運用無線射頻辨識系統（ RFID ） 降低土石流災害 可行性 探討

1. 國立中興大學水土保持學系碩專班 專題討論(四)-9375 運用無線射頻辨識系統（RFID）降低土石流災害可行性探討 授課教授：陳 文 福 教 授 指導教授：林 俐 玲 教 授 報 告 人：謝 亞 倫 學 號：5 9 7 4 2 1 1 6

2. 目次 • 摘要 • 前言 • 前人研究 • 研究材料與方法 • 分析與討論 • 結論與建議

3. 摘 要 • 運用無線射頻辨識(RFID，Radio Frequency Identification)資訊技術平台，建立直觀的「土石(流動)崩落警報系統」，並配合現有的「土石流防災資訊網」，整合雨量及土石崩落等資訊，將影響撤離居民的時機，有效降低生命的傷損。 • 位置(坡度) • 崩落 • 雨量 • 即時

4. 前言 • 台灣降雨時空不均、河流既短且陡、地質脆弱且多地震，致使每逢颱風豪雨，常發生土石流災害。目前公布之本省土石流危險溪流約有485條，其流域多與山區道路、橋樑縱橫交錯，或相當接近人類居住之部落，對百姓之生命財產造成莫大威脅。基於保護人民生命安全與財產之立場，若能於眾多土石流潛在危害區上游，設置準確之土石流發生即時偵測儀器，進而建立大區域防災通報系統，以及潛在危害區之應變與警報疏散系統，應為可行。

5. 前人研究(一)-什麼是土石流呢？ • 土石流為山坡地災害中的一種土體運動型式，Varnes（1978）認為土體運動型式有墜落（fall）、傾翻（topple）、滑動（slide）、側滑（lateral spread）、流動（flow）及複合運動（complex）等6 種。 • 張石角（1983）認為土石流一般係泛指含水量高的未固結沉積物或風化的礫石、岩屑，因豪雨、逕流之集中所發生的集體流動現象。 • 農委會水土保持局編撰之水土保持手冊（1992）及水土保持技術規範（2003）定義土石流係指泥、砂、礫及巨石等物質與水之混合物，以重力作用為主，水流作用為輔之流動體。

6. 綜合上述對土石流的描述顯示，土石流發生需具備三種基本條件：充足的水份、豐富的鬆散土石及足夠大之坡度（弗萊施曼，1986）。充足的水份潤滑土石流內固態物質並降低固態物質間的摩擦力與凝聚力，促使固態物質液化以助於流動；豐富的鬆散土石提供形成土石流所需之固態物質；足夠大之坡度供給土石流流動之動力，使土石流克服其內部之摩擦力與凝聚力後繼續向低處流動（詹錢登，2000）。綜合上述對土石流的描述顯示，土石流發生需具備三種基本條件：充足的水份、豐富的鬆散土石及足夠大之坡度（弗萊施曼，1986）。充足的水份潤滑土石流內固態物質並降低固態物質間的摩擦力與凝聚力，促使固態物質液化以助於流動；豐富的鬆散土石提供形成土石流所需之固態物質；足夠大之坡度供給土石流流動之動力，使土石流克服其內部之摩擦力與凝聚力後繼續向低處流動（詹錢登，2000）。

7. 前人研究(二)-近年土石流災害防治相關研究 • 預警方式在傳統的警報模式有分為接觸式警報和非接觸式兩種(韋等，2002)。 • (1)接觸式警報器主要利用土石流接觸到傳感設備後發出警訊聲響通知土石流發生。 • (2)非接觸式警報分為三類：(i)影像監控警報，但因受天候與光線影響因此較少使用；(ii)超音波位元警報是利用超音波監控儀進行監測並於高於一警戒值後發出警報通知；(iii)土石流地聲警報是利用土石流探頭監測到土石流運動型成的特殊地聲聲波後發出土石流警報。

8. 前人研究(三) • 韋方強等人提出城鎮泥石流減災決策支援系統(韋等，2002)。 • 張守陽等學者提出“機械視覺判斷土石流流動之研究”(張、李，2002)。 • 李昇墩教授提出土石流防救災知識管理系統(李等，2002)。 • 餘斌學者提出之崩滑型泥石流預報(餘斌， 2002)。 • 譚萬沛學者提出泥石流溝的臨界雨量線分佈特徵(譚萬沛，1989)。

9. 陳明棠北部地區區域內之 528 條土石流潛勢溪流危險度分析(陳明棠，2002)。 • 劉哲欣利用水文與地文之相關因子評估樣本溪流發生土石流的潛在勢能，做為土石流預警之臨界降雨線建構基準(劉哲欣，2000)。 • 陳樹群教授提出臺灣土石流危險區輸散避難規劃(陳等，2002)。

10. 一套完整的RFID系統，是由讀取器（Reader）與電子標籤（Tag）也就是所謂的應答器（Transponder）及應用程式資料庫電腦系統(Application System)三個部份所組成，其動作原理為：利用無線電波發送的磁場（Field），進行無線資料辨識及擷取的工作，達到身份及物品內容識別的功能。

11. 由Reader發射一特定頻率之無線電波能量給Transponder，用以驅動Transponder電路將內部之 ID Code送出，此時Reader便依序接收解讀此ID Code，送給應用程式資料庫系統做應用。由Reader發射一特定頻率之無線電波能量給Transponder，用以驅動Transponder電路將內部之 ID Code送出，此時Reader便依序接收解讀此ID Code，送給應用程式資料庫系統做應用。

12. 電子標籤(Tag)區分為被動式和主動式兩種。 • 被動式Tag是接收讀取器所傳送的能量，轉換成電子標籤內部電路操作電能，不需外加電池，可達到體積小、價格便宜、壽命長，以及數位資料可攜性等優點；主動式Tag最大不同處則為有加裝電池，體積自然較大，但本身可發射訊息，透過後端平台將可掌控物流或人員動態。

13. 讀取器（Reader）主要是由無線電模組（傳送器與接收器）、類比控制（Analog Control）、數位控制（Digital Control）、中央處理單元（單晶片或單板電腦）以及讀取天線組所組成。 • 負責讀寫Tag的資料，Reader主要的功能在於發射及接收無線電訊號，對於儲存在Tag的資料以有線或無線方式傳回主機，利用相關搜尋技術或協定，達到每秒辨識數百個不同的電子標籤的辨識能力。除此之外，很多讀取器會配備有額外的介面（RS232, RS485等），讓其將接收的資料傳送到另外一個系統（PC，控制系統）。

14. 讀取器 標籤

15. 應用程式系統主要是負責系統平台的操作，透過有線或無線的方式經由讀取器擷取或接收電子標籤之內部數位資訊，並利用這些資訊配合不同的應用需求做進一步的加值處理，也可以結合資料庫管理系統、電腦網路與防火牆等技術，提供全自動安全便利的即時監控系統功能。應用程式系統主要是負責系統平台的操作，透過有線或無線的方式經由讀取器擷取或接收電子標籤之內部數位資訊，並利用這些資訊配合不同的應用需求做進一步的加值處理，也可以結合資料庫管理系統、電腦網路與防火牆等技術，提供全自動安全便利的即時監控系統功能。

17. 研究材料與方法 • 台灣的地質及地形環境： • 台灣的地貭環境，由於受到擠壓抬升，造就山多平地少的地質環境，質地相當脆弱，為容易受到風化及侵蝕的破碎岩層，加上軟弱的岩盤分佈於順向坡上，使得山坡上的土體相當不穩定，加上地震發生次數的頻繁，落石、崩塌及地滑所產生的大量鬆散土石堆積在坡面或河床上，提供土石流發生的主要土砂來源。

18. 台灣的地形環境，相當陡峭，3,000m 以上的高山有258座，海拔100m 以上的山坡地佔全台總面積的70%以上，上游河川坡度非常陡峻，短促流急，提供土石流發生的最佳動力來源。

19. 台灣的降雨環境： • 台灣地區的水文環境受到海洋的調節，氣候溫暖而潮濕，水氣豐沛，暴雨頻繁，除了年雨量超過2,500 mm 外，一些高山地區的年雨量竟高達5,000mm，且颱風期間的降雨強度往往超過100 mm/hr。平均每年侵襲台灣3.5 次的颱風和夏季的西南季風及冬季的東北季風共同所帶來的雨量，除了是台灣地區水資源的主要供應者，也是山坡地土石流發生的主要誘發因素。

20. 土石流發生之水文及地文條件： • 土石流是泥、砂、礫及巨石等固體物質與水之混合物，受重力作用後所產生之流動體。 • 因為是水與固態物質混合之流動體，所以土石流之運動型態除了具備水的流動特性以外，還有土石材料的力學機制。 • 發生土石流所需的水量主要取決於鬆散土體的性質和地形坡度，若土體疏鬆、含水量高、且具有較陡的地形，則較少的水量即能引起土石流，反之，則需要較多的水量方能引起土石流。

21. 土石流發生之降雨特性： • 在分析土石流發生降雨特性時，通常考量土石流發生當時的直接激發雨量（包括降雨強度與當場累積雨量）及間接激發雨量（如前期降雨）。一般來說，土石流發生之前的降雨量越多，土體越接近飽和，因此所需要土石流短歷時直接激發雨量也就越小。另外，除了考慮土石流發生時刻的直接激發雨量與間接激發雨量外，降雨延時的長短也會影響降雨強度與累積雨量的多寡。一般而言，降雨延時較長的一場降雨，其降雨強度會比較小；反之，降雨延時較短的一場降雨，其降雨強度會比較大。

22. 「土石崩落警報系統」佈置與方法： • 土石崩落警報裝置之製作與裝設，主要以警報裝置、PC 電腦及GSM等單元組成一個可以傳送土石流發生訊息之警報系統。其中GSM 系統，主要功能為：當警報裝置所接收到訊號，經電腦程式判讀符合土石流發生時的警戒基準值時(含土石位移及雨量)，藉由GSM 系統發出警報簡訊，以達其警戒功能。由於土石崩落發生警報裝置，需配合洪汛期間在室外獨立運作，故電源方面則以鉛蓄電池為其供應方式。

23. 規劃在有民眾居住的土石流潛勢溪流週邊坡地及易滑動之順向坡，每隔100公尺設立一組水泥基樁，基樁分別設置標籤(tag)及讀取器(reader)，標籤由地面起，每往下20公分埋設一組，計埋設4組標籤。規劃在有民眾居住的土石流潛勢溪流週邊坡地及易滑動之順向坡，每隔100公尺設立一組水泥基樁，基樁分別設置標籤(tag)及讀取器(reader)，標籤由地面起，每往下20公分埋設一組，計埋設4組標籤。

24. 深度和範圍

26. 由讀取器將信號傳至PC 電腦，若標籤信號消失，代表相對深度之土石產生位移，再經PC 電腦判讀得知哪些位置產生土石崩落，即可概估土石位移面積及方向。

28. GSM 系統： • GSM（Global System for Mobile Communication）即全球行動通訊系統，乃是1987年由歐洲共同體所提出的第二代數位式行動電話系統，行動電話系統目前有AMPS與GSM 兩種系統，兩者最大的區別為前者為類比式，後者為數位式。

29. 本研究中之簡易警報器系統主要使用GSM 系統之簡訊服務（SMS, Short Message Service）功能，此功能為GSM 系統所提供以行動電話收發訊息的功能，每則簡訊最長可傳送140 個英文字母，簡訊服務的傳輸格式可分為Text 與PDU 兩種格式，本文主要以Text 格式發佈土石流警告訊息。

30. 在此系統中，只需一台電腦、一套軟體加上一台GSM 模組，無需接入網路便可編輯及傳送簡訊。此外，GSM 系統之簡訊服務具有以下之特點： • 具有即時性（real-time），可在極短之時間內以GSM 行動電話網路傳送至受訊者之行動電話中。 • 受訊者收到簡訊後可將其儲存於手機中，可隨時進行查看。

31. 簡訊的傳送利用信號連結（signaling link）傳送，訊息的傳送不會佔用通話頻道，因此手機在通話狀態下依舊可以接收簡訊。 • GSM 之加密技術可避免簡訊內容遭到竊取。

32. 本研究所使用之GSM 模組為Wavecom 公司所生產之Fastrack modem M12 series(M1206)模組，將GSM 數據機與電腦連接，其中連接線為RS-232 介面，並且連接至PC 端之COM Port，接著利用Windows 提供之通訊工具「超級終端機」進行參數之設定，設定完成後電腦即可透過RS-232 及AT commands對GSM 數據機進行操控﹙其控制命令字串都是以AT 開頭，後面加上一些指令，不分大小寫，故稱之﹚。

34. 數據機操作步驟如下： • 1.申請異號行動數據 SIM 卡。 • 2.使用手機將“輸入SIM 密碼”作業取消。 • 3.將 SIM 卡置入“Fastrack modem M12 series(M1206) ”。 • 4.電腦設定︰「附屬應用程式」→「通訊」→「超級終端機」→「內容設定」

36. 5.設定完成後，回到超級終端機主畫面，利用 AT command 輸入下列發送簡訊之指令，即完成簡訊之傳送。 AT+CNMI=0,1,1,1,0 enter→ OK AT+CSMP=17,169,0,0 enter→ OK AT+CMGF=1 enter→ OK AT+CSCA=+886932400851 enter→ OK AT+CMGS=“受訊者手機號碼” enter→ OK 輸入欲傳簡訊之內容” ctrl+z→ 發送完成

37. 系統軟體架構： • 本系統主要需建構一套擷取「土石崩落警報裝置」資料的軟體以進行訊號之判斷(如 LabVIEW程式可擷取地聲檢知器電壓資料，暫時命名為「RFID警報裝置判讀程式」)，並運用Microsoft Visual Basic(版本)軟體來發送及簡訊。

39. 首先以「RFID警報裝置判讀程式」擷取「土石崩落警報裝置」資料，其取樣頻率為13.56MHz，且即時檢測每筆接收的資料值。目前設定之土石流發生警戒值為達4組裝置信號消失時(以信號消失距離及距地面深度估計土石崩落數量)，即判斷土石流發生，並在檔案“SendMsg”中寫入“overflow”字串。首先以「RFID警報裝置判讀程式」擷取「土石崩落警報裝置」資料，其取樣頻率為13.56MHz，且即時檢測每筆接收的資料值。目前設定之土石流發生警戒值為達4組裝置信號消失時(以信號消失距離及距地面深度估計土石崩落數量)，即判斷土石流發生，並在檔案“SendMsg”中寫入“overflow”字串。

41. 此外同時應用 Visual Basic 程式檢測“SendMsg”檔案，當檢測出“overflow”字串出現時，即在超級終端機介面上，輸入AT 指令來操控GSM 模組，發送土石流發生之訊息。如此便可由設定之收訊手機接收到“debris-flow”訊息，完成簡易土石流發生警報器之警報任務。

43. 分析與討論 • 「RFID土石崩落警報系統」的研究開發，將循一般資訊系統的建置方式進行，其中系統需求、系統分析及系統設計等技術與開發工具在市場上可購得獲取。 • 評估方式以可行性(practicability)、正確性(accuracy)、效能性(efficiency)與完整性(completeness)等四個構面進行。其目標與方向希運用有民眾居住的土石流潛勢溪流週邊坡地及易滑動之順向坡作為實驗，再推廣至全國保全對象所在地。

44. 可行性： • 藉由民間已成熟整合之無線行動網路、RFID等技術，分別運用於我目前土石流災害保全對象端、地方政府端(含地方警察局及消防局)、中央政府端(含水土保持局)等三個子系統中，再結合各地雨量資訊，即時且持續傳輸土體運動及雨量資訊至地方及中央，有效掌握撤離時機，降低生命的傷損。

46. 正確性： • RFID電子標籤具有唯一碼的特性（且不易被任意複製），能在每一個環節中提供迅速、無誤的訊息，整合雨量、視訊與土石崩落的資訊，可讓中央單位即時且正確的研判，以發出強制撤離居民警示。 • 經費

47. 效能性： • 雖現有「土石流防災資訊網」仍可用傳統模式運作，但撤離的時機乃攸關於人的生命。且提升整體災情的掌控度，必須建構整體「土石崩落警報系統」，以大幅提升中央與地方的管理效能。

48. 完整性： • 在系統導入上，目標朝任何有保全對象之地區內，一旦發生重大土石流災情，我中央或地方政府主管機關，都可完整掌握整體土石崩落狀況等相關資訊。

49. 推行的方式： • 目前行政院農業委員會水土保持局已建置「土石流防災資訊網」。因此，初期可選定一些高危險區位藉此一資訊系統，再整合「RFID土石崩落警報系統」，驗證此系統之可行性，若測試情形良好，則可繼續推展至天災高危險區位之房屋定位，以利在黃金72小時內，能精準而有效的救援被土石流掩埋的居民。

50. 建置水泥基樁資料庫-由水保局劃定需建立水泥基樁資料庫之區位，再將各個標籤編碼以確定位置，最後將上述資料建立成基本資料。建置水泥基樁資料庫-由水保局劃定需建立水泥基樁資料庫之區位，再將各個標籤編碼以確定位置，最後將上述資料建立成基本資料。 • 運用RFID控管土石崩落情形-我國可能發生土石流災害的面積龐大，目前難以掌控，未來惟有透過「RFID土石崩落警報系統」，能有效管控土石崩落情形，掌握強制撤離居民的時機，降低生命的傷損。