一种结构崩坏监测预警系统与方法

摘要

本发明公开了一种结构崩坏的监测预警系统与方法，其中，该结构崩坏的监测预警方法包括以下步骤：于一监测区域布设至少一电场检测器，其中该至少一电场检测器用以测量该监测区域的一电场信号；接收该电场信号并对该电场信号进行一信号处理分析；以及当经该信号处理分析后的该电场信号中出现一临界变化特征时，即发出一预警信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构崩坏监测预警系统与方法，尤指一种通过测量及分析电场信号中的临界变化特征的结构崩坏监测预警系统与方法。

背景技术

中国台湾地处环太平洋火山带，属于地震频繁的区域，岛上有许多活动断层，原本地质就比较脆弱，再加上年年多台风以及高雨量的影响，往往造成许多灾害。这些灾害当中包括了崩坏作用。主要的崩坏作用包括：山崩、落石、滑动、翻覆以及土石流等。此外，桥梁、桥墩等人工建筑物的崩坏、建筑墙面的崩坏等亦属于一种崩坏作用。崩坏作用其主要的成因之一是受到重力的影响，其他如岩石中的含水量、风化作用以及地震等亦会加速崩坏作用的产生。最常见的崩坏作用是道路边坡落石，这对行车的安全有严重的威胁，尤其在苏花公路、太鲁阁等路段，常发生落石砸到车辆或路人的意外。另外，亦发生过老旧的桥梁、桥墩突然间断裂，也可能会造成严重的意外。因此，若能对道路边坡、挡土墙、桥墩、桥梁等进行监测，并在崩坏作用导致灾害发生之前能实时发出预警，对保障路人的行车安全非常重要。然而，目前并未有任何技术能预测这些崩坏作用，如边坡落石、桥墩崩坏等的发生。

有鉴于此，本案发明人开发出一种结构崩坏监测预警系统与方法，能在崩坏作用导致的灾害发生之前即发现其征兆，并能实时发出预警信号，因此遂有本发明的产生。

发明内容

本发明所欲解决的技术问题为在崩坏作用导致的灾害发生之前即发现崩坏作用即将发生的征兆，并实时发出预警信号，以降低危害伤害到人的几率。

为了解决以上问题并达到预期的目的，本发明提供的结构崩坏的监测预警方法包括以下步骤：于一监测区域布设至少一电场检测器，其中该至少一电场检测器用以测量该监测区域的一电场信号；接收该电场信号并对该电场信号进行一信号处理分析；以及当经该信号处理分析后的该电场信号中出现一临界变化特征时，即发出一预警信号。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警方法，其中该信号处理分析步骤包括一Morlet转换或一强化型Morlet转换。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警方法，其中该信号处理分析步骤包括一偏度运算以及一峰度运算至少其中之一。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警方法，其中该临界变化特征包括下列(1)～(8)中至少之一：(1)该电场信号的一强度达到一临界强度时；(2)该电场信号的一强度连续于一连续时间内持续大于一临界连续强度时；(3)该电场信号的一强度对一时间间隔的积分值达到一临界积分值时；(4)该电场信号的一强度于一单位时间内的积分值达到一临界单位时间积分值时；(5)该电场信号的一强度的一偏度的绝对值达到一临界偏度值时；(6)该电场信号的一强度的一偏度的绝对值连续于一连续偏度时间内持续大于一临界连续偏度值时；(7)该电场信号的一强度的一峰度达到一临界峰度值时；以及(8)该电场信号的一强度的一峰度连续于一连续峰度时间内持续大于一临界连续峰度值时。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警方法，其中该临界变化特征在一特征频率范围内。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警方法，其中该特征频率范围大于 0.008赫兹且小于1赫兹。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警方法，其中该监测区域为一边坡、一道路边坡、一挡土墙或一桥墩。

此外，本发明还提供了一种结构崩坏监测预警系统，包括：一检测部、一数据处理部以及一警示部；其中该检测部包含至少一电场检测器，其中该至少一电场检测器布设于一监测区域，该至少一电场检测器用以测量该监测区域的一电场信号；该数据处理部以有线或无线的方式接收该电场信号并对该电场信号进行一信号处理分析，当经该信号处理分析后的该电场信号中出现一临界变化特征时即发出一预警信号；该警示部用以接收该预警信号以启动该警示部。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该检测部还包括至少一发射器，其中该至少一发射器用以将该电场信号以有线或无线的方式传送至该数据处理部。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其还包括至少一传输中继站，其中该电场信号通过该至少一发射器以及该至少一传输中继站以有线或无线的方式传送至该数据处理部。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该至少一传输中继站还包括一第一储存装置，该第一储存装置用以记录该电场信号。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其还包括至少一传输中继站，其中该电场信号通过该至少一传输中继站以有线或无线的方式传送至该数据处理部。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该至少一传输中继站还包括一第一储存装置，该第一储存装置用以记录该电场信号。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该警示部为一灯号、 一扬声器、一栅栏以及一显示器至少其中之一。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该信号处理分析包括一Morlet转换或一强化型Morlet转换。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该信号处理分析包括一偏度运算以及一峰度运算至少其中之一。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该临界变化特征包括下列(1)～(8)中至少之一：(1)该电场信号的一强度达到一临界强度时；(2)该电场信号的一强度连续于一连续时间内持续大于一临界连续强度时；(3)该电场信号的一强度对一时间间隔的积分值达到一临界积分值时；(4)该电场信号的一强度于一单位时间内的积分值达到一临界单位时间积分值时；(5)该电场信号的一强度的一偏度的绝对值达到一临界偏度值时；(6)该电场信号的一强度的一偏度的绝对值连续于一连续偏度时间内持续大于一临界连续偏度值时；(7)该电场信号的一强度的一峰度达到一临界峰度值时；以及(8)该电场信号的一强度的一峰度连续于一连续峰度时间内持续大于一临界连续峰度值时。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该临界变化特征在一特征频率范围内。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该特征频率范围大于0.008赫兹且小于1赫兹。

于实施时，前述的结构崩坏监测预警系统，其中该监测区域为一边坡、一道路边坡、一挡土墙或一桥墩。

为进一步了解本发明，以下举较佳的实施例，配合图式、图号，将本发明的具体构成内容及其所达成的功效详细说明如下。

附图说明

图1为本发明提供的结构崩坏监测预警系统与方法的一实验装置图；

图2～图2C为本发明提供的结构崩坏监测预警系统与方法的实验结果时频图；

图3～图3C为本发明提供的结构崩坏监测预警系统与方法的实验结果时域分析图；

图4为本发明提供的结构崩坏的监测预警方法的步骤流程图；

图5、图5A为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的具体实施例；

图6～图6C为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的具体实施例；

图7、图7A为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的具体实施例；

图8为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的具体实施例；

图9为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的一具体实施例的检测部的示意图；

图9A为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的一具体实施例的传输中继站的示意图。

附图标记说明：1-结构崩坏监测预警系统；2-检测部；20-电场检测器；21-发射器；22-第二储存装置；3-数据处理部；4-警示部；5-监测区域；6-道路；7-传输中继站；70-第一储存装置；8-油压机；80-岩心；81-可升降平台；82-电场信号记录器；83-细砂。

具体实施方式

崩坏作用主要的因素之一是来自于重力。由于重力的单轴向施力，因而产生了山崩、落石、桥梁或桥墩崩坏等现象。岩石或混凝土在受到重力压缩时，由于岩石中所含成分常具有压电性质，因而产生出电场信号。因此，本案发明人先在实验室中对各种的岩石的岩心进行单轴压缩试验，以模拟重力的单轴向施力，并测量在单轴向压缩试验过程中各种的岩石的岩 心的表面的电场信号的变化，以从中找出岩心崩坏前的征兆。

如图1所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统与方法的一实验装置图。将钻取所得的一岩心80(一般为圆柱状)放置在一油压机8的一可升降平台81上。于岩心80的表面上设置多个电场检测器20，周围再以压克力容器填上细砂83，以防止岩心碎裂时碎块射到周遭物品及人员而发生危险。在此实验中电场检测器20为一电极。将多个电场检测器(电极)20连接至一电场信号记录器82上。其中电场信号记录器82可连接至一数据处理部3或直接设置在数据处理部3内。数据处理部3可为一计算机，用以记录岩心80的表面的一电场信号，并对电场信号做一信号处理分析。实验时，以一压缩速率抬升该可升降平台81，对岩心80加压。当岩心80受压压缩至无法维持圆柱状而碎裂成大小不一的碎块时，即停止抬升该可升降平台81。于实验时，同时亦记录下单轴向压缩的一压力变化。

在图1的实验装置中，多个电场检测器(电极)20可以非破坏岩心80的方式来设置。例如，在岩心80的表面上先涂上一导电银胶。等导电银胶完全干燥之后，再以一焊锡焊接上一信号线成为电场检测器(电极)20。信号线通常是由单芯或多芯的导线，或者是漆包线所构成。

在图1的实验中所使用的岩心80可以为各种不同种类的岩心，也可以是混凝土，以研究各种类型的岩心或混凝土的特性。在各类岩石的成分当中，石英经常是含量丰富的一种材料。石英是地壳中含量最丰富的具压电性质的物质。石英晶体常呈现四氧化硅的四面体对称结构。当石英晶体受力而产生形变时，原本石英晶体中对称而相互抵销的电偶极矩因受力压缩而变短，因电偶极矩的改变，石英晶体遂于其表面的两端分别形成了正、负电荷，从而产生出对抗此电偶极矩改变的电压。除了石英之外，亦有许多其他具有压电性质的成分。

如图2～图2C所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统与方法的实 验结果时频图。在图2～图2C中，岩心80碎裂的时间点为时间轴的终点。此实验是以花岗岩的岩心80来做实验，属于粉花岗岩，经薄片分析，其主要成分包括石英、斜长石、白云母以及黑云母等。当此花岗岩岩心80受力压缩产生形变时，遂产生出电压。在此四个实验中，对电场信号所做的信号处理分析为一时频域的信号处理分析，先对电场信号做一低通滤波处理，以滤除部分高频信号的噪声。再以一强化型Morlet转换将电场信号由原本时间域的电场信号转换成一频率域，再以时频图来展示电场信号频率及其强度对时间的变化图。在一开始加压时，由于岩心80的内部整体受力并不均匀，因此会出现一些异常的信号。当再继续加压下去，使得岩心80的内部整体受力均匀后，这些异常信号就不再出现。以图2B及图2C为例，在一开始加压的前100秒之内，出现了一些强度较强的电场信号，而这些异常信号之后就不再出现。而在图2及图2A中，一开始加压的前100秒并没有明显的异常信号出现。直到岩心80碎裂成大小不一的碎块之前的一小段时间内，在0.01赫兹到1赫兹之间的频带，电场信号的强度开始出现很明显地激烈变化，此即为岩心80崩坏的前兆。在图2～图2C中皆可以发现，当岩心80碎裂成大小不一的碎块之前的一小段时间内，在0.01赫兹到1赫兹之间的频带，电场信号的强度开始出现很明显地激烈变化。而当电场信号的强度的激烈变化达到一临界变化特征时，则表示岩心80即将崩坏。以图2为例，在时间轴约1400秒之后电场信号的强度开始出现一些变化，而约在1800秒左右达到临界变化特征。在图2A中，在时间轴约1500秒之后电场信号的强度开始出现一些变化，而约在1900秒左右达到临界变化特征。以图2B为例，在时间轴约850秒之后电场信号的强度开始出现一些变化，而约在950秒左右达到临界变化特征。以图2C为例，在时间轴约950秒之后电场信号的强度开始出现一些变化，而约在980秒左右达到临界变化特征。在图2～图2C中，达到临界变化特征的时间与岩心80碎裂的时间点(时间轴的终点)之间皆尚有一小段时间，因此可以在岩心80碎裂之前即观察到其征兆。因此， 当达到临界变化特征时，可以预测岩心80即将崩坏。由于实验时的单轴向压缩力大于重力，因此若将电场检测器20布设于道路边坡，当监测到临界变化特征时，则临界变化特征的时间点距离道路边坡发生崩坏的时间点会比实验的结果还长，也因此有足够的时间发出预警信号，以降低危害到人的几率。

如图3～图3C所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统与方法的实验结果时域分析图。实验是同样以花岗岩的岩心80来做实验。在这四个实验中，对电场信号所做的信号处理分析为一时间域的信号处理分析。先对电场信号做一低通滤波处理，以滤除部分高频信号的噪声。再对电场信号做一偏度运算，并撷取岩心80碎裂成大小不一的碎块前后的部分结果，将其显示于时域分析图中。其中岩心80碎裂的时间点约是在滑移量突然上升的地方，也就是在横轴约4700左右附近。由时域分析图中可以清楚观察到，在此岩心80碎裂的时间点之前，也就是在横轴约3300左右附近，电场偏度会从零附近开始产生变化，明显呈现出大于零的值。因此，在时域分析图中同样可以观察到，在岩心80碎裂之前，电场偏度会开始变化。当电场偏度的变化达到一临界变化特征时，亦可以用来预测岩心80即将崩坏。

对于不同的岩心，甚至不同的岩心种类，可以通过一归一化运算对电场信号进行信号处理分析，以形成一无量纲量的数据分析。

如图4所示为本发明提供的结构崩坏的监测预警方法的步骤流程图，包括以下步骤：于一监测区域5布设至少一电场检测器20，其中至少一电场检测器20用以测量监测区域5的一电场信号；接收电场信号并对电场信号进行一信号处理分析；以及当经信号处理分析后的电场信号中出现一临界变化特征时即发出一预警信号。其中临界变化特征可以由下列(1)～(16)中至少之一来判断：(1)在一特征频率范围内的电场信号的强度达到一特频临界强度时；(2)在一特征频率范围内的电场信号的强度连续于一特频连 续时间内持续大于一特频临界连续强度时；(3)在一特征频率范围内的电场信号的强度对一特频时间间隔的积分值达到一特频临界积分值时；(4)在一特征频率范围内的电场信号的强度于一单位时间内的积分值达到一特频临界单位时间积分值时；(5)在一特征频率范围内的电场信号的强度的一特频偏度的绝对值达到一特频临界偏度值时；(6)在一特征频率范围内的电场信号的强度的特频偏度的绝对值连续于一特频连续偏度时间内持续大于一特频临界连续偏度值时；(7)在一特征频率范围内的电场信号的强度的一特频峰度达到一特频临界峰度值时；(8)在一特征频率范围内的电场信号的强度的一特频峰度连续于一特频连续峰度时间内持续大于一特频临界连续峰度值时；(9)电场信号的强度达到一临界强度时；(10)电场信号的强度连续于一连续时间内持续大于一临界连续强度时；(11)电场信号的强度对一时间间隔的积分值达到一临界积分值时；(12)电场信号的强度于一单位时间内的积分值达到一临界单位时间积分值时；(13)电场信号的强度的一偏度的绝对值达到一临界偏度值时；(14)电场信号的强度的一偏度的绝对值连续于一连续偏度时间内持续大于一临界连续偏度值时；(15)电场信号的强度的一峰度达到一临界峰度值时；以及(16)电场信号的强度的一峰度连续于一连续峰度时间内持续大于一临界连续峰度值时。其中特征频率范围大于0.008赫兹且小于1赫兹。由于临界变化特征从时频图中或时域图中非常容易观察到，因此，判断是否达到临界变化特征不应受限于上述16种方式。其中监测区域可为一边坡、一道路边坡、一挡土墙或一桥墩。其中监测区域还可包含一磁砖墙面或一建筑墙面。其中电场检测器20可为一电极。其中对电场信号所做的信号处理分析通常可以分成三种模式，分别是一时间域的信号处理分析、一频率域的信号处理分析以及一时频域的信号处理分析。也可先进行时间域的信号处理分析，之后再进行频率域的信号处理分析或时频域的信号处理分析。常见的时间域的信号处理分析有一低通滤波、一归一化运算、一偏度运算以及一峰度 运算等。常见的频率域的信号处理分析有一小波分析、一小波转换、一母小波转换、一Morlet转换、一时间域至频率域转换、一傅立叶变换以及一快速傅立叶变换等。时频域的信号处理分析通常以频率域的信号处理分析为基础，进而产生出时频域图。

如图5所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的一具体实施例，包括：一检测部2、一数据处理部3以及一警示部4。其中检测部2包含至少一电场检测器20，其中电场检测器20布设于一监测区域5，电场检测器20用以测量监测区域5的一电场信号。在此实施例中，监测区域5为一边坡，电场检测器20可为一电极、一导线、一信号线或一漆包线。电场检测器20可以埋设的方式布设于监测区域5的边坡上。数据处理部3可为一笔记本电脑、一计算机或一服务器。电场检测器20以有线的方式与数据处理部3相连接，使得数据处理部3可以接收电场信号，并对电场信号进行一信号处理分析。警示部4以有线或无线的方式与数据处理部3相连接。在此实施例中，警示部4为一道路灯号，当经信号处理分析后的电场信号中出现一临界变化特征时，数据处理部3即发出一预警信号至警示部4，警示部4接收预警信号以启动警示部4，以控制道路6的通行。在其他实施例中，警示部可为一灯号、一扬声器、一栅栏以及一显示器至少其中之一。其中对电场信号所做的信号处理分析与前述的本发明提供的结构崩坏的监测预警方法中相同。其中临界变化特征亦与前述本发明提供的结构崩坏的监测预警方法中相同。在其他实施例中，监测区域为一道路边坡、一挡土墙或一桥墩。在另一实施例中，监测区域为一磁砖墙面或一建筑墙面。

如图5A所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的另一具体实施例。其主要结构与图5所示的实施例大致相同，但是，其中检测部2还包括至少一发射器21。发射器21与电场检测器20相连接。其中发射器21用以将电场检测器20所测量到的电场信号以无线的方式传送至数据处理部3。在其他实施例中，发射器21可包括一第二储存装置22(请参阅第9图)，其中第 二储存装置22用以记录电场信号。

如图6所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的又一具体实施例。其主要结构与图5所示的实施例大致相同，但是，其中还包括至少一传输中继站7。传输中继站7与其相邻近的电场检测器20以有线的方式相连接。传输中继站7与传输中继站7之间再相互以有线的方式相连接。其中至少一个传输中继站7与数据处理部3以有线的方式相连接。电场信号通过传输中继站7以有线的方式传送至数据处理部3。其中包括至少一警示部4。警示部4与传输中继站7或数据处理部3相连接。在其他实施例中，传输中继站7可包括一第一储存装置70(如图9A所示)，第一储存装置70用以记录电场信号。

如图6A所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的另一具体实施例。其主要结构与图6所示的实施例大致相同，但是，其中传输中继站7与传输中继站7之间以无线的方式相连接。传输中继站7与数据处理部3以无线的方式相连接。警示部4与数据处理部3或传输中继站7以有线或无线的方式相连接。在其他实施例中，传输中继站7可包括一第一储存装置70(如图9A所示)，第一储存装置70用以记录电场信号。

如图6B所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的另一具体实施例。其主要结构与图6所示的实施例大致相同，但是，其中检测部2还包括至少一发射器21。发射器21与电场检测器20相连接。其中发射器21用以将电场检测器20所测量到的电场信号以无线的方式传送至邻近的传输中继站7。在其他实施例中，发射器21可包括一第二储存装置22(如图9所示)，其中第二储存装置22用以记录电场信号。

如图6C所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的另一具体实施例。其主要结构与图6B所示的实施例大致相同，但是，其中传输中继站7与传输中继站7之间以无线的方式相连接。传输中继站7与数据处理部3以无线的方式相连接。警示部4与数据处理部3或传输中继站7以有线或无线的方 式相连接。在其他实施例中，传输中继站7可包括一第一储存装置70(如图9A所示)，第一储存装置70用以记录电场信号。

如图7所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的另一具体实施例。其主要结构与图6所示的实施例大致相同，但是，其中监测区域5为道路6的两侧的边坡，传输中继站7与传输中继站7之间的连接为一网状分布(在图6所示的实施例中，传输中继站7与传输中继站7之间的连接为一链状分布)。在另一实施例中，传输中继站7与传输中继站7之间的连接为包括一网状分布、一星状分布以及一链状分布至少其中之一。在其他实施例中，传输中继站7与传输中继站7之间的连接为结合一网状分布、一星状分布以及一链状分布至少其中之二。

如图7A所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的另一具体实施例。其主要结构与图7所示的实施例大致相同，但是，其中检测部2还包括至少一发射器21。发射器21与电场检测器20相连接。其中发射器21用以将电场检测器20所测量到的电场信号以无线的方式传送至邻近的传输中继站7。传输中继站7与传输中继站7之间以无线的方式相连接。传输中继站7与数据处理部3以无线的方式相连接。警示部4与数据处理部3或传输中继站7以有线或无线的方式相连接。在其他实施例中，发射器21系包括一第二储存装置22(如图9所示)，其中第二储存装置22用以记录电场信号。在又一实施例中，传输中继站7可包括一第一储存装置70(如图9A所示)，第一储存装置70用以记录电场信号。

如图8所示为本发明提供的结构崩坏监测预警系统的另一具体实施例。其主要结构与图6A所示的实施例大致相同，但是，其中监测区域5为一桥梁的桥墩。

以上所述是本发明的具体实施例及所运用的技术手段，根据本文的揭露或教导可衍生推导出许多的变更与修正，仍可视为本发明的构想所作的 等效改变，其所产生的作用仍未超出说明书及图式所涵盖的实质精神，均应视为在本发明的技术范畴之内，合先陈明。