交通大學土木工程系所學位論文
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本研究利用多LSTM模型進行彰濱外海離岸風場之風速及風向預測。資料來源皆由彰濱外海離岸風機測風塔所量測而得。首先將海象和風象進行Pearson及Spearman相關性分析，以確認海象變化是否成為影響風速大小之因素。接著利用風速具有時間序列的特性，將數據轉換成LSTM之訓練資料並且進行模型適用的探討，判別標準為正規化方均根誤差(NRMSE)和正規化平均絕對誤差(NMAE)。分別建立訓練資料天數為1天、3天、7天及14天之4種單一LSTM模型，結果顯示以14天作為訓練資料天數的的預測結果最佳。再分別利用冬季訓練資料建立單一LSTM模型及多LSTM模型，並且分析多模型風速預測的中位數，比較單一模型及多模型之分析結果。最後使用2017年11月至2018年12月之訓練資料建立19個資料天數為14天之模型，分別預測2019年之風速及風向，再利用NRMSE分析多LSTM模型的最大值，中位數（Q2）和Q1的風速和風向預測。結果顯示，使用最大風速預測的LSTM模型和Q1風向預測的LSTM模型分別預測風速和風向所獲得之NRMSE大多小於10%。
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臺中盆地有豐厚的含水層，地下水資源豐富，其中又以烏溪流域為地面與地下水匯集之處，其鄰近區域地下水具有相當的開發潛力，可為緩解臺中地區用水需求的選項之一，因此本研究整合優選方法與數值模擬，發展河川鄰近地下水之可開發量評估模式，並應用於烏溪平原區主流鄰近之地下水可開發量評估，可開發量為滿足下列兩限制條件下之最大抽水量即(1)抽水後之河川流量仍大於下游水權量，(2)抽水後之地下水位大於最低水位限制。研究區域內烏溪平原區主流從上游至下游沿岸分為四大抽水區域，並以遺傳演算法優選各區各時刻之最佳取水量，模擬年份為2010至2017年，研究結果顯示，總共288旬中有134旬可進行抽水。其中，由上游至下游，井群一年平均可抽水量為 14.20百萬立方公尺，井群二年平均可抽水量為 7.82百萬立方公尺，井群三年平均可抽水量為 6.60百萬立方公尺，井群四年平均可抽水量為 25.09百萬立方公尺，年平均總可抽水量為 53.71百萬立方公尺，顯示此區在考量環境及水權限制下，仍有一定的可開發量，若能與區域地面水進行聯合營運，將可發揮更高效益。
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臺灣河川具坡陡流急之特性，集水區地質多屬砂、頁、板岩，質地脆弱，易崩塌，導致河流土砂生產量大，加上近年受到氣候變遷與極端降雨之影響，河道沖淤情形加劇，造成河道沖淤失衡、流路變遷。以往為了降低易致災河段發生災害的風險，電腦數值模式（如CCHE1D）被大量應用於河川輸砂之研究，提供防洪設施之河道穩定策略，如在危險河段中建置水工結構物，評估堤防高度是否足夠因應颱洪事件等。但在氣候變遷的衝擊下，降雨量往往出乎預料，預先進行的災害風險分析也無法確切描述災害程度，故即時評估流域水文及地文現況對河道沖淤變化之影響顯得格外重要。 本研究以濁水溪流域寶石橋至河口段為研究範圍，採用AI技術之類神經網路模式建置智慧化動床推估模式。因實測資料有限，故蒐集多變量蒙地卡羅法及隨機降雨序列機制衍生的多組事件帶入動床數值模式CCHE1D的模擬結果做為本模式資料來源。根據建置完成的ANN模式模擬結果可知，本研究發展的智慧化動床推估模式可短時間量化在不同水文、地文及輸砂因子的條件下，河道各斷面的最終底床沖淤狀況。未來應用方面可結合降雨預報系統，提前預警可能發生淤積過量或沖刷嚴重的河段，讓政府單位及沿岸居民做好完善的災前整備工作及災中應變作為。
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地下水流動為整個水文循環之一部分，其與地面水文密切相關，因此若欲較完整模擬地下水系統之變化，尤其是降雨補注及河川與地下水互動的問題，一個可完整考量降雨所產生之地面與河川逕流，以及降雨入滲機制的地面地下水耦合數值模式乃是必需。其中SWAT-MODFLOW模式整合了兩種在地面水及地下水皆各自為最被廣泛應用的模式，惟由於涵蓋範圍廣，因此實際應用時，資料準備不易，尤其是SWAT模組所需之地面相關資料，常需大量前置分析與處理，始能滿足模式需求。 因此本研究乃以SWAT-MODFLOW模式為基礎，建立SWAT-MODFLOW模式之整體應用流程，其中包括建立SWAT模式之資料前置處理流程，以及整體SWAT-MODFLOW模式之參數檢定步驟，並應用於台中盆地。其中SWAT模式所需之土地利用及土壤相關參數資料種類繁多，於應用時資料常不易收集齊全，本研究乃發展資料補遺之方法與流程。另外，SWAT與MODFLOW模式各自有參數檢定模組支援，惟並無整體SWAT-MODFLOW模式之參數檢定模式，因本研究乃整合兩模式各自之參數檢定模組發展SWAT-MODFLOW模式之整體參數檢定流程。 分析結果顯示，台中盆地SWAT模式推估之年平均補注量約為1.36億立方公尺，為此區域年平均降雨量之0.21倍。河川與含水層交換率部分，在進入台中盆地上游區段以河川入滲至含水層為主，靠近下游及至隘口區段則以含水層出滲至河川為主。 綜合以上，本研究解決SWAT-MODFLOW模式於實際應用時常遇之困難，使其更易於實際問題之應用，有助於提升地下水模擬分析之完整性，尤其是地面與地下交互作用量及降雨入滲之之分析推估。
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板在製造過程中，因工程實務而產生裂縫，使板之初始應力重新分配，導致其動態行為及穩定性與完整板不同。本研究依三維彈性理論配合MLS-Ritz法求解具內部局部開裂裂縫功能梯度材料板之挫屈載重及自然振動頻率。從三維彈性漸近解中取適當函數建立 平面允許函數，使允許函數本身及一階導數具跨越裂縫不連續現象，並準確描述內部貫穿裂縫尖端處之應力奇異性，再加上虛擬人工彈簧模擬裂縫局部閉合之行為。本研究中所探討之功能梯度板是由金屬鋁(Al)和陶瓷(Al2O3)組成，且板之材料性質沿厚度方向(z)以冪次方改變。 本研究對具中央局部開裂裂縫FGM方形板之挫屈載重和自然振動頻率進行收斂性分析。依收斂性分析結果選取適當求解參數，進一步探討不同邊界條件、板厚、板長寬比、裂縫角度、裂縫位置、裂縫長度、裂縫開裂深度及功能梯度材料參數對挫屈載重、自然頻率及模態圖之影響。
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地底下的多相流體置換是生態循環及環境整治的重要環節之一，因土壤孔隙的不可透視，利用透明的微模型透過直接觀測的方式進行多相流研究，有助於了解多相流在孔隙介質中的置換現象，故本研究目的在以真實土壤之X-ray CT 掃描影像製作PDMS微模型，並以此微模型探討土壤孔隙中多相流體汲取與排退時，濕潤相與非濕潤相的置換過程、殘餘相的形成機制及不同含水量下新酒精與舊酒精間的交替過程。實驗方法為以微流幫浦將流體以五種不同流量注入至PDMS微模型中，並使用高速相機紀錄注入過程及結果，再以影像分析進行量化並進行注入流量影響殘餘量之機制分析。實驗結果顯示雙相流實驗中，在主汲取過程中非濕潤相殘餘量隨著濕潤相注入流量增加而增加，此現象與角隅流有關，低注入流量時角隅流有充分的時間填滿流體界面附近角隅，此使整體潤濕前緣(流體界面)較連續可較完整的排除非濕潤相，使非濕潤相殘餘量減少；隨著注入流量增加，濕潤相前進速度加快，以致角隅流無充分時間填滿流體界面附近角隅，此時濕潤相前進速度主要由孔隙大小決定，而複雜的孔隙大小變化，使濕潤相分散前進導致非濕潤相易被濕潤相包夾無法及時排出而被封存(trapping)。在主排退過程中濕潤相殘餘量亦隨非濕潤相注入流量增加而增加，其主要原因在於毛細壓力及黏滯力的相對影響程度，低流量時黏滯力較小，毛細壓力影響較大，因此非濕潤相(流體界面)逐步依孔隙之大小前進而排出濕潤相；當高流量時，因黏滯力所產生之能量損失對整個排退過程影響較大，致使非濕潤相(流體界面)循能量損失較小，即平均孔隙半徑較大之路徑前進，產生非潤濕相前進之類優勢流現象，致使潤濕相之殘餘量相對增大。本研究亦進行雙相流之次汲取實驗，以觀測新舊酒精間的交互作用，研究結果指出，流量對於殘餘量的影響較不明顯，但是本研究在觀測影像中發現舊酒精易殘留在空氣泡周圍，空氣氣泡的大小、數量與位置亦影響舊酒精殘餘量；三相流置換機制較為複雜，由實驗可看出，注入水時水同時置換出油與空氣，惟水置換油為排退，油置換空氣則為汲取。本研究結果顯示，孔隙大小之空間分布變化，對整個多相流體之流動置換過程有相當大的影響，本研究之真實土壤孔隙微模型實驗，不但觀測到以往孔隙大小變化相對較規則的人工網路微模型所不易觀測的現象，同時亦提供後續更多待進一步研究的方向。
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盲源分離法(BSS)被廣泛應用於分析結構唯輸出反應識別其模態參數，而且大多數的盲源分離法都不適合處理非穩態反應以及量測自由度數目小於欲識別之模態數的情況。由於大多數的實際結構屬非古典阻尼系統，因此本研究拓展使用訊號時間可預測的BSS方法以處理非古典阻尼系統反應，並且在量測自由度數目小於欲識別之模態數的情況下識別系統模態參數。首先，將希爾伯特轉換應用於量測反應得到解析訊號的形式，再透過連續小波轉換將解析訊號轉至小波域，並且利用時間可預測性猜想計算可能的複數模態振形以及模態振形反應。透過小波轉換過濾不必要的頻率的優點，能夠準確的處理量測自由度數目小於欲識別之模態數的情況。 經由兩剪力屋架受白噪以及地震基底輸入的數值模擬來驗證本研究所提方法的可行性。考慮一模態清楚分離之六層樓剪力屋架和一具有兩相近模態的四層樓剪力屋架，數值結果顯示，本方法能很好的處理非穩態反應以及量測自由度數目小於欲識別之模態數的情況。為了展示本方法於實際量測的應用性，本方法成功應用於處理兩棟八層樓鋼構架的振動台試驗數據。
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現今改建加固不能完全地降低受損結構物倒塌的風險，因為強烈地震可能在短時間內再次發生。因此光導纖維傳感器系統被運用於結構物裂縫的連續監測。光纖傳感器的體積小而且在應變、應力、溫度測量的高敏感度及準確性，使他們被廣泛地運用於各式各樣的工程結構中，像是橋墩、大壩、隧道的剪切破壞以及結構牆的剪切破裂監測。 光學傳感技術成功地連結了變形量與OTDR軌跡中光脈衝的能量損失。本研究中將描述該技術結合光導纖維聚合物及光子計數光時域反射儀的理論與發展，同時也簡要地介紹OTDR的性質及重要參數，像是動態範圍、空間分佈率及盲區。分佈式光纖傳感器提高安全性也降低了維護的成本。藉由傳感器的監測，結構物早期的損害能夠及時地被發現並且修補。 本研究中多個事件於OTDR的軌跡中，主要考慮剪切破壞模式。透過OTDR的訊號進行光纖傳感，並利用強度差值法研究最大剪切強度的單剪切事件。此外也研究間隔分別為25公分、50公分、5公尺及10公尺的雙剪切事件。
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科技廠許多振動敏感性製程設備在中、小地震中極易受損，尤其是垂直爐管，這是震害損失主要來源之一。填滿晶圓片的石英晶舟連同外罩之石英管係以機械手臂置入機台定點後退出，因此無法鎖固於機台上，僅以自由站立的形式置於其中。由於晶舟與石英管屬細長型結構，高寬比約6:1，極易產生晃動。此外，因晶圓與石英間的摩擦係數很小，40 gal以上的樓板加速度峰值即可能造成滑片導致晶圓受損；當樓板加速度峰值達120 gal以上時，晶舟就可能與石英管碰撞，甚至傾倒，帶來巨大損失。有鑑於此，中、小地震下，垂直爐管隔震平台必須在樓板加速度達40 gal之前就能啟動，避免晶圓受損；在大地震中，隔震平台的加速度必須控制在100 gal以內，避免晶舟及石英管傾倒。此外，受限於特殊氣體管線的容許伸長量，在設計地震強度下，隔震平台的最大位移必須控制在18 cm之內，以確保安全；殘餘位移在3 cm以內，機台毋須重新定位。前述加速度控制目標，採滑動或滾軸式隔震支承均能達到；若要兼顧強震作用下的加速度與位移控制，則以滑動式支承較為可靠。 本研究提出以摩擦單擺支承(Friction Pendulum Bearing, FPB)為隔震系統，其滑動介面為曲面，可於任意方向移動，並以滑動介子維持上部結構與水平面永遠正交。欲達到垂直爐管的防震設計目標，摩擦係數必須控制在3%以下，這須仰賴高精密的加工技術與適當的界面材料，所用的滑動材料必須滿足無塵室所要求的不揮發、耐腐蝕、耐磨耗及免維護等條件。針對垂直爐管的隔震應用，交通大學土木工程系與劦承精密股份有限公司合作開發了以摩擦單擺支承為基礎的隔震平台，並進行了一系列的振動台試驗，包括以正弦波來檢測隔震平台的啟動門檻，以Kobe震波來探討隔震平台在不同震度條件下的性能表現。測試結果顯示，隔震平台在尖峰樓板加速度(PFA)達21gal時即能啟動，界面摩擦係數μ≦0.03，當尖峰樓板加速度達747gal時，平台最大加速度僅 70 gal，無任何的晶圓滑落，最大位移僅為10.77cm，滿足性能設計目標。此外，在所有的測試中，隔震支承的最大殘餘位移(residual displacement)不逾0.42cm，遠低於容許值，證明各項指標都能符合規格要求，可實際應用於科技廠。