人工邊坡局部危害徵兆觀測精度與建立智慧防災網絡。 貳、方法與過程 基於前期計畫「山坡地社區智慧防災系統可行性研究 ─ 邊坡智能感測暨雲端運算」成果，已研發自然邊坡之土壤邊坡智能感測器，本年度將致力研發人工邊坡智能感測器，係整合微機電感測器、無線傳輸技術與雲端分析技術，建構適合山坡地社區邊坡智慧防災監測儀器，提升邊坡災害預防及應變作為，將山坡地社區防災層面提升至人工邊坡局部危害徵兆觀測精度與建立智慧防災網絡。本 (107)年度研究計畫具體目標如下：一、整合型監測器研發：研發適合於社區人工邊坡使用之低功耗、低成本整合型監測器，內應包含雙軸向傾斜儀、三軸加速度計、裂縫量測應變計等，透過無線感測模組進行連結，並佈設於示範山坡地社區中人工邊坡牆面進行監測測試。二、雙向傳輸系統建置：採 Weightless LPWAN 無線通訊技術，

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XIV 使用 Sub-GHz ISM 非授權頻段，具有長距離、低功耗、低成本特點，更具備雙向傳輸的功能。三、建立山坡地社區雲端環境大數據管理與分析網絡：採開源程式 (OpenSource Software) 建立防災監控平台，以利後續推廣及各單位介接使用，並透過網絡平臺達成災害警示機制。四、於示範山坡地進行監測：於示範山坡地進行監測示範，以驗證本計畫所發展之系統可於可種天候狀況下提供即時、穩定、可靠之監測資料傳輸，並達成本計畫所設定之雙向傳輸溝通功能。五、山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會：於計畫後其辦理，以此宣導此系統，並提升民眾之山坡地社區自主防災觀念，落實防災即時化、在地化以及效率化。 參、重要成果 一、人工邊坡智能感測器研發方面相較於目前實務界常採用分散式配置邊坡感測器之方式，本計劃案成功整合各感測器至一個箱體內，除可節省現場建置成本、降低維護與巡檢成本，以及提高附近居民之包容感。本案選定兩處距崩塌歷史之邊坡，過去曾經在颱風豪雨事件過後發生過表土崩滑、坡面塌陷與地層掏空，經由以數值模擬探討地下水位與邊坡穩定之關係後顯示該區域平時安全係數雖然大於水土保持規範建議值，然而隨著地下水位上升安全係數急速下降，當地下水位升高至地表時安全係數將小於 1.0。此結果說明現地縱然已經有工程治理，然而現行之人工定期巡檢監測方法在未來颱風豪雨事件發生時之取得即時監測數據成果相當有限。本計劃案研發完成之整合型感測器於民國 107 年 7 月 14日完成儀器安裝並開始監測，確認本案採用之感測器皆可順利作動，然而由於試驗期間未發生重大颱風豪雨事件，精度與耐候性仍需後續監測成果方能評估。

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XV 二、雙向傳輸系統建置方面本案採用之通訊技術已廣為應用於都會區之精密廠房中，由於首次應用於野外，從建置至今已經遭遇各種不同之問題，包括天線形式、韌體調整與受潮等。目前已確認兩站皆可順利通訊，但通訊用之基板受不明原因影響無法順利因應氣候條件調適，推測為受到濕氣影響，團隊已歸納出問題點並著手進行處理因應。然而使用穩定且耐候性高之元件，勢必得提高建置成本，未來需進行適應現地需求最佳化之研究。三、山坡地社區智慧防災監控平台建置方面本平台以開源程式建立，提供使用者整合的場域即時監測資料以及簡潔且具有防災意義性的場域資訊。首先透過人工邊坡監測接收場域資料並建置資料庫，如本案於觀星社區與楠興宮旁所佈設的整合型感測器，同時亦建立與本場域相關之防災資訊。此外為讓本整合平台能提供使用者端更多元的服務，亦介接防救災相關公開資料，如氣象局即時雨量以及國家災害防救科技中心公開示警訊息。且此平台已連結納入本所 105年「山坡地社區建築管理履歷資料庫平台」，以利應用。四、山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會方面本計畫於民國 107 年 9 月 17 日於台北市文山區明興里舉辦山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會。除了向山坡地社區居民說明與推廣山坡地社區邊坡監測的重要性、導入智慧防災即時監測系統的有效性、提升邊坡災害預防及應變作為外，並取得山坡地社區居民對於此系統之看法及其需求，藉此進行未來系統推動之精進方式，參與此次說明會之里長與里民皆對於此研究計畫抱持強烈興趣也相當認同其必要性，敘明了本案繼續延續之必要性。

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XVI 肆、主要建議事項 建議一人工邊坡智能感測器應用：中長期建議主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：各地方政府主管單位整合型感測器在耐候性方面，需同時兼具通風降溫與防水功能，相當不易。本次研發出之整合型感測器以符合剛性與通風需求，然而同時兼具防水功能需於未來持續研發。坡地社區經常採用背拉式地錨擋土牆作為爭取用地之方式，然而地錨擋土牆之監測較少應用於坡地社區；建議未來可依照裝設地點之不同需求，將如地錨荷重、錨頭與擋土牆變位等監測依照需求整合至本研究案研發之整合型人工邊坡智能感測器中。此外，相對於防災感測器呈現之數值，民眾較無法理解其代表之意義，相對的雨量較為直觀，且因區域性地區與里內實際的降雨量會有所差異，因此建議增設自動化監測雨量筒，亦可整合至整合型人工邊坡智能感測器中。為取得在地化之安全監測管理值，取得進行邊坡穩定分析參數率定之事件相當不易，建議一處監測之期間至少需跨越兩次事件或三年，已取得較客觀之資料。建議二人工邊坡智能防災系統商轉應用：中長期建議主辦機關：內政部建築研究所協辦機關：各地方政府主管單位在緊急災難風險方面，最重要的是避災；人工邊坡之維護與確認安全的責任，可思考保險與管理基金的概念局如何有效的結合起來。藉由智慧防災系統研發，以物聯網傳輸技術，降低監測儀器設備成本並確認其穩定性，期望未來可透過公部門業管單位擴大範圍到台北市乃至全台各個坡地社區，及早發佈警訊，以利坡地社區居民有足夠的時間進行相關防災措施。

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XVII

ABSTRACT

This stud y aims to build up an in telligent monitoring s ystem for artificial slopes in Taiwan. The s ystem included smart sensi n g technologies, communicating netw ork s ystem between sensors a nd servers, and a monitoring plateform for disaster -prevention. The ke y issue for the s ystem is low -cost, wide -range, and low -pow er comsumption. A newl y developed technology, Lo w Power Wide Ar e a Network ( LPWAN), is thus applied in the study. Weightless LP WA N capable for the long distance and ver y low power consuming is a low -cost and high performance technology. It supports the s ymmetric downlink and uplink which is perfect for the monito ring/wa rning s ystem of slope dis asters. The proposed intelligent monitoring s ystem will be applied to a demonstration slope.

(22)

(23)

1

第一章緒論

本計畫茲就研究緣起、計畫背景、及工作進度進行說明。

第一節研究緣起與背景

伍、研究緣起 近年極端降雨事件頻傳，邊坡監測及防災預警實為山坡地社區安居之重要議題，山坡地社區開發需施作擋土設施，周緣邊坡也存在崩塌威脅，然以往山坡地社區監測多以人工定時記錄，常遭遇山坡地社區局部降雨及邊坡位移資訊無法即時協勤防災管理。透過整合型監測器之研發，建構適合山坡地社區邊坡智慧防災監測儀器，可提供及時監測數據，以提升邊坡災害預防及應變作為，使山坡地社區防災能更加及時。基於前期計畫「山坡地社區智慧防災系統可行性研究 ─ 邊坡智能感測暨雲端運算」成果，已研發自然邊坡之土壤邊坡智能感測器，本年度將致力研發人工邊坡智能感測器，係整合微機電感測器、無線傳輸技術與雲端分析技術，建構適合山坡地社區邊坡智慧防災監測儀器，提升邊坡災害預防及應變作為，將山坡地社區防災層面提升至人工邊坡局部危害徵兆觀測精度與建立智慧防災網絡。 陸、研究背景與目標 無線傳輸已廣泛應用於坡地防災上，然隨著監測規模擴大，勢必需要開發穩定且低功耗、低成本之整合型監測器及無線傳輸技術。物聯網 (Internet of Things: IOT)是智慧城市的基石，近期發展出來的低耗能長距離廣域無線網路技術 (LPWAN Low Power Wide Area Network) 如 Weightless、LoRa、S IG FOX、N B-IOT 等的應用更是非常多元。

在山坡地社區邊坡利用 LPWAN的各種終端監測裝置，將大量感測器的監測數據及現況，先回傳至基地站，再統一傳輸至管理平台進行分析、管理或通報，以期能夠在超過警戒值時儘速採取防災行動。

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2 （一）研發完成低功耗、低成本之整合型人工邊坡智能監測器。（二）於示範山坡地社區境內篩選監測研究場域 1處，並於人工邊坡適合位置至少裝設兩個研發監測器進行監測測試。（三）採開源程式建立山坡地社區智慧防災監控平台，連結納入本所 105年「山坡地社區建築管理履歷資料庫平台」，以利應用。（四）精進山坡地社區智慧防災系統示範案說明網頁，採圖、文、影片及監測數值成果進行彙整，有系統說明整體計畫緣由、成果及願景。（五）至少辦理一場次山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會，以推廣此防災系統。

(25)

3

第二節相關研究近況與參考資料

將無線傳感器運用於工程相關資訊之監測，已是國際趨勢，如 2017 年第 17 屆大地工程研討會之 ke ynote 演講，美國加州大學柏克萊分校之 Prof. Soga ，近幾年便致力於將無線傳感器、光纖等科技應用於公共工程，包含了鐵路、地下結構、深基礎等，因此藉由此些自動化無線傳輸監測系統，進行山坡地社區之安全監控，將可提升監測頻率、穩定度以及準確度，增加防災示警系統的即時性與有效性。

第三節工作項目與範圍

本研究之目的在於建立低功耗、低成本之整合型監測器，以及對應之傳輸系統，提供即時、穩定、可靠之監測資料傳輸系統，建置防災監控平台，運用於示範山坡地社區，經由本計畫之系統蒐集示範山坡地監測資料，以推廣山坡地社區智慧型防災系統。本研究工作項目如下項：（一）整合型監測器研發：研發適合於社區人工邊坡使用之低功耗、低成本整合型監測器，內應包含雙軸向傾斜儀、三軸加速度計、裂縫量測應變計等，透過無線感測模組進行連結，並佈設於示範山坡地社區中人工邊坡牆面進行監測測試。（二）雙向傳輸系統建置：採 Weightless LPWAN無線通訊技術，使用 Sub-GHz ISM非授權頻段，具有長距離、低功耗、低成本特點，更具備雙向傳輸的功能。（三）建立山坡地社區雲端環境大數據管理與分析網絡：採開源程式 (OpenSource Software) 建立防災監控平台，以利後續推廣及各單位介接使用，並透過網絡平臺達成災害警示機制。（四）於示範山坡地進行監測：於示範山坡地進行監測示範，以驗證本計畫所發展之系統可於可種天候狀況下提供即時、

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4 穩定、可靠之監測資料傳輸，並達成本計畫所設定之雙向傳輸溝通功能。（五）山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會：於計畫後其辦理，以此宣導此系統，並提升民眾之山坡地社區自主防災觀念，落實防災即時化、在地化以及效率化。

(27)

5

第四節研究方法及進度說明

本研究工作之執行步驟與流程圖如圖 1-1，主要工作項目及其進度規劃如表 1-1所示。本研究已完成之工作項目說明如下：（一）整合型監測器已研發完成並進行室內測試，再於示範山坡地社區中之人工邊坡進行測試安裝監測。（二）完成雙向傳輸系統配置最佳化及建置，並與監測器進行整合，於示範山坡地社區進行訊號傳輸測試，且結果顯示訊號可順利傳輸，可克服建築物屏蔽之問題。（三）民國 107年 5月 9日上午 10時於臺北市文山區明興里進行示範山坡地會勘，其相關紀錄及後續智慧坡地監測器裝設同意相關文件如附錄一。（四）定期辦理工作會議確認各工作項目的進度，並進行界面協調，會議簽到單如附錄三。（五）完成山坡地社區智慧防災監控平台建置，此系統整合場域即時監測資料並提供使用者端簡潔且具有防災意義性的場域資訊。（六）完成山坡地社區智慧防災系統示範案說明網頁建置，將此計畫之成果進行彙整，並將整體計畫之緣由、內容、成果有系統地透過網頁呈現。（七）民國 107年 9月 17日下午 1時 30分於臺北市文山區明興里之社區生態教育會館辦理山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會，其相關文件如附錄五。

(28)

6

圖 1-1 計畫研究流程圖

(29)

7

表 1-1 各工作項目之研究規劃進度

月次工作項目第 1 個月第 2 個月第 3 個月第 4 個月第 5 個月第 6 個月第 7 個月第 8 個月第 9 個月第 10 個月第 11 個月第 12 個月備註整合型監測器研發於示範山坡地進行監測建立山坡地社區智慧防災監控平台精進山坡地社區智慧防災系統示範案說明網頁辦理一場次山坡地社區智慧防災系統應用推廣說明會期中報告期末報告成果報告預定進度 ( 累積數 % ) 4 8 13 17 21 38 50 63 71 83 92 100

資料來源：本研究計畫整理

(30)

(31)

9

第二章文獻回顧與研究區域概述

第一節人工邊坡致災原因回顧

臺灣有 70%以上的土地屬於山坡地，其中山坡地之定義根據「山坡地保育利用條例」第三項規定，指標高在 100公尺以上者，或標高未滿 100公尺，但平均坡度在 5%以上者。隨著經濟發展、人口成長及都市擴張等情況下，山坡地的開發已成為當前社會發展的趨勢。但臺灣位於板塊交界帶，由於板塊運動相對頻繁，造成地質構造複雜且破碎，再加上雨量豐沛且颱風事件頻繁，因此便容易發生坡地災害。為確保邊坡穩定性，會利用人工構築之擋土或護坡設施等用以保護邊坡，目前國內尚無對人工邊坡明確定義之法令，但「水土保持技術規範」及「建築技術規則建築設計施工編山坡地建築專章」中皆有對擋土牆進行定義，而擋土牆為人工邊坡的其中一種形式。臺北市大地工程處對於人工邊坡的定義為，經過人為挖填整地所形成且具有擋土或護坡設施之邊坡，包含噴凝土護坡、型框護坡、土 /岩釘護坡、噴植護坡、打樁編柵護坡、重力式擋土牆、加勁擋土牆、三明治擋土牆、乾砌石擋土牆、漿砌石擋土牆、疊式擋土牆、懸臂式擋土牆、扶壁式擋土牆、半重力式擋土牆、混凝土版樁式擋土牆、排樁排土牆、背拉地錨等。過去數十年間，每逢颱風豪雨往往會發生坡地災害事件，造成道路中斷或民眾財產損失，甚而導致更嚴重的災情。以下針對近年的坡地災害事件進行整理如下：

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10 (1) 2018/06 /19 連日大雨，在南投國姓鄉，位於中潭公路旁發生嚴重的邊坡崩塌，原先之擋土牆已破壞，一共 7戶緊鄰此邊坡之民宅受到影響。河川局先派人以帆布覆蓋避免擴大，等雨停後進行後續整治。 (2) 2017/07 尼莎颱風與海棠颱風接連登陸台灣使南部山區與平地出現強烈降雨，造成許多道路邊坡坍方令道路中斷，主要災情分佈在台 7線、台 8線、台 9線、台 18線、台 20線、台 21線、台 26線等。 (3) 2016/10 /09 受到連日豪雨的影響，新北市汐止區水源路二段 72巷鄰近房屋之邊坡產生滑動，造成地基掏空。影響 6戶民宅，總計疏散 34人，所幸無人受傷受困。同日基隆市獅球路 37巷 19號民宅亦有相同情況發生。 (4) 2016/09 中度颱風梅姬接在強颱莫蘭蒂與中颱馬勒卡後直接侵襲台灣，其夾帶的強大風力與雨勢為台灣地區帶來嚴重災情。坡地災情主要為高雄燕巢中民路 61巷的民宅以及高雄市旗山區後厝巷的民宅被土石沖毀，同時也造成許多道路因邊坡崩塌而中斷。 (5) 2015/08 蘇迪勒颱風為 2015 年對臺灣影響最大的颱風事件，其為北部地區帶來強烈降雨。造成多處道路災情與邊坡崩塌，其中以新北市烏來、新北市新店、新北市三峽最為嚴重。 (6) 2010/04/25 國道 3號 3.1 K南下邊坡發生崩塌，為順向坡地層向下坡滑動造成之災害，造成 4人死亡，為近年最重大的順向坡滑動災害之一。其上層厚砂岩風化嚴重、具豐富的垂直節理、容易透水，而下層之頁岩透水性較差，以致於兩岩層界面處含水量較高，岩層界面處因而摩擦力降低導致滑動。除了上述坡地災害外， 2013/12/27位於新北市新店區的達觀鎮社區後方擋土牆亦發生破壞，如圖 2-1，對居民的生命財產造成威脅，其原因可能擋土結構之排水設施與地錨疏於維護，受連日降雨 (如圖 2-2) 影響，雨水持續入滲至背填土區，因而造成崩塌。

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11 由上述各事件可知，降雨是觸發坡地災害發生最主要的原因，而不論是大型崩塌或是規模較小的擋土牆破壞，皆可能會對民眾產生影響，甚至威脅到民眾的生命財產。目前針對降雨驅動的坡地災害，大多使用雨量作為主要警戒指標，但對應各坡地之地質條件、擋土設施、排水設施等情況有所不同，防災警戒行動應回歸到人工擋土結構之位移變化趨勢，透過各感測器進行即時監測，掌握人工擋土結構在觸崩因子作用下的滑動徵兆。本研究藉由對於擋土設施位移情況、既有裂縫變化情形、背填區土壤含水量變化等的即時監測數據作為警戒指標，以此達到更好的預警效果。

圖 2-1 達觀鎮社區擋土牆崩塌

資料來源：本研究團隊拍攝。

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圖 2-2 達觀鎮社區雨量圖

資料來源：本研究計畫整理。

0 50 100 150 200 250 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 降雨量 (m m ) Date 每日雨量累計雨量

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第二節人工邊坡監測器

根據中華民國大地工程學會 -山坡地監測準則 (2016)建議，山坡地監測儀器種類繁多，包括量測氣候、水文、邊坡位移及構造物應力或變形等各類儀器。其量測所得之物理量不同，於不同型態邊坡災害之適用性亦有所不同，監測系統規劃時應根據研判之可能災害類型加以選擇。監測儀器設備的選擇，應單純而不複雜、能在所埋置的監測環境中有最好的耐久性、對氣候溫度、溼度的變化有最小的敏感性、材料零件不致因施工機具、水、塵土或其他化學作用之影響，依然能夠正常運作等之特性者為佳。相同監測儀器種類，其精度、重複性、量測範圍、適用溫度等可能有所差異。監測系統設計者應先依據山坡地之特性，研判山坡地環境及待測物理量可能分布範圍，據以選擇最適之儀器規格。而對於採自動監測之電子式儀器，亦需考量感測器、資料擷取設備、資料傳輸設備之耗電量。如邊坡發生不穩定時，將使得構築於邊坡上之構造物應力改變、變形或傾斜，因此可加以監測，研判邊坡之穩定性。以下針對本計畫設置之感測器進行簡要說明： 1. 構造物傾斜計 (Tiltmeter) ：安裝於擋土構造物或建物之表面，用以監測擋土牆或建築結構體，因邊坡變位導致構造物產生之傾斜變化情形。構造物傾斜計型式可分為盤式及電子式二類型。 (1) 盤式傾斜計：將傾斜觀測盤安裝於待測之構造體表面上，傾斜觀測盤上具有四個外凸銅柱，監測方式為以人工方式攜帶測傾儀量測，測傾儀需確實倚靠銅柱，以進行四個方向之傾斜量監測。 (2) 電子式傾斜計：以電子感測原件製作之測傾儀器，一般於自動化監測系統使用。測傾感測器之型式甚多，例如電漿式、振弦式、 MEMS等，不同感測器型式之量測範圍、精度、反應時間、功率等規格均不相同，設計者需依據推估

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14 構造物之可能傾斜變化量、資料擷取系統及電源供應系統等綜合考量。本案中分別以電子式雙軸傾斜儀與三軸加速度計進行差異變位量之推估依據。 2. 裂縫計 (Crackmeter)：安裝於構造物之裂縫二端，以監測裂縫寬度變化。裂縫計型式可分為機械式及電子式二類型。 3. 水分計：本計畫採用電容式水分感測器，此型感測器由三個電極所組成，其功能就像是一個電容器。量測時插入土壤中，四周土壤形同電介質，利用振盪器去驅動電容器產生一個正比於土壤介電常數的訊號。由於水的介電常數大於土壤礦物質及有機質，因此含水量的變化可透過感測電路進行立即性的偵測。量測之單位為體積含水量 VWC(%)(Volumetric Water Content)，VWC代表一定體積的土壤中水與土壤的體積比 (%)，在飽和狀態下相當於土壤孔隙所佔的百分率。此型感測器使用簡便，不需要太多維護工作，配合記錄器能長期監測、記錄土壤水分變動的趨勢。

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第三節無線傳輸系統技術

隨著資訊及通訊技術 (Information and Communication; ICT) 的發展，無線監測網域 (Wireless Sensor Network；WSN)，指在場域內分散佈建特殊功能的感應及傳輸元件，用來監測和記錄環境的現況資訊，並將資料透過通訊技術蒐集到遠端伺服器來進行分析、判斷及反應，一直都是國內外相關產官學研界積極投入研究發展的領域，早期希望各種監測設備所蒐集之資訊能透過不同的無線平台傳輸，如 Zigbe e、 Wi Fi 、 2 G、 3 G或 4 G等，但多受到傳輸距離、消耗電力及傳輸費用之限制，而無法在廣大的區域來佈建。近 2~3 年來，新發展的低耗能長距離廣域無線網路技術 ( Low Power Wide Area Network；LP WAN) 如圖 2-3，包含 LoRa、Si gfox、NB-IoT、Weightless等無線通信技術皆已逐漸成熟，全球的物聯網與通訊廠商也積極廣設各種跨域或獨立的 LPWAN基地台，將長距離、高覆蓋率、低功耗、低成本優勢與高端傳感器和智慧裝置結合，開始提供相關創新服務。因此，如能透過此新一代 IoT 通訊技術加以實證，將可大幅擴展物聯網的應用情境，包含應用於各種生活需求，改善生活環境。對於本研究而言，無線傳輸技術首要難題為建築物屏蔽，如圖 2-4，人工擋土結構前方大多都有保全對象 (如社區民宅等 )，因此感測器之無線傳輸訊號便可能受到障礙物屏蔽，而造成訊號無法傳輸。此外接收處需要有穩定電源，而監測器皆裝設於人工邊坡上，兩者間除存在一定距離外，更存在高程差異。如圖 2-5所示之山坡地社區，便顯示了高程落差、建物屏蔽、佈點位置受限之困難。因此良好的位置選擇及傳輸技術的優劣，遂成為智能感測器以無線傳輸的關鍵。

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壹、低耗能長距離廣域無線網路技術(Low Power Wide Area Network,

LPWAN）

對應於物聯網時代大量數據傳輸需求之應用情境，低耗能長距離廣域無線網路系統（ Low Power Wide Area Network, LPWAN ）即為近年物聯網新發展的重點技術之一，現今已廣泛應用在智慧工廠、城市、社區、農漁牧業等領域。本團隊歸納主要具備以下 5大優勢如圖 2-6，且與其他無線技術比較如圖 2-7。 1. 低成本：適合大量應用，減少期初建置與營運成本。 2. 大範圍：無需繁複基礎建設，具更強穿透力與更遠傳輸距離。 3. 低耗電：減少電池能量消耗，以增加裝置或感測器的使用時間。 4. 非授權頻率：適用於全球各個國家的佈建。 5. 頻寬費低：使用頻寬通訊費低廉。 貳、LPWAN主要通訊技術分析 為因應物聯網裝置省電、長距離傳輸資料的需求， LPWAN 以提供可靠的網路傳輸功能，將裝置蒐集來的資訊整合到物聯網的資料管理中心，可說是當前最具體萬物聯網的實現。本計畫列舉 LoRa、Sigfox 及 Weightless等三項 LPWAN發展之主要技術說明如下 : (1) LoRa Lo Ra 為美國半導體製造商 Semtech 於 2012 年併購擁有 LoRa IP 的法國公司 Cycleo，開始整合無線通訊技術平台，並依此基礎與 IBM共同合作完成規範，目前由 Semtech、 IBM、 Cisco等科技大廠為核心組成低功率無線電聯盟（ LoRa Alliance ）來推動其相關技術發展，在全球擁有 500多家公司會員，屬當前受物聯網產業支持的 LPWAN技術之一，也是物聯網時代最需要的基礎網路。 Lo RaWAN是用來定義網路的通訊協議和系統架構， LoRa 則是提供長距離通訊連結的實體無線層。 LoRa WAN 協議和網路架構會直接影響節點的電池壽命、網路容量、服務品質、安全性和各種網路應用。 Lo Ra 是將資料調變成電磁波的技術，使用的傳輸方法稱為「線性調頻展頻技術」(Chirp Spread Spectrum)，主要是為解決物聯網大量連接無

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17 線通訊需求、工作在 1GHz以下非授權頻譜的私有低功耗廣域接入網路技術。相關 LoRaWAN物聯網使用頻譜說明如下 : (1) LoRaWAN在不需授權的無線頻譜中運行開放任何人都可以使用無線電頻率，而不需要為傳輸支付極高的費用，類似於 Wi Fi所使用全球的 2.4GHz和 5GHz ISM頻段，任何人都可以設置 Wi Fi路由器和傳輸 Wi Fi 信號而無需許可證與許可，屬於免照頻段 (Unlicensed Band) 頻譜。 LoRaWAN基地台如圖 2-8所示。

(2) LoRaWAN使用較低及較寬的射頻頻率頻率範圍更寬的事實也帶有更多國家特定的限制， ISM頻譜的使用頻段和法規要求因使用國家區域而有所不同，常見的兩種頻率分別是歐盟用的 868MHz與美國的 915MHz。雖然 LoRaWAN試圖在世界各個不同的地區儘可能一致，但國情不同、規定不同也促使 LoRaWAN 得以在不同區域採用不同的頻帶。 (3) 台灣頻段 AS 923 920~925M Hz 台灣國家通訊傳播委員會 (NCC) 規劃將無線射頻辨識 (RFID)器材操作頻段由 922∼928MHz修正為 920∼928MHz ，並增訂低功率廣域物聯網器材 (920∼925MHz)、以及低功率海上活動示標器 (926∼928MHz) 的使用規定，其頻段的規格與美國相同，不同之處在於其上行頻率高於美國頻段，其下行鏈路信道與 US902~928 MHz頻段相同。

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(2) SIGFOX

來自法國的 Sigfox也是種低功耗廣域網路規範，該廠商於 2009年創立開發無線通訊技術，並從 2012 年開始建立一個全球共同的 IoT網路，再透過各地特許的網路營運商 SNO（ SIGFOX Network Operator ）推展服務，原則上單一地區由單一業者負責（例如台灣特許營運商為 UnaBiz）。

透過 Sigfox超窄頻傳輸技術（ Ultra Narrow Band ），與 LoRa同樣在免執照 Sub -Ghz ISM 頻段上傳輸，取代蜂窩通訊技術（ cellular technology），雖然採用非授權頻譜，但是需要仰賴廠商搭建的基地台，如此一來便能在成本與通訊品質上取得平衡，此外也提供 SIG FO XC loud雲端系統整合服務，能夠降低使用者開發程式、存取資料的複雜度。服務架構圖如圖 2-9，顯示 SIGFOX之基地台由廠商負責佈建，使用者利用 SIGFOX Could雲端服務平台連接至物聯網裝置。相較於其他 LPWAN技術，Sigfox 是傳輸速率最低的技術，速度僅 100bits/s，且每個裝置一天最多只能傳送 140則訊息，每則訊息最大的容量為 12bytes。由於降低了資訊傳輸量，因此就能大幅節省物聯網裝置的電力消耗，適用於如電表、水表、路燈控制相關流量回報頻率每小時低於一次的應用。綜整以下 Sigfox主要技術特性 : (1) SIG FO X需使用廠商基地台採用 Sub-1 GHz ISM頻段進行通訊，這種無線電波為運作頻率在 1GHz 以下的工業、科學和醫療專用波段，使用這些頻段相同於 Lo Ra 無需許可證或費用，只需要遵守一定的發射功率（一般低於 1W），並且不要對其它頻段造成干擾即可。 (2) SIG FO X採用較為封閉之運營策略採用此通訊協定讓每個裝置占用的頻寬較低，因此能在同樣的網路建設下容納更多裝置，這對裝置數量相當龐大的物聯網裝置來說相當重要，能確保基地台能為每個裝置提供穩定的通訊服務。  SIGFOX對使用其平台的技術生態系統有較為嚴格之限制。

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 SIGFOX網路的合作夥伴需要分成大量服務收入。

(3) Weightless

Weightless 為 the Weightless Special Interest Group,S IG 組織和技術之名稱。提供低功耗廣域網的無線連接技術，專為物聯網而設計，它既可以工作在 Sub-GHz 免授權頻段，也可以工作在授權頻段。 Weightless是一種無線通信協議，用於連接智慧設備到網際網路上，與其他 LPWAN計算一樣使用 Sub -GHz頻段，低功耗、低速率、通信距 離遠等特點。不同於專有或專利的無線連接技術， Weightless是一個 開放的標準。開放的標準也是 We ightless SIG宣傳的一個特點，開放意味著更多的公司或組織可以參與其中，眾多的供應商也可以保證低成本、低風險，並且可以可以持續更新和發展

Weightless有三個不同的架構：分別為 Weightless N、Weightless -P 及 Weightless -W 。 Weightless -N 屬於單向通訊，是低成本的版本； Weightless -P是雙向通訊版本，通訊效能較好；如果當地 TV空白頻段可用，可選擇 Weightless-W。ARM支援的 Weightless -P頻寬為 12.5kHz。

Weightless與歐洲電信標準化協會 (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) 達成合作協議，該技術未來可能會仿效 Wi-Fi，建立統一的標準和認證體系，將技術和產品標準化、產業化。

使用非授權頻譜 LPWAN標準方面， Weightless的利用效率很高，在相同條件下與 LoRa、Sigfox相較，網路訊號覆蓋 LoRa最好，但在支援節點數量與頻譜效率部分，Weightless則較 LoRa、Si gfox表現更好。與其他 LPWAN技術相同， Weightless也強調長距離、省電、支援多節點連結、網路傳輸安全、彈性架構與開放性標準等。其優點如圖 2-10 所示。

目前 Weightless SIG中，主要的會員包含 ARM、 Accenture、 Sony 等，該技術架構中，支援多項先進網路功能，包含對稱式的上傳 /下載 (S ymmetric D L/U L) 、群播 / 廣播 (Multicast/Broadcast) 、訊息確認 (Message Ack) 、電池運作 ( Batter y Operation) 、電源控制 (Po w er Control)、定位服務 ( Location Service)、換手支援 (Handover Support)、

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韌體升級 (Firmware Upgrade)等，其他技術並不完整支援的功能，可以提供接近 NB-IoT的網路服務品質。

參、LPWAN主要通訊技術之比較

目前較受關注的 LPWAN技術中，大概可以從技術使用的無線電頻段分成授權頻段 (License Band) 與非授權頻段 (Unlicense Band) ，使用授權頻段技術為 3GPP主導的 NB-IoT，採用現有 3G/4G網路，主要投入為電信營運商與相關設備廠商；而投入並使用非授權頻段技術者，大多為不屬於電信領域的 ICT 廠商。這些主要技術的比較整理如表 2-1，而 LP WAN通訊技術支援服務比較如圖 2-11。 肆、本案採用Weightless 之特色 本計畫之無線傳輸系統測試採 We ightless技術。以授權頻段窄帶（ 12.5kHz /通道） LPWAN技術，適合工業等級、高安全性、雙向通訊、高密度終端設備的智慧城市及工業 4.0相關應用。其通訊技術標準，由位於英國劍橋的國際物聯網標準制定組織 Wei ghtless SIG 於 2015年發布，當年發布時，該技術稱為 Weightless -P，是一個公開的標準，任何有興趣的機關團體，皆可加入成為會員，參與組織的運作。正因 Weightless 是公開的全球標準，能夠透過無 IP限制、多供應商策略、以及共通的系統架構，創建一個健康的生態系統，並讓技術持續受到廣泛的支持以成長。其規格僅為書面文件，實際的通訊協定軟體、基頻技術、通訊系統硬體設計、終端產品等技術開發，仍必須由各公司自行為之。

Weightless 通訊協定之技術開發，涵蓋從 P HY層、 M AC 層、 Link 層以及應用層之全套通訊協定架構及軟硬體整合的產品。傳輸平台參與台電智慧電表通訊單元遴選，經歷 12個月的評選，其中包括實驗室測試、內湖實地場域測試 (900個以上電表 )、樹林台電研究所實地測試等，並於 2018年 5月成為台電智慧電表通訊單元合格廠商，目前正參與台電今年度通訊單元的標案。藉由 Wei ghtless超精簡的協定架構大幅減少了不必要的傳輸 overhead ，自我調整的資料速率以及傳輸功

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率，可以最佳化無線傳輸時間並減少電池的耗用，並且支援為了延長睡眠時間所設計的靈活的定期資料傳送模式。Weightless的 link budget 達到 130dBm以上，在城市內的傳輸距離，可達 2公里以上、在郊區，則可達 5公里以上。 Weightless 技術特點包括強大的雙向通訊 ( 可由遠端傳送指令 ) 、遠端韌體更新 (FOT A)、高度安全性、單一基站可管理龐大終端數量，可使用於免授權以及授權頻段等，例如台電智慧電表通訊單元，即使用 839MHz~847MHz的智慧讀表專用授權頻段。此外， Weightless具備完整的雙向通訊，包括強大的上傳以及下行傳輸，相較於 LoraWAN以及 Si gFox屬於單向或者下行傳輸功能較弱的狀況，Weightless能達到 IEC 62056要求的遠端傳送指令以及韌體更新等功能。資訊安全以 AES 128、EAP-GPSK身份驗證方案作為基礎，與受信任協力廠商的雙向身分驗證，過程中具密碼套件 (Cipher suite) 等資安設計。 Weightless 布建效率高，可支援許多終端設備，藉卓越的窄頻技術，搭配避免封包碰撞時傳輸失敗的 synchronized network 架構，達到遠高於 LoRaWAN的網路效能，一個單一的 Weightless基站，可支援更多的終端設備。物聯網應用廣於部分，例如智慧城市 (包括智慧電表 /氣表 /水表、智慧停車、智慧路燈、智慧站牌 )、智慧工廠、智慧農業等。本計畫中， sensor data 平常以 10分鐘傳送一筆資料的頻率運作，相較於諸多每天只需傳送數次資料的 LPWAN應用類型，本計畫需要較高的資料傳輸頻率以及資料量；同時，由於遇到大雨或者地震後，將需要提高感測器傳輸的頻率，因此若具備遠端控制、變更讀取 sensor data 的特長，將對系統效能有很大的幫助。因此，本案選擇以台灣廠商主導開發的 Weightless 技術作為通訊方案，一方面可以達到最佳效能，未來可在同地擴大感測器安裝數量、亦可擴大至其他敏感地區；另一方面亦透過本計畫，支援具備創新技術開發以及全球標準制定能力的本土企業，未來將以本案作為重要的實際案例，相關方案可以對國際市場輸出，一舉數得。

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表 2-1 LPWAN主要技術比較表

技術協定主推者成立時間佈建國家基站連接數目使用頻段傳輸距離傳輸速度技術範疇 Sigfox Sigfox 2009 17 100 萬個 ISM Band Sub-1GHz 市區10km 郊區50km 100bps 終端設備至前端應用 LoRaWAN IBM 、 CISCO 2015 12 25 萬個 ISM Band Sub-1GHz 市區3-5km 郊區15km 300bps-50kbps 通訊協定 Weightless ARM、NEUL 2015 3 100 萬個 ISM Band Sub-1GHz 5km+(-N) 2km+(-P) 30-100kbps(-N) 100kbps(-P) 通訊協定 RPMA Ingenu 2008 25 20 萬個 2.4GHz 4km 8bps-8kbps 通訊協定及硬體規格 HaLow IEEE 2013 NA ~萬個 ISM Band

Sub-1GHz 1km >100kbps 通訊協定 NB-IoT 3GPP 2016 NA 10 萬個 GSM or LTE Band 20km ~50kbps 通訊協定

資料來源：依據新通訊 2月號資料重製。

圖 2-3 LPWAN廣域物聯網服務之願景模擬

資料來源：本團隊整理。

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圖 2-4 訊號傳輸示意圖

資料來源：本研究計畫整理。

圖 2-5 新店區達觀鎮社區

資料來源：鏡傳媒。

接收站監測器

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圖 2-6 LPWAN廣域物聯網路之優勢及IoT頻譜分析

資料來源：本團隊整理。

圖 2-7 LPWAN具長距離低耗能之傳輸特性

資料來源 :正文科技。

圖 2-8 LoRaWAN 基地台規格特色

資料來源：LoRaWAN。

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圖 2-9 Sigfox服務架構

資料來源 :SIGFOX。

圖 2-10 Weightless的特色

資料來源 :優必闊科技。

圖 2-11 LPWAN通訊技術支援服務比較

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第四節研究區域概述

本計畫之研究區域選定位於臺北市文山區明興里之山坡地社區中的兩處人工邊坡，以下對於此區域的氣象、地質、社區概況及預訂監測之人工邊坡等進行說明。文山區位於北緯 25度左右，屬於副熱帶季風氣候區，氣候溫和，雨量充沛。此區因位於臺北盆地東南緣，屬丘陵地形，故較臺北市中心涼爽。根據中央氣象局的 CODiS 所公布之資料中，統計文山 (C0AC80 )測站西元 2015 年至 201 7 年之各月份雨量資料於表 2 -2 中，全年合計之總雨量平均約為 2800.5mm，降雨季節分布於全年，沒有明顯乾季，各月最少降雨天數為 8天，一年平均降雨天數約為 172天。本計畫之研究區域選定位於臺北盆地東南隅之明興里社區進行，研究區域位置如圖 2-12所示，地形與地質分布如圖 2-13所示。研究區域高程分布約自 E.L.20~80M，最高處為觀星台北社區東北側之興隆山 (E. L.118 M)，此處岩層露頭位態為 N87。E/49。S，含順向坡地形。主要地質為南港層 (Nk)，其岩性為厚層至塊狀青灰色細粒泥質砂岩、厚層灰色頁岩及夾部分砂頁岩薄互層所構成，全厚約 600至 700公尺。但該層中部有頁岩或砂質頁岩甚為發達，厚約 100~200 公尺。南港層中之砂岩新鮮時呈青或淡灰色，含海綠石時呈綠色，風化逐漸帶黃棕色，砂岩以泥質細粒為主，部份為中粒結構，砂岩中含有許多泥質膠結物而成為泥砂岩或亞泥砂岩，砂岩之一部分甚富於石灰質，全層富含海相化石。此里，原屬順興里，民國 63年第二期里行政區域調整劃出成立明興里， 79年 3月 12日臺北市行政區域調整，將景美木柵兩區合併改為文山區，第 1至 3鄰劃歸木柵里，第 12、 23鄰劃歸明義里，其餘的，保留作為此里，原為 37鄰，91年 12月合併為 32鄰。現今，總人口數為 7110 人，土地面積為 0.134平方公里，全數社區皆坐落於坡地之上，且多數民宅緊鄰邊坡。本地區具有坡地災害潛勢，若發生邊坡坍塌之災害，將造成結構物之毀損及居民的傷亡。明興里木柵路二段 109巷 100弄靠山路段處有

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27 順向坡地勢。根據大地工程裡坡地垂直高度與平面潛勢範圍的概算法，平面被影響範圍約為總山高一半，近明興里木柵路二段 109巷 100 弄有兩座山，高度分別為 114公尺與 87公尺，此報告推算平面直徑影響範圍為 57公尺與 43.5公尺；鄰近大樓及擋土壁已設有多處監測點，並建立其歷時資料。明興里長年致力於推動安全社區，在民國 85 年成立守望相助隊 187人，為臺北市人數最多的隊伍，主要維繫治安的環境與傳統；由於明興社區部分地段位於山坡，其有志於生態環境維護成立的組織，共有生態防災志工 50人，生態志工隊除了在觀察、記錄生態的同時，也會隨時留意山坡地是否有異樣，檢討易生危險的熱點；社區照顧關懷據點 42人，每天分三班值勤，提供年長者健康照顧、電話問安及服務工作；河川環境巡守隊，主要在監測水質及清潔維護，且各組織曾獲得歷年北市特優、 97年六星計畫全國優等； 99、 100年環保局評比第一； 97至 100連四年評鑑優等紀錄。且在里辦公處的主導之下，深入推動基層防災，社區內的大小事務，各管理委員會都能夠在第一時間就應變處理。特別是近年來由於氣候變遷災難常態化之下，里長更積極培訓防救災志工、建構社區防災系統，成效並得到臺北市評為「臺北市防災示範社區」的肯定，獲選為台北市消防局 2016世界設計之都防災亮點社區。然而人工巡檢畢竟不如監測儀器精確，且仍需專業判斷，因此有賴本計畫投入更高效能之防災工作。圖 2-14為研究區域中主要選定進行實施之處，分別為位於較高處之觀星台北社區與最低處之楠興宮旁擋土牆，以及架設資料彙集伺服器之里辦公室。第一處地錨擋土牆位於觀星台北社區最上方，旁邊有一座空置的泳池，推測可能早期用途為滯洪池，此處並無災害發生，由外觀檢視知周圍邊坡已做邊坡防護，且擋土牆之預力地錨為傳統設施，錨頭係以混凝土封閉，故也無法得知地錨是否已失去功能。第一處觀星台北社區位於台北市文山區明興里木柵路二段 109巷 100弄，明興里東與木柵里相鄰，西側以興隆路四段與明義里為界，

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28 南側為明義里，北側與木柵、興家里相接。木柵路二段 109巷為社區唯一進出道路，交通上以木柵路為主要聯外道路。社區北面依山，南面面對木柵市區，社區附近皆為老舊公寓或集合型住宅社區。另一方面，社區位於順向坡地形之範圍 (圖 2-15)，並長期由臺北市政府相關權責單位列管，社區內與鄰近坡地分別設有傾斜管 (編號 WS-06-S01、 WS -06 -S0 2 、 WS -06 -S03 、 WS -06 -S04 ) 與傾度盤 WS -06 -T01 、 WS -0 6-T02、 WS-06 -T03、 WS -06 -T04、 WS-06 -T05)，以逐月監測進行人工巡檢與量測方式提供監測資料。以過去資料顯示雖有變化但不明顯且無一定趨勢，然而需持續監測。另一方面本處地下水位變化與降雨有高度相關性，地下水位變動範圍約 5M，過去也曾經發生過社區邊坡在颱風豪雨事件過後發生坡面塌陷與地層掏空，如圖 2-16與 2-17所示，值得探討土壤水分與地層滑動、結構物傾斜之關係。故本次研究選定照片中之人工邊坡與坡面進行監測。第二處楠興宮旁擋土牆該處邊坡曾經發生滑動，在邊坡上方有一傾斜觀測管，且上方一鄰近的漿砌擋土牆有明顯裂縫，推測可能為邊坡持續移動所導致，因此視為潛存災害。而預計進行監測之兩處皆有臺北市政府大地工程處進行邊坡監測之儀器，因此可酌參資料，此為選定此二處人工邊坡作為監測器裝設位置的原因之一。圖 2-18為研究區域之空拍圖與主要選定進行實施之處的位置，第一處位於觀星台北之地錨擋土牆與做為基地站之里辦公室兩者間有明顯的高差，且有數棟建築物；第二處位於楠興宮旁的擋土牆雖與里辦公室較近，但兩者間仍有樹林。如前述第二章第三節無線傳輸系統技術所提及此情況會造成訊號傳輸困難，但里辦公室是做為基地站最合適的地點，因此克服訊號傳輸之問題為本研究之關鍵課題。

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表 2-2 文山(C0AC80)測站歷年雨量資料

月份 2015 2016 2017 降雨量 (mm) 降雨天數 (day) 降雨量 (mm) 降雨天數 (day) 降雨量 (mm) 降雨天數 (day) 1 23.5 9 254.5 20 32 9 2 78.0 11 120.5 19 146.5 9 3 181.0 11 275.0 18 166.0 16 4 104.5 11 192.5 13 152.5 12 5 379.5 15 252.0 19 168.5 15 6 403.5 13 318.0 21 661.0 20 7 201.5 12 217.5 13 299.0 10 8 892.0 20 154.0 12 67.5 8 9 474.5 14 497.5 21 241.5 10 10 189.0 11 313.5 18 435.5 20 11 29.0 12 148.5 14 138.0 18 12 77.5 16 21.5 8 95.0 17 總計 3033.5 155 2765.0 196 2603.0 164

資料來源：中央氣象局。

圖 2-12 研究區域位置圖

資料來源：中央地調所。

N Scale- 1:250000 Study area

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圖 2-13 研究區域分布圖

資料來源：中央地調所。

N 觀星台北 明興里辦公室 楠興宮旁擋土護坡 木柵路二段 ( a ) 相對位置圖 ( 底圖為 Go o g le E a r t h ) ( b) 明興里辦公室 ( c ) 楠興宮旁護坡擋土牆 ( d ) 楠興宮旁護坡擋土噴漿 N Scale- 1:5000 Study area

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31 ( e ) 觀星台北社區地錨擋土牆 ( f) 觀星台北社區地錨擋土牆

圖 2-14 研究區域現況照片

資料來源：本研究計畫成果 `

圖 2-15 觀星台北社區鄰近區域與順向坡地形關係

資料來源：團隊自行整理。

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圖 2-16 坡面塌陷與地層掏空

資料來源：張志彰技師。

圖 2-17 發生塌陷之坡面旁人工邊坡與既有監測儀器

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圖 2-18 研究區域空拍圖

資料來源：本研究團隊拍攝。

觀星台北明興里辦公室楠興宮旁擋土牆

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35

第三章人工邊坡整合型監測器

第一節整合型監測器研發

研發適合於社區人工邊坡使用之低功耗、低成本整合型監測器，內應包含雙軸向傾斜儀、三軸加速度計、裂縫量測應變計等，透過無線感測模組進行連結，並佈設於示範山坡地社區中人工邊坡牆面進行監測測試。 (1) 雙軸向傾斜儀傾斜變位計 /微機電式傾斜計主要應用於水庫、水壩、堤防之傾斜變位長期觀測；鄰近開挖工地之建物傾斜監測；連續壁施工監測；橋樑或高架道路之墩柱及橋面傾斜監測；超抽地下水或潛盾施工引致之地表差異沉陷引發結構傾斜監測等。本計畫規畫裝設雙軸傾斜儀，為微機電式 MEMS 傾斜變位計 (Micro-Electro -Mechanical -S ystems) 的設計目的在於永久裝設在結構物上以求觀測該結構物之長期傾斜變位量。照片如圖 3-1所示，將以自動量測方式，頻率為每 10分鐘至少 1次，若監測期間傾斜儀 5分鐘變化幅度大於 1度時，則改以頻率為每分鐘 1 次。 (2) 三軸加速度計三軸重力加速計是一種重力感測器，也稱為加速規或加速計。由於重力加速度是地球的天然資源 (就像磁力線的指南針 )，所以當結構傾斜或翻轉時，透過地心引力的影響讓內部機構可感受到其傾斜或翻轉。於是，將此概念應用到科技工業上，像電玩的體感遊戲 (Wii, Kinect...)、飛行器、懸臂旋轉、震動感測等都使用到相關元件。三軸重力加速計晶片是 MEMS設計工藝，由於地表的重力加速度有方向性，晶片又根據該重力為基準來測量三軸的變化，即達到量測變位之效果，其照片如圖 3-2所示。前述雙軸傾斜儀檢測僅限於平面兩個維度，而無第三維 (重力方向 )之監測，需另藉由三軸加速度計量測三個維度的

山坡地社區智慧防災系統精進－人工邊坡智能感測器研發與雲端系統擴充應用

山坡地社區智慧防災系統精進－

人工邊坡智能感測器研發與雲端系

統擴充應用

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國107年12月

山坡地社區智慧防災系統精進－

人工邊坡智能感測器研發與雲端系

統擴充應用

受 委 託 者：國立臺灣科技大學

研究主持人：鄧福宸

共同主持人：郭治平

協同主持人：李威儀、吳偉杰

研 究 助 理：李奕緯

計 畫 期 程：中華民國107年1月至107年12月

計 畫 經 費：新台幣133萬7千元

內政部建築研究所委託研究報告

中華民國107年12月

目次

目次 ... I

表次 ... V

圖次 ... VII

第一章

緒論 ... 1

第一節

研究緣起與背景 ... 1

第二節

相關研究近況與參考資料 ... 3

第三節

工作項目與範圍 ... 3

第四節

研究方法及進度說明 ... 5

第二章

文獻回顧與研究區域概述 ... 9

第一節

人工邊坡致災原因回顧 ... 9

第二節

人工邊坡監測器 ... 13

第三節

無線傳輸系統技術 ... 15

第四節

研究區域概述 ... 26

第三章

人工邊坡整合型監測器 ... 35

第一節

整合型監測器研發 ... 35

第二節

整合型感測器電力來源 ... 42

第三節

整合型監測器於示範山坡地社區之測試安裝 ... 44

第四節

整合型監測器測試成果 ... 46

第四章

雙向傳輸系統建置 ... 51

第一節

雙向傳輸系統建置概念 ... 51

第二節

雙向傳輸系統架構與功能 ... 53

第三節

雙向傳輸系統與監測器之整合 ... 55

第四節

訊號傳輸測試成果 ... 56

第五節

整合型感測器初期運作成果 ... 60

第六節

整合型感測器重新上線後監測成果 ... 62

第七節

雲端平台介紹 ... 64

第五章

山坡地社區智慧防災監控平台 ... 65

第一節

平臺系統需求分析 ... 65

第二節

平臺系統架構與核心技術 ... 66

第三節

平臺開發成果與展示 ... 70

第四節

山坡地社區智慧防災系統示範案說明網頁 ... 78

第六章

示範邊坡穩定性評估 ... 81

受委託者：國立臺灣科技大學

研究助理：李奕緯

計畫期程：中華民國107年1月至107年12月

計畫經費：新台幣133萬7千元

附錄一評選委員意見回覆 ... 99

附錄二示範山坡地相關文件 ... 105

附錄三工作會議 ... 115

附錄四期中審查意見回覆 ... 119

附錄五推廣說明會 ... 123

附錄六感測器相關文件 ... 127

附錄七期末審查意見回覆 ... 131