邊坡穩定風險模擬系統與技術白皮書

系統概述與研發理念

「邊坡穩定風險模擬系統」是由 聚禾工程顧問有限公司 (GeoHarvester) 自主研發的新世代防救災決策輔助平台。本系統打破傳統大地工程軟體需要安裝龐大桌面程式的限制，將複雜的極限平衡力學演算法 (Limit Equilibrium Method, LEM) 微縮至前端瀏覽器。透過整合 IoT 物聯網即時監測數據與真實的 GeoJSON 空間地理圖資，提供決策者一個具備「隨拉即算」、「動態視覺化」及「即時聯網更新」的高效能沙盤推演利器。

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免安裝 Web 化

無需安裝龐大桌面程式，透過網頁瀏覽器即可進行複雜的邊坡穩定分析與「隨拉即算」的動態操作。

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IoT 即時聯網

整合物聯網即時監測數據，具備即時聯網更新能力，讓分析結果永遠反映最真實的現地狀態。

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GeoJSON 空間整合

支援真實 GeoJSON 空間地理圖資，精確解析地形與地質屬性，確保沙盤推演的幾何正確性。

系統參數與資料規格

🗺️ GeoJSON 空間圖資規格

Parameter (層級)	Geometry Type (幾何型別)	Attributes (必要屬性欄位與單位)	Description (說明)
Geology Layer	Polygon / MultiPolygon	`cohesion` (kPa) `phi` (Degree) `unit_weight` (kN/m³)	模擬之地層，系統會自動搜尋「土層」或「岩層」並載入其力學參數。
Water Level Layer	LineString / MultiLineString	無特定要求 / N/A	代表孔隙水壓計算的地下水面 (Phreatic Surface)。
Seismic Coeff. (Kh)	-	None (g)	水平地震力係數，實務通常介於 0.0 ~ 0.3。

📡 物聯網 (IoT) XML 資料規格

本系統支援透過 HTTP/HTTPS 動態抓取標準化的 XML 感測器資料格式。包含雨量計、水位計與地表位移計等即時數據。

📥 下載 IoT XML 資料規格範例與說明

核心演算法：安全係數 (FS) 計算依據

本系統評估邊坡安全狀態的核心指標為 安全係數 (Factor of Safety, FS)。在程式底層，我們採用了國際大地工程界公認最經典、且廣泛應用於實務界的 Bishop 簡化法 (Bishop's Simplified Method, 1955) 作為運算引擎。

📐 1. 理論基礎 (Theoretical Background)

Bishop 簡化法是一種條分法 (Method of Slices)，假設滑動面為圓弧形，並將潛在滑動土體分割成若干垂直切片（本系統設定為 40 個切片，以達到運算速度與精度的最佳平衡）。該方法滿足整體力矩平衡以及單一切片的垂直力平衡，但忽略切片間的剪力。

概念圖：將滑動土體分割為 40 個垂直切片進行力學疊代

🧮 2. 力學推導方程式 (Governing Equation)

本系統中的 calculateBishopFS() 函式，嚴格遵照以下 Bishop 簡化法的非線性疊代方程式進行求解：

FS = Σ [ (c'b + (W - ub)tanφ') / m α] Σ W sinα + Σ (k h W cosα)

參數定義與程式對應：

FS: 安全係數。
b (dx): 每個切片的寬度。
W: 切片總重量，考量土層單位重 (γ) 及降雨入滲增加因子。
α (alpha): 滑動面與水平面的夾角（系統透過微積分幾何自動判定）。
u (total_u): 滑動面孔隙水壓 (整合地下水位與降雨暫態水壓)。
c' (currentC): 有效凝聚力。
φ' (currentPhi): 有效內摩擦角。
k_h (kh): 擬靜態水平地震力係數。
m_α (m_alpha): Bishop 幾何係數。

3. 系統特有之「動態強度衰減機制 (Strain-Softening)」

針對大規模崩塌特性，除了傳統靜態演算，本系統創新加入了 位移與降雨引發的材料軟化模型。

位移衰減： 當系統接收到地表位移速率 (disp) 時，會觸發強度折減。位移量越大，凝聚力 c' 與內摩擦角 φ' 會等比例下降（最大折減 c' 達 60%，φ' 達 30%）。
降雨衰減： 降雨量 (rain) 不僅會增加土體重量與水壓，亦會直接削弱土壤凝聚力（最大折減達 50%）。

互動式位移衰減模擬

地表位移速率 (mm/day)

0 mm

拖曳上方滑桿，觀察右側圖表中材料強度參數如何隨位移量發生非線性折減。

🎯 肆、系統可信度 (High Reliability)

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演算法驗證： 系統所採用的 40 切片 Bishop 疊代法（最高疊代 30 次或誤差 < 0.001），在多數幾何條件下，其計算結果與業界標準軟體（如 GeoStudio SLOPE/W 或 Rocscience SLIDE）的 Bishop 模型誤差通常在 ±5% 以內。
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真實圖資對接： 系統強制要求輸入真實座標系統的 GeoJSON，確保幾何坡度、土層厚度的計算完全貼合現地情況。
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IoT 即時防護： 系統內建三層 CORS 代理伺服器繞行機制搭配 Promise.any 競速引擎，確保每分鐘的資料抓取成功率趨近 100%。

📚 參、參考文獻 (References)

本系統的力學模組皆為聚禾工程顧問從零開始 (From Scratch) 原生撰寫，並無直接引用第三方黑箱函式庫：

演算法基準： Bishop, A. W. (1955). "The use of the Slip Circle in the Stability Analysis of Slopes", Geotechnique, Vol. 5, No. 1, pp. 7-17.
擬靜態地震力分析： Terzaghi, K. (1950). "Mechanism of Landslides", Application of Geology to Engineering Practice, Geological Society of America, Berkey Volume, pp. 83-123.
符合台灣《水土保持技術規範》及《公路工程設計規範》中關於邊坡極限平衡分析之精神。

⚠️ 系統使用限制與免責聲明 (Disclaimer)

為確保系統被正確運用，聚禾工程顧問特此聲明：

不規則滑動面限制： Bishop 簡化法基於圓弧滑動面假設。若真實崩塌機制屬「順向坡平面滑動」、「岩楔滑動」或「深層複雜型多重滑動」，本系統之 FS 值僅供趨勢參考，不代表絕對安全。
參數相依性： 系統輸出的可信度 100% 取決於使用者上傳的 GeoJSON 中所賦予的 (c, φ, γ) 參數品質。
決策輔助性質： 本系統為「先期評估」與「防災沙盤推演」的視覺化利器，所提供之「應變對策」燈號（紅、黃、綠）屬預警性質。最終之工程設計與撤離決策，仍須由具備簽證資格之專業技師或防災指揮官綜合現場狀況後進行裁定。