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科技再進化-無人載具搭載透地雷達堤防檢測新利器第十河川局

  發刊期數:第0535期/ 發布日期:112/04/14

臺灣本島屬於「南北長、東西狹」的地形,在中央山脈的綿亙下,主要河流多屬於流短水急的型態,這種河流的特點就是當遭逢颱風或短延時強降雨時河流水量容易暴增,在地狹人稠的狀況下,極易造成產業與財物的大量災損。為了因應這種突然暴漲水流的衝擊,最常運用的做法就是構築堤防加以因應。堤防的種類往往隨著河川的大小、流速或者其鄰近地區地形的差異而有所不同,然而不管堤防的外觀種類如何不同,其構築結構一般多是從內部填入土方夯實後再外覆一層混凝土,以防汛排洪、降災減損為主要目標。而堤防在經歷過長時間河水沖刷後,原本構築的結構亦會慢慢受到影響,通常堤防結構體之損壞往往會先從內部土方壓密沉陷開始,隨著土方慢慢沉陷,從堤身可察覺混凝土出現孔洞或裂縫,直到受損範圍超過堤身混凝土所能支撐之強度後,即產生破裂或坍塌之現象;颱風豪雨期間若有水流經由孔洞或裂縫大量進入堤身內,則可能發生潰堤現象。因此,若能於堤防出現孔洞或裂縫現象時,即予修復或改善,將有助於健全堤防之結構,避免發生重大災情。現階段堤防檢查作業主要是以目視檢測為主,然目視檢查發現損壞時,通常堤防內部已有較大之孔洞甚或產生龜裂現象。為求提早察覺堤防內部是否有孔洞,採非破壞性檢測方法診斷堤身內部有無淘空現象,應屬較適合且有效率之作法,目前各河川單位採用較多的方式為使用透地雷達(Groundpenetratingradar,GPR)進行非破壞性檢測。
     透地雷達簡稱 GPR(Ground Penetrating Radar),為應用電壓為幾百伏特電磁波,其產生頻率範圍在1MHz-2GHz 且歷時為幾十億分之一秒的高頻電磁波(亦稱為雷達波),可穿透地層或混凝土結構物,並利用雷達波在不同介電性質的界面產生的反射訊號,經由高靈敏度之接收天線接收電磁波反射訊號,然後由軟體進行訊號處理與分析,進而探討待測物之剖面狀態;雷達所釋出的脈衝將決定其解析度及貫穿能力,為了判讀出緊鄰物體間所傳回的回波(echo)差異時,脈衝的歷時必需要很短,短脈衝內包含著高頻的電磁波,但是高頻的電磁波在傳播的過程中,能量減弱的情形十分嚴重,亦即貫穿的能量變差,因此必需在以上兩種考量下,找出最適當的組合。作混凝土的評估時,較典型的頻率值約在250MHZ ~1,000MHZ。有鑑於人力執行堤防非破壞性檢測工作時場域多具有一定危險性(偏僻、 酷熱、…),因此若能引用科技化、自動化產品協助相關工作執行,應有助降低是類作業之負荷與危險性。因此水利署推動與國家中山科學研究院合作研發以無人載具搭載透地雷達進行堤防檢測工作。
     研發目的在於達成:1.針對堤防戧台、堤腳等現行人力檢測作業不易達到或完成之堤坡場域,提供可到達執行非破壞性檢測作業之執行方案。2. 針對現行人力檢測作業,引入自動化、智慧化等技術,提供縮短作業時間或減少人力作業執行風險之可行方案。3.面對地震或颱風等特殊情況須對堤防進行立即檢測並獲得損壞資訊的情況,針對現有作業流程進行精進,透過流程簡化或智慧化等手段,提供可於當日獲得非破壞性檢測即時初步判讀結果之可行方案。
      無人載具系統運作架構為1.無人載具於執行非破壞性檢測作業前,由工作人員使用操作平板完成開機與系統備便工作。2.當工作人員使用操作平板設定好循跡自走功能後,透過無線 傳輸單元傳輸到遠端控制單元。3.透過各感測器收集之資訊,內建之循跡自走演算法會完成路徑計算,再提供至遠端控制單元做為馬達控制之用。4.遠端控制單元執行馬達控制同時,會透過無線傳輸單元將相關資訊回傳至工作人員之操作平板。
     綜上,因此無人載具搭載透地雷達較現行人力推行透地雷達主要優勢有三:
1.減少人力負荷:原本人工作業時,整個檢測任務執行期間均需由工作人員推著工作車從頭推到尾,特別遭遇到高溫酷暑的天氣時顯得尤其辛苦。而改使用無人載具作業時,操作人員可以避免高溫曝曬同時實施無人載具作業,降低熱中暑或職災發生機率。
2.初步判讀時程大幅縮短:原本人工作業時,整個檢測任務之透地雷達影像資料初步判讀結果,需待工作人員將資料攜回實驗室進行後製整理與判讀後方能完成,所需時間要十數個到數十個工作天。而改使用無人載具作業,透地雷達影像資料可使用國家中山科學研究院研發之判讀技術進行即時初步判讀,針對30公分(含)以上孔洞可於短時間內判斷,提供工作人員作為後續處置之參考或依據。因此對整個檢測作業時程而言,使用無人載具搭載透地雷達執行非破壞檢測作業確可大幅縮短整體作業與初步判讀獲得的時間。
3.可進行人力無法到達處之檢測作業:針對現行人力檢測作業不易到達或執行人力檢測有危險產生之堤坡場域,如堤防斜坡等處,目前監測方式主要採目視,尚無法使用透地雷達進行全面性偵測。因此,透過本計畫無人載具搭載透地雷達,可針對堤防戧台、堤腳等現行人力檢測作業不易達到或完成之堤坡場域,進行非破壞性檢測作業,有助於提升臺灣水利建造物結構之非破壞性檢測量能。