第 39 屆海洋工程研討會論文集 弘光科技大學 2017 年 11 月

Proceedings of the 39th

Ocean Engineering Conference in Taiwan

Hungkuang University, November 2017

風機水下基礎淘刷填補拋石厚度即時計算系统技術開發

吳兆誠 1 陳林福 2 蕭松山 3 方惠民 4賴澄燦 5江宗儒 6 1財團法人船舶暨海洋產業研發中心產業發展委員兼行長特助 2財團法人船舶暨海洋產業研發中心海洋產業發展處 副處長

3國立臺灣海洋大學河海工程學系 教授 4國立臺灣海洋大學河海工程學系 助理教授

5國立臺灣海洋大學河海工程學系 博士生 6國立臺灣海洋大學河海工程學系 碩士生

摘要

離岸風機基礎建置前及安裝後，皆需對安裝位置之海床進行整理、填補及拋石強化或表面

保護作業。風機在長達 20 年以上的營運期，因海流沖刷、海床底質易變等因素，必須及時進

行重點填補，拋石成果即時計算系統可提供精確拋石導引及成果報告供業者營運使用，故拋石

規劃、計價、成果評定將影響離岸風場建設成本與運維安全。基於確保整地及拋石作業施工精

度符合工程需求，本研究研發訊號整合和即時及計算等兩套系統。訊號整合系統-即時整合定位、

水深、聲速等資訊收集，可提供拋石作業前置資料庫整合資訊，呈現 3D 場域建模，以利填補

規劃作業及計量作業；即時計算系統-接收由資料收集所傳來的整合資料(含修正後的位置及水

深)，可做為導航及即時計算地形網格，並與預先測量所得的地形網格即時作比對及顯示，以提

供混濁水下環境之即時拋石成效判定資訊，確認工作完成程度。

關鍵詞：離岸風力發電機、風機基礎掏刷、即時計算、雲端

Development of Immediate Computing System for

Frosting Underwater Foundation

Zhao-cheng Wu Lin-fu Chen Sung-Shan Hsiao* Hui-Ming Fang

Cheng-Tsen Lai Zhong-Ru Jiang

*Professor, Department of Harbor and River Engineering, National Taiwan Ocean University

ABSTRACT

Before and after installation of the offshore windturbines foundation, the seabed at the

installation site shall be collated, filled and rammed or surface protected. windturbines in the

operation period of more than 20 years, due to seawater erosion, bottom material susceptibility and

other factors,must be timely focus on filling,Riprap results of the immediate calculation system can

provide accurate rush to guide the results and report the use of business operators , So Riprap

planning, pricing, assessment of the results will affect the offshore wind farm construction costs and

operational safety. Based on ensuring that the construction site and the Riprap accuracy meet the

engineering requirements, the research and development of signal integration and real-time and

computing systems. Signal integration system - real-time integration of positioning, depth, sound

velocity and other information collection, can provide a pre-operational database integration

information, showing 3D field modeling to facilitate the planning and operation of metering

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operations; real-time computing system - Collect the integrated data (including the corrected position

and depth), and use it as a navigation and instantaneous terrain grid and compare and display with the

pre-measured terrain grid to provide a turbid underwater environment The actual rush to determine

the effectiveness of information to confirm the degree of completion.

Keywords: Frosting Underwater Foundation; Windturbines; Immediate Computing System

一、研究目的

離岸風電水下基座建造前，需進行整地拋石改

善工址地質條件，基座安裝後則需進行拋石防護，

避免基礎淘刷。離岸風機在長達 20 年以上的營運期

間，必需定期檢視基座及電纜拋石防護層是否損壞，

若果並須即時填補，以避免危及風機營運安全、降

低營運效益。由於傳統拋石作業有精度不足、費工

費料、成果不彰、甚至損傷基座及電纜結構等諸多

缺失，因此為求風場建置及營運如預期運行，研發

精準填不捕拋石厚度即時計算系統有其必要性。惟

在狹窄風場有諸多障礙物的環境下，拋石工作船如

何環繞指定標地物配合側落管拋石作業進行循跡、

停留、填補及即時成果檢測，是達成預期功能目標

的關鍵技術。

二、研究目標

基於確保補砂拋石作業施工精度符合工程需求，

本研究標的研發精準拋石厚度即時計算系統包含訊

號整合及即時計算系統，系統功能說明如下:

2.1 訊號整合系統

系統須即時整合定位、水深、聲速等資訊收集，

提供拋石作業前置資料庫整合資訊，呈現 3D 場域建

模，以利填補拋石規劃作業及計量作業。

2.2 即時計算系統

接收由資料收集器所傳來的整合資料(含修正後

的位置及水深 )，做為導航及即時計算地形網格

(Digital Elevation Model, DEM)，並與補砂拋石作業

前測量的 DEM 做即時比對及展示，以提供在混濁水

下環境下，判定即時拋石成效，確認拋石工作完成

程度。

2.3 預期效益

1. 可供石材備料核算、拋石計畫擬定、工時

估算及工程報價分析使用。

2. 可證明工作完程度與完整度，以利於結算

作業。

三、訊號整合系統建置

本研究訊號整合系統以 Linux 作業系統為基礎

的工業電腦機板，以 Python 作為系統開發的程式語

言，由多工執行緒同步接收由水下定位系統傳來的

音鼓位置及測深儀傳來的水深值，使用只須透過

Android 2.1 以上版本聯結瀏覽器(Internet Explorer®

及Google™ Chrome) 即可使用本研究所完成之系統。

本系統架構除可簡化業務相關人員之系統維護更新

作業外，同時也讓使用者在安全機制保護下，透過

網際網路於任何時間或地點登入本系統，即時進行

所需相關作業。水深測量資訊系統資料庫部分，則

採用 JAVADB 做為系統之資料庫，將測量工作加入

含括基本測量軟體與 Android 系統的輔助測量系統，

利用電腦運算，以圖形化介面的方式將儀器所得之

數據與測量計算方法，即時得到現場測量數據並加

以檢驗，整體架構如圖 1 所示。

圖 1 量測系統資料處理流程圖

四、系統驗證測試

4.1驗證目的

傳統水深測量方式係仰賴具有經驗之測量團隊

執行水深測量作業，測深系統包含全球定位系統、

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單音束測深儀、湧浪補償儀等設備。但由於每種儀

器皆有各自的配備，且現場儀器架設複雜及繁瑣，

更需提供數種電源供給及顯示螢幕，易造成儀器架

設錯誤或遺漏等問題。此外，獲得數據後，無法即

時取得測量區域的水深資料；抑或是透過回傳至岸

上之網管中心進行處理，但船上的觀測者仍無法即

時掌握最新的數據資料，對於測量效率仍具有改善

空間。本系統將全球定位系統、單音束測深儀、湧

浪補償儀等設備資料傳於本資料收集裝置，並將資

料彙整於工業主機板內紀錄儲存，提供後續內業人

員進行資料後端處理作業。

4.2測試方法

4.2.1定位系統檢測

定位系統的穩定性關係測深精度，本研究採用

定位精度小於 5cm 的衛星定位儀 RTK，施測前於岸

上已知座標控制點檢測定位誤差，其平面定位誤差

小於 5cm 方可繼續進行水深測量工作，若不合，在

排除控制點本身精度、周遭接收環境及儀器架設缺

失的問題後仍未達要求精度時，則更換設備，重新

進行檢測。此外，水深測量軟體於外業資料蒐集時，

會將 RTK 訊號不佳之測點自動刪除，可避免使用偏

差較大之定位點資料。

4.2.2測深儀器架設

RTK 天線盤與單音束音鼓架設位置在同一軸上，

湧浪補償器則擺設在測深音鼓桿旁，儀器架設示意

圖如 2 所示。

圖 2 儀器架設示意圖

4.2.3水中聲速率定

測深儀利用水下音鼓感測器，由主機送出固定

頻率、速度的聲波，藉由聲波離開感測器到接收到

同一組反射聲波所需時間（聲波來回所需時間），

計算出感測器至水底的距離。因此，在水深測量正

式作業前，必須先進行水中聲速率定，以便後續水

深計算時進行修正，且每次測量前於適當地點風浪

影響較小處利用水深 Bar Check 檢校盤檢測聲速設

定值，並調整感應桿入水深。

4.2.4湧浪參數修正

水深測量過程中，波浪及船隻行進所造成之上

下起伏，影響水深測量的成果，因此輔以湧浪補償

儀（Motion Sensor）記錄船隻上下起伏高度（heave），

以作為波浪影響之修正，唯應儘量避免在風力 3 級

及波高 1 公尺以上時作業。

4.2.5測試成果

本研究開發之及時計算系統 105 年 3 月 17 日、

105 年 5 月 12 日及 105 年 5月 22 日於福隆漁港及淡

水第二漁港進行單音束水深資料收集系統測試，測

試地點選取港內靜穩度高的區域進行試驗，位置示

意圖如圖 3 及圖 4 所示。

圖 3 福隆漁港測試訊號位置圖

(圖片來源自 google earth)

圖 4 淡水第二漁港測試訊號位置圖

(圖片來源自 google earth)

GPS天線

測深儀

湧浪補償儀

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五、混濁水環境之成效判定

於拋石作業導致底層泥沙之擾動，可能造成測

量範圍水體環境混濁，進而影響測量成果判定。基

於為能確保拋石高程監測準確性，可參照相關研究

成果建議，調降單音束聲波之頻率及 GAIN 值(接收

訊號增益)以降低測量工作誤差，分析敘述如后。

5.1降低單音束聲波頻率

依據廖學瑞等(2102)「台灣西部海域海床地質調

查技術初探」現場調查成果顯示，測量範圍內之海

床地質具極為軟弱的沉泥沉積層時，可配合利用

15k~50kHz 低頻單音束聲納穿透沉泥層求得底層的

高程。由於底質條件主要為拋石，對聲波的反射率

極佳，建議聲納系統採 50kHz 低頻音束，可穿透泥

沙懸浮層至下層較堅硬地層才反射聲波，即可避免

受懸浮層反射而影響測量精度。

5.2調降儀器訊號接收增益設置

測深系統係透過聲納設備傳送聲波至目標物，

並接收其反射訊號進行計算。依據 Mazel.C(1995)，

當聲納向外傳遞遇到不同傳遞介質(水面、海床、岩

石或懸浮粒子等)時，部分聲波會由障礙物的表面反

射出去。不同的障礙物具有不同的聲波訊號反射特

性，以反射係數 R 表示障礙物反射波聲波的能力，R

值越大代表其反射能力越強，反射係數與障礙物之

聲學阻抗有關。反射係數 R 的計算式如下

(Mazel,1985):

𝑅 =I𝑟

I𝑖= [

𝜌1𝑐1−𝜌2𝑐2

𝜌1𝑐1+𝜌2𝑐2 ]2 (1)

其中

Ir為反射信號強度、Ii為入射信號強度、ρ1為傳遞聲

波介質之密度、c1為聲波在介質中之速度、ρ2為傳遞

聲波介質之密度、c2為聲波在反射物質中之速度、Ρc

為傳遞聲波介質之密度。

於海洋環境探測海床地形時，上述反射係數之

計算公式(2-1)，代入ρ1為海水密度(1030kg/m3)，c1為

聲波於海水中的傳遞速度(1500m/s)，ρ2為海床底層

或障礙物密度，c2為聲波在海床底層或障礙物中的傳

播速度。以一般混凝土質人工魚礁為例，經計算可

得其在海水中之反射係數約為 46%；而粗粒粉砂之

反射係數約為 8.05%。

通常進行長距離訊號傳遞時，為避免訊號於介

質中傳遞因距離而產生訊號遞減效應，皆會透過設

備 GainControl 調升增益設置(GAIN 值)，以增加回

波接收訊號強度。由於計畫區水深約 20m，測量距

離尚不足影響訊號接收，建議可於測量時調降或關

閉 GainControl，過濾反射率低之物質反射聲波，如

粉砂等懸浮質，即可避免因混濁水體導致多重回波

(Multiple bottom return)情形而影響測量精度。

六、雲端系統規劃設計

6.1 雲端技術概述

6.1.1 雲端運算架構

本研究規劃建置之雲端自動化水深量測系統，

包含服務導向架構的資訊整合、共通作業平台應用

及伺服器共構等三大部份，與現今雲端應用服務之

「平台即服務(PaaS)」、「軟體即服務(SaaS)」及「基

礎設施即服務(IaaS)」等構想相符。本研究設計推動

之採用雲端概念服務作法如下：

1. 軟體即服務(SaaS)：建置「自動化水深導

航系統」作為便操作人透過智慧型平板裝

置，連接區域網路即時傳輸目前無人載具

定位位置及水深資訊，亦使操作人員可以

即時掌握無人載具進行水深測量之情況，

最後並透過網路連結「雲端自動化水深測

量」軟體。

2. 平台即服務(PaaS)：採用服務導向架構

(SOA)，即透過JAVA FX與XML的格式，

作業人員可透過雲端伺服器中，亦可將雲

端計算成果資料結合Microsoft Excel可將

點位匯出，並將計算其點位及等深線圖合

併至 AutoCAD，不僅可讓測量成果呈顯

上淺顯易懂，亦可簡化程式資料建檔步驟，

提供使用人員之便捷性。

3. 架構即服務(IaaS)：採用雲端化、虛擬化

網路服務模式，改善單音束水深資料整合

於雲端自動化水深測量系統，並將分散的

資料全部整合在一起，建立一個雲端運算

系統，將分散於資料儲存於資料庫伺服器

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中運算，有效降低營運成本，達到資源共

享的目的。

6.2雲端資訊系統資料庫設計

本研究設計開發自動化水深測量系統，亦使用

Android 作業系統程式開發，可透過平板、手機等攜

帶型電腦運用程式(Application APP)進行水深測量

系統作業。本系統開發主要為整合水深測量資訊，

以資訊化與電腦化之方法建置一套符合實際需求的

水深測量系統，使用者可以藉由網頁所呈現之交談

式介面，查看目前水深測量目前位置及即時水深資

料呈現，並透過 3G 網路環境下，即可進行同步上傳

於資料庫功能，除可簡化加速水深量測作業流程，

更可落實資料使用上統一性。透過水深測量系統標

準作業流程有效落實水深測量作業流程簡單化。本

研究雲端自動化水深測量系統在資料庫設計，係採

用美國Apache軟體基金會所研發的開放式源碼(Java

DB)進行建置。Java DB本身不僅是一個純 Java程式，

可執行用戶端的 SQL 程式，亦可編譯成為 Java

bytecode，再以 Java 虛擬器執行。由於 SQL 程式轉

成的 Java bytecode 能被 JIT 動態翻譯，因此 Derby

可能比傳統的資料庫管理系統更佳的性能。資料庫

的置除一般應用程式所使用到的系統管理資料表外，

可劃分成位置資訊資料庫、水深資訊資料庫、計算

資訊資料庫等三類，各類資料庫的架構及功能說明

如後。

1. 位置資訊資料庫設計:位置資訊資料庫主

要係紀錄全球定位系統(GPS)所回傳的相

關資訊，諸如定位代碼、定位時間、精度、

緯度、高程、定位品質及衛星顆數等資料

表。

2. 水深資訊資料庫設計:水深資訊資料庫主

要係紀錄單音束水深資料，諸如水深代碼、

時間、水深測量值等。

3. 計算資訊資料庫設計:計算資訊資料庫主

要係紀錄水深測量之資料，諸如代碼、定

位代碼、水深代碼、時間、精度、緯度、

水深等。

七、實驗設計及成果

本研究以「訊號整合系統」、「即時計算系統」

及「雲端作業系統」為核心技術，開發「風機水下

基礎填補拋石厚度即時計算系統」(後稱本系統)，即

時計算拋石範圍及數量以提供拋石作業控管依據。

為確認本系統於訊號傳輸及計算作業之效益，本團

隊以新北市政府辦理深澳漁港疏浚工程為實測驗證

例，於土方清淤作業期間，同時進行水下地形探測，

掌握整體土方清淤範圍及數量，以驗證本系統於施

工期間進行水下作業之可行性。

7.1實驗成果

7.1.1港內部份(水深

由水深測量作業完成後計算成果顯示(如圖 6)，

蕃仔澳泊區土方挖方量約完成 3,059m3，經比對現場

挖方量，測量與實際疏浚土方量尚符，顯示本系統

於水下施工期間同步進行水下地形探測並計算地形

差異量，可即時掌握水下施工狀況，確保施工進度

及工程效益。

圖 6 系統即時計算展示圖面

八、結論與建議

8.1 結論

本研究完成「風機水下基礎掏刷填補拋石厚度

即時計算系統」系統開發，本系統包含「訊號整合

系統」、「即時計算系統」及「雲端作業系統」三

套技術，透過訊號整合系統將船隻衛星定位、單音

束水下高程測量、水深高程校正、湧浪補償及船隻

姿態修正等數據同時整合至系統內，提供精準的水

下地形 N、E、Z 值，進而透過即時計算系統將實際

測量數據進行地形網格 DEM，套疊設計地形以即時

分析水下地形差異變化，並開發雲端作業平台，將

測量數據及計算成果以圖像示操作介面傳輸至雲端

平台，可提供設計或管理人員遠端進行資料閱覽，

確實掌握整體工程進度，確保工程效益。

8.2 建議

基於未來拋石作業擾動底層泥沙，可能造成測

量範圍水體環境混濁進而影響測量成果判定。為避

免上述情況，及能確保拋石高程監測準確性，可透

過調降單音束聲波頻率及接收訊號增益(GAIN)值，

來降低測量工作誤差。

參考文獻

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－548－

http://readopac1.ncl.edu.tw/nclserialFront/search/search_result.jsp?la=ch&search_type=adv&dtdId=000040&sort_index=PD&sort_type=1&search_index=AU&search_mode=&search_value=%E5%BB%96%E5%AD%B8%E7%91%9E$http://readopac1.ncl.edu.tw/nclserialFront/search/search_result.jsp?la=ch&search_type=adv&dtdId=000040&sort_index=PD&sort_type=1&search_index=AU&search_mode=&search_value=%E5%BC%B5%E6%AC%BD%E6%A3%AE$http://readopac1.ncl.edu.tw/nclserialFront/search/search_result.jsp?la=ch&search_type=adv&dtdId=000040&sort_index=PD&sort_type=1&search_index=AU&search_mode=&search_value=%E4%B8%81%E9%87%91%E5%BD%AA$http://readopac1.ncl.edu.tw/nclserialFront/search/search_result.jsp?la=ch&search_type=adv&dtdId=000040&sort_index=PD&sort_type=1&search_index=AU&search_mode=&search_value=%E5%BC%B5%E4%B8%8A%E5%90%9B$http://readopac1.ncl.edu.tw/nclserialFront/search/search_result.jsp?la=ch&search_type=adv&dtdId=000040&sort_index=PD&sort_type=1&search_index=AU&search_mode=&search_value=%E6%9E%97%E4%BF%B6%E5%AF%AC$http://readopac1.ncl.edu.tw/nclserialFront/search/guide/search_result.jsp?dtdId=000075&search_index=JT&search_mode=&search_value=%E4%B8%AD%E8%8F%AF%E6%8A%80%E8%A1%93$&la=ch&requery=truehttp://readopac1.ncl.edu.tw/nclserialFront/search/guide/search_result.jsp?dtdId=000075&search_index=JT&search_mode=&search_value=%E4%B8%AD%E8%8F%AF%E6%8A%80%E8%A1%93$&la=ch&requery=true