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95-71-7208 MOTC-IOT-94-H2DA006

水下自動化監測作業技術之研發

交通部運輸研究所

中華民國 95 年 4 月

95-71-7208 MOTC-IOT-94-H2DA006


著者：邱永芳、郭振華、薛憲文、邱逢琛


中華民國 95 年 4 月

95



GPN：1009500943

定價 100 元

I

交通部運輸研究所自行研究計畫出版品摘要表

出版品名稱：水下自動化監測作業技術之研發

國際標準書號（或叢刊號）

ISBN 986-00-4955-6 (平裝)

政府出版品統一編號

1009500943

運輸研究所出版品編號

95-71-7208

計畫編號

94-H2DA006

主辦單位：港灣技術研究中心

主管：邱永芳

計畫主持人：邱永芳研究人員：郭振華、薛憲文、邱逢琛、蔡金吉聯絡電話：04-26587101 傳真號碼：04-26571329

研究期間自 94年 01月至 94年 12月

關鍵詞：水下工程、多音束測深

摘要：本計畫為發展水下自動化監測作業的相關技術，提昇水下工程施工品質與施

工管理並期減少環境衝擊之目標,本年度研擬目標為

(1)依據運動模式之數值模擬的結果，採用適宜之外形尺寸，進行系統原型的初步設計，並進行外殼、支架之製作組裝。

(2)考量多音束測深資料量的龐大，本研究同時探討大量水深資料庫之編輯、資料品管及建制軟體的適用性，最後探討港灣工程施工相關之應用。

(3)利用所獲短峰不規則波中船體運動分析結果訓練類神經網路，使之成為可從船體運動結果反算遭遇波浪之有義波高、週期及波向角之有效工具。

出版日期頁數定價本出版品取得方式

95年 4月 86 100

凡屬機密性出版品均不對外公開。普通性出版品，公營、

公益機關團體及學校可函洽本所免費贈閱；私人及私營機

關團體可按定價價購。

機密等級：

□密□機密 □極機密 □絕對機密

（解密條件：□ 年月日解密，□公布後解密，□附件抽存後解密，

□工作完成或會議終了時解密，□另行檢討後辦理解密）

■普通

備註：本研究之結論與建議不代表交通部之意見。

II

PUBLICATION ABSTRACTS OF RESEARCH PROJECTS INSTITUTE OF TRANSPORTATION

MINISTRY OF TRANSPORTATION AND COMMUNICATIONS

TITLE: Development of Automatic Underwater Monitoring Technique

ISBN(OR ISSN) ISBN 986-00-4955-6

(pbk)

GOVERNMENT PUBLICATIONS NUMBER 1009500943

IOT SERIAL NUMBER 95-71-7208

PROJECT NUMBER 94-H2DA006

DIVISION: HARBOR & MARINE TECHNOLOGY CENTER DIVISION DIRECTOR: Chiu, Yung-Fang

PRINCIPAL INVESTIGATOR: Chiu, Yung-Fang PROJECT STAFF: Guo, Jen-Hwa, Shyue, Shiahn-Wern, Chiu, Forng-Chen, Tsai, Chin-Chi PHONE: 886-4-26587101 FAX: 886-4-26571329

PROJECT PERIOD

FROM January 2005 TO December 2005

KEY WORDS: Underwater construction, Multi-beam survey

ABSTRACT: In the project, it focuses on the development of the technique of automatic

underwater monitoring to improve the quality control of underwater

construction and management. The targets of the first year’s project are as

following:

1. According to the numerical simulation results of underwater vehicle motions, a prototype of

underwater vehicle, including its shape and scale, has been selected, built and tested.

2. By taking account of the vast amount of data from multi-beam surveying, the establishment

technique, including the hardware and software about the database of near shore topography

has been investigated. In the meantime, their applications are also evaluated.

3. By introducing the results of simulated ship motions under the short-crested irregular waves

action, an efficient artificial neural network program has been established to hind cast the

significant wave height, wave period and propagation direction from ship motions.

DATE OF PUBLICATION April 2006

NUMBER OF PAGES 86

PRICE 100

CLASSIFICATION □RESTRICTED □CONFIDENTIAL

□SECRET □TOP SECRET ▓UNCLASSIFIED

The views expressed in this publication are not necessarily those of the Ministry of Transportation and Communications.

- III -


目錄

中文摘要 .............................................................................................Ⅰ

英文摘要 .............................................................................................Ⅱ

目錄 ................................................................................................. III

圖目錄 .........................................................................................VI

表目錄 ...................................................................................... VIII

第一章前言......................................................................................... 1

第二章水下結構物自動檢測系統之建立......................................... 3

2.1系統規劃......................................................................................... 3

2.1.1系統設計...................................................................................... 3

2.1.2次系統及元件.............................................................................. 5

2.1.3導航控制次系統.......................................................................... 6

2.1..4 人機界面.................................................................................... 8

2.1.5支援次系統.................................................................................. 8

2.2作業系統規劃................................................................................. 8

2.2.1 載具之初步設計......................................................................... 8

2.2.2 感測器訊號整合......................................................................... 9

2.2.3 水下檢測任務規劃................................................................... 11

- IV -

第三章淺水域多音束量測水深技術之建立................................... 13

3.1多音束測深規範........................................................................... 13

3.1.1國內水深測量現況與規範........................................................ 13

3.1.2國外水深測量及多音束測深規範............................................ 14

3.2建構多音束測深資料庫............................................................... 22

3.2.1地理資訊系統及多音束測深資料庫現況................................ 22

3.2.2 FLEDERMAUS基本功能介紹 ................................................ 23

3.3多音束測深技術在港灣工程施工監測之應用 .......................... 26

3.3.1多音束測深的應用範圍............................................................ 26

3.4示範作業....................................................................................... 30

3.5多音束測深資料處理及儲存需求............................................... 30

3.6多音束測深技術在港灣工程施工及監測之應用 ...................... 31

第四章船舶運動推算台灣海域即時波浪場之模式建立 .............. 32

4.1 數值計算...................................................................................... 32

4.1.1 時間積分法數值解的性質....................................................... 32

4.1.2數值濾波法的原理及設定........................................................ 33

4.1.3數值濾波法在時間積分上的計算............................................ 35

4.2波浪反算類神經網路................................................................... 37

4.2.1類神經網路架構........................................................................ 38

4.2.2含船速效應之類神經網路反算 A1架構................................. 40

- V -

4.2.3 不含船速效應之類神經網路反算 A2架構............................ 40

4.2.4含船速效應之類神經網路反算 B1架構 ................................. 41

4.2.5不含船速效應之類神經網路反算 B2架構 ............................. 41

第五章結論與建議........................................................................... 59

參考文獻 ............................................................................................. 60

期末報告簡報檔.............................................................................附錄

- VI -

圖目錄

圖 1 系統設計概念 .................................................................................. 4

圖 2 水下載具框架及夾具...................................................................... 9

圖 3 感測器訊號整合架構...................................................................... 10

圖 4 環境地圖及觀測路徑...................................................................... 11

圖 5 拋石觀測任務示意圖...................................................................... 12

圖 6 Fledermaus多音束測深資料匯入畫面範例 ................................... 23

圖 7 Fledermaus互動編輯畫面範例 ....................................................... 24

圖 8 Fledermaus網格海床地形畫面範例 ............................................... 24

圖 9 Fledermaus繪製等深線畫面範例 ................................................... 25

圖 10 Fledermaus交錯檢核(Cross Check)畫面範例 .............................. 25

圖 11 濾波器增益參數圖........................................................................ 35

圖 12 類神經網路架構............................................................................ 39

圖 13(a) A1架構波浪有義波高反算（船速 12~32節，unit: m） ...... 42

圖 13(b) A1架構波浪有義波週期反算（船速 12~32節，unit: sec） 42

圖 13(c) A1架構波浪波向角反算（船速 12~32節，unit: deg）........ 43

圖 14(a) A2架構波浪有義波高反算（船速 12節，unit: m）............. 43

圖 14(b) A2架構波浪有義波週期反算（船速 12節，unit: sec） ...... 44

圖 14(c) A2架構波浪波向角反算（船速 12節，unit: deg） .............. 44





- VII -


















圖 22(d) B1架構船速反算（船速 12~32節，unit: kt） ...................... 57

圖 23(a) B2架構波浪有義波高反算(個別船速一併顯示，unit: m) .... 57

圖 23(b) B2架構波浪有義波週期反算(個別船速一併顯示，unit: sec)................................................................................................................... 58

圖 23(c) B2架構波浪波向角反算(個別船速一併顯示，unit: deg) ..... 58

- VIII -

表目錄

表 1設計規格 ........................................................................................... 4

表 2 規劃中之影像聲納技術規範.......................................................... 6

表 3 都卜勒速度聲納之技術規範.......................................................... 7

表 4 磁力式航向角感測儀、傾斜儀、深度計規格 ............................. 7

表 5 紐西蘭多音束測深精度.................................................................. 18

表 6 IHO及 CHS水道測量最低標準比較表......................................... 19

表 7 Patch Test檢核條件表 ..................................................................... 21

表 8 多音束測深的應用範例整理表...................................................... 27

- 1 -

第一章前言

近岸水下工程之施工目前尚以潛水人員做為監測品管的一環，同

時水下基礎控制皆未建立量測技術，因此發展水下自動化監測作業的

相關技術對於水下工程施工品質的管制與施工安全管理，皆有相當助

益，本研究即針對研發港灣、海洋及水下新科技減少環境衝撃之目標，

研提三個子計畫，其各項計畫之目標分述如下：

第一子計畫:水下結構物自動檢測系統之建立

由於水下機器人系統相關技術在提昇港灣設施水下檢測工作效率

及解決現存港灣水下檢測工作遭遇困難問題上具備充分發展潛力，本

計畫以國內港灣工程之需求為主要考量，設計並製作一具小型水下機

器人系統，期能減少潛水人員工作負荷，或在惡劣工作環境下代替潛

水人員施行海中檢測、資料蒐集、施工作業等工作。在功能設計上，

則以港灣水下結物之表面檢測業務及簡易水下施工需求為主要考量。

本計畫研究內容包含水下機器人系統設計規劃、導航控制、影像處理、

及虛擬實境之應用等。

第二子計畫:淺水域多音束量測水深技術之建立

本計畫目標在研究我國之各國際商港港域水深、回淤率、底質分

佈，藉以因應船舶大型化之國際港灣水域之競爭，進入WTO之海事及疏浚工程國際化，避免工程糾紛。近年來，多音束測深技術已成為 IHO及 IMO之積極發展測深技術，本計畫即針對多音束測深技術建立及其示範作業，多音束測深規範制訂，水深資料庫建制，測深人員訓練等

工作進行研究。進而充分瞭解各國際商港港域之漂沙回淤率，以為港

灣及疏浚工程之參考依據。

第三子計畫:以船舶運動推算台灣海域即時波浪場之模式建立

- 2 -

本計畫之目標在於探討利用海巡船舶運動反算分析波浪的方法，

建置台灣海域波浪即時播報與查詢系統之可行性及其形規劃，並建立

其核心技術，以作為建置該系統之基礎，而有助於提昇海域航行安全。

- 3 -

第二章水下結構物自動檢測系統之建立

現有水下作業載台可簡要區分為表面船舶、載人潛水船、無人水

下載具。其中，無人水下載具又可再區分為水下遙控載具(Remotely Operated Vehicle; ROV)[1]、水下拖曳載具(Towed Vehicle)[2,3]、自主式水下載具(Autonomous Underwater Vehicle; AUV)[4]。由於 ROV的活動範圍受纜線之限制，其操作且需依賴純熟的技術人力，造成使用上的

不便，AUV的運動由於不受纜線的限制，逐漸在廣域調查工作上有取代 ROV的趨勢，在港灣水下結構物的觀測、調查方面，尤其是在防波堤等結構物之水下檢測的應用上，AUV更受限於其推進及定位能力。本計畫擬結合 AUV及 ROV的技術優勢，建立一具自主式水下拖曳載具，以纜線來提供電源及通訊，可以使用人為控制的方法在水中定點

做徘徊控制，針對前述港灣設施水下檢測工作，投入此等自主式水下

拖曳載具系統技術的研發，以建立屬於台灣自主的技術能力應是迫切

且極具意義的。

2.1系統規劃

2.1.1系統設計

本計畫設計之水下遙控載具，其組成之元件及次系統包含:

載具本體結構(支架、浮力材、機械轉盤、螺漿、控制筒);

感測元件(都卜勒、光學攝影機);

導航控制電腦;

人機界面;

支援次系統(纜線、交流轉直流電源供應器、纜線車架);

- 4 -

載具以 100 公尺之纜線與操作者界面相連，操作者可以自動控制或以手動方式操縱載具。載具經由 4 具螺槳之控制，可實現縱向、垂向、橫向、及水平面之轉向運動。行進速度及深度可選擇為手動控制

或自動控制。載具之導航資訊，例如時間、方位、深度、機械轉盤位

置、螺漿轉速、載具速度等皆即時顯示於人機界面之監視螢幕。其系

統設計概念如圖 1所示。設計規格如表 1所示。

光學攝影機

螺槳推進器 x 2

DGPS

母船

絞線機

母船運動量測器拖曳纜線

數據擷取及儲存器

姿態量測及控制器

與母船通訊介面

照明燈

都卜勒聲納

壓力容器

平衡翼

垂直穩定翼

水下結構物

圖 1 系統設計概念表 1設計規格

項目規格

外型尺寸 0.9m(L)× 0.6m(W)× 0.6m(H)

重量 40kg空氣中重量

操作深度 100 m

航速最大 0.8 m/s

配重 3 kg (可調整)

推進器 4× 1 hp

電動機械轉盤 1個

- 5 -

感測元件視訊攝影機; 影像聲納

導航元件都卜勒聲納

支援系統

電源：110VAC, 50/60 Hz, 10 Amps

：220VAC, 50/60 Hz, 20 Amps

交直流電源供應器；1個

運輸：小型工作船或吊車

2.1.2次系統及元件

1.載具本體結構

載具的結構可分為耐壓結構部、非耐壓結構部、浮力材三部分。

耐壓結構部為承載電子儀器之耐壓容器。耐壓殼的形狀是考慮對抗外

壓負荷的結構效率以及佈置上的要求而決定，基本上是以圓筒形狀在

製造及拆裝為最方便。非耐壓結構部，主要為開框架結構。開框架結

構是利用不鏽鋼管材組合而成的骨架，以達到輕量及耐腐蝕性，並可

於其內部固定耐壓結構部、感測元件、螺槳推進器以及其他裝備機具，

並於其上部附加浮力材。此方式有較易纏繞到外部障礙物及流體阻力

較大等缺點，但其優點則是較容易追加設備及調整浮力、容易維修、

水下運動較安定等。為使載具在水中能夠達到浮力與重力平衡的運動

狀態，我們必須加上浮力材及配重鉛塊來平衡重力與耐壓結構部所產

生浮力的差量。浮力材必須重量小而浮力大，合成發泡材是理想的浮

力材材料。綜合以上敘述考量，載具本體的架構包含電源轉換及控制

電腦圓筒、儀器支架、外框、配重鉛塊等。外框及儀器支架採用模組

式設計，以便於製作及安裝。儀器可輕易配掛於支架之適當位置，其

配掛位置也可視需求做調整。

- 6 -

2.感測元件

載具以其配掛之電子式掃描聲納探頭為感測元件，以聲波所生成

之影像檢視水下物體外觀。表 2 所示為規劃的聲納規格。聲納可提供目標物之反射強度及聲音回傳時間等訊號，經由電腦之通訊界面接收

而做即時之影像處理，所重組之岸壁影像並顯示於監視器上，以供人

員判讀。載具另配掛一具視訊攝影機，配合兩只鹵素燈泡照明，可以

在近距離時觀測水下物體，利用影像擷取的方法，拼湊出一完整的觀

測圖形。

表 2 規劃中之影像聲納技術規範

頻率 675kHz

聲束角度 10 degrees

距離 150 meters max.

角度 0 to 180 degrees

解析度 4,8,14bits

重量 1.5 kg in water

功率 22-48DC @1Amp

2.1.3導航控制次系統

載具系統必須有精確的導航及運動控制，與影像聲納、視訊攝影

機配合，方能配合載具之光學攝影機擷取正確之環境影像，而導航資

料亦為組合不同觀測點資料，以形成大範圍影像之依據。本計畫規劃

之導航控制次系統包含一具都卜勒導航聲納。4具螺槳推進器、影像聲納、導航及運動控制電腦等。岸上電腦利用電纜與載具的控制電腦作

網路通訊，水下資料即時送到岸上電腦。控制電腦為嵌入式工業用電

腦、相關控制界面包含 DAC 6 channel card 及MOTION 4 axis card皆置於耐水壓容器中。控制電腦作業平台為 Windows 或 Linux，以提供

- 7 -

TCP/IP 網路功能，作為伺服器之用。根據相對於海底平面之速度積分數值，載具之 3 度空間定位資訊可由都卜勒導航聲納、磁力式航向角感測儀、傾斜儀、深度計等導航儀器提供。都卜勒導航聲納之規格如

表 3所示。而載具之磁力式航向角感測儀、傾斜儀、深度計規格如表 4所示。載具之控制方式，操作者可由搖桿輸入速度指令，或是以自動

控制模式，經由路徑規劃設計，追蹤空間參考座標以達到等深度、等

速度、定向、或與岸壁維持等距離之操作模態。使用自動控制之好處，

在於簡化操作者學習載具教導的過程，減輕操作載具之負荷、增加載

具軌跡控制之精度，因此工作人員可集中其注意力於載具路徑規劃及

岸壁影像之判讀。

表 3 都卜勒速度聲納之技術規範

頻率 300KHz

使用深度 1-200m

精確度 (底部追蹤) 0.3cm/s (V=1.0 m/s)

準確度 (底部追蹤) 0.4%±

重量 ( 空氣中 ) 9.7 kg

表 4 磁力式航向角感測儀、傾斜儀、深度計規格

訊號別形式範圍準確度限制

航向角磁通式 360 deg ±5 deg Tilt<20 deg

翻滾/俯仰角電解液式 ±15 deg ±2 deg 最大 35 deg

壓力計壓電式 300 psi ±0.5%

- 8 -

2.1..4 人機界面

載具之人機界面，其顯示內容應包含載具與操作者之即時相對位

置、載具之空間軌跡即時顯示、深度、姿態角、各感測器與各螺槳馬

達電壓之輸出等資訊。由操作者經由圖形界面輸入載具之控制指令，

指令訊號經岸上之控制電腦及網路橋接器，由電纜下傳至水下之控制

電腦。此電纜需符合下列要求：足夠強度以支持載具重量、小直徑以

減低阻力、在水中具有浮力、及足夠之柔軟度以方便操作。

2.1.5支援次系統

載具之搬運、作業時人機界面放置之場所、電源及修護工具之提

供等，皆需一作業支援次系統。以小型工作船或小型卡車擔任支援次

系統，作業時以懸臂吊車將載具吊放至水中，並解開吊車之鋼索，作

業結束時亦使用吊車回收載具。

2.2作業系統規劃

本研究設定之觀測任務以防波堤沈箱之水下觀測為主。水下載具

可以從事下列幾項例行性觀測任務：1.拋石觀測：載具以等速度，沿著沈箱表面，以距離拋石面等深度之姿態航行，航行過程以視訊攝影方

式取得拋石基礎的影像。2.沈箱面觀測：以一次觀測一座沈箱為原則，載具以等深度沿著沈箱表面航行，可以整合出整體沈箱表面的影像資

料。

2.2.1 載具之初步設計

載具之初步設計，採用開框架，框架上製作都卜勒導航聲納、攝

影機、影像聲納、螺槳等之固定夾具，本年度之預定製作進度為框架

及夾具之設計製作及組裝，已完成框架、夾具、機械式轉動機構（用

以轉動視訊攝影機）。成品如圖 2所示。

- 9 -

圖 2 水下載具框架及夾具

2.2.2 感測器訊號整合

圖 3所示為本計畫所規劃潛艇之軟體架構。以下分別說明導航器、控制器之設計概念。

1.狀態估測及導航

導航元件之種類包括磁力式航向角感測儀、光纖陀螺儀、深度計、

都卜勒聲納、以及由視訊及聲訊影像所求取之環境特徵座標。導航系

統之工作原理為量取潛艇與海底之相對速度，經由積分而得到位置。

速度的量測值有一定的雜訊及誤差，而積分的過程中誤差會累積，所

以我們得到的位置資訊，在一段時間的連續運作後，會發散而無法使

用。因此現有導航系統在運作某一定週期後，可使用環境特徵影像做

修正。而經由影像處理所取得之環境特徵位置雖然準確，但資料處理

需要一定的時間間隔，所以無法做任意的連續測量，使用影像資訊導

航之好處則在於誤差不會因長時間的使用而累積。

導航器之建構方法擬使用卡爾曼濾波器(Kalman Filter)之架構，以整合導航資料，此卡爾曼濾波器程式根據已知或估測的儀器測量誤

- 10 -

差，及潛艇的動態特性，提供潛艇即時的位置和姿態估測，而此位置

和姿態估測數值即為伺服控制系統中之回授訊號。

2.運動控制及路徑追蹤

影像伺服控制是以影像中之特徵值位置做為控制的依據，由於誤

差是定義在影像空間，而非在潛艇的座標系，因此需要將影像中特徵

值位置轉換為攝影機(潛艇)對特徵的誤差，才能對潛艇進行控制。潛艇在空間之運動有六個自由度，但是由視訊及聲訊影像所推得攝影機速

度僅有四維的資訊，亦即所觀測之參數數目不足，無法完全計算潛艇

所有方向的速度，需要由現有之導航儀器，如方位儀、都卜勒聲納等

提供不足之資訊，才能完整地計算潛艇的速度，並使用潛艇之數學運

動模式，根據非線性控制理論所設計之控制器，以求得控制性能與系

統參數間之關係，並保障導航控制系統的穩定性。

因水下能見度之限制，使用視訊攝影機之成像範圍往往只能侷限

於被觀測物的一小部份，雖然藉由潛艇之位移，操作人員可經由連續

之視訊影像而觀察各個局部細節，但無法獲得被觀測物之全貌。經由

導航資料比對，可以將水下多幅視訊影像拼嵌於適當位置後，顯示出

的大範圍影像合成。

攝影機

都卜勒聲納

導航資料融合

載具控制器

載具載具位置回授 fc (螺槳推力命令)

ep&

ep位置誤差及其微分影像資訊

載具速度資訊

影像聲納

影像資料融合

圖 3 感測器訊號整合架構

- 11 -

2.2.3 水下檢測任務規劃

文獻[13]為水下機器人應用於港灣工程之研究成果介紹，包含開發步行式機器人、遙控式機械手臂在港灣施工、量測的相關研究成果等。

其中步行式機器人可用於潮間帶地形調查，其足部的設計適於行走於

沙地上。在遙控載具的應用上，利用裝置在一具現成的怪手機具上的

力回授設備，配合驅動連桿及抓爪機構，形成一閉迴路控制系統，以

抓取及操作大型工件，可用於港灣水下施工，如消波塊之擺放等工作。

文獻[14]為使用自主式機器人在水下觀測之構想。由於水下結構物表面通常有生物附著，此文獻提出使用雷射測距，以定位觀測物之做法，

並不適用於真實環境。本計畫之水下檢測任務使用上所述之導航及控

制方法，將載具帶領至正確位置，施行水下攝影等工作。狀態估測器

利用載具所攜帶的感測器，以及環境的地圖，估測載具的水平面位置、

朝向角以及深度。運動控制器產生螺槳推力指令，使載具追隨觀測路

徑。環境地圖及觀測路徑之示意圖如圖 4 所示。環境地圖M由一連串

線段組成被觀測物體之外型，觀測路徑W則由一組路由點所組成。M及

W必須由使用者在作業之前設定。

m 1

m 2

m 3

m 11 m 12

m 13m 14

O X

Y x

yw 1

w 2

w 3

w 12

w 13w 14

w 11

M = {m 1,m 2,...,m 11,m 12,..,m 14}W = {w 1,w 1,..,w 11,w 12,..,w 14}

圖 4 環境地圖及觀測路徑

- 12 -

本計畫以水下結構物表面之觀測為目標。由於防波堤經常承受較

大波浪拍擊及長年浸泡於海水中，混凝土容易形成劣化，結構體易發

生破裂塌陷等損壞，本研究設定之觀測任務以防波堤沈箱之水下觀測

為主。防波堤沈箱之大小，以蘇澳港為例，長度約為 25m，水深約為15m-20m，基礎拋石水平面寬度約為 5m。[15] 水下載具可以從事下列幾項例行性觀測任務：

拋石觀測：載具以等速度，沿著沈箱表面，以距離拋石面等深度之姿

態航行，航行過程以視訊攝影方式取得拋石基礎的影像。

沈箱面觀測：以一次觀測一座沈箱為原則，載具以等深度沿著沈箱表

面航行，到達一端後，改變深度，沿沈箱表面回到起始端。

經過多次的不同深度觀測結果，可以整合出整體沈箱表面

的影像資料。

圖 5 所示為海底觀測任務的示意圖。載具先由操作人員引導至起始區域，啟動狀態估測器及運動控制器，載具下潛至觀測路徑之路由

點起點，依序追蹤各路由點，其過程如第四章所模擬者。航行速度約

為 0.2m/s，以觀測路徑全長 200m 為目標，則全程觀測取樣歷時約 16分鐘。

Caisson's surface

Foot protection blocks

Waypoints

Estimated vehicle trajectories

Underwater vehicle

圖 5 拋石觀測任務示意圖

- 13 -

第三章淺水域多音束量測水深技術之建立

本計畫即針對多音束測深技術建立及其示範作業，多音束測深規

範制訂，水深資料庫建制，測深人員訓練及多音束測深技術在港灣工

程之應用等工作進行研究。進而充分瞭解各國際商港港域之漂沙回淤

率，以為港灣及疏浚工程之參考依據。

3.1多音束測深規範

3.1.1國內水深測量現況與規範

國內水深測量規範依照使用目的，各單位有多項標準，海軍測量

局以製作海圖為目的；公共工程委員會多以港灣施工為目的(港灣工程施工綱要規範工具書目錄-01726水深測量)，各港務局也有各自主的水深測量委外技術要求準則，交通部運輸研究所港灣技術研究中心亦曾

於 2003 年研擬港灣水域水深測量(草案)，而內政部以測量海域基本圖為目的，擬定海域基本圖測量規範，目前未見我國針對多音束測深技

術而建立的規範。

現有海域相關圖籍及海底地形資料大多為單一目的而測量及製

圖，其中海圖(nautical charts)是以航行安全為主要目的，且水深基準是以當地之最低低潮位面為基準。與我國之經建版地形基本圖

(topographic maps)之高程基準，在台灣本島是以基隆平均海水面為基準大不相同。加上陸域基本圖是以陸上的地形地貌為主，並未包含海域(含海岸)相關資訊(包含海岸線、水深、底質、潮間帶、海岸溼地、沙洲、珊瑚礁、海底管線及纜線、潮流等)。兩者不論在比例尺、高程基準及坐標投影方式、圖籍內容之需求、圖幅分法、應用之領域皆大異其趣。

使得過去在進行海岸工程與建設、環境監測、資源保育、海岸管理、

海難緊急應變、海洋及氣象模式建立、海域資源及疆界之談判與海洋

- 14 -

政策制定等工作時，常發生資料不足或資料整合困難之窘境。因此本

計劃希望從海洋基礎資訊之蒐集為開端，制定港域多音束測深等相關

的規範，建立海域基本圖資，以強化港灣及海岸相關資訊的整合，作

為後續港灣及海岸相關規劃、管理與工程建設工作推動之基礎。

3.1.2國外水深測量及多音束測深規範

國際海測組織第四版『國際海洋測量標準』(IHO Standards for Hydrographic Surveys,S-44)將水域區分為特級、一級、二級及三級等四個等級。加拿大海洋測量局 (Canadian Hydrographic Services,CHS) 除了以四個等級水域為基本分級外，另外增加 CHS特級水域，其中要求測量系統對於大於 0.5公尺的海床特徵物需有偵測能力；日本海上保安廳及美國海洋及大氣總署 (National Oceanic and Atmospheric Administrator,NOAA)之國家海洋測量局(National Ocean Survey,NOS)與紐西蘭的土地資訊局(Land Information New Zealand ,LINZ)亦以 IHO S-44為基礎規範，將其水域分區也同樣為四級。

1.國際海測組織(IHO)

IHO『國際海洋測量標準』第四版之內容，包括海洋測量分級及最低的測量內容與精度要求、水平控制測量及測深定位與導航輔助設施

定位之基本要求、水深測量內容及密度與測深誤差精度評估、其他

輔助資料之調查(包含底質、潮位、海流等)、點位資料屬性(point data attribution)及銓釋資料、可疑水深資料之消除、資料品管之準則等章節。編纂小組對目前水深量測設備評估，如下：

(1)單音束測深儀：

淺水中之水深量測精度已可達到公寸以下之等級，且各製造商可

提供不同頻率與更新速率的測深儀，並己達到海圖製圖所需的功

能。

- 15 -

(2)側掃聲納

可高解析的偵測海床上障礙物，雖然目前拖魚(Towed Fish)受限於低速操作的限制(約 5~6 節)，它仍可廣泛用於港口和航道內障礙物之偵測，以確定測線間的障礙物。許多海測機關強制規定港口

和航道區域應以多音束測深系統或側掃聲納施測之，且測量之覆

蓋率在 100%以上。

(3)多音束測深儀

由於多音束測深之足印(footprint)為連續且鄰接，可視為全覆式(full coverage)海床測量，由於測帶寬度受到水深變化影響，測線間距不易定義，規範中測深密度以覆蓋率及重疊率表示之，覆蓋

率為 100%時，重疊率為 0%；覆蓋率為 200%時，重疊率為 100%。IHO規範中規定遇到『可能危及』航行安全的水域，應執行覆蓋率 100%以上之海床探測。國內目前擁有多音束測深系統的單位以學術研究單位、港務局、測量公司為主。由於多音束測深相關

儀器及技術門檻較高，仍需較長時間的訓練及測試才足以獲得較

佳的品管資料，因此建議先建立多音束測深的標準程序及作業與

品管規範之示範作業。多音束測深技術已為世界各國水深測量發

展之趨勢，該技術亦日漸成熟，應積極鼓勵民間業者建立此技術。

快速發展下的多音束測深系統，若操作程序正確且測深系統的解

析度足以偵測航道障礙物時，其具備有涵蓋全面海床及精確水深

量測與海床特徵物偵測能力的特性。

(4)空雷射測深系統

適用於量測淺而透視度佳水域的水深，其量測效率頗高，可量測

水深高達 50公尺或更深。

綜合以上，可知 IHO將多音束測深定義於全覆式海床及精確水深量測，使用區域為重要航道、港區和錨泊區等需要水下淨空區域，

基本精度標準與其它測深系統相同，即水平定位及水深測量精度

- 16 -

標準相同，但品管及誤差估算標準複雜度差異甚大。多音束測深

涉及許多感測器且計算與品管程序較為繁複，當外側音束未達測

深要求之標準時應予刪除。誤差估算為提供施測者瞭解測量總傳

播誤差(TPE, Total Propagated Error)的概念，以綜合評估所有感測器之測量誤差是否達到預定測量要求之等級。

2.紐西蘭

紐西蘭水道測量相關規範，源自國際海測組織規範的修訂，其參考

之相關組織包括：海洋安全組織(Maritime Safety Authority)、紐西蘭海軍(Royal New Zealand Navy)、國際海事組織(International Maritime Organisation, IMO)、國際海測組織 (International Hydrographic Organisation, IHO)及澳洲水文組織(Australian Hydrographic Service)公告之水道相關規定。其中大陸棚多音束測深規格(Specification for the Continental Shelf Project：MBSE Surveys on Resolution Ridge)及多音束測深標準(Hydrographic MBES Survey Standards)為多音束測深標準。

(1)紐西蘭其他水深測量相關之規範：

水道測量銓釋資料規格 (Hydrographic Metadata Specification)：源自數位地理資訊工作小組(Digital Geographic Information Working Group)的相關規範。

水道測量規格(Standard for Hydrographic Surveys V3)：源自IHO-SP44規格，定位精度及相關精度規定同樣分為四級。

測帶聲納調查規格 (Provisional Swath Sonar Survey Specifications)：針對多音束聲納及側掃聲納的規範。

水道測量品質保証監督員之基本要求(Hydrographic Survey "Quality Assurance Representative" Requirements)：說明各項作業流程中要求的品質保証要求事項。

紐西蘭海圖製作規格 (Specifications for New Zealand

- 17 -

Hydrographic Charts)：海圖製作規格源自 IHO-SP57規格。

海圖航船佈告修正標準 (Standard for Hydrographic Chart Correction)：針對海圖使用者的航船佈告修正標準，而非對海圖發行修正的標準。

地圖及海圖儲存標準 (Standard for Map and Chart Warehousing)：說明地圖、海圖或資料的儲存及維護原則。

紐西蘭潮位高程標準(Standard for the Official New Zealand Sea Level Information)：說明潮位測量的標準、使用原則及對內/外的潮位標準轉換。

紐西蘭海圖印製及發行規格 (Specificiations for Printing New Zealand Nautical Publications)：說明海圖紙張規範及使用墨色。

(2)多音束測深標準：

多音束特等測深：主航道、錨泊區及港口等需保持水下最小淨

空水域。

多音束一等測深：港口、內陸航道運河及近岸交通頻繁等水

域。

多音束二等測深：不屬於特等及一等測深水域，一般指不影響

船隻航行安全之水域。

多音束三等測深：其他水域，一般指超過水深 200公尺的水域。

(3)紐西蘭多音束測深規範：

紐西蘭多音束測深規範比 IHO較為詳細，本計畫針對 2000年3 月 V2.2版，其中以下條文源自 IHO條文，但規範的更為詳細。

聲速剖面量測時間不應超過六小時或誤差小於 2公尺/秒。

測深方向儘可能平行等深線，測深間距依照測深等級要求。

檢核測線與主測線之交錯角應介於 60° 至 90° 之間，檢核測

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線間距應不超過圖面 10cm，實際長度可依照製圖比例尺換算。檢線線測深值及主測線測深值應檢核其差異的統計值是否

達到測深等級。

回轉時或大角度轉彎處蒐集的資料，不可做為最後的成果資

料。

測試或檢校測線的資料可納入成果資料。

外側音束資料可做為底床偵察，但若欲納入成果資料需先檢核

其精度是否符合測深規範。

修正量：動態修正包括儀器安置偏移量(Offset)、多音束時間遲滯、航向、船隻左右搖擺、船隻前後傾斜、船隻上下起伏、聲

速剖面及船隻吃水、船隻航行中之下沈量(settlement)和船隻加速所引發之前仰量(squat)等。

(4)紐西蘭多音束測深精度：

表 5 紐西蘭多音束測深精度

特等測

深一等測深二等測深三等測深

定位精度 2公尺 5 公尺+5%水深

10 公尺+5%水深

100 公尺 +5%水深

水深測量精度 (IHO 特等測量精度)

1倍 1.5倍 2倍 2.5倍

覆蓋率 200% 100% 100% 100%

可刪除的音束

數量 10 10 7 3

最小特徵物

水深<40m 1公尺 2公尺 4公尺 8公尺

水深>40m 2.5%水深

5%水深 10%水深 20%水深

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特等測

深一等測深二等測深三等測深

深

特徵物之製圖位置精度(95%信賴區間)

固定設施及重

要的導航目標

物 2公尺 2公尺 5公尺 5公尺

裸露的礁岩 2公尺 2公尺 5公尺 10公尺

天然海岸線 10公尺 10公尺 15公尺 20公尺

浮動的導航設

施 10公尺 10公尺 15公尺 20公尺

地形特徵物 10公尺 10公尺 15公尺 20公尺

3.加拿大

加拿大水道測量局(Canadian Hydrographic Service, CHS)之水道測量標準為Minimum Standards For Hydrographic Surveys，同樣以 IHO為藍本修訂其規範，值得的注意的是 CHS將測量等級前後各增加一種等級，共有六種測量等級，分別為：CHS特等、特等、一等、二等、三等及四等水域，其中特等、一等、二等至三等為 IHO原有等級，而特等水域及 CHS特等水域可參照表 6。

表 6 IHO及 CHS水道測量最低標準比較表

規範組織 CHS IHO

等級 CHS特等水域特等水域特等水域

典型水域範例特等水域或工程測

量

港區、錨泊區及

重要航道等需最

少船底淨空水域

港區、錨泊區及

重要航道等需最

少船底淨空水域

水平位置精度(95％信賴區間

1公尺 2公尺 2公尺

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％信賴區間)

歸算後水深精度

(95％信賴區間) a = 0.15公尺 b = 0.0075

a = 0.25公尺 b = 0.0075

a = 0.25公尺 b = 0.0075

100%底床搜尋強制執行 200%覆蓋率

強制執行 200%覆蓋率

強制執行 100%覆蓋率

偵測海床特徵物

的能力 >0.5公尺 >1公尺 >1公尺

最大測線間距

取其小者：3 倍水深，水深<10公尺時25 公尺，水深<40公尺時 50 公尺，水深>40公尺時 100公尺

取其小者：3 倍水深，水深<10公尺時25 公尺，水深<40公尺時 50 公尺，水深>40公尺時 100公尺

不需要; 因 100%底床搜尋

4.美國

而美國 NOAA 之海洋測量標準 (NOS Hydrographic Surveys Specifications and Deliverables)部份基於 IHO-SP44規格，在水深小於100 m採用 IHO一等水域的標準，而水深大於 100 m採用 IHO二等水域的標準。多音束測深儀在水深小於 40 m時，最小需偵測海底突出物之大小在 2m x 2m及高度大於 1m之淺礁。當水深大於 40 m時，最小需偵測海底突出物之大小為水深之 10%，其高度為水深之 5%，水深的解析度應低於 10cm，船速控制應配合多音束拍發(ping)頻率及水深變化，測帶(Swath)內每個鄰接拍發(ping)的中央足印(footprint)可以 100%覆蓋海床。

測帶寬度至少二倍水深(測帶張角 90 度)，轉彎或船隻動態角度過大的資料不可用於產生最後的水深成果。測量方式分為全覆式及測深

間距式，全覆式不定義測線間距，只求最後符合測量精度的水深，

測深間距式類似單音束測深，詳細規範參照 Hydrographic Survey Letter Instructions or Statement of Work。

- 21 -

測深修正分為五大類：1.各種儀器安置偏移量。2.音鼓吃水，包含：船隻航行中之下沈量 (settlement)和船隻加速所造成之前仰量(squat)。3.聲速剖面修正。4.各種儀器測量所得的測深修正量，包括：Heave, Roll, Pitch, Heading & Timing Error。5.誤差分析。其中誤差分析包含：

(1)測量誤差：測深系統的儀器誤差及 roll/pitch 的測量誤差，最小誤差值在 10 公尺水深處可能為 0.2 公尺，最大允許誤差是 0.3公尺+0.5%水深。

(2)音鼓吃水誤差：介於 0.05公尺~0.15公尺。

(3)船隻航行中之下沈量和船隻加速之前仰量：介於 0.05 公尺~0.2公尺。

(4)聲速剖面：介於 0.2公尺~0.3公尺+5%水深。

(5)上下起伏所引發之誤差：介於 0.05公尺~0.2公尺。

(6)潮汐/水位所引發之誤差：介於 0.2公尺~0.45公尺。

多音束檢核線長度應佔主測線長的 5%。Patch Test的檢核條件可參照表 7：

表 7 Patch Test檢核條件表

測線長度地形測線型態航向速度

Latency 500~1,000公尺 10°~20°的斜坡至少二條測線同向不同速

Picth 500~1,000公尺 10°~20°的斜坡至少二條測線反向同速

Roll 500~1,000公尺平坦至少一條測線反向同速

Heading 測線測帶

10%~20% 明顯特徵物至少二條平行

測線反向同速

- 22 -

3.2建構多音束測深資料庫

3.2.1地理資訊系統及多音束測深資料庫現況

多音束測深資料具備資料量大、空間性強及統計資料複雜等特

性，市面上常見的地理資訊系統(ESRI 及 MapInfo 系列)都可以符合多音束測深資料庫的基本需求，但對於水深資料的相關應用與其他相關

資料的整合較欠缺。

由於一般性的地理資訊系統的設計理念及應用多半以陸上為主，

相關的設計及功能優缺點參差不齊。針對海洋資料的地理資訊系統大

多以海圖為主軸，測深資料經過網格化(griding)、資料減量(thining)、等深線(contour)處理、剖面處理(profile)或其他的應用後，其原有的資料屬性或詮釋資料皆難以追溯。

多音束測深資料的相關屬性，除了平面座標與水深(E,N,H)外，常經包括音束角度(Beam Angle)、測帶(Swath)、測量時間(Time)、潮汐(Tide)、聲速修正量(Sound Velocity Correction)、資料品質(Quality)和總誤差傳播(Total Propagated Error)等，若與側掃聲納(Side Scan Sonar)或底質剖面儀(Subbottom Profiler)的資料合併使用，可建立接近海床地形視覺化的虛擬實境(Virtual Reality)。

若考量多音束測深資料的全程資料處理，可以使用 CARIS系列軟體，CARIS 系列軟體以海圖製作為基礎，延伸出來的相關軟體功能強大、分工細緻，其中 HIPS可以處理多音束測深資料，BEAM可以管理海床(Bathymetric)資料庫，兩者配合使用大致可達到多音束測深資料庫的需求，但其價格與入門門檻較高。另外考量資料的轉換與操作的連

貫性，建議使用同一套軟體建立、儲存、查詢及應用多音束測深資料

庫。

參考幾種相關軟體的功能與價格後，採用 IVS3D 公司的

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Fledermaus 建立多音束測深資料庫，其 pfm 格式內容同時攜帶水深資料及網格化水深，並且可以執行互動式編輯，其他相關功能如繪製等

深線、繪製剖面、支援 geoTIF 影像、dxf 格式及其地理資訊系統常見格式，另外支援大量水深資料作交錯檢驗(Cross Check)，並且可分析IHO精度等級，這也是選擇 Fledermaus的重要原因。

3.2.2 Fledermaus基本功能介紹

1.資料匯入

圖 6 Fledermaus多音束測深資料匯入畫面範例

- 24 -

2.互動編輯

圖 7 Fledermaus互動編輯畫面範例

3.網格海床地形

圖 8 Fledermaus網格海床地形畫面範例

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4.繪製等深線

圖 9 Fledermaus繪製等深線畫面範例

5.交錯檢核(Cross Check)

圖 10 Fledermaus交錯檢核(Cross Check)畫面範例

- 26 -

3.3多音束測深技術在港灣工程施工監測之應用

3.3.1多音束測深的應用範圍

在蒐集的文獻中，多音束測深儀的應用範圍涵蓋廣泛，多音束測

深儀製造商 Reson 將應用範圍分為：水深基本調查 (General Hydrographic Surveying)、防波堤調查(Breakwater Surveying)、碼頭及河流調查(Harbor and River Surveys)、漁業研究(Fisheries research)、淺水研究(Shallow water research)、生物量估算(Biomass estimation)、魚類棲息地地形調查 (Fish school topography)、魚類行為分析 (Behavior analysis)、水庫測量 (Reservoir Surveys)、疏浚前調查 (Pre-dredging Surveys)、疏浚後調查(Post-dredging Surveys)、礙航物調查(Obstacle Avoidance)、地形現況調查 (Condition Surveys)、橋墩調查 (Bridge Abutment Surveys)、洪氾區評估(Flood Damage Assessment)、護岸調查(Revetment Surveys)及水壩檢測(Dam Inspections)、管線調查(Pipeline inspection)、管線路徑調查(Pipeline route surveys)等，其中多項應用層面與港灣工程應用直接相關或部份相關。表 8 為多音束測深資料的應用成果展示範例，其內容包括：水下人工結構物、管線、渠道、沈船、

沙漣、基腳及岩床。

多音束測深在港灣工程的應用分為五大項目：

1.水深地形概況調查：調查海床基本現況，其資料做後續工程設計及進階測量的背景資料。

2.疏浚測量：河道或航道疏浚前後測量，其資料可做為土方計價及浚後驗收用途。

3.管線調查：調查管線現況，檢核覆土是否被淘空?管線是否裸露? 4.水下結構物檢測：調查防波堤、橋墩、護岸、消波塊等水下結構物調查。

5.礙航物調查：調查水中懸浮或海床上可能防礙航行的物體。

- 27 -

表 8 多音束測深的應用範例整理表

圖片說明

1.Collected by: SeaBat 8125 Single head, run 4 knots

2.Processed & Displayed by: SeaBat 6042 v. 7 by RESON / TerraVista 3D Viewer

3.Location: Fjord outside Asker, Norway

4.Date: November 1999 5.Description: Image of "CLEONA",

a wooden shipwreck 18 meters below the surface.

1.Collected by: SeaBat 8125 Dual Head


3.Location: Zaltbommel, Southern Holland

4.Date: August 1999 5.Description: Steel structure in

approximately 5m of water.

1.Collected by: SeaBat 8125 Single Head


3.Location: Pipeline outside Santa Barbara, California

4.Date: July 1999 5.Description: Sewer outfall, 13-20 m

water.

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圖片說明

1.Collected by: SeaBat 8125 Single Head


3.Location: Pipeline outside Santa Barbara, California

4.Date: July 1999 5.Description: Sewer outfall, 13-20 m

water.

1.Collected by: SeaBat 9001 2.Processed & Displayed by:

DelphMap System by Triton Elics International Inc.

3.Location: Brest, France 4.Date: October 1997 5.Description: Zoomed-in view of

color-coded depths with depth contours superimposed of survey area showing dredged canal.

1.Collected by: SeaBat 9001 2.Processed & Displayed by: UNB

Ocean Mapping Group, realtime and post-processing software (SwathEd).

3.Location: St. John River, New Brunswick, Canada

4.Date: August 1997 5.Description: Depth encoded images

of upstream region showing sandwave fields, bridge abutments and scour/deposition at base of those abutments.

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圖片說明

1.Collected by: SeaBat 9001 2.Processed & Displayed by: UNB

Ocean Mapping Group, realtime and post-processing software (SwathEd).

3.Location: St. John River, New Brunswick, Canada

4.Date: August 1997 5.Description: SwathEd side view

screen showing definition of the structure and the location of erosion deposition about the base of the bridge abutment.

1.Collected by: SeaBat 9001 2.Processed & Displayed by: David

Evans & Associates Ediitng Software and TerraModel Plotting Software.

3.Location: Dalles River, Oregon 4.Date: 1996 5.Description: 3-dimensional plot of the

Dalles Canyon showing the shear/vertical walls.

1.Collected by: SeaBat 9001 2.Processed & Displayed by: SeaVisual

Editing Software and TerraModel Plotting Software.

3.Location: Bonneville Dam, Columbia River, Oregon, USA

4.Date: 1996 5.Description: 3-dimensional plot of

part of the the Stilling Basin and showing the erosion of the concrete base and baffles.

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圖片說明


SeaVisual Editing Software and TerraModel Plotting Software.

3.Location: Oregon Coast, USA 4.Date: August 1997 5.Description: Underwater 3-D map

of reef showing eroded channel through bedrock that influenced underwater currents and erosion of the Yaquina River breakwater.


HYSWEEP and TerraModel Plotting Software.

3.Location: Denmark 4.Date: 1997 5.Description: 3-dimensional plot of

part of the seafloor that has a sunken vessel.

摘自 Reson網站

3.4示範作業

為充分瞭解國際商港水域之漂沙回淤率機制，以利建立疏浚期程

之規劃，選擇高雄國際商港水域，進行多音束測深示範作業。測量過

程並且錄影記錄做為第二年教育訓練之參考。

3.5多音束測深資料處理及儲存需求

多音束測深資料具備資料量大、空間性強及統計資料複雜等特

- 31 -

性，市面上常見的地理資訊系統(ArcGIS 及 MapInfo 系列等)都可以符合多音束測深資料庫的基本需求，但對於水深資料的相關應用與其他

相關資料的整合較欠缺。

3.6多音束測深技術在港灣工程施工及監測之應用

多音束測深技術在工程上、軍事上、生態資源調查及海床地貌調

查上都有顯著的應用成果，港灣工程施工及監測的應用分為五大類：(1)水深地形現況調查 (2)疏浚測量 (3)管線調查 (4)水下結構物檢測 (5)礙航物調查。

- 32 -

第四章船舶運動推算台灣海域即時波浪場之模式建立

基於海洋資源調查、利用與開發之需要，海上休閒活動以及海上

運輸與交通的日益增加，國人對於台灣海域波浪即時而精確的掌握將

會有日益增加的迫切需求。亦即，建置台灣海域波浪屬『面』的波浪

測報系統應屬必要，因此必須儘速研發相關核心技術。此外，隨著行

動通訊與衛星定位技術的發展與普及，國際上關於海洋量測的方式也

已逐漸從傳統的定點測量進步到利用行動感測器(mobile agent)構成的感測網路(sampling networks)方式，以求同時獲得隨時間變化及空間變化的資訊。本計畫之目標即建置台灣海域即時波浪場測報系統之可行

性及其雛形規劃，並建立其相關核心技術，以作為建置該系統之基礎。

本研究提出的類神經網路如圖 2 所示，採用包含起伏、縱搖及側移運動等合計 17個運動反應狀態量作為輸入層，而兩層的隱藏層各包含 10個及 7 個節點，輸出層則包含船速、波向角、有義波高及有義波週期等合計 4個輸出量的架構。探討以所有 8種船速狀態為樣本，合計 504個樣本進行訓練與驗證，此架構包含了船速效應，訓練是使用逆傳遞

法(Back -propagation)。訓練至 30,000 epochs其誤差即大致收斂，其均方差(Mean Square Error; MSE)為 0.00185、百分比誤差(%Error)為5.448、相關係數(Correlation Coefficient; r)為 0.98 。

4.1 數值計算

4.1.1 時間積分法數值解的性質

因所要處理的是非線性運動方程式，故在求解上採用時間積分

法，但由於橫移和平擺運動不具恢復力，運動反應會因為數值計算誤

差而有發散漂移之現象，此漂移現象會造成求解上的不精確，其處理

方法有假想恢復力法（人工彈簧法）與數值濾波法兩種，但由於假想

恢復力法會產生假想集中力作用，不適合進行波浪負荷之估算，故在

- 33 -

本文中以數值濾波法處理數值漂移問題。

4.1.2數值濾波法的原理及設定

船體運動之漂移解其週期運動頻率極低，所以我們可以利用數位

訊號處理(digital signal process)中的數位濾波法(signal filtering method)來解決此類問題。其中所謂的濾波(filtering)即是改變信號中頻率分量的相對幅度，或者限制某些頻率訊號的分量。對於線性非時變系統而

言，輸出信號的頻譜即是輸入信號的頻譜乘以系統的頻率響應

(frequency response)。因此一個系統透過適當選擇的頻譜響應，則可達到濾波的目的。

一般數位濾波器可分為 FIR (Finite Impulse Response)濾波器和 IIR (Infinite Impulse Response)濾波器兩種，為了使對於所有頻率的輸出訊號有一定的相位延遲和波形完整，我們採用 FIR濾波器。FIR濾波器的訊號處理式可概略表示如下：

{ } { }∑=

+−⋅=N

iiNjij PhP

0 2..........................................................(1)

其中 { }jP 為第 j 個訊號， ih 為 j-N/2+i 訊號權數，

如此的濾波器具有線性相位和 N/2 Step的相位延遲。

就頻率領域上來說，FIR 濾波器一般可以分為高通(high-pass)、低通(low-pass)、和帶通(band-pass)三種濾波器。也就是可以設定訊號通過的頻率為高頻、低頻，或者是一定寬度的頻率。為了濾除低頻的漂

移解，可以直接採用高通濾波器將所求的解取出，但為了得到敏銳的

截止振幅特性，先採用低通濾波器將原時域數值解中之低頻部分取

出，再從原數值解中將之扣除。為了良好的低通效果，我們採用視窗

函數法，利用 Blackman視窗函數(Blackman Windows Function)來設計

- 34 -

濾波器，其函數表示式如下：

++

++=

14cos08.0

12cos5.042.0

Ni

NiWB

ππ

....................(2)

濾波器係數以下式求出：

( )

( ) ( )

⋅

=

=

iWffi

iik

ffik

Bs

c

s

c

ππ

2sin1

2

0

0

≠

=

i

i

.................................(3)

如果 i=1~ 2N

( ) ( )( ) ( )∑

=

+= 2/

120

N

iikk

ikih

.....................................................(4a)

i= 2N

+1~N

( )

2/~12 Nj

jNhih=

−=

.......................................................(4b)

其中 cf ：截止頻率(cutoff frequency)， sf ：取樣頻率(sampling

frequency)

在濾波器次數和截止頻率的選擇上，我們定義正規化頻率 WN ：

- 35 -

π

π

πω

2

2

2

tTtN ee

W

∆=

∆=

...............................................................(5)

其中 eω 為波浪遭遇頻率， eT 為波浪遭遇週期， t∆ 為取樣時間

在理論計算中，是採用每個週期運動以 30個時間間隔進行計算，故：

船體運動的主要頻率 WN = 033.0301

==∆

eTt

本研究取5WN為截止頻率，亦即 cf =0.0067，如以增益參數(gain

characteristics)圖來看，可由圖 11 知到當濾波器次數為 90 時，濾波的

訊號強度在 WN =0.033時達到-50 dB，亦即其對於主頻率的訊號強度影

響不大，造成的誤差約在 0.3%。

FIR-FILTER ( Cut-Off 0.0067 )Gain CHARACTERISTICS

-80

-60

-40

-20

0

0.000 0.010 0.020 0.030 0.040

Normalized Frequency Nw

dB

圖 11 濾波器增益參數圖

4.1.3數值濾波法在時間積分上的計算

以 Newmark-β 法進行時間積分，其中 β=1/4，且在計算過程中適時進行數位濾波處理。另外，為了使運動方程式不受限於小角度運動，

- 36 -

將原在隨行垂直座標系 VF 中的流體動力係數轉換至實際求解運動方程

式的船體固定座標系 BF ，其具體步驟如下：

先定義 BF 上運動量為{ }u ，{ }v ，{ }v& ，其中 u 為位移， vdtdu ~= ，

dtvdv~~ =& ， VF 上對應的運動量為{ }φ ，{ }φ& ，{ }φ&&

假設已經計算到第 i個時序列值，欲計算第 i+1個時序列的值，其計算步驟如下：

(1)以第 i-N/2+1 個時序列的運動狀態，包括船體固定座標系 BF 的位

移、速度、加速度、和隨行垂直座標系 VF 上的位移、速度、加速度

進行 N個時序列的時間積分運算、其積分公式如下：

{ } { } { } { } { }

+

−∆+∆+= ∆+∆+ ttttttt vvtvtuu && ~~

21~ 2 ββ

..........(6)

{ } { } { } { }( )tttttt vvtvv ∆+∆+ +∆

+= && ~~2

~~

.....................................(7)

{ } { } { } { } { }

+

−∆+∆+= ∆+∆+ ttttttt tt φβφβφφφ &&&&&

212

......(8)

(2)將上一步驟所求得的 N+1 個時序列中， BF 上橫移和平擺方向的位

移、速度和 VF 上位移進行低通濾波，將所得由第 i+1個時序列值中

扣除，及得到濾波後的第 i+1個時序列的 BF 位移、速度和 VF 中的位移。

(3)利用上一步驟中得之 VF 上的位移代入得 VF 上的速度。

- 37 -

(4)將所求得的 BF ， VF 中的速度位移帶入 BF 中的運動方程式中，求解第 i+1個時序列加速度值，其過程如下

由 BF 上的運動方程式：

[ ]{ } [ ]{ } { } { } { }LDFRvNvm −=−++ ~~&......................................(9)

將對應於第 i+1個時序列的 BF 上的流體動力係數轉換成適用於 BF

上的流體動力係數，再由求出的{ }FR − ，{ }L，{ }D 求出上的加速度{ }v~ 。

求出 VF 上的加速度{ }φ&& ，如此即求得第 i+1時序列的運動狀態。

(5)時間進行到下一個時間序列，重回步驟(1)

4.2波浪反算類神經網路

由於起伏與縱搖的理論計算值最可信賴，且最易量測故應採用，

橫搖理論計算值受黏性效應最大易導致誤差故宜避免採用，平擺不易

量測故亦宜避免採用，側移作為橫向運動之一，其理論計算值尚可信

賴，且亦易於量測故亦應採用。基於上述考量，本研究採用起伏、縱

搖及側移作為波浪反算之輸入運動量。為了探討運動反應作為輸入狀

態量對於波浪反算之影響，所使用的類神經網路由輸入層、二層隱藏

層及輸出層，合計四層節點構成。本研究測試 A、B 兩種架構且各有兩種輸入向量。A架構裡，其中一種 A1架構的輸入向量是除了包含起伏、縱搖及側移運動的 mo、m1、m2及 m4等合計 12個運動反應狀態量之外，尚包含船速合計 13個量作為輸入層，而兩層的隱藏層各包含 7個及 4 個節點，輸出層則包含波向角、有義波高及有義波週期等 3 個波浪狀態量。另一種 A2架構的輸入向量則是只包含上述 12個運動反應狀態量，而不包含船速，換言之，此一網路只針對特定的船速適用，

因此對個別船速需分別建構網路，分別適用。而 B 架構裡的運動反應

- 38 -

狀態輸入向量是採用包含起伏、縱搖及側移運動的 Tz、Tc、T1、H1/3、

HA1/3、起伏 mo與側移 mo比值及縱搖 mo與側移 mo比值等合計 17個運動反應狀態量作為輸入層，而兩層的隱藏層各包含 10個及 7個節點，輸出層則包含船速及波浪狀態量含波向角、有義波高及有義波週期等

合計 4 個輸出量。其中一種 B1 架構是以所有 8 種船速狀態為樣本訓練，包含船速效應，另一種 B2架構則是以個別船速狀態為樣本訓練，換言之，此一網路只針對特定的船速適用。

4.2.1類神經網路架構

本研究採用的類神經網路如圖 12所示，此類神經網路共有四層，包含一個輸入層（A架構：12 nodes或 13 nodes，B架構：17 nodes），二個隱藏層(A架構：各 7 nodes及 4 nodes，B架構：各 10 nodes及 7 nodes)，以及一個輸出層(A架構：3 nodes，B架構：4 nodes)，前後的神經元(node)彼此連結，通常神經元具有非線性轉移函數，本研究採用的是 sigmoid function如下式：

xexy −+=

11)(

.........................................................................(10)

上式中 x 為輸入 y 為輸出，前後層各神經元之間的連結線代表其權重值，故此一類神經網路具有權重值數目合計為：

若包含船速 A1架構，則 13 7 7 4 4 3 131× + × + × =

若不包含船速的 A2架構，則12 7 7 4 4 3 124× + × + × =

B1及 B2架構，則17 10 10 7 7 4 268× + × + × =

而訓練時所使用之逆傳遞法(Back -propagation)如以下所示：

- 39 -

圖 12 類神經網路架構

訓練檔案對類神經網路而言是相當重要的，關係著網路能否有效

反應船舶在波浪中的運動與遭遇波浪之間的關連性，因此細密且大量

的樣本對於類神經網路訓練，提升波浪反算精度雖確有助益，惟本研

究初步著眼於類神經網路建構方法的探討，故暫以前述 8 種船速、7種波向角及 9 種浪級（即 9 種波高、週期組合）合計 504 個樣本進行測試。本研究以前述短峰不規則波中的運動計算結果作為訓練樣本，

經過訓練之後，再利用該類神經網路反算並與原樣本作一比較，以確

認此一類神經網路反算波浪之準確度。

- 40 -

4.2.2含船速效應之類神經網路反算 A1架構

本研究先探討 A1 架構即除了包含起伏、縱搖及側移運動的 mo、

m1、m2及 m4等合計 12 個運動反應狀態量之外，尚包含船速合計 13個量作為輸入層，而兩層的隱藏層則各包含 7 個及 4 個節點，輸出層則包含波向角、有義波高及有義波週期等 3 個波浪狀態量。本研究將12節∼32節之 8種船速總計 504個樣本作為訓練 A1架構之用，訓練至 10,000 epochs其誤差即大致收斂。而後利用此訓練完成的網路權重值反算的結果與樣本做比較如圖 13 所示，圖 13(a)、(b)、(c)分別顯示波浪有義波高、有義波週期及波向角。圖中結果顯示波高、週期之反

算尚可，而波向角的反算誤差則頗大。此趨勢顯示船速作為輸入狀態

量對於反算波向角的精度有顯著影響，於是為釐清此點，乃進一步分

離各船速，針對各船速之 63個樣本分別訓練及反算如下節所述。

4.2.3 不含船速效應之類神經網路反算 A2架構

其次探討對個別已知的船速，採用包含起伏、縱搖及側移運動的

mo、m1、m2及 m4等合計 12個運動反應狀態量作為輸入層，而兩層的隱藏層則同樣各包含 7 個及 4 個節點，輸出層則包含波向角、有義波高及有義波週期等 3個波浪狀態量。將個別船速總計 63個樣本作為訓練，同樣訓練至 10,000 epochs其誤差即大致收斂。而後利用此訓練完成的網路權重值反算的結果與樣本做比較，各船速狀態下依序如圖 14∼圖 21 所示，圖(a)、(b)、(c)分別顯示波浪有義波高、有義波週期及波向角。圖中結果顯示波高及週期之反算精度相當良好，而波向角反

算誤差在船速高於 20節時雖尚大，然而船速低時則有顯著的改善。

綜合以上 A1及 A2架構的比較結果，雖然波向角反算精度顯示尚有提升的需要，然而利用起伏、縱搖及側移運動反應，配合類神經網

路架構作為波浪反算模式的可行性也獲得確認。

雖然依(3.4)∼(3.9)式知從運動反應矩 mo、m1、m2及 m4可延伸計

- 41 -

算得運動量的特徵值 Tz、Tc、T1、H1/3、HA1/3 等，而類神經網路通常

也應能反應此類關係，然而直接採用運動量特徵值或許有助於反算精

度，此外，若能將起伏、縱搖及側移運動反應量之間的比例關係納入

輸入向量內，亦或許有助於波向角反算精度。基於上述考量，本研究

乃進一步探討 B架構如以下二節所述。

4.2.4含船速效應之類神經網路反算 B1架構

本研究進一步探討採用包含起伏、縱搖及側移運動的 Tz、Tc、T1、

H1/3、HA1/3、起伏 mo與側移 mo比值及縱搖 mo與側移 mo比值等合計

17 個運動反應狀態量作為輸入層，而兩層的隱藏層各包含 10 個及 7個節點，輸出層則包含船速、波向角、有義波高及有義波週期等合計 4個輸出量的 B架構。先探討以所有 8種船速狀態為樣本，合計 504個樣本進行訓練與驗證，此B1架構包含了船速效應。訓練至30,000 epochs其誤差即大致收斂，其均方差(Mean Square Error; MSE)為 0.00185、百分比誤差 (%Error)為 5.448、相關係數 (Correlation Coefficient; r)為0.98 。而後利用此訓練完成的網路權重值反算的結果與樣本做比較如圖 22所示，圖 22(a)、(b)、(c)及(d)分別顯示波浪有義波高、有義波週期、波向角及船速。圖(a)及圖(b)顯示波高及週期之反算精度在全速域皆相當良好，而圖(c)顯示波向角反算誤差除了船速 32節時稍大之外在其它速域皆相當良好，圖(d)顯示的船速反算結果也大致良好。上述結果顯示包含船速效應之類神經網路模式 B1 架構的反算精度相當理想，且因船速效應已納入，故相當具有實用價值。

4.2.5不含船速效應之類神經網路反算 B2架構

其次探討對個別已知船速的 63個樣本作為訓練，即只針對特定船速適用的 B2架構。同樣訓練至 30,000 epochs其誤差即大致收斂。而後利用此訓練完成的網路權重值就個別船速反算波浪，其結果與樣本

做比較，將 8 種船速結果一併顯示於圖 23。圖 23(a)、(b)及(c)分別顯

- 42 -

示波浪有義波高、有義波週期及波向角。圖中顯示反算精度在波高及

週期方面並無改善，而波向角反算誤差反而增加。此結果顯示 B2架構的反算精度不僅不夠理想，且船速效應未納入，可知 B2架構並不可取。

0 2 4 6 8 10H_Desired

0

2

4

6

8

10

H_o

utpu

t

圖 13(a) A1架構波浪有義波高反算（船速 12~32節，unit: m）

0 2 4 6 8 10T_Desired

0

4

8

12

T_ou

tput

圖 13(b) A1架構波浪有義波週期反算（船速 12~32節，unit: sec）

- 43 -

0 40 80 120 160 200Angle_Desired

0

40

80

120

160

200An

gle_

outp

ut

圖 13(c) A1架構波浪波向角反算（船速 12~32節，unit: deg）

0 2 4 6 8 10 12H_desired

0

2

4

6

8

10

12

H_o

utpu

t

圖 14(a) A2架構波浪有義波高反算（船速 12節，unit: m）

- 44 -

0 2 4 6 8 10 12T_desired

0

2

4

6

8

10

12T_

outp

ut

圖 14(b) A2架構波浪有義波週期反算（船速 12節，unit: sec）

0 30 60 90 120150180A_desired

0

30

60

90

120

150

180

A_ou

tput

圖 14(c) A2架構波浪波向角反算（船速 12節，unit: deg）

- 45 -

0 2 4 6 8 10 12H_desired

0

2

4

6

8

10

12H

_out

put


0 2 4 6 8 10 12T_desired

0

2

4

6

8

10

12

T_ou

tput


- 46 -

0 30 60 90 120150180A_desired

0

30

60

90

120

150

180A_

outp

ut


0 2 4 6 8 10 12H_desired

0

2

4

6

8

10

12

H_o

utpu

t


- 47 -

0 2 4 6 8 10 12T_desired

0

2

4

6

8

10

12T_

outp

ut


0 30 60 90 120150180A_desired

0

30

60

90

120

150

180

A_ou

tput


- 48 -

0 2 4 6 8 10 12H_desired

0

2

4

6

8

10

12H

_out

put


0 2 4 6 8 10 12T_desired

0

2

4

6

8

10

12

T_ou

tput


- 49 -

0 30 60 90 120150180A_desired

0

30

60

90

120

150

180A_

outp

ut


0 2 4 6 8 10 12H_desired

0

2

4

6

8

10

12

H_o

utpu

t


- 50 -

0 2 4 6 8 10 12T_desired

0

2

4

6

8

10

12T_

outp

ut


0 30 60 90 120150180A_desired

0

30

60

90

120

150

180

A_ou

tput


- 51 -

0 2 4 6 8 10 12H_desired

0

2

4

6

8

10

12H

_out

put


0 2 4 6 8 10 12T_desired

0

2

4

6

8

10

12

T_ou

tput


- 52 -

0 30 60 90 120150180A_desired

0

30

60

90

120

150

180A_

outp

ut


0 2 4 6 8 10 12H_desired

0

2

4

6

8

10

12

H_o

utpu

t


- 53 -

0 2 4 6 8 10 12T_desired

0

2

4

6

8

10

12T_

outp

ut


0 30 60 90 120150180A_desired

0

30

60

90

120

150

180

A_ou

tput


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0 2 4 6 8 10 12H_desired

0

2

4

6

8

10

12H

_out

put


0 2 4 6 8 10 12T_desired

0

2

4

6

8

10

12

T_ou

tput


- 55 -

0 30 60 90 120150180A_desired

0

30

60

90

120

150

180A_

outp

ut


圖 22(a) B1架構波浪有義波高反算（船速 12~32節，unit: m）

- 56 -

圖 22(b) B1架構波浪有義波週期反算（船速 12~32節，unit: sec）

圖 22(c) B1架構波浪波向角反算（船速 12~32節，unit: deg）

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圖 22(d) B1架構船速反算（船速 12~32節，unit: kt）

圖 23(a) B2架構波浪有義波高反算（個別船速一併顯示，unit: m）

- 58 -

圖 23(b) B2架構波浪有義波週期反算（個別船速一併顯示，unit: sec）

圖 23(c) B2架構波浪波向角反算（個別船速一併顯示，unit: deg）

- 59 -

第五章結論與建議

(1)本研究建構之數學模式包含載具及控制螺槳在內為一整體之載具系統，載具系統原型的初步設計與性能分析。採用適宜之外

形尺寸以進行系統原型的初步設計，並進行外殼、支架之製作

組裝。

(2)進行多音束測深示範作業，並且拍攝作業過程做為明年教育訓練之重要參考，並草擬『港灣水域多音束測深規範』，且探討

多音束測深資料處理及儲存需求，進而探討多音束測深技術在

港灣工程施工之應用。

(3)建立其在船速 12節∼32節、波向角 0度∼180度之起伏、縱搖及側移運動反應函數以及短峰不規則波中船體運動特徵

值，並提出包含起伏、縱搖及側移運動等合計 17個運動反應狀態量作為輸入層之類神經網路反算模式架構，並確認其反算

精度相當理想，且因船速效應已納入，故應具實用價值。

- 60 -

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水下自動化監測作業技術之研究邱永芳1 郭振華2 薛憲文3 邱逢琛4 蔡金吉5

交通部交通部運輸研究所運輸研究所港灣技術研究中心港灣技術研究中心

摘要摘要

本計畫為發展水下監測作業的相關技術，本計畫為發展水下監測作業的相關技術，提昇水下工程施工品質與施工管理並期提昇水下工程施工品質與施工管理並期減少環境衝擊之目標。減少環境衝擊之目標。

前言前言

近岸水下工程之施工目前尚以潛水人員近岸水下工程之施工目前尚以潛水人員作為監測品管，同時水下基礎控制皆未作為監測品管，同時水下基礎控制皆未建立量測技術，因此發展水下自動化監建立量測技術，因此發展水下自動化監測作業的相關技術對於水下工程施工品測作業的相關技術對於水下工程施工品質的管制與施工安全管理，皆有相當助質的管制與施工安全管理，皆有相當助益。益。

本研究即針對研發港灣、海洋及水下新本研究即針對研發港灣、海洋及水下新科技以減少環境衝擊之目標，研提三個科技以減少環境衝擊之目標，研提三個子計畫如下：子計畫如下：

第一子計畫第一子計畫：：水下結構物自動檢測系統水下結構物自動檢測系統

之建立之建立

第二子計畫第二子計畫：：淺水域多音束量測水深技淺水域多音束量測水深技

術之建立術之建立

第三子計畫第三子計畫：以船舶運動推算臺灣海域：以船舶運動推算臺灣海域

即時波浪場之模式建立即時波浪場之模式建立

水下結構物自動檢測系統之建立水下結構物自動檢測系統之建立

計畫目標：計畫目標：

以國內港灣工程之需求為主要考量，設計並製以國內港灣工程之需求為主要考量，設計並製作一具小型水下機器人系統，期能減少潛水人作一具小型水下機器人系統，期能減少潛水人員工作負荷，或在惡劣工作環境下代替潛水人員工作負荷，或在惡劣工作環境下代替潛水人員施行海中檢測、資料蒐集、施工作業等工作。員施行海中檢測、資料蒐集、施工作業等工作。

研究內容：研究內容：

主要包含水下機器人系統設計規畫、導航控制、主要包含水下機器人系統設計規畫、導航控制、影像處理、及虛擬實境之應用等。在功能設計影像處理、及虛擬實境之應用等。在功能設計上則以港灣水下結構物之表面檢測業務及簡易上則以港灣水下結構物之表面檢測業務及簡易水下施工需求為主要考量。水下施工需求為主要考量。

研究方法：研究方法：

結合結合AUV(AUV(自主式水下載具自主式水下載具))及及ROV(ROV(水下水下遙控載具遙控載具))的技術優勢，建立一具自主式的技術優勢，建立一具自主式水下拖曳載具，以纜線來提供電源及通水下拖曳載具，以纜線來提供電源及通訊，可以使用人為控制的方法在水中定訊，可以使用人為控制的方法在水中定點做徘徊控制，針對前述港灣設施水下點做徘徊控制，針對前述港灣設施水下檢測工作，並建立屬於台灣自主的技術檢測工作，並建立屬於台灣自主的技術能力。系統設計概念如圖能力。系統設計概念如圖11所示，設計規所示，設計規格如表格如表11所示。所示。

圖圖 1 1 系統設計概念系統設計概念

光學攝影機

螺槳推進器 x 2

DGPS

母船

絞線機

母船運動量測器拖曳纜線

數據擷取及儲存器

姿態量測及控制器

與母船通訊介面

照明燈

都卜勒聲納

壓力容器

平衡翼

垂直穩定翼

水下結構物

表表 1 1 設計規格設計規格

項目規格

外型尺寸 0.9m(L)× 0.6m(W)× 0.6m(H)

重量 40kg空氣中重量

操作深度 100 m

航速最大0.8 m/s

配重 3 kg (可調整)

推進器 4× 1 hp

電動機械轉盤 1個

感測元件視訊攝影機; 影像聲納

導航元件都卜勒聲納

支援系統電源：110VAC, 50/60 Hz, 10 Amps：220VAC, 50/60 Hz, 20 Amps交直流電源供應器；1個運輸：小型工作船或吊車

本年度研擬目標：本年度研擬目標：

依據運動模式之數值模擬的結果，採用依據運動模式之數值模擬的結果，採用適宜之外形尺寸，進行系統原型的初步適宜之外形尺寸，進行系統原型的初步設計，並進行外殼、支架之製作組裝。設計，並進行外殼、支架之製作組裝。

淺水域多音束量測水深技淺水域多音束量測水深技術之建立術之建立


研究我國之各國際商港港域水深、回淤研究我國之各國際商港港域水深、回淤率、底質分佈，藉以因應船舶大型化之率、底質分佈，藉以因應船舶大型化之國際港灣水域之競爭，進入國際港灣水域之競爭，進入WTOWTO之海事之海事及疏浚工程國際化，避免工程糾紛。及疏浚工程國際化，避免工程糾紛。


針對多音束測深技術建立及其示範作業，針對多音束測深技術建立及其示範作業，多音束測深規範制訂，水深資料庫建制，多音束測深規範制訂，水深資料庫建制，測深人員訓練等工作進行研究。進而充測深人員訓練等工作進行研究。進而充分瞭解各國際商港港域之漂沙回淤率，分瞭解各國際商港港域之漂沙回淤率，以為港灣及疏浚工程之參考依據。以為港灣及疏浚工程之參考依據。


從多音束測深的基礎技術著手，進行港從多音束測深的基礎技術著手，進行港區示範作業，作為次年教育訓練之基礎區示範作業，作為次年教育訓練之基礎教材；探討先進國家的規範標準以草擬教材；探討先進國家的規範標準以草擬國際適用的多音束測深規範；並為第二國際適用的多音束測深規範；並為第二年之教育訓練項目進行預備工作，以利年之教育訓練項目進行預備工作，以利提升測深技術之品質；考量多音束測深提升測深技術之品質；考量多音束測深資料量的龐大，本研究同時探討大量水資料量的龐大，本研究同時探討大量水深資料庫之編輯、資料品管及建制軟體深資料庫之編輯、資料品管及建制軟體的適用性，最後探討港灣工程施工相關的適用性，最後探討港灣工程施工相關之應用。之應用。

以船舶運動推算臺灣海域即時波以船舶運動推算臺灣海域即時波浪場之模式建立浪場之模式建立


計畫目標在於探討利用海巡船舶運動反計畫目標在於探討利用海巡船舶運動反算分析波浪的方法，建置台灣海域即時算分析波浪的方法，建置台灣海域即時波浪場測報系統之可行性及其雛形規劃，波浪場測報系統之可行性及其雛形規劃，並建立其相關核心技術，以作為建置該並建立其相關核心技術，以作為建置該系統之基礎。而有助於提昇海域航行安系統之基礎。而有助於提昇海域航行安全。全。


執行波浪反算分析方法及程式之研發執行波浪反算分析方法及程式之研發; ; 進進行無線式船舶運動量測模組之研發行無線式船舶運動量測模組之研發; ; 進行進行台灣海域波浪全貌分析方法及程式之研台灣海域波浪全貌分析方法及程式之研發發; ; 進行利用海巡船舶運動推算台灣海域進行利用海巡船舶運動推算台灣海域即時波浪場之系統雛形規劃與模擬。即時波浪場之系統雛形規劃與模擬。

研究方法：研究方法：

進行海巡船舶進行海巡船舶100100噸艇的運動反應函數的噸艇的運動反應函數的建立建立; ; 依據該運動反應函數，進一步進行依據該運動反應函數，進一步進行短峰不規則波中船體運動分析短峰不規則波中船體運動分析; ; 然後採用然後採用二層隱藏層的類神經網路建立波浪反算二層隱藏層的類神經網路建立波浪反算模式，並利用前述步驟所獲短峰不規則模式，並利用前述步驟所獲短峰不規則波中船體運動分析結果訓練類神經網路，波中船體運動分析結果訓練類神經網路，使之成為可從船體運動結果反算遭遇波使之成為可從船體運動結果反算遭遇波浪之有義波高、週期及波向角之有效工浪之有義波高、週期及波向角之有效工具。具。


由由短峰不規則波中船體運動分析結果訓短峰不規則波中船體運動分析結果訓

練類神經網路，使之成為可從船體運動練類神經網路，使之成為可從船體運動結果反算遭遇波浪之有義波高、週期及結果反算遭遇波浪之有義波高、週期及波向角之有效工具。波向角之有效工具。

結論與建議結論與建議

完成建構之數學模式包含載具及控制螺完成建構之數學模式包含載具及控制螺槳在內為一整體之載具系統，依循所建槳在內為一整體之載具系統，依循所建構之數學模式，撰寫載具系統運動模擬構之數學模式，撰寫載具系統運動模擬計算程式並做初步試算與確認，載具系計算程式並做初步試算與確認，載具系統原型的初步設計與性能分析，並採用統原型的初步設計與性能分析，並採用適宜之外形尺寸以進行系統原型的初步適宜之外形尺寸以進行系統原型的初步設計，並進行外殼、支架之製作組裝。設計，並進行外殼、支架之製作組裝。

完成多音束測深示範作業，並且拍攝作完成多音束測深示範作業，並且拍攝作業過程做為明年教育訓練之重要參考，業過程做為明年教育訓練之重要參考，並草擬『港灣水域多音束測深規範』，並草擬『港灣水域多音束測深規範』，且探討多音束測深資料處理及儲存需求，且探討多音束測深資料處理及儲存需求，進而探討多音束測深技術在港灣工程施進而探討多音束測深技術在港灣工程施工之應用。工之應用。

完成建立其在船速完成建立其在船速1212節∼節∼3232節、波向角節、波向角00度∼度∼180180度之起伏、縱搖及側移運動反應度之起伏、縱搖及側移運動反應函數以及短峰不規則波中船體運動特徵函數以及短峰不規則波中船體運動特徵值，並提出包含起伏、縱搖及側移運動值，並提出包含起伏、縱搖及側移運動等合計等合計1717個運動反應狀態量作為輸入層個運動反應狀態量作為輸入層之類神經網路反算模式架構，並確認其之類神經網路反算模式架構，並確認其反算精度相當理想，且因船速效應以納反算精度相當理想，且因船速效應以納入，故應具實用價值。入，故應具實用價值。

報告完請指教報告完請指教謝謝！！謝謝！！

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