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發布日期:2018/07/09
資料來源:工研院IEK
蘇孟宗(Stephen Su)、陳佳滎(Terence Chen)、蘇明勇(Ming Yung Su) Stephen Su, General Director of ITRI/IEK, was invited to share Corporate Citizen: Making Taiwan the Worlds Sustainable Smart City Partner at the 2018 World Citizens Forum on Smart Sustainability with the 2018 Smart City Summit Expo. During his presentation, he delivered a few key messages: Future cities challenges and smart city opportunities Smart City Definition and Development Index 6 Key Components for Smart City: Smart Economy, People, Living, Governance, Mobility, Environment ITRI Case:Establish First V2X Field in Taiwan Intersection Movement Assist (IMA) ITRI Case: MEMS Sensing Technology RD Direction for Smart City Applications Systematic Planning of National Smart City Development Strategy in Taiwan Need and Strategy for Smart City Development in Southeast Asia Connecting User-centric Ecosystem: Meet User Needs Create Value by System Integration Presentation Outline: Global Sustainable Smart City Development Trends and Cases Taiwan Smart City Development Status International Collaboration Opportunities with Southeast Asia Conclusions
發布日期:2018/12/08
資料來源:DHL洋基通運股份有限公司
DHL洋基通運股份有限公司 電子商務資訊整合部 黃敬中(annelics.ss@gmail.com) 一、前言 近年來,隨著全世界工業高度發達,帶動經濟的繁榮發展,為人類生活帶來前所未有的便利同時,隨之而來的人口爆炸、環境汙染、資源浪費問題,讓大自然的無形力量開始反撲,同時將世界推向毀壞的邊緣,如地球的暖化現象、城市的熱島效應,無法想像的天災、水災、地震以及能源短缺、空氣品質惡化、水資源短缺等,讓各個國家開始反省並積極提出減緩因氣候變遷所造成的影響的對策,使得「永續環境發展」也成為各地政府的重要政策。 人們過度專注於自身生活水平的提高,而忽略對賴以生存的地球做合理的保戶,隨著二氧化碳排放量持續增多,全球日趨變暖,世界各的科學家們不斷向世人發出警告,在「永續環境發展」的議題上,除了重視「環保」與「節能減碳」外,也應重視資源的妥善運用,減少浪費,因此對於「循環經濟」的觀念也隨之而起。 人類每天都在建築物裡活動,無論是工作或是居住,根據調查,建築物的能源消耗量是佔總能源消耗量將近三分之一,基於永續環保的第一步就是綠色建築,守護環境永續、減少對於環境的衝擊,而內政部建築研究所提倡了「綠建築標章、智慧建築標章、綠建材標章」政策來要求建築物重視生態、節能、減廢、健康,重視室內空氣品質、重視水資源等來符合綠建築指標(如表1);而智慧建築(如圖1)則提到的健康舒適指標等;而在人們在生活品質提升後,也開始意識到居住空間環境對身心健康影響的重要性,行政院環保署更於100年11月8日立法院三讀通過訂定「室內空氣品質管理法」制定室內空氣品質標準九大污染物標準(如表2),使以往以室外大氣管制為主之空氣污染防制,延伸至室內空氣品質的管理,使國內推動室內空氣品質的維護管理工作,邁向新的里程碑。 而「循環經濟」是一個資源可恢復且可再生的經濟和產業系統。相較於線性經濟中產品「壽終正寢」的概念,循環經濟使用再生能源、拒絕使用無法再利用的有毒化學物質,藉由重新設計材料、產品、製程及商業模式,消除廢棄物。重視資源使用效率,設法以更少的資源來創造更多的價值,確保地球有限的資源能以循環再生、永續方式被使用。 陽光、空氣、水是人類賴以維生的來源,水資源的妥善利用,維護良好的空氣品質,是需要積極研究,本文將介紹「循環經濟」的概念與國內發展現況,並提出以一種具備水資源可重複性使用的循環經濟概念,探究利用水電解技術應用於綠色環境永續環境營造的方法,水經過電解後的產出物,不但可以運用於建築物空調管路除垢、汙水除臭、日常生活消毒等多種用途,又能在使用後還原成一般水,兼具生態與循環經濟的理念。 二、循環經濟之設計理念 循環經濟是效法自然界中的能源循環模式,可設計出一套資源可持續回復利用、循環再生的系統,讓所有產品、材料皆可被納入生物與工業兩個循環,並在其中永生不息,減少廢棄物的產生,引領全新的經濟思維與社會發展模式,其設計理念歸納如下: (一)產品材料的重新設計 在產品循環的過程裡,最重要的第一步就是設計,因現有產品的設計很少考慮後續回收的流程,所以回收廠不得已只好攪碎,摧毀所有價值。可是如果在產品設計的時候,能設計出更耐用、模組化、易於維修的產品,提供可再生、可回收、可生物分解的資源,不選用稀缺資源當作原材料,加上適合的生產方式及回收系統,達到減少廢棄物並減少低效能的應用,甚至開拓新市場。 (二)具有權移轉的創新商業模式 企業可以不再販售「商品」,而是提供產品與服務整合的創新商業模式,讓企業對資源有更多的掌控權,不單靠製造生產獲利,還能利用各種服務為企業創造新價值,也讓企業更有動力去回收被使用過的商品,讓商品的零件可以被重新整理再利用。各種具有彈性、客製化的租賃模式、共享機制,已經逐漸在生活及產業中被應用。 (三)以循環的力量創造最高價值 在「循環經濟」的系統裡,資源的價值應該在任何時刻都確保是最大的,能夠循環再生,不斷被利用。因為一個產品從開採原料、設計產品到最後製作出產品,人們投入了勞力、智力就為了將價值層層疊加,所以在使用時、使用後都應該盡力去維持產品的最高價值:透過修理、升級、再製造、再行銷來維持產品的經濟效能,用更少資源,創造更大價值。 (四)廢棄物資源化 廢棄物轉換成資源,將一個產品生命終點隱含的原料價值回復,將原本的廢棄物藉由創新的回收和升級回收轉換成資源,回到另一個產品的循環。重新看待並處理只是被降級回收的副產品,短期之內可以省下事業廢棄物的處理成本,更創造新的收入來源。長期來看,可以幫助企業節省原物料成本,帶來在地的基礎建設與就業機會,生活環境品質也因減少廢棄物和污染排放而改善。 (五)產業共生 將不同的產業群聚在一起,透過物質、能源、水或是副產品的交換共用基礎設施達成彼此的競爭優勢,降低對生態的衝擊,減少處理廢棄物及生產產品的成本。 (六)其他可參考國際循環經濟相關標準或指南,例如,英國BSI 之BS 8001、美國UL 之Circularity Facts Program、美國Cradle to Cradle Products Innovation Institute 之Cradle to Cradle Certified、歐盟Ellen MacArthur Foundation 之Circularity Indicators 等,以符合「循環經濟」之精神與理念。 基於地球的能源可能於未來70年耗竭,根據調查,建築產業消耗掉世界40%的能源,而營建業為關鍵產業,「循環經濟」的應用效益在營造業應有莫大的效果,其應用方案有建物共享、零耗能、回收系統、屋頂農園、魚菜共生、構造模組化、綠能電動車、綠建築、設備租賃、太陽能發電等(如圖4),為此,台北市政府將以開發智慧公宅規劃落實「循環經濟」為理念,來建構智慧綠能循環、安全健康智慧化的低碳示範性住宅,希望從公共住宅之興建(施工)、維護營運、活化再利用及拆除與再生等階段,能導入循環經濟理念與設計原則,打造循環經濟系統發展模式之示範項目,促進公宅資源得以循環再生及永續利用的效益。因此台北市政府透過產官學研等討論,制定了「循環經濟」之五大理念與六大規劃設計原則架構圖及導入循環經濟願景(如圖5),並在智慧公宅案中加以落實。 三、次氯酸水電解技術運用於綠色環境之原理與功效 人們在日常生活中,利用水資源來清潔是最平常的事,透過水的循環利用加上能具有清潔環保的效果是對綠色永續環境非常有幫助的,以建築物為例,建築物室內對人體可能發生或產生的汙染物,大都來自建築物完工後進入營運使用階段,其中以空氣與水汙染的問題是影響人體健康最大了因素,目前對於防制的手段常以通風改善與加氯消毒、清潔等為主要手段。 因此,為了在改善的手段中不破壞自然生態或產生其他對人體其他可能性的二次健康影響,本文引薦一種以水電解技術的「電解水殺菌處理機」設備之改善方案,連結給水系統與鹽水槽,將水與鹽混合成之鹽水,大量電解製造出具環保、無毒、除臭、可殺菌低成本的次氯酸水,並以自動化、系統性的方式設置於建築的維生系統中,並具遠端監控機能,可納入大樓中央監控系統隨時監測輸出的濃度,並能取樣回授調控,隨時掌握防治效果,有效營造建築物室內健康環境,且又能夠在使用過後之電解水又能自動還原到一般水源,兼具了循環經濟的理念。 從水的組成結構,經研究發現,水的組成為H2O,只要混入鹽加以攪拌,形成鹽水,經過電解過程,就可產出我們俗稱的次氯酸水(HCLO),除了發現用於家庭日常環境清潔、消毒、除臭、除霉菌等有諸多功能外,當使用後,最後還原成水(H2O),無殘留的問題,對環境無負擔,是一種非常好用且環保的清潔用品,有關「次氯酸水電解技術」運用於綠色環境之原理與功效如下: (一)次氯酸水電解生成原理與特性 次氯酸水(HCLO)電解生成原理主要為透過水電解技術來生成,電解是指將電流通過電解質溶液(鹽水)而在陽極和陰極上引起氧化還原反應的過程,也就是電解食鹽水(氯化鈉NaCl),電解NaClNa+Cl,其中陽極:2ClCl2,Cl2+H2OHClO+HCl;陰極:Na+OHNaOH,由此可取得HClO,如圖6及圖7所示。 次氯酸水(HCLO)不僅較為安全,環保,殺菌力的速度跟效果也更好,是一個高效的殺菌劑,在生活中的應用範圍相當廣,在人體免疫系統中也有被使用,可以在低濃度、短時間內達到消毒的效果,其作用是能讓蛋白質破壞,次氯酸作用濃度曲線表,如圖8所示。 次氯酸水(HCLO)具有下列幾種特性: 1.製造與使用成本低廉,電解生成容易。 2.使用安全性高,對人體無害。 3.對生態環境友善,不會對環境產生危害(如動植物等)。 4.具生成、還原、再製造之循環經濟效益。 5.可破壞水系統中礦物垢和其他沉澱物的結構,具除垢效果(如將附著於管路上的生物膜,變成可溶於水的結構,經使用次氯酸後,經由管路排出至冷卻水塔儲水槽) 。 6.能消除各種細菌、真菌、芽苞和病毒,具除菌與消毒效果(如可對退伍軍人症的預防、游泳池消毒、地下室汙廢水池除臭與消毒、室內空氣淨化等),中性次氯酸電解水與其他殺菌劑比較表如表3所示。 7.使用後能自動還原成初始水質。 四、「電解水殺菌處理機」簡介 根據次氯酸水(HCLO)電解生成原理為透過水電解技術來生成,在實務上有需要大量生成的需求,且其生成速度與pH值有必要加以監控管理,運用「電解水殺菌處理機」系統將是解決重要的方式,尤其在建築物的水系統之處理應用是必要的作為,此「電解水殺菌處理機」乃是快速的將食鹽水經高電壓電解後,製造出高氧化還原電位的次氯酸並能加以監控管理,其產出之次氯酸是可以被控制的,具有強氧化性的高效殺菌劑,可以在低濃度且短時間內達到殺菌的效果,效果是相較於同濃度漂白水殺菌力的80倍。其原理是利用高電位將微生物的蛋白質結構破壞,達到殺菌的效果。簡介如下: (一)「電解水殺菌處理機」原理與組成 「電解水殺菌處理機」原理是利用高電位將微生物的蛋白質結構破壞,達到殺菌的效果,由過濾系統、穩壓系統、定量系統、電解系統、控制系統組成,組成如圖9,圖10所示。可調整次氯酸的pH值,中性為最佳,因為對管路絕對不會有任何影響,有水質分析儀與流量計經由控制器控制,並且配合HMI來做到自動化控制。 「電解水殺菌處理機」為pH7.0環保抗菌水設備,是由一個兩室隔膜式電解裝置組成,當食鹽水溶液通過電解裝置時,兩電極間產生之電流令電極發生氧化還原反應,溶液中的氯離子往正極移動,並釋放電子與水結合成次氯酸;鈉離子往陰極移動,並吸收電子與氫氧根結合成氫氧化鈉。 「電解水殺菌處理機」,可將兩電極電解出來的電解活化液-酸性溶液(pH2~3)及鹼性溶液(pH10~13),自動混合成中性的pH7.0環保抗菌水(pH6.5~7.8),及少量鹼性水(不需要人為二次酸鹼中和的手續),其中之中性水可直接用於清除水中的各種致病原(例如細菌、病毒、芽孢、真菌等)及清除水中的藻類,如使用於污廢水中,可降低污廢水中的化學需氧量(COD)及生物需氧量(BOD)。 (二)「電解水殺菌處理機」特色與功能 由於水經電解後形成的液態水,本身就具有強大殺菌性的次氯酸,它比同樣含氯的次氯酸鈉有更好更快的殺菌效果,這主要與成分結構有較高的效率有關;另外經電場電解後的水中還含有單線態氧存在,它是一種具有極強氧化性的自由基,當它接觸外界的細菌,能使細菌的細胞膜破壞,所以pH7.0環保抗菌水並不是簡單的含氯殺菌水。特色與功能如下: 採用有隔膜之電水解機。 水處理成效高,且容易掌控,如水處理特性比較表,如表6及表7所示。 天然:食鹽及水為原料,電解後產生次氯酸水(HClO),安全無毒。 環保:電解抗菌水遇光、細菌及臭味立即降解 還原成水,無殘留問題。 前瞻:採用電解次氯酸水取代漂白水,做為災區殺菌消毒用。 安全:美國FDA、EPA、日本厚生省、澳洲及歐盟核准使用。 專業:經SGS、台美等國際認證檢測機構檢測,證實其能效。 水處理系統設備功能測試報告,可消滅大腸桿菌率達95%以上之標準及可消滅金黃葡萄菌率達95%以上之標準、可消滅退伍軍人菌率達95%以上之標準。 五、電解水殺菌處理機之應用案例 次氯酸水除了在民眾在日常生活的上已應用相當廣泛,在建築工程的專業大量的生成應用非常適合,「電解水殺菌處理機設備」可帶給建築物室內健康環境及建築永續綠色環境之目標,其相關其他應用案例如下: (一)中央空調系統(冷卻水塔水質處理): 以中央空調系統而言,次氯酸水對於空調系統之冷卻水水質改善,取代加氯法控制各類建築物之水系統,如冷卻水塔及熱水供應系統等容易發生的生物膜滋長及與水中退伍軍人菌的滋生,並能降低其氣膠化之機會,以降低空氣傳播的可能性。 可有效杜絕如退伍軍人菌等細菌污染。 中性殺菌水可有效防止管道腐蝕及結垢。 可抑制藻類生長,改善熱效率。 取代以往添加化學藥劑對環境的傷害。 (二)游泳池水質處理: 次氯酸被嗜中性白血球用來殺滅細菌,也被廣泛用於游泳池的含氯消毒劑產品,「電解水殺菌處理機」可專業大量的生成來對於游泳池水的水質(消毒與除臭)改善,取代漂白水對泳池水進行滅菌,並且因為中性所以對人體皮膚沒有任何損害的危險因素存在,且改善效果佳。 (三)魚類海水養殖: 海水養殖場域大,「電解水殺菌處理機」大量的生成次氯酸水可對魚類養殖之水質改善,並能將ORP控制在350-500mV,稀釋後的次氯酸能有效的減少在海水養殖產生的白斑病變。 (四)建築物汙廢水池處理: 建築物之汙廢水均設置於大樓地下最底層,如化糞池等,為了除臭與消毒,一般常會投藥來改善,但效果不大,又容易影響生態,因此可設置運用「電解水殺菌處理機」大量的生成次氯酸水來對建築物地下室之汙廢水殺菌與除臭改善,能節省其他以加藥成本,也不影響環保,成效佳,廣受業界採用。 六、未來發展與願景 由於節能與環保意識抬頭,環境永續將會持續發展,愛地球、就是愛自己,環境永續發展人人有責,每個人應該從自身做起,而永續環境乃由節省資源開始,水資源運用不再只限雨水回收或中水系統的運用而已,應可運用「循環經濟」理念,讓效果加乘,如水電解技術能在產出優良的滅菌消毒效果的次氯酸水,對人體和環境無害的殺菌劑,廣泛應用於需要消毒殺菌的環境,使用後又能還原成自然的一般水,不僅沒破壞環境,又能資源回收,一舉數得。因此,水資源在人們的生活是關係密切的,不論身處在住家或是各大型公共場所,都會與其接觸到,次氯酸水之環保與滅菌的效果,未來在水系統水質改善應用未來會更加普及,而且在水電解技術的發展下,市面上已經出現以電解技術生成具備可供改善人體酸鹼體質的水素水,作為飲用水,相信未來在科技技術的推動下,還會有更多的發現提供改善人類生活品質的應用。
發布日期:2018/11/08
資料來源:台灣區電信工程工業同業公會&通航國際股份有限公司
雲端IoT智慧社區的發展思維與未來 台灣區電信工程工業同業公會 顧問 通航國際股份有限公司 總經理 陳子恆 一、前言 科技發展的躍進與浪潮,正不斷推演人們居住生活空間的新樣貌。當世界共同性人口往都市集中化,城市的治理、與住民在生活各層次的提昇,讓智慧城市這股趨勢,成為城市發展、科技整合、環保節能、生態融合、生活改善與人本社會的新定義。 智慧城市是當今國家級競爭發展策略,以下為世界各國政府與國際性的權威產業單位對智慧城市定義的觀點,可以讓我們來窺探、掌握城鎮社區的發展思維,而一個永續的智慧城市是可以有不同的作為與構想。 (一)歐盟 : 結合不同科技,以減少對環境的影響,並提供民眾更好的生活,藉由基於ICT方法,在多方利害關係人與市政相關夥伴關係基礎上,來解決公共問題的城市。 (二)英國標準協會: 建築環境的物質、數據及人類系統的有效整合,為市民提供一個可持續發展、繁榮和包容性的未來。 (三)美國智慧城市理事會: 使用ICT技術來增強宜居性、可操作性和持續性,簡單來說,有三個任務:收集、交流和運算。首先,智慧城市藉由傳感器、其他裝置和現有的系統來收集有關城市的訊息。接著,使用有線或無線網絡交流得到的數據。最後,運算分析數據來了解現況,以及未來可能發生的事情。 (四)國際電信聯盟: 使用ICT方式來改善生活品質、城市運作和服務之效率、競爭力的創新城市,同時確保滿足當代和後代人的需要,重視經濟、社會、環境以及文化各方面發展。 (五)ARUP: 經由現代化的技術和設計,使各種城市系統的接合處和結構變得明確、簡單、靈敏,甚至擁有可塑性。市民不僅參與且知悉活動、社區以及更廣泛的城市生態系統之間的關係,也被積極引導去看見城市內他們能夠共同調整的部分。相較於許多20世紀城市的僵化、單一功能和獨立結構,其擁有高效性、互動性、參與性、適應性和靈活性。 (六)西班牙電信 利用ICT技術使城市的關鍵基礎建設、組成和公共服務可更具互動性、效率性。讓市民更意識到他們的城市,並且致力於環保、文化、歷史方面的發展。 (七)西門子 由三個要素組成,確保城市的能源、醫療保健、建築、交通運輸和水資源管理的整體發展。 環境關懷,運用正確的科技,讓城市變得更加環保。 競爭力,運用正確的科技,讓城市幫助當地政府和企業降低成本。 生活品質,運用正確的科技,讓城市為其居民提高生活品質。 對於透過方針目標追求社區的發展面向而言,以從上而下的視野,當全球性的智慧城市推動,不僅國家級別文化、政治、經濟、社會與科技基礎的背景差異,其所定義與發展的智慧城市面向會有所不同,更因應其國內,在不同的都市城鄉也有其想解決的課題,我們從這樣的視野來看待智慧社區的將來發展路徑,就可有依循的方向,包含: (一)運用創新與科技的整合技術,讓社區住民面對都市化的生活課題,能在一個持續性和安全的環境下,提升社區管理、作息效率與生活品質的改善。 (二)提升社區建物獨特群聚的宜居樣貌,增加社區物業管理無形的隱含增值。 (三)啟發社區居民的交流活絡,創造一個幼有所托、少有所學、壯有所安、老有所養的生命空間。 (四)短期以資訊科技帶引便利的生活應用、中期一方面逐漸融入正在形塑中的智慧城市網絡機能,在城市治理、交通、能源、空氣環保、水資源、生態環境、建築、教育、文化推動、健康、資訊與開放數據等方面獲得連結;另一方面與家居的智慧設備應用整合,成為一個無時無刻、無所不在,虛實相映的生活情境智慧。 最終長期地來看,將還是回歸人本幸福生活的追求。透過運用數據、人工智慧、探索生命人文的關聯、運用服務設計的思維,讓社區的永續、生命的滿足與自我實現能豐盛每一個人生。 二、智慧社區之發展概況 因應就業發展、求學教育、生活機能與醫療照護基本需求,人口不斷往城市遷移,目前六都人口即將突破七成,為因應城市課題,目前台北、新北、桃園、新竹、台中、台南、高雄皆推動智慧城市計畫。包含寬頻網路基礎建設、智慧型人力、降低數位落差、鼓勵創新產業、推動城市經濟行銷力等相關策略。 科技的持續創新發展,民眾對城市基礎設施的需求越來越高,智慧城市與建築社區的推動已是城市發展的關鍵課題。其中相關聯盟組織與政策推動著力於,全球級別的智慧城市論壇與展會、智慧建築標章認證、亞太地區智慧綠建築聯盟APIGBA擴大影響、智慧城鄉生活應用發展計畫、地方政府都市更新獎勵辦法及都市危險及老舊建築物建築容積獎勵等等。 智慧社區如同是一個縮小版的智慧城市範疇場域,社區在都會區型態,多數以公寓大廈建築,運行社區管理委員會的機制,來自治管理社區共有資產與住民的生活相關事宜。我們首先將以政策推動的宏觀角度了解城鎮發展的背景(表1)。其次,再以架構思維的歸納來了解公共住宅智慧社區的建構面向,最後以深入性多面向整體來看一個智慧社區案例。藉由這樣不同層面的交錯探索,讓我們能有一個視野跳躍的新思維。 (二) 公共住宅智慧社區規劃概況 各都會區域政府,陸續開辦推動公共住宅成為智慧社區,打造更優質與環境友善的公共住宅,讓居民得以在安全、健康及舒適便利等方面得到更即時與全面性的照護,並可提高生活效率(表2)。 具體在落實科技智慧應用於設計興建與管理維護,運用 ICT 、相關科技發展、智慧建築技術與生活應用之創新,針對能源管理、自動化控制、系統整合、安全監控、居家照護、數位生活等各項居住需求,進行一連串電子化、資訊化,提供整合創新服務之解決方案(圖1、表3)。 公共住宅,扮演政府示範性智慧社區領頭羊的施政策略,讓民間開發跟隨,從智慧建築的推動、進而達到智慧社區、最終成為智慧都市。 以台北市的規劃為例,其目標預計達到下面七項基礎服務: 安全防災:緊急求助、可視化管理中控中心 智慧社區:電動汽機車充電系統、微電腦瓦斯表 能源管理:太陽能發電 綜合佈線:FTTH光纖到府、HEMS家庭能源系統 貼心便利:智慧化停車管理系統 系統整合:能源管理系統、連動監控系統 健康舒適:晝光利用設計、健康資訊照護 松下集團運用其原有舊電視工廠變更為住宅區的造鎮計畫,面積約19公頃,總興建戶數1000戶,其中獨棟住宅約 600戶,集合住宅約400戶,計畫人口約3000人。2014年已完成第1期開發,購買者大多為 30歲左右的年輕家庭族群;目前正進行第二階段高齡住宅、長照中心、托兒所等社會福利設施,預計於2018年完成全區開發。 打造一個發自於以居民生活為出發點,結合硬體、設備及軟體設計服務,規劃社區的永續架構,讓智慧化措施深植於居民生活模式的典範城鎮社區。 以「Fujisawa SST」為例,「Fujisawa SST」引以為傲的不是城市的規模,而是城市規劃的理念和過程。首先建立基礎設施,然後設計家庭和設施的空間,最後考慮居民服務而設立一個100年的願景(圖3),並為城市社區設計製定了指導方針,以實現這一願景,分享目標的居民將生活、互動並提供創意以創造更好的家園生活。 「Fujisawa SST」最初通過從能源、安全、移動和健康等各個角度考慮居民的舒適度、地區特徵和未來生活。接下來設計整個城市,包括房屋等智能空間和最適合設施,最後建立一個支持新生活的智能基礎設施。 「Fujisawa SST」建立以住民為中心的生活起點理念和社區生命週期過程的可持續發展,結合地理資源賜福的生態舒適度,實現社區發展安全放心的生活持續性宜居幸福。 藤澤SST社區三個環保節能指標: 1.環保方面: 降低70%的二氧化碳排放量及減少30%生活用水; 2.能源方面: 再生能源利用率達30%以上; 3.安心安全方面: 災難發生時,確保3天份的防災物資及基本生活所需能源。 為達到社區環保節能、安心安全之目標,「Fujisawa SST」規劃五大主軸進行推動: 分別為能源管理、 安全安心、便利交通、健康照護、社區管理。其各面向的重點摘要如下: 1.社區管理 「Fujisawa SST」廣場最大化城市居民、周圍居民、企業和其他人的價值。各式各樣的利益相關者將投入並提供創造生活的能量的功能。透過信息發布,迎賓、公關活動、新業務和孵化功能服務,建構真正的社區功能(圖4)。 (1)Fujisawa SST社區平台網站 連結社區當天的居民和地區信息。除了預訂能源使用情況和移動性共享外,居民能以舒適的跨距離方式進行交流,成為一種新鄰居關係的地方。 門戶網頁的設計是通過仔細模擬使用場景,例如能源訊息可視化、提供節能建議、事件旅遊信息與預訂汽車流動共享。 管理房屋信息可以提高建物價值,通過妥善管理住宅歷史,改善住宅的維護和保養,並通過登記家庭信息和家用電子信息來促進節約能源。 (2)運用Fujisawa SST卡和集點計劃 Fujisawa SST卡可作為身份認證卡用於鎮上各種服務。例如,當借用電動輔助自行車或更換可充電電池時,只需將卡放在認證終端上,無需任何麻煩程序。它還用於使用城鎮設施時的身份驗證。參與實時民調問卷和社區活動,可以獲得積分和兌換禮物。 (3)SOY LINK App重振已經失去的溫暖鄰里關係。 不僅是尋求協助,住戶、商店、公司、組織或到社區施作的工人,都可以構成社區平台與目標,每個人都將增加連結社區的權力。例如,如果有一個居民可以交換人力的機制,那麼老年人的知識和經驗生活的場景會是最好。如果您通過經驗相互了解,那麼在發生災難時您可以互相幫助。如果能夠實現這樣一個社會的機制,我認為未來每天都會比現在更溫暖。 2.能源與水資源管理 (1)藤澤模式,運用能源發電、儲存與節約的能源管理。 (2)通過設計機制引入室外空氣,改變單點觸摸相匹配的生活場景LED功能改善,追求舒適性。 (3)獨立式住宅,用電可視化,諸如空調,以HEMS為標準設備。 (4)緊急情況,自動切換預設電路,通過自給自足能源,可以保證三天生命線。 (5)入門口也設定為緊急供電點。即使關閉路燈,每戶門燈也可以保有燈光,一新舉措,是通過在整個城市引入家用蓄電池而創建的。 (6)所有獨立式住宅都配有太陽能發電系統和蓄電池(圖5)。 (7)社區太陽能成為居民及周邊地區的應急電源。在正常情況下為電網供電,並有助於提高整個地區可再生能源的採用率,在緊急情況下,它可以作為周邊地區居民和居民的緊急出口,它可以用作緊急情況下所需的移動電話和LED燈等設備的電力。 (8)向居民發送概括電力使用狀況能源報告,關於節能生態生活推薦報告每月一次提供建議,例如根據生活方式如何明智地使用能源以及減少每個設備的電能使用。 (9)為減少30%日用水量,實現節水型社區以解決水資源問題。在藤澤SST,松下節水設備是所有住宅的廁所,浴室和廚房的標準配備。 3.安心安全 (1)有別一般社區採用安全風格的封閉式門禁管理,為讓居民不感覺到封閉、緊張感。Fujisawa SST以虛擬門禁社區安全,確保比以往更加安全,沒有關閉社區的大門和圍欄。 (2)每戶提供智能電視,安裝提供社區終端,來自日本氣象廳的災害信息。並提供社區自己的警報,用於確認緊急情況下的安全、社區事件的變更、與社區活動的投票等。 (3)新型監控攝影鏡頭LED照明連動安全系統(圖6),該社區設置監視器及LED感測路燈。夜晚無人車時,路燈會自動降低亮度,以節省能 源;當感測到有人車接近及行進路線,將自動調整亮度,配合監視器錄影。每戶住宅均設置保全設備及火災警報器。 大約50個監視攝影機和照明有效安排在社區門口、公共建築、公園的陰影、主要街道的交叉點等周圍。另外搭配巡邏警衛,以實現開放但沒有盲點的安全性。到了晚上,透過智慧路燈,無照明度時,路過的人與車,可以提前兩到三步,觸發情境安全照亮(圖7)。 汽車共享: 環保電動車的汽車共享服務可以24小時使用(圖8)。 循環分享: 根據山地車類型和兒童騎自行車等場景和需求,準備各種電動自行車。 移動禮賓服務: 提出居民想要的信息,例如當天旅行的最佳方式,最快路線,交通堵塞信息,目的地天氣。 租車: 可以選擇各種型號,從電動車到跑車,一箱車,豪華轎車,日本車到國外汽車。 實施環境車輛檢查: 通過發動機清潔提高燃油經濟性並最小化諸如CO2的廢氣。 電池共享: 規劃電動自行車/助力自行車的電池可以跨區自由交換使用。 5.健康照護 提供社區全年齡、無縫服務照顧: 透過「激活生命能量」活動與學習服務,與「附帶生活服務資源」的完整體系來達到社區住民在健康照護的需求(圖9)。 三、雲端IoT智慧社區應用架構 智慧社區的雲端應用技術,已朝向無線傳輸,移動物聯網架構的演進發展。在具備大規模終端感應設備部署的要求與巨量雲端運算能力、AI加值應用的快速開發優勢,將推動無論是在產業應用、智慧城市各領域的解決方案或是智慧社區的運作上一股技術更替、生態叢聚的新熱潮。下列將以簡略的方式來介紹NB-IoT的發展狀況,並透過目前導入的雲端IoT智慧社區的管理平台之設計發展各面向的介紹,來了解建構一個智慧社區所可能的發展情境。 (一) 物聯網設備大量佈署的LPWA解決方案: NB- IoT 應用 由3GPP標準化的NB-IoT(窄頻帶物聯網)是一種低功率廣域(LPWA)的無線傳輸技術,可支持各種新的物聯網設備和服務。 根據Cisco VNI Mobile的預測,全球LPWA裝置的連線數量,2018年約達231M個,2020年預估將達到623M的連線數量。而台灣地區LPWA的預測數量,根據Gartner的預測資料,2018年為2.5M連線數,2020年估計連線數量,將達到8.1M的成長數量(圖10)。利用NB-IoT能最大限度降低連接設備的功率損耗,並有較高的系統容量和頻譜效率,連接設備電池壽命可超過10年。可滿足城鄉地區和室內深處的擴展覆蓋要求,同時實現極低設備的複雜性。NB-IoT基礎技術架構簡單,隨著應用增加,模塊成本預估會迅速下降。能與4G移動網絡共存,並可延伸為將來5G的應用導入。另外具備充分運用移動網絡的安全和隱私功能,例如: 支持用戶身份機密性,實體身份驗證,數據完整性和移動設備識別。 國內基於IoT的雲端應用平台,在各大電信業者的功能建制與推動下,逐步將形成在各產業領域的應用。其中在智慧城市面向所在的智慧社區導入,扮演新一輪的架構提升(圖11)。 (二)雲端IoT智慧社區的管理平台之發展情境 在智慧城市的推動下,融合公共空間與私領域(如智慧居家、辦公室)的智慧建築整合技術,已經不斷地被應用與推廣。導入IoT雲端化、全網路架構、BA中央監控及多面向應用整合的管理系統,可推動智慧建築、社區,創造住民更安全、便利、節能環保、健康與永續的關鍵所需(圖13)。 「雲端IOT智能雲服務系統」(圖14)由四個部分所組成: 1.會員管理伺服器 (T-CLOUD SERVER) 會員管理伺服器包含三項功能: (1)會員註冊、(2)產品註冊、(3)雲端服務伺服器負載分配等。 2.物聯網IoT服務管理伺服器 (IOT SERVER) 規劃功能如下表所示: 3.雲端對講SIP服務伺服器(SIP SERVER) 標準SIP協議,依不同產品功能提供產品與手機/平板之間的影音對談。 4.手機/平板APP (1)使用SIP協議,依不同產品功能提供產品與手機/平板之間影音對談。 (2)接收產品設備推播服務。 (3)跟產品設備做遠端控制。 (4)跟產品設備做智能溝通。 安全自動化之發展情境- SA(Security Automation) 1.安控是最重要的課題之一,透過影像監視、智慧辨識,在關鍵的場點佈設高像素攝影機,架構一個社區安全網,讓不安與危害因素無所遁形。 2.社區影像監看: 管理中心統一監看多分隔視頻螢幕。 3.住戶專有影像監看: 透過室內主機,選擇監看攝影機位置,手機APP可監看社區攝影機即時影像。 4.影像監視應用: (1)行為軌跡: 紀錄管理員、訪客或住戶於社區公共區域內所有歷史移動軌跡。(2)移動追蹤: 判別人員異常行狀況,串聯社區內架設之各場點攝影機,形成移動追蹤影像紀錄,並自動顯示預警以利社區管理員採取必要的因應措施。(3)人臉辨識: 作為門禁管制。 5.公共區域設置緊急按鈕,發生狀況按押緊急鈕時,系統將附近的監視器影像跳出顯示,中控室的電話也會響起,做即時有效的協助處理。 6.大門口機呼叫住戶視訊話機,聯動大門口攝影機,視訊話機響鈴時先看到攝影機影像,接聽後看到門口機鏡頭影像。 建築自動化之發展情境- BA(Building Automation) 1.BA中央監控,提供多系統整合控制,包括影像監視、消防、門禁、車道、消防廣播、燈光空調控制及指示燈等系統的連動、直覺圖形化操作(圖15)。 2.行動警報推播: 社區場域相關油、水、電、空氣品質及紅外線偵測等監控,發生狀況告警,警衛管理台會出現警報通知,並顯示發報位置及狀況形態。同時社區住戶可在LINE群組即時接收社區設定之告警狀況訊息。 3.環境電力資訊: 社區警衛管理中心,可顯示、監看及設定相關環境、電力使用狀態與運行數據,即時有效的處理,維持社區最佳化的運行。 4.門禁管理: 整合門禁系統連動,各樓層呼叫電梯及電梯樓層管制,一樓大門/側後門門禁管制/考勤管理,地下室及各樓層通道門門禁管制,車輛出入門禁管制。 物業管理之發展情境- PM(Property Management) 1.公設預約: 公共設施預約、社區網站、投票、訪客管理相關社區事務。 2.資產財務: 每月報表支出相關資產設備狀況。(圖16) 3.智慧訊息: 發送APP 推播通知,即時接收訊息,針對全體/分棟/各戶發送不同訊息。發送瓦斯抄表單,提供優質商家,消費、服務及團購優惠資訊。 4.節能環保: 掌握公共區照明、機電及設備用電情況,提供排程各區抽風機、馬達、空調及電燈開啟/關閉時間。公共走道區域能建置PIR觸發燈光自動開啟,並規劃汽機車充電系統狀態及扣點服務。 5.行動警衛: 透過 WEB版介面,警報狀況發生時,保全人員透過值勤手機即能監看、回應。 通訊自動化之發展情境- CA(Communication Automation) 1.行動影音通話: 智慧對講、多螢幕通話選擇,訪客來訪不須固定位置接聽。 2.行動遠端開門: 訪客來訪按門鈴,同步手機APP上顯示訪客影像畫面,與來客通話,為其遠端開門。 3.整合語音通訊: 管理中心對住戶、住戶對住戶、管理中心對手機、門口機對手機等多元的通話情境。 4.公共區域緊急SOS按鈕當發生異常或緊急的狀況時,能即時呼叫警衛室。 5.搭配網路廣播盒與廣播喇叭,可方便的建構社區廣播系統。 四、因應智慧城市之雲端IoT智慧社區發展未來 「雲端IoT智慧社區」的發展未來是一個多元性整合,建構基於智慧城市、智慧建築、智慧社區及智慧居家的新形態應用定義。運用綜合佈線全IP化結合有線與無線,以開創性雲端IoT大平台的融合,建構連結住家、建築、社區、到城市的智慧空間服務設計思維、運用平台發展的概念,實現多元應用的生活豐富情景。而未來當中,幾個關鍵技術的發展與設計考量將會為智慧社區的建構,創造更能滿足人們在安全、便利、節能環保、訊息、健康與永續的宜居幸福。 (一) BA中央監控將朝多維度的系統整合發展: BA整合即時防護、即時監控、即時互動於同一平台上的系統。讓訊息同步在多方的螢幕輸出,管理中心及用戶透過各種行動裝置的螢幕,能夠即時掌握、各項訊息。當以BIM為基礎的3D立體建築架構,因應場域的不同規模,已經逐步可以在效能規劃、預測及模擬上做應用(如上述案例智慧社區「Fujisawa SST」,其在建物日照採光及街道風流引入上是一個很好的實例)。在大場域的應用專案,將利用GIS(地理資訊系統)、影像無縫轉場與辨識的技術、結合設備設施管理與系統整合,在管理營運的大架構下,採集跨系統的巨量多元化數據。最後以透過人工智慧的演算法,分析呈現視覺化的決策性資訊。(圖17) (二)公私雲搭配的混合雲運用架構: 運用社區自有雲處理關鍵的帳戶管理及信息推播等核心機制,搭配運用IoT平台雲端應用功能模組,能實現確保快速響應、大規模多元裝置部署、海量資料儲存、分析與智慧的應用。並能滿足社區用戶隨時、隨地、安全的連網需求,達到逐漸省略透過中介閘道器控制、資料傳遞的情況。以至於大幅提高管理系統在將來大數據分析、AI、AR/VR領域的跨產業整合應用,並能持續導入新功能、情境與應用的需求發展。 (三)AI影像辨識與安控應用: 一個安居活力的社區,影像監視只是基礎。智慧安控已是智慧城市建構面向中一個重要的需求與發展。而影像辨識,在不同的場域有其新的應用價值。例如: 導入車牌影像辨識,作為車輛進出管制與停車場的停車監控管理。導入人臉辨識功能,運用在建物社區大門入口門禁的管制,提供住戶「刷臉開門」的輔助便利。搭配黑名單的運用,可以預警通報社區管理中心,以利啟動因應防範措施。其他,如人員「異常行為辨識」、「行為軌跡追蹤」、「值勤打卡」與「影像快取」等多元化應用都是生產力提高的應用。(圖18) (四)因應社區差異化的設計: 社區建案以融合創新的思維,因應區域、地段、人文的獨有特色,透過服務設計的理念,智慧建築發展的運用技術,融合雲端IoT應用的元素,以智慧社區三個主要發展面向: 物業管理發展、BA中央監控多維度整合發展,基於安居樂活的創新服務,來實現環保、節能永續的願景。 人口集中城市化、社區化,已是必然的趨勢;加上行動商務APP的時代,社群軟體之外,跟生活最息息相關的就是社區的訊息與情境了。物業管理的目的在於讓住戶便利的隨時、隨地掌握居家和社區訊息與情境的互動,真正達到有感的生活便利效益。 從以智慧建築設計新思維的角度(表5),與雲端化IoT智慧社區的發展架構(圖19),智慧社區的未來,將隨著規模向上的遞接路徑(圖20),開創雲端人工智慧化、萬物相連與創新應用的大成長未來。 伍、結語 智慧社區的發展未來,不只是空間建案場域的ICT系統導入與整合的課題,人口集中城市化、社區化,已是必然的趨勢,加上行動商務的時代,手機APP應用與排名是商業模式競爭的關鍵所在。社群軟體之外,跟生活最息息相關的就是社區的相關訊息與情境了。 智慧空間建案場域的發展,其營運模式需要多種跨業的元素組合。但核心的理念,還是基於人本的課題。因為幸福是最終的目的,所有一切的元件、整合、科技、生態系、服務設計及商業模式等,都是為達成這願景的途徑與詮釋。 陸、參考資料文獻 [1].黃國書(Home Page),智慧建築(監控)研究室資料 [2].黃國書,107年度產業人才投資方案【物聯網技術在智慧建築之設計實務應用班】課程講義,2018 [3].黃國書,海基會兩岸經貿講座【以物聯網發展看兩岸智慧生活產業商機】講義,2018 [4].黃國書,科技部iACE【以智慧城市發展看智慧建築之商機與設計思維】,2018 [5].通航國際(股)公司。
發布日期:2018/11/08
資料來源:中華敏通快樂農場發展協會
依107年3月內政部統計通報65歲以上人口約14.05%,台灣進入高齡社會,8年後為20%進入超高齡社會 。隨著年齡增長,身體也會漸漸老化,不但聽力、視力會衰退,一些慢性疾病也可能會伴隨上身,65歲以上老人常見的慢性疾病,前五項分別為:高血壓、白內障、心臟病、胃潰瘍或胃病、關節炎或風濕症等。全臺有75%的老年人至少罹患一種慢性病,50%以上的老年人同時罹患兩種或多種的慢性病。 然而從高齡人口組成來看,我國失能老人人口約占高齡人口的16.5%,仍有83.5%多數老人是處於健康或亞健康狀況,大約85%依然身體健康、活力十足,但大多數待在家中的時間多於外出時間,所發生跌倒或其他意外屢見不鮮。老人事故傷害,大多是生理機能退化及居家環境燈光昏暗,臥室、浴室有太高門檻,因此,朝加強照明、預防跌落摔傷、浴室盥洗及進入廁所等安全改進設施,是當務之急。依智慧型居家照護裝置設計理念,是讓銀髮族能有平安愉快的每一天。但每個家庭裡的銀髮族情況不一樣,健康與亞健康的日常生活可以自主,且可自己外出;有些需陪伴,如沒人幫助就無法自行外出;有些整天躺在床上,須幫忙排便、吃飯及穿脫衣物。因此,須有全面翻轉銀髮族居家照護方式,方能解除外出子女的憂慮。 運用具有電腦視覺、語音識別、統計方法、人臉與物體辨識等功能的人工智慧,載入到資通訊裝置,以解決因人力不足、耗時、全天候照護等問題,設計出人機互動的銀髮族居家安全環境。觀察銀髮族居家行動,可將導入依智慧型照護概念,其行動信息依智慧主體與人的貼近程度,可分為穿戴、近距、遠距、雲端與物聯網等五型裝置。茲依各型解決方式說明如下: 一、穿戴型裝置 指應用穿戴型技術係對日常穿戴進行智慧化設計,開發出可以穿戴的裝置,如眼鏡、手套、手錶、服飾和鞋等。其目的,是探索人和科技全新的對話模式,為個人提供專屬的、個性化的服務,其本質是人體的智慧化延伸。它利用感測器、射頻識別、全球定位系統等資訊傳感裝置,連線行動網路,實現人與物隨時隨地的資訊交流。銀髮族大致上考慮兩個方面,一為能直接穿戴在身上或整進衣服、配件中;另一為能應對多種需求與問題的行動應用程式。 然依穿戴部位不同,可劃分為頭戴式、身著式、手戴式、腳穿式四種。 (一)頭戴式 1.眼鏡類如Google Glass Google 眼鏡 採用虛擬實境技術,能夠實現日曆、語音、Google+、時間、溫度、簡訊、拍照、地理位置、音樂搜索和攝影等功能。 2.頭盔類如LiveMap 頭盔導航 內建陀螺儀、光感元件、語音操控以及LTE 4G網路。透過頭盔上顯示的內容,使用者可以輕易實現網路規劃和定位功能。 (二)身著式 1.上衣類如情緒感應服內層的感應晶片可以透過感應人體的體溫和汗液的變化來感知穿著者的情緒,並發出訊號,改變外層的顏色。 2.內衣類太陽能比基尼使用電傳導線將光-電流面板縫合再一起,透過光伏薄膜帶,吸收太陽光並將能量轉化為電能,幾乎可為所有的便攜電子裝置充電。 3.褲子類如鍵盤褲融合藍芽鍵盤、喇叭、無線滑鼠的褲子,整合了現代牛仔褲和電腦鍵盤。 (三)手戴式 1.手錶類蘋果iwatch內建Wi-Fi、藍芽功能、帶有RSS閱讀器、16GB的儲存空間和天氣預報功能,並且能夠和iPad或iPhone手機相連接的產品。 2.手環類如Nike+Fuelband手環可以記錄和測量運動量。 3.手套類如手機外形像變形金剛的一部分,按鈕被設計在手指關節內側,拇指做聽筒,小拇指做話筒,即可實現通話。 (四)腳穿式 1.鞋類Google 智慧鞋使用GPS和LED來指明方向。鞋內建了一個GPS晶片、一個微控制器和一對天線。左鞋指示正確的方向、右鞋能顯示目前地點離目的地的距離。 2.襪類Sensoria智慧襪子透過步幅以及落地的壓力,記錄下雙腳所走或跑的狀態和消耗的能量。透過對腳底部分的感應,可以了解自己運動的強度。 二、近距型裝置 NFC 是一種近距離或接觸式的無線通訊技術,其使用頻段為13.56MHz,傳輸距離約0.2 公尺,傳送資料速率有106kbps-212kbps 與424kbps 三種可供選擇。由無線射頻識別(Radio Fequency Identification, RFID)技術發展而來,而NFC 元件架構比單純RFID 更為強大,包括安全晶片、NFC通訊晶片與感應天線,使得NFC 能進行非接觸式點對點資料傳輸,也能夠讀取或寫入非接觸式卡片或RFID 標籤。近端的生理訊號量測裝置與資料收集裝置之間的通訊連結,可能應用之無線通訊技術包括近距離無線通訊(NFC)、無線個人區域網路(WPAN)、以及無線區域網路(WLAN)等三類,技術選擇的主要考量包括其耗電量、傅輸速度、傳輸距離、及資料傳送的可靠度。 近端生理訊號有線傳輸技術,除了智慧住宅提供安全方便的生活環境,同樣地也需求有效的健康管理,所以遠距居家照護系統近端感測裝置所量測的生理訊號,如血壓值、血糖值、心電圖等,必須以有線或無線方式,將訊號傳送至使用者家中的資料收集裝置,再以這些裝置作為對外傳送的通訊閘道,將資料傳送到遠端的資料庫。目前最常使用在生理訊號量測裝置 (如血壓計、血糖計等)與資料收集裝置之間的有線通訊介面,主要包括RS-232 與USB,因為多數資料收集裝置都以電腦為基礎,而RS-232 與USB 都是電腦所具備的基本通訊介面。 三、遠距型裝置 主要用以提供銀髮族罹患慢性疾病病患的居家健康照護服務使病患在自我健康管理。將居家醫療儀器使用者每日的生理狀況,如血壓、血糖、體溫等生理訊號,經由傳輸網路傳送至中央資料庫儲存,並建立個人的生理資料庫,一旦生理訊號發生非常態的改變時,即可以發出警告訊號,進行醫療照護的處理。所以它的用途可隨時掌握銀髮族的健康情形、儲存電子病歷便於比較病史及身體狀況變化、偏遠地區的病患獲得良好的醫療服務、縮短醫護人員與病患的距離、節省人力、時間及資源、偏遠地區的醫療技術與水準提升、「遠距會診」最重要的效益是掌握診治的先機,讓病人及時接受適當治療,提高治癒率。 應用於遠端照護之科技設備 (一)電子儀器網路連線之行動健康護照系統 藍芽傳輸,手機、電腦連線下載。 血壓、血糖、體溫、尿量、脈膊、體重等長期數值變化,可以將數據自動回報。 四、雲端型裝置 主要用意是資料透過網路得以開放、共享,加值運用。因此,它的基本特色: 隨時隨地自助服務。 隨時隨地用任何網路裝置存取。 多人共享資源。 快速重新佈署靈活度。 可被監控與量測的服務。 基於虛擬化技術快速部署資源或獲得服務。 減少使用者終端的處理負擔。 降低了使用者對於IT專業知識的依賴。 個人健康資訊雲端化,如健檢資料、健康照護資料、基因遺傳資料。 近年衛生署已規劃建構醫療雲端照護平台,並推動三朵雲(健康雲、照護雲、醫療雲)計劃,且與電信公司積極合作,推出照護服務,未來只要連上遠端雲端運算中心,電子病歷、數值分析、診療紀錄及遠距醫療照護等,都能透過雲端運算來提供,建立更健全的醫療保健體系,達到資源、服務整合的目的,這也是智能醫療平版電腦未來軟硬體技術整合規劃上,要先預劃及克服的挑戰。 五、物聯網型裝置 指透過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、雷射掃描器、氣體感應器等資訊傳感裝置,按約定的協定,把任何物品與網際網路連接起來,進行資訊交換和通訊,以實現智慧化識別、定位、追蹤、監控和管理的一種網路。物聯網與智能醫療服務之技術數位化後的各類醫療資訊,藉由物聯網的技術,能使有限醫療資源讓更多人共用,醫院也能建置完整的平台,實現智慧化管理工作。透過即時的定位、通信系統、無線遠端傳輸等技術,醫院可以準確地將醫療設備或裝置管理、藥物管理、人員信息、醫療訊息等資訊視覺化,在這些視覺化的訊息中,醫院、醫護人員、病患、醫院各部門、醫療設備、醫療機構之間的互動將更加有效率且安全;所以該產品導入物聯網關鍵技術的成熟度,將直接影響推展智能醫療系統的成效。 六、結語 全國自殺防治中心今天表示,65歲年長者自殺死亡率更高於一般人2倍。銀髮族自殺特性包含自殺意圖強、很少透露出自殺想法或計畫,且很多都是獨居者,加上可能原本就有身體疾病及身體脆弱,導致老人時不易存活。一旦老年人嘗試自殺,身亡的比例很高,其原因身體狀況不好、獨居、沒有親人陪伴、缺少社交生活、經濟狀況不好萌生自殺念頭。 因此,銀髮族罹患憂鬱症風險也高,症狀可能包含不願意走出家門、話變少、活動力變差、睡眠不好,但可能被誤認為是正常的老化或身體不舒服,忽略是憂鬱的警訊,沒來得及介入就可能發生自殺憾事。面對冷冰冰的人工智慧 須發展人工同理心 讓人感覺電腦好像有同理心 陪伴照護更體貼人性化,未來應朝向具有情緒辨識、情緒展現、具有人際互動敏感度的人工智慧,都可視為人工同理心的應用,具備機器的特性,永遠不會累。所有的感受都是個人化的,特別是在病人身上。
發布日期:2018/11/08
資料來源:中華大學&國立台北科技大學
Application Research of Seaweed in Wisdom Eco Bus Booth 隨著科技日新月異的進步,隨之而產生的汙染已經明顯嚴重影響地球以及人類的生活環境,廢氣造成了空氣汙染,二氧化碳含量過多,熱量難流失,地球的平均氣溫也隨之上升,臭氧層的損壞造成陽光紫外線過量,對皮膚及眼睛造成傷害,這些危害使得人們在戶外活動時,提高了身體疾病的風險(如圖1)(如表1,2)。 為了響應節能減碳,台灣各地方政府開始對大眾運輸系統有了全面性的規劃,鼓勵市民及觀光旅客能夠多搭乘大眾運輸工具到達目的地,減少私家車的使用,不僅能夠減少大量車潮時段的交通癱瘓,也能降低汽車使用時排放的二氧化碳、空氣汙染,使人們生活品質更美好。 在台灣的都會區中,使用大眾運輸工具,是城市節能減碳、改善交通、減少污染最有效的方式之一,也是營造智慧城市的表徵;公車一直以來都是人們外出通勤使用率高且數量多的大眾運輸交通工具,其公車候車亭設置於室外,常有人潮聚集之處且數量也多,根據統計至106年的數據,以台中市為例,就有877座公車亭,在公車亭如此數量多及使用率高的特點下,若能讓每個傳統的公車亭具有智慧與節能的功效,一定可大量提升都市節能減碳的效果與效益,因此,本文將以公車亭為目標,探討具備生態環保、智慧科技的新技術新工法,因應時代趨勢,改變傳統公車亭的模式,溶入生態環抱與智慧科技概念,發揮節能減碳最大功效,引領新智慧生活的城市面貌。 人類過去對於能源的仰賴,主要來自於石化燃料與核能,而火力發電會造成嚴重的空氣污染,隨著燃燒煤炭,可能會有許多致癌物質會隨風傳播,此外火力發電排放的大量二氧化碳,更是造成溫室效應的元兇;過去標榜安全的核能發電,隨著發生日本福島核災而破滅。因此有許多科學家致力研究再生能源,期待可以建立更安全使用的永續能源,減少碳排放量並且避免核輻射外洩的可能,藉此建立美麗環保的家園。 基於世界各地氣候異常現象頻繁發生,節能減碳和尋找替代能源的研究與發展,是各國政府的政策目標也是產官學研重要的研究領域,根據相關研究成果發現,對於具備生態且來源豐富的海中藻類在能源方面的應用方面已證實可透過光合作用產生電能,將海藻發電作為替代能源,若能妥善加以運用在各種場域是非常具有經濟價值的;本文將以公車亭為應用案例,探討都市城鎮中的公車亭與海藻兩者做結合,並導入ICT等科技技術,創造具有生態之智慧化公車亭的新面貌,讓海藻發電帶給智慧化公車亭自給自足的可能性,及都市的景觀綠化以及帶給民眾候車時的便利、舒適與安全環境。 表  SEQ 表 \* ARABIC 1 空氣品質指標(AQI)與健康影響(資料來源:行政院環境保護署 空氣品質監測網) 表  SEQ 表 \* ARABIC 2 空氣品質指標(AQI)與活動建議(資料來源:行政院環境保護署 空氣品質監測網) 在台灣車班不確定、車班太少、搭程耗時、不清楚停靠站點版面固定不易更新、字體細小不易觀看、資訊龐雜不易查詢、設計紊亂不美觀、等車無聊缺乏趣味性,是民眾不搭公車的主要原因(如圖2,3)。 而且待在公車亭底下,冬冷夏熱,造成人們往往不願意待在公車停下等待,大多數則是在騎樓,或者店家裡,等公車進入可視範圍後,再到公車亭等待公車。 除此之外,若是可以解決公車亭電力自給自足,增加遮陽及散熱效果,並且還有其他智慧化功能,甚至還能稀釋汽車排放的二氧化碳,以及產生氧氣,減少都市放棄排放,將可增加公車亭的使用性與便利性。 1.以美國為例:美國 MIT 研究機構所發展出名為 EyeStop 未來的公車站,透明的螢幕顯示與觸控機制的高科技應用作為公車資訊的服務,也可結合社區使用的電子佈告欄(如圖4)。 2.以新加坡為例:從遠處來看,這個智慧公車站看起來彷彿一個大型盆栽,不僅有遮雨的頂棚來因應反覆無常的熱帶氣候,上層還鋪了一層植被,來降低常年高溫的熱氣。不僅如此,公車站還開闢了一塊可以讀書的角落,準備搭乘公車的市民們不僅可以借閱實體書,還可以掃碼登入新加坡國家圖書館來下載電子書。 而作為智慧公車站,當中也建置了具有互動功能的電子公佈欄,除了提供公車到達時間、路線等資訊外,還能查詢天氣。電子公佈欄的電力還都是由公車站內的太陽能電池板所供應。為了便利等車的市民,智慧公車站也提供了Wi-Fi以及手機充電站的服務,隨時隨地能為需要「補充」網路訊號以及手機電力的市民使用。就連旁邊的垃圾桶都安裝了感應器,能提醒清潔人員何時應該還清理(如圖5,6,7)。   海藻是指生長在海洋中的藻類,是海洋中的初級生產者,含有葉綠素和其他輔助色素,基本上是一群能進行光合作用且構造非常簡單的生命體。植物體為單細胞、單細胞群體或多細胞。多細胞的藻類一般構造也比較簡單,無根、莖、葉的分化,不能開花結果。 為什麼要使用海藻,而並非其他植物的原因是,藻種為單細胞微藻,因為它的構造簡單,不需發展根、莖、葉等器官,因此生長速度較快,具有高產量的優點,比陸生植物快10倍。若是使用太陽能板製作時使用的大量矽、鍺、硼,可能會造成環境方面的污染,若能將藻類燃料電池的概念融入太陽能板的形式與構造,不僅不會產生汙染,且發電完後的藻類,仍可利用在保健食品、動物飼料、水產養殖、化學藥品與藥物、色素、矽藻土、肥料、化妝品等,可說是不浪費任何資源的全方位利用。長期政策觀點來看,藻類燃料剛好可同時解決土地、食物和能源此三種問題。 藻類發電是指在藻類細胞進行光合作用時,會把氫分解為帶正負電荷的粒子,通過其內部活動產生電流,從而進行發電;同時也可以對藻類後期進行燃燒發電,利用立體光反應培養器回收循環利用二氧化碳,生產藻類製成藻粉作為生物質燃料,藻粉經過燃燒進行燃熱發電。 植物進行光合作用時,葉綠素不但能把水分解為氫和氧,而且還能把氫分解為帶電荷的氫離子和帶負電荷的電子。此時,植物體內會有電流產生,然後白白地消耗掉了。如果用人工的方法控制這個產生電流的過程,就可以積累植物中的電量,為人們提供生活和工業所需的用電。 藻類發電是透過藻類光合作用的過程,將光能轉化為電能,進行發電。其發電原理是利用上段內容中所描述的光反應過程。當光合作用進行時,藻類的葉綠素吸收太陽光,激發葉綠素的電子進行電子傳遞,使得膜上蛋白獲得能量,能將外界低濃度的質子逆向吸入高濃度的內部,而造成類囊體與基質間的質子濃度差,製造出質子流動,流出至基質中。因為藻類體積微小,因此質子也隨著擴散至水溶液中,而形成電池的負極,質子也在藻類電池內部的負極處流向另一端的正極;而導致電子藉由藻類電池的外部導線,由負極流向正極,形成一個正常電池的流動情形。 用葉綠素製造的電池能把太陽能的30%轉換成電能,而現有的多數太陽能電池板僅能把10%~20%的太陽能轉變為電能。因此,利用植物進行太陽能發電應該比太陽能電池板發電的潛力更大。 在熱能應用上,海藻發電可提供溫度40度的熱能,或許可用在工業製程的預熱。台灣需求較多的是冷氣,但應用在冷卻泵浦需要 70 度,加溫再冷卻將導致能效打折。 公車候車亭基本條件就是要讓公車能進站,能讓等車的乘客在候車時暫時的擋風遮陽避雨,對於出門需要搭乘公車的人來說,最擔心的事莫過於搭錯車、不知要等多久、如何轉乘其他的大眾運輸系統以順利抵達目的地;至於身障朋友則更可能因為高度容易被擋住而會有公車過站不停的困擾。還顧及要使用得舒適便利與安全,結合綠能、通訊、影音及都市景觀發展出公車亭更具廣泛的使用性。 參考國內外之智慧公車亭案例,分析歸納出一套針對公車候車亭之需求要點及適應現今環境的的舒適又環保的設計,並提供日後相關單位與設計者作為公車候車亭之設計的參考依據,其組成架構及運作方式說明如下: 海藻生態玻璃模組尺寸為上層玻璃厚度各3公分、玻璃之間中空部分為6公分,總厚度12公分,玻璃之間中空部分為水及海藻,並在上層玻璃的部分與濾網結合,以確保能吸收空氣中的二氧化碳來形光合作用,並在下雨時能補充用水及將落葉或垃圾隔絕在外。海藻生態模組的主要功用為生產海藻提供發電原料,以及透過海藻來降低公車亭的溫度。 LED照明 透過海藻發電所產生的電量,提供公車亭本身的照明設備。並使用LED節能省電燈泡,使用壽命長,耗電量小,耐用持久。 行動數據網路 提供民眾使用WIFI網路,增加民眾使用率,另一方面能使公車亭數據透過網路上傳到雲端。 監視系統 透過攝影機全天攝影,大數據收集應用於城市的交通、環境、商模、安全。 智慧面板提供民眾查詢服務,包括氣候和時間資訊、公車車班路線資訊、市政宣導應片、資訊跑馬燈、周邊商家或企業廣告、以及海藻生態公車亭的架構圖供民眾了解查詢使用。 藻類電池主要是利用藻類細胞內具有葉綠體,葉綠體具有可吸收太陽能的葉綠素。當光線照射時,葉綠素的電子被釋放,在膜上的蛋白間傳遞,形成電子傳遞鏈,驅動膜上的蛋白作用,造成製造內外的質子濃度差,形成質子濃度梯度。當內外兩側的質子濃度不等量時,電化學趨力將會使得質子流動(如圖10)。 二、「智慧生態公車亭設備」的運作方式 透過公車亭頂部的海藻生態模組來生產海藻,以及透過海藻生態模組雙層玻璃中,不斷生長的海藻,來降低公車亭的溫度以及產生綠美化,並在不斷生長的過程中,將海藻順流而下到底部的海藻電池設備中,加以發電。並透過海藻所發的電來提供其他用電設備使用,達成一個自給自足的循環(如圖11)。 三、「智慧生態公車亭設備」的設備特性 海藻生態模組玻璃板之間的水可吸收太陽能,使水的溫度增高,一方面藉由水及海藻降的公車亭受太陽照射所吸收的熱能,一放面透過溫度增高,增加海藻生長的速度。由於水中含有綠藻,因此升溫速度比清水更快。 公車亭的頂蓋使用綠建材的LOW-E雙層強化玻璃,透過玻璃中的海藻吸收太陽熱能,達到公車亭降溫效果,解決現在公車亭多半過熱,倒致多數人不願意再公車停下等車,使公車停使用的效果降低,而且隨著海藻不停的繁殖,更能增加遮陽以及降溫的效果。 海藻生態模組的玻璃模組尺寸為玻璃厚度3公分、玻璃之間中空部分為6公分,總厚度12公分,玻璃之間中空部分為水及海藻。且在玻璃上培養的微型海藻不佔用額外土地空間,氣候轉變對其影響也不大。 透過海藻發電後,產生的電能自給自足,包括使用照明設備、可觸控智慧面板、攝影機設備車流量監視與站牌人流監視、無線上網、USB快速充電等用電設備,來增加公車亭的使用性。 伍、「智慧生態公車亭設備」特色及效益 現今節省能源為一個相當重要的議題,如果候車亭本身所使用的能源可以自給自足,不依靠其他電力,不但可以供多元資訊設備使用,又不會浪費台灣如此的天然資源。 透過海藻模組頂蓋,使公車亭達到遮陽效果,公車亭運用綠藻頂蓋這種「綠色皮膚」形成的天然遮蔽層可使建築內部更加涼爽。藉由海藻發電提供公車亭本身電子看板電能、提供使用者手機充電等等。海藻生產飽和後,可以取出拿來作為食用,或是生殖能以及製作成生物科技等等。 透過海藻發電,可減少一般電池之使用量,也就是用完即棄電池,因為在它們的電量耗盡之後,無法充電重複使用。也能夠減少氣體的汙染,裝置中的藻液體會吸收二氧化碳等多種氣體,不僅可以解決藻類需要吸收二氧化碳等其他碳源,來做為營養的來源問題,而且也可以減少空氣中氣體污染的問題,這樣就可減少二氧化碳並且增加藻類生長速度。 植物需要行光合作用,人也需要光的照拂來維持生活的活力,很多人喜歡在室內種植綠色植物,除了美化空間之外,某些特定植物也具有讓居家空氣更清新的淨化效果,不僅對健康有好處,也改善居住環境,創造建築、人與自然和諧生存的空間。透過海藻帶給公車亭及都市綠美化,使人在交通繁忙的馬路旁,也感受得到綠意盎然的氛圍。 海藻行光合作用產生電之後,便能後續衍生出許多公用,例如可觸控智慧面板,民眾除可查詢可觸控螢幕清晰顯示站名、公車即時動態到站資訊,天氣溫度時間日期等資訊及跑馬燈,並提供清晰明瞭的公車路線圖,方便旅客獲取到站資訊、觀看市政宣導影片和企業廣告。公車族不再需要擠在小小的公車路線表前,尋找車班資訊。大型螢幕提供了一目瞭然的公車路線與公車動態。搭往哪裡,共線與轉乘資訊,公車何時到站,清清楚楚,以及LED跑馬燈、燈光照明裝置、停車按鈕裝置,按鈕後亮起紅色燈,讓公車司機進站前獲知民眾乘車需求,也可提醒行經該站位的駕駛注意是否有民眾候車,甚至還可以有愛心服務鈴功能,替身障者解決候車時的困擾。 智慧生態公車亭以海藻發電供給所需能源,只要有陽光、海藻和二氧化碳,車站就能自己發電,且不排放任何污染物,還能減少空氣中的二氧化碳,真正實現節能減碳、綠色環保。 透過WiFi上網可以達到廣告營銷與民眾使用雙贏的局面,智慧面板的商業廣告播放,可以提升附近商圈經濟消費,設備效益達到一站到位,多元滿足整合網路通訊、數據分析、影音傳播、商業營銷、安全監控、環境感測等各種先端技術應用內容於同一平台,創新開發出「智慧候車亭」系統設備。 透過攝影機全天攝影,大數據收集應用於城市的交通、環境、商模、安全。智慧城基礎佈建完成4G、WiFi、智慧影像分析等科技佈建。一座座候車亭成為資訊反饋神經元,建構出整座城市的智慧數位神經。 陸、未來發展與願景 近年來環保意識的抬頭及由於溫室效應所帶來的二氧化碳污染問題,人們已相當重視能源使用問題。為因應國際綠色環保潮流,響應政府節能減碳與永續發展政策,能藉由海藻生態智慧公車亭結合新科技創新與應用,透過海藻生態智慧公車亭,在生態的部分,以海藻在都市內行光合作用,減緩溫室氣體的成長也減少其他發電方式對地球帶來的汙染,並帶給都市綠美化,智慧科技的部分,透過每個公車亭所帶來的資訊,串聯周邊商圈智慧化,再由各個公車亭串連到大的整個城市,串聯智慧城市,透過智慧城市串聯各種資訊科技或創新意念,整合都市的組成系統和服務,以提昇資源運用的效率,優化都市管理和服務,以及改善市民生活品質,同時達到促進能源效率及降低溫室氣體排放與廢棄物量之成效,進而發展為永續成長的社區與城市,並提升世界能見度與整體競爭力。 柒、參考文獻 (1)、中華民國交通部《105年民眾日常使用運具狀況調查運具次數市占率交叉統計表》 (2)、吳哲弘,2014,《以視覺平面設計概念於公車站牌牌面之設計改良研究》,大同大學碩論。 (3)、張藝舋,2014,《智慧型公車站牌即時資訊之研究與設計》,大同大學碩論。 (4)、李美燕、陳竺廷、盧怡錦,2015,《藻類燃料電池》,苗栗農工。 (5)、亞旭電腦《台北市智慧公車亭》 (6)、中華民國第科學展覽會《藻出能源,發電我最行─探討影響藻類電池發電效率之影響》 (7)、黃國書,107年度產業人才投資方案【物聯網技術在智慧建築之設計實務應用班】課程講義,2018 (8)、黃國書,海基會兩岸經貿講座【以物聯網發展看兩岸智慧生活產業商機】講義,2018 (9)、黃國書,科技部iACE【以智慧城市發展看智慧建築之商機與設計思維】,2018 (10)、綠藻的功效http://cht.naturalnews.com/chtbuzz_buzz002934.html (11)、十大創新的藻類供電設計http://agritech-foresight.atri.org.tw/News/Print?sid=1032 (12)、BIQ http://www.biq-wilhelmsburg.de/ (13)、建築外殼結構之潛熱熱控技術https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7274 (14)、將建築變成發電站https://www.basf.com/tw/zh/we-create-chemistry/creating-chemistry-magazine/resources-environment-and-climate/buildings-as-powerhouses.html (15)、中國國家海藻技術研究中心http://www.algae-tech.net/comcontent_detail/FrontComContent_list01-001CurrentIds=3__13comContentId=13comp_stats=comp-FrontComContent_list01-001.html (16)、IBA Hamburg BIQhttps://www.iba-hamburg.de/en/themes-projects/the-building-exhibition-within-the-building-exhibition/smart-material-houses/biq/projekt/biq.html (17)、ARUP-德國漢堡全球首座海藻住宅 SolarLeafhttps://solomo.xinmedia.com/archi/22407-ARUP (18)、商周.COM https://www.businessweekly.com.tw/article.aspx?id=22385type=Blog (19)、創力特 MyLife創意生活,https://tranliter.com/newsbioo/ (20)、圖片出處 中國時報 http://www.chinatimes.com/realtimenews/20170316004664-260412
發布日期:2018/10/23
資料來源:國立臺灣海洋大學 食品安全與風險管理研究所
2008年,台灣女子高爾夫選手曾雅妮贏得了人生第一座LPGA冠軍,並在2010年一舉登上世界球后寶座,在媒體的推波助瀾之下,高爾夫運動掀起一股熱潮,也因此打開了台灣人對高爾夫球運動的熱愛。曾雅妮旋風帶來的熱潮確實有效提升了高爾夫運動的人口,目前全台灣保守估計的高爾夫球人口已經成長到兩百三十萬人,佔台灣總人口的十分之一。高爾夫球運動是一項非常注重身體律動的一種運動,其強調身體協調性、平衡性以及標準性,因此高爾夫球運動員須注重揮桿時身體姿勢,不標準的揮桿動作容易對身體產生運動傷害。近年來,高爾夫運動越來越多人加入高爾夫球的行列,使高爾夫球這項運動逐漸朝向普遍化、年輕化與全民化的趨勢發展,預防錯誤姿勢造成的高爾夫運動傷害也逐漸成為目前重要的議題。因此,有許多學者投入研究高爾夫球運動員揮桿姿勢感測,判斷運動員揮桿姿勢是否標準,讓運動員能夠藉由系統調整揮桿姿勢,提高擊球準確率,也可降低新手運動員因為姿勢錯誤而造成運動傷害[6, 8]。 以上議題雖已經許多專家學者逐漸進行解決,但均針對運動員特定部位深入探討。傳統做法為利用錄影再撥放給運動員看,然後教練再個別指導,較少新一代系統針對運動員整體動作感測作為探討[3, 4, 10]。近年來,穿戴式設備的興起與動作感測設備成熟,透過物聯網(Internet of Thing, IoT)來輔助資料之收集與判讀,較可精準判斷不正確的動作。因此設計一個使用方便且有效的高爾夫球揮桿動作與潛在揮桿運動傷害偵測平台對初學者而言是需要的,設計時應考量個製化、動作協調性與完整性、調適性、輕量化計算與功能擴增性等相關議題[2, 5, 11, 12]。 在此設計一輕量化本體論模式應用於高爾夫六階段揮桿錯誤姿勢(An Ontology-lite Model for the Six Phases of Golf Swing Injury Detection and Evaluation, O4Golf),透過輕量化本體論(Ontology-lite)技術加快建模與運算速度,建構起個製化(Personalized)揮桿動作檢測機制。O4Golf其核心機制整合本體論(Ontology)、群落案例式推理技術(Clustering Case-based Reasoning),經由所判定之影響因子建構起大眾模式(Mass Behavior Model),再透過手機中的各別影響因子(Private Influence Factors)推論出個製化的輕量本體論模式(Ontology-lite)。再將資料送至動作觀測伺服器中運用所提出之高爾夫球揮桿姿勢分析模型(Golf Swing Posture Analysis, Golf-SPA)進行分析揮桿數據,檢測出可能發生運動傷害之不正確的姿勢動作,並發出警示通知運動員,以達成預防運動傷害的目的。 輕量化本體論模式應用於高爾夫六階段揮桿錯誤姿勢(An Ontology-lite Model for the Six phases of Golf Swing Injury Detection and Evaluation, O4Golf)之規劃設計如架構圖1所示,包含 (1) 具輕量化推論機制之行動式使用者端,(2) 具六階段高爾夫球揮桿姿勢分析模型之動作觀測應用伺服器以及(3) 具大眾數據推論模式之雲端伺服器。 具輕量化推論機制之行動式使用者端主要為建構個製化之推論機制於高爾夫球員的手機中,協助高爾夫球員能建構習慣動作(Preferences)與揮桿資料(Raw Data)之蒐集。使用者須藉由智慧型穿戴式設備搭配體感(Kinect)設備進行動作的紀錄與分析。行動使用者的手機負責感測揮桿數據以及蒐集其他穿戴式設備之感測數據,並配有輕量本體論(Ontology-Lite)所建立的法則[1, 9]。此數據再透過藍芽技術將蒐集的訊息傳遞至體感感測環境進行分析揮桿數據。圖2為穿戴式感應設備之配置模式,包含右手腕的具三軸功能之智慧型手環、腰間之智慧型手機以及右腳踝之輔助擺動定位之輔助手環。穿戴式感應設備於使用者揮桿期間進行三軸加速規與重力感測的資訊感測,感測資料將透過藍芽協定將資料傳輸至體感感測環境。此外,藉由Kinect動作感測設備的人體骨架結構資訊,擷取使用者的身體影像並建立使用者的身分模型,捕捉使用者揮桿動作的人體骨架資訊,再將此資訊傳遞至體感感測環境[4, 5, 7]。體感感測環境蒐集來自穿戴式感應設備與體感(Kinect)測設備的感測資訊,將蒐集的感測資訊由動作觀測伺服器(Motion Observation Server)進行分析揮桿數據,檢測可能發生運動傷害的姿勢動作。當動作觀測伺服器分析結果推論使用者揮桿動作不正確行為導致擊球失誤與對身體造成的傷害,透過畫面將運動員揮桿狀態與推論結果的顯示,讓使用者能根據系統推論的結果調整與改善揮桿姿勢,以及提醒使用者錯誤的動作姿勢,以此達到揮桿動作的標準與預防動作傷害的目的。 若要達到上述的服務,須建構行動化個人中心,協助個人化(Personalized)之資料蒐集與模式建立。行動化個人資料中心主要以配戴在身上的手機為主,其他 工具為輔。主要包括智慧手機、智慧手錶、三軸加速規等設備之整合,將偵測設備身份(UUID),並研判是否擁有使用者行為模型,當使用者行為模式尚未建立時,將套用大眾行為模式(Mass Behavior Model)給予使用者進行環境感知互動,若進行互動時大眾行為與使用者行為具有衝突時,將紀錄並學習使用者偏好。此外,於手機中將紀錄所有使用者的揮桿行為,並存放至資料處理單元中。資料處理單元主要作用在於取得來自三軸感測單元的三軸資訊值(包括X值、Y值與Z值)與重力感測單元的重力資訊值(W值),加上時脈資訊,並透過藍芽傳輸單元將資料傳送至體感感測環境。 而建構於高爾夫練習場或教學環境中的動作觀測應用伺服器(Motion Observation Server, MOS),其運作流程如圖3,其主要負責蒐集來自Kinect體感感測器及穿戴式三軸加速規感應設備偵測使用者揮桿期間的感測數據,並分析感測數據,檢測與判斷可能發生運動傷害的姿勢動作,避免因揮桿姿勢不標準造成擊球失誤或產生運動傷害。若分析發現使用者揮桿期間有不正確的揮桿姿勢,將發出警示通知,達到預防運動傷害的目的,主要是由姿勢資料庫與高爾夫球揮桿姿勢分析模型(Golf Swing Posture Analysis Model, Golf-SPA)所組成。 O4Golf主要功能在於接收來自Kinect、三軸加速規與重力加速器之感測資料,當三個單元匯入資料時會將資料進行彙整,並啟動執行高爾夫球揮桿姿勢分析模型(Golf-SPA)針對傳入的高爾夫運動員之預備期、上桿期、下桿期、加速期、送桿期與收桿期六個階段揮桿姿勢進行分析,並且將分析結果提供給推論單元進行推論。圖4所示,根據Kinect人體關節資訊中各節點的X軸、Y軸進行判讀,根據高爾夫運動員的揮桿姿勢判斷出所屬的揮桿期間[6]。在開始判讀之前,運動員必須回復到預備期,以一個慣用右手的高爾夫運動員為例,由於高爾夫揮桿運動是將重心放置左腿內側,因此Golf-SPA會根據預備期中左肩膀跟左手肘的人體關節點分別制定X臨界值與Y臨界值,如圖5所示,其中X臨界值會依據左肩膀作為基準點,而Y臨界值則以左手肘作為基準點;運動員從X基準點向右順著(1)的方向上桿至上桿頂點即為上桿期,沿著(2)的方向至右手肘抵達Y基準點的期間為下桿期,沿著(3)的方向至右手腕抵達X基準點為加速期,順著(4)的方向至右手腕抵達Y基準點為送桿期,最後沿著(5)的路徑至右手腕通過X基準點則為收桿期。表1定義了不同期間的判讀節點、X與Y之間的移動關係。 姿勢資料庫主要目的在於提供推論單元所需的判斷邏輯資料,其中所存放的內容資料為可能發生運動傷害之錯誤高爾夫球揮桿姿勢。不同的姿勢將根據不同的階段允以分類,存放在姿勢資料庫內的結構資料。其中每一筆資料皆會註明所屬哪個期間、人體關節點的判斷邏輯、三軸資訊的判斷邏輯以及重力資訊的判斷邏輯。於研究[5, 7, 10]中,指出高爾夫球揮桿會造成的11種運動傷害,在此將討論高爾夫球揮桿時的18種錯誤姿勢(Error Poses, EP)而造成運動傷害。其針對各式不同的高爾夫錯誤姿勢與傷害影響整理於表2,並根據不同的錯誤姿勢列出運用於Kinect人體關節點、三軸資訊以及重力資訊不同的判斷機制,以下並針對六個時期,所建立的模式,進行說明。 推論單元主要根據運動員揮桿過程中不正確的揮桿姿勢,推論是否會對運動員的身體造成運動傷害。其主要核心由本體論與霍夫曼樹所構成。本體論主要負責分類推論因子,為了方便協助霍夫曼樹推論使用者的運動狀態,而使用者的運動狀態不僅僅受到年齡、喜好、時間與高爾夫球桿種類的影響,也受到使用者揮桿動作姿勢的影響。有鑑於此,推論單元之推論因子及資料可以分為兩部分,分別為(1) 長期事件與(2) 變化事件[1, 11]。其中變化事件又可分為三個部分,分別為(i) Kinect人體關節點資訊、(ii)穿戴式設備資訊與(iii) 錯誤姿勢資訊。如圖6所示本體論模型。詳細敘述如下: 長期事件:長期事件主要紀錄使用者與過往相同的事件,該事件所提供的事件因子有明確的循環週期可循,方便推論單元的資料建構。其長期事件的事件因子有使用者的喜好、年齡、運動時間以及慣用高爾夫球桿之種類等。 變化事件:變化事件主要紀錄Kinect動作感測設備、穿戴式三軸加速規與重力感測之感應設備的感測數據以及錯誤姿勢資訊。其中可分為(i) Kinect人體關節點資訊:記錄Kinect動作感測設備偵測使用者揮桿動作之關節點位置。(ii)穿戴式設備資訊:記錄三軸加速規與重力加速器偵測到使用者揮桿期間的數據。(iii)錯誤姿勢資訊:存放使用者揮桿期間的錯誤姿勢。 本體論將長期事件與變化事件的分類結果,如錯誤姿勢、運動時間與個人喜好等資訊提供給霍夫曼樹當作推論因子,讓霍夫曼樹能根據推論因子推論使用者可能產生的運動傷害。使用者有可能因為不正確的揮桿動作或過度運動而造成擊球動作不流暢對身體造成運動傷害。不正確的揮桿姿勢可能導致擊球失誤、揮桿擊中地面、擊球偏離、提前擊球或擊球力量無法有效釋放,這將會導致使用者在運動後造成常見的六種傷害,分別為肌肉拉傷、肩部旋轉肌斷裂、手肘痛、手腕損傷、腰背部傷痛與頸椎疼痛等,如圖7所示。以下將分別述之造成傷害的因素: 肌肉拉傷:高爾夫揮桿過程中身體的旋轉方向是運用到身體不常使用的側邊進行旋轉運動,例如右撇子的運動員以左側身體的力量來擊球,若左側的肌肉不夠強壯或身體旋轉之力量過大,將容易導致小腿、左肩或背部肌肉拉傷。 肩部旋轉肌斷裂:高爾夫揮桿姿勢的不正確而導致揮桿落空,使球桿擊中地面,容易造成肩部旋轉肌斷裂。 手肘痛:使用者因揮桿的動作過大以及揮桿之力量的加速度過於猛烈,容易造成手肘痛。 手腕損傷:以右撇子運動員為例,揮桿過程中雙手手腕需要不斷重複地翻轉,而左側手腕不是慣用手腕,不常訓練,因此過長的運動時間或過於猛烈的擊球動作都容易導致手腕所傷。 腰背部傷痛:腰背部傷痛主要跟站姿、揮桿動作與腰部的旋轉力道都有很大的關係。 頸椎疼痛:主要是因為運動員在擊球過程中的站姿不夠直立,導致增加低頭的弧度。 根據本體論推論結果來協助霍夫曼樹推論使用者因為不正確的揮桿姿勢或過度的運動,導致身體整體的不協調性而造成不正確的擊球以及對身體產生運動傷害。此議題利用霍夫曼壓縮技術,增加運動員之運動傷害的推論速度。根據本體論的推論因子推論使用者的運動狀態結果,推論出使用者在揮桿時的力道、腰部的旋轉、身體重力位移、運動時間以及Kinect關節點等數據,協助霍夫曼樹推論運動員因為不標準的姿勢導致對身體的運動傷害有哪些動作。 輕量化本體論模式應用於高爾夫六階段揮桿錯誤姿勢(O4Golf),透過輕量化本體論(Ontology-lite)技術加快建模與運算速度,建構起個製化(Personalized)揮桿動作檢測機制,圖8與圖9即為O4Golf系統畫面圖,包括一般電腦版與手機版的畫面。 於系統畫面圖中可以看到所選擇的三軸加速規點,主要是透過Android中所提供之AndroidManifest.xml 導入BLUETOOTH_ADMIN權限所建置,並與其它相關資訊均包裹於XML標籤中傳遞,達到高可讀性之功效。圖10為利用三軸加速規所量測使用者之揮桿動作數值其表現出一完整的揮桿動作模式,由此可觀察到球員的三軸運動軌跡,再與Kinect Sensor配合找出有可能造成揮桿運動傷害之動作。 圖11為O4Golf所偵測的使用者動態情境,透過身體的各節點,並且將經常容易造成錯誤的姿勢與運動傷害模式進行分析,並提供給使用者。圖12為易造成運動傷害的地方,進行詳細分析,並將相關資料展示至系統畫面。 透過記錄每次揮桿的動作及發生錯誤的數據,於測試期間會將動作予以觀看分析,共紀錄20位高爾夫運動員於實際操作本系統之結果,其中每位高爾夫運動員均在本系統的架設環境中揮桿10次,共計200次揮桿資訊建立起大眾姿勢庫。然後再建立起輕量化本體論(Ontology-lite),如表2 之定義的18種運動傷害發生邏輯,由本系統之人體關節點分析與三軸資訊分析所交叉計算出重疊之正確與錯誤揮桿判斷。表3顯示120次的揮桿動作於高爾夫球執業教練評估後的結果,其中EP01(預備期-左肩低於右肩)、EP02(預備期-站姿過寬)、EP08(上桿期-上桿幅度太快且過大)、 EP14(加速期-頭部位移)、EP16(送桿期-膝蓋未靠攏)與EP17(收桿期-頭部位移),因整合多項分析模式,其相對準確率較其他判斷基準高。 在此提出之輕量化本體論模組應用於高爾夫六階段揮桿錯誤姿勢(O4Golf)系統建置時,針對個製化與輕量化揮桿錯誤姿勢運算模組時考慮到個製化、動作協調性與完整性、調適性、輕量化計算與功能擴增性等相關議題,提出相關設計方式,包括: 個製化(Personalization)。為提供每位高爾夫球員個別服務與常犯錯誤提醒,高爾夫球員可依據自身狀況能修正揮桿動作,此議題對於運動員姿勢修正具重要意義。因此推論模組應以高爾夫球員習慣動作與狀態進行分析與建議,並非每位高爾夫球員須具備一致動作。在此建置個別化之輕量化本體論推論模組於高爾夫球員之手機中,協助儲存資料與姿勢判斷。 動作協調性與完整性(Action Coordination and Integrity)。目前許多研究當中注重於高爾夫球運動員揮桿時手部、腰部與臀部的運動偵測,卻少有研究針對運動員揮桿運動之各個部位偵測,無法體現運動員整體揮桿運動的協調性。在此利用Kinect動作感測器及穿戴式三軸感測器與重力感測器,偵測運動員揮桿運動各部位情況,提高運動員動作協調性與完整性。 調適性(Adaptivity)。依據高爾夫球揮桿姿勢,建立起高爾夫球揮桿動作分析模組(Golf Swing Posture Analysis Model, Golf-SPA)作為推論基礎,利用Kinect動作感測、穿戴設備三軸感測器與重力感測器之感測數據推論運動狀態,提醒與建議揮桿動作之調整。此外,並可透過個別法則與大眾法則增加或減少推論因子,協助使用者降低揮桿時造成運動傷害。 輕量化計算(Light Computing)。透過快速的計算分析揮桿數據,並即時經由警告訊息作為高爾夫球員的揮桿狀態與推輪結果,讓高爾夫球員能根據推論結果即時調整揮桿姿勢。在此透過大眾法則調適與建置出輕量化本體論(Ontology-lite)模組於使用者端,即時推論揮桿姿勢,不須透過雲端複雜運算,節省運算時間與反應時間。 擴增性(Scability)。僅需調整推論因子或推論模組即可推論其他相關情境。因此利用本體論(Ontology)、案例式推理(Case-based Reasoning, CBR)機制、Affinity Propagation分群技術選取因子與建構模式,未來僅需更換運動模式與因子,亦可將本模組應用於其他運動模式之推論。 本研究承蒙科技部研究計畫106-2221-E-146 -008、105-2221-E-146 -009、104-2221-E-146-002予於補助,得以順利完成此研究,在此獻上最誠摯的謝意。 參考文獻 G. Agapito, M. Milano, P.H. Guzzi, M. Cannataro, Extracting Cross-Ontology Weighted Association Rules from Gene Ontology Annotations, IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, Vol. 13, No. 2, pp. 197-208, 2016. P. Gupta, T. Dallas, Feature Selection and Activity Recognition System using a Single Triaxial Accelerometer, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol.61, No.6, pp.1780-1786, 2014. Y.L. Hsu, Y.T. Chen, P.H. Chou, Y.C. Kou, Y.C. Chen, H.Y. Su, Golf Swing Motion Detection Using an Inertial-Sensor-Based Portable Instrument, Proceedings of 2016 IEEE International Conference on Consumer Electronics-Taiwan (ICCE-TW), pp. 1-2, 2016. H.H. Ku, W.C. Wang and Y.W. Ti, Simulating Feasibility Assessment of the Golf Swing by Kinect Motion-Sensing Photography, Sensors and Materials, Vol. 28, No. 6, pp. 725-737, 2016. H.H. 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發布日期:2018/09/12
資料來源:新聚能科技顧問
根據知名市場研究機構《IDC》報導,2017年全球可穿戴設備總出貨量高達1.154億台,比2016年的1.046億台增長10.3%。預計市場規模將從2017年的1.13億美元,至2021年翻倍成長至2.22億美元,年複合成長率為18.4%。出貨量前五大的品牌Apple、小米、Fitbit、華為與Garmin公司。 雖然基礎健身手錶和智慧型手錶的市占率是目前穿戴式裝置市場中的兩大主力,IDC預測,到2021年,智能衣著與耳機類的穿戴式裝置成長率將高於手腕式的穿戴式裝置。 可穿戴裝置市場成長的動力源於其多元化的應用,早期的市場訴求是測量走路步數為主的運動監控功能;但是在近期,測量心跳、睡眠狀況等健康監控功能開始成為可穿戴裝置的重要應用,並逐漸成為品牌廠商拉開與平價產品跟隨者的重要功能。 如果這是未來的重要趨勢,已經或是準備要投入新的穿戴式健康裝置商機的業者應該如何進行市場定位,並提前佈局重要的技術呢?本文也嘗試結合健康領域的統計資料,觀察重要科技廠商目前的技術佈局狀況。 依據2016年衛生福利部死因統計資料顯示,國人十大死因中的第2位心臟疾病、第4位腦血管疾病及第8位高血壓性疾病,都是與高血壓相關的心血管疾病共造成38,539人死亡,即每4.5人死亡中就有1人是死於高血壓直接相關的三種死因。另外,2014-2017年國民營養健康狀況變遷調查結果也發現,18歲以上國人高血壓盛行率達25.2%,邁入中年後 40歲以上盛行率更高達37.5%,但是高血壓自知率不到8成(76.3%),也就是說近3成的民眾不知道自己有高血壓的毛病。由於多數人在血壓升高時並沒有很明顯的不適症狀,很容易被人忽視。所以透過儀器測量「血壓」變成為防制高血壓疾病相當重要的措施。 世界高血壓聯盟連續六年將5月17日世界高血壓日主題訂為「Know Your Numbers」(瞭解你的血壓),呼籲世界各國政府重視測量血壓的重要性,加強民眾對血壓的自我管理。 由於現行通用的血壓測量方法是透過袖帶式的血壓器,對於需要定期或是時常監控血壓狀況的心血管疾病及高血壓患者並不是很方便;更是無法滿足需要即時連續血壓監測需求的異常高血壓患者,充氣袖帶式血壓儀則無法滿足其需求。未來的可穿戴式裝置如果可以加入測量血壓的功能,勢必可以造福的高血壓疾病患者族群,並且開創龐大的商機。 我們另外從專利情報角度切入,觀察申請與穿戴式血壓測量技術相關的專利案件。從申請趨勢觀察到自2011年起,穿戴式血壓測量技術的專利申請案就逐步增加(由於多數的專利資料會於申請日後18個月才會公開,所以2017-2018年的數據並非是衰退),目前(統計時間為2018/3/30日)為止全球已經有3千2百多件專利公開案。從國家別的申請趨勢來看,目前受理最多穿戴式血壓測量技術的專利局為美國,第二大的受理局則是中國大陸。這兩國也是世界最大的醫療產品市場。 進一步觀察重要科技廠商在不同時間點所提出的專利申請案。我們也發現到,為了能夠在輕薄短小的穿戴式裝置上能夠更方便的檢測使用者的血壓數值,各廠商也不斷的開發可應用在各式穿戴式裝置當中的新技術。例如三星電子在2007年09月份提出一專利技術(專利號:US8870781B2,專利名稱:Pressure-providing instrument and biosignal-measuring device including a pressure-providing instrument,已經取得美國、韓國及日本的專利權)。這篇專利的創新之處利用彎曲的彈性金屬板取代充氣袖帶,利用麥克風測量柯氏音,以及壓力感測器測量手腕部位橈動脈區域血壓變化。 同樣是測量手腕部位橈動脈區域血壓值,蘋果公司則是於2016年9月23日提出另一項專利技術(專利公開號:CN107847164A,專利名稱:壓力測量設計,目前在美國及中國審查中),以常用於偵測觸控的電容技術作為壓力感測器,應用壓平(applanation)眼壓測量法的理論,來測量血壓的變化。 除了穿戴於上臂或腕間的穿戴式裝置,微軟則是在2017年6月15提出頭帶式專利技術(專利公開號:US20180206735A1,專利名稱:HEAD-MOUNTED DEVICE FOR CAPTURING PULSE DATA,美國申請中)。 這件專利技術是採用光學感測結合慣性感測技術,在眼鏡框架裝置的鼻墊(訊號源:角動脈)、耳前勾(訊號源:顳淺動脈)、耳後勾(訊號源:枕動脈)有特別空間載裝感測器,經感測器所擷取信號可藉由鏡框凹槽內的細磁線或FPC電纜傳導至鏡架上的有處理、存取組件,並計算使用者脈搏傳導時間及心率,以推算用戶收縮壓。 從市場及專利情報得知,各大科技品牌早已開始搶攻這塊穿戴式健康感測的商機,並因應不同的穿戴部位開發新的測量技術。 為了確保不同廠商所開發的穿戴式血壓測量裝置產品能夠有一定的準確性,2014年8月,國際電氣與電子工程師協會(IEEE)制定了專門針對可穿戴無袖帶血壓測量儀動脈血壓連續測量的性能評價標準 (IEEE 1708-2014),作為製造商提供了提高及驗證其技術的參考,為使用者提供了評估和選擇產品的指引,也為醫護人員準確校準裝置以及研究人員設計測試方案提供了指導。我們認為IEEE 1708的標準,將會加速各科技廠商血壓測量技術的發展。 儘管可穿戴醫療設備概念提出至今已有相當的時間,但是真正的具有重要臨床應用價值的可穿戴設備可能就從無袖帶血壓計開始。對於已經或是即將投入產品開發的廠商而言,現在也應該提前佈局產品的開發與技術儲備,以搶攻即將到來的穿戴式健康檢測大商機。 https://www.stockfeel.com.tw/%E5%8F%AF%E7%A9%BF%E6%88%B4%E8%A8%AD%E5%82%99%E5%B7%B2%E6%AD%BB%EF%BC%9F%E5%A4%9A%E5%85%83%E6%87%89%E7%94%A8%E6%AD%A3%E5%9C%A8%E5%B4%9B%E8%B5%B7/ http://health99.hpa.gov.tw/txt/HealthyHeadLineZone/HealthyHeadlineDetai.aspx?TopIcNo=8706
發布日期:2018/09/11
資料來源:國立台北科技大學
Exploring the Business Opportunity and Design Thinking of Smart Buildings with Smart City Development 有土斯有財,但空有土地,也無法發揮產業經濟活絡之動能,建築物的起造與空間營造,乃是因人的需求而起,而都市意象的投射先由建築物開始,逐漸擴展到城市風貌與生活品質;在各種以「人」為中心的智慧服務產業不斷衍生出來,慢慢形塑智慧城市未來所營造的願景,由提供解決都市化的城市治理與市政服務的方法,引領朝向智慧生活的新時代。 智慧城市常運用都市資訊化科技的應用來表現,建築物是城市構成的主要元素之一,近年來各國亦紛紛將其都市之智慧型建築數量作為都市資訊化程度之指標。面對現今高資訊科技化的社會,人們的生活型態已逐漸改變,居家利用網路從事辦公工作、資料收集、預約各種票券乃至交友購物等,已儼然成為現代人生活的一部份,工作型態與企業組織也順應著社會的潮流而不斷的變革,「高資訊科技化」與「人性化」的生活空間與環境,成為智慧建築提高生產力與經濟效益外的另一項重要的規劃設計議題。 因此,智慧城市的議題發酵與發展將會更推進建築智慧化的普及與創新,也會讓智慧建築的產業商機將隨之提升,然因智慧城市的各種智慧服務涵蓋了建築物室內與室外環境場域,建築物室外的智慧服務有賴政府來投資,建築物室內智慧化服務,則有賴於建築物起造人來導入,兩者相輔相成,因此對於智慧建築未來的設計上也將要面臨與室外公共服務系統做深度的連結、分享、共享、共創等應用,將智慧城市的服務發揮完善的境界。 隨著時代的演進,經濟與文化的發展,社會富裕,民眾亦逐漸重視環境品質及生活服務,但城市的發展逐漸浮現一些現象,譬如,人口逐漸群聚化,都市化現象持續提高,全球亦然,未來各城市都將面臨高密度人口聚集逐漸衍生的各種汙染、廢棄物、能源、居住、交通、水資源、治安、防災、衛生、教育、醫療等環境問題;另一現象是銀髮與少子化,從社會發展層面上,各國也多會面臨65歲以上高齡人口數量及比例持續增加,需要照顧、醫療、照護需求增加,但年輕人人口越來越少,造成工作人力減少,工作量大,生活費負擔越來越重等社會問題。 以維基百科的解釋稱智慧城市(Smart City)是指利用各種資訊科技或創新意念,整合城市的組成系統和服務,以提昇資源運用的效率,優化城市管理和服務,以及改善市民生活品質,其架構如國發會所揭示智慧城市三大核心與重要應用面向如圖(1)所示。 因此,當「智慧城市」議題出現,其願景的期待立刻變成現在各政府解決城市治理上解決問題的戰略,而智慧城市有了新科技的加持(如行動寬頻、科技材料、智慧監控、物聯網、AI人工智慧、雲端運算、大數據等..)更覺得讓人們覺得未來生活更好的智慧生活變為可能,以目前來說,這件事也在慢慢地發生..。其中如交通、娛樂及消費服務、公共服務、資訊提供等方面亦日益提升拜科技發展之賜,不斷的創新;如應用網路、雲端、物提供高齡者需要的醫療、照護、居家及安全服務等,以降低照護人力,並維持高齡者生活品質也在都市與偏鄉看到了示範;世界各國尤其是先進國家地區如美國、日本、歐盟、韓國等均積極應用這些科技於日常生活服務,以居民需求觀點思考城市生活,並從建築本體延伸到社區、城市,其中在台灣方面,更積極在居住方面的建築物,訂出了智慧建築認證,建立了智慧城市發展的基石。對於智慧城市的發展面向,簡易分析如下: 1.目標願景面向: (1)解決城市治理,營造智慧生活環境。 (2)提升城市競爭力。 (3)吸引國外人才。 (4)提振國內經濟產業動能與商機。 (5)鼓勵多元創新發展。 2.技術產業面向: (1)監控技術與自動控制技術。 (2)科技材料技術。 (3)行動物聯網技術。 (4)互動技術。 (5)人工智慧。 (6)雲端運算 (7)區塊鏈技術。 (8)機器人。 3生活服務產業面向: (1)建築智慧化。 (2)政府施政及公共服務服務。 (3)智慧生活(如食衣住行、娛樂等) 。 (4)數位金融。 (5)智慧防災。 (6)智慧交通。 (7)智慧醫療。 (8)商業行銷。 (9)智慧店商。 (10)智慧物業管理。 (11)智慧銀髮(如長照、健康諮詢) 。 21世紀人類生活環境所面對的問題如氣候變遷、高齡少子化、、能源危機等,如同智慧城市所面臨的問題,而新科技發展快速使得各種因應之應用服務相繼出現於各種生活領域上,因此智慧產業也就因應時代的需求而掘起成為新名詞,帶動潮流,如智慧交通、智慧城市、智慧家庭、智慧手機、智慧汽車、智慧電視、智慧建築、智慧機器人、智慧冰箱等等,在各種標榜「智慧」的產業中,在國內也只有「建築」是具有政府官方制定智慧建築評定基準及認證,作為產業發展與認可的依據。 任何產業發展都需要政策來支持,商機也就隨之而來,且商機會因需求與科技進步更蓬勃,設計智慧建築的目的,乃希望讓建築智慧化,於是在建築內運用各種網路、監測設備及系統整合等技術,納管建築物環境中相關設施設備,讓建築物達到自動感知、分析及回應等功能,並在規劃設計之初,能事先考慮使用者需求,提供所需要的服務及後續維護管理的方便性,使建築物在完成之後,可以有最佳化之組合與運轉,以滿足使用者對居住與工作環境達到安全、舒適、便利、效率、的需求,並達到節能與降低維護管理人力經費之目標。 由於建築是龍頭產業,有了建築物的起造,才能導入各種需求設備,也才能帶動相關產業商機,在目前資訊化的普及下,智慧建築已經成為現代化建築的新趨勢,且智慧建築內容所牽涉關聯的產業非常廣泛,創造的產值隨都市發展更加豐富,有關相關由政策帶動產業商機說明如下: 內政部建築研究所於民國92年訂定「智慧建築標章」制度,其智慧建築標章標誌與評定手冊(如圖3,4),於93年開始實施,隨後於100年配合科技進步及社會需求修正評估內容。依據本所99年開始執行之「智慧綠建築推動方案」,從102年7月1日開始強制規定,新建之公有建築物總工程經費在兩億元以上者,須申請智慧建築候選證書及標章。 因此,根據在智慧建築標章相關指標評定內容(如圖3,4),其涵蓋的產業範疇包含建築、機電、空調、消防、資通訊、弱電電系統、能源、物業管理與生活服務等等,而影響這些產業發展的技術更延伸到物聯網、監控技術、雲端運算、大數據、AI人工智慧、辨識技術、機器人等,未來將從建築物室內應用服務延伸到以智慧城市為應用範疇之室外應用服務,未來商機將不可限量。 目前智慧建築於都市更新獎勵條例第7條中提及:「更新單元之整體規劃設計對於都市環境品質、無障礙環境、都市景觀、都市防災、都市生態具有正面貢獻,或採「智慧型建築設計」,其標準高於都市計畫、消防、建築及其他相關法令規定者,得給予容積獎勵,其獎勵額度以法定容積「百分之二十」為上限。」,惟各縣市地方政府執行上可再行針對智慧型建築設計研擬其獎勵細則,智慧建築政策乃由公有建築物率先推動,在既有的資通訊與自動控制技術下持續發展下,以提升全民居住空間品質。 以新北市為例,新北市政府之都更條例,第四十條及都市更新建築容積獎勵辦法之第(五)智慧建築設計訂定了獎勵細則,規定如下: 1.申請智慧建築設計取得智慧建築標章之候選證書者,其符合等級為銀級者,得予獎勵法定容積百分之一。 政府為因應潛在災害風險,加速都市計畫範圍內危險及老舊瀕危建築物之重建,改善居住環境,提升建築安全與國民生活品質,特制定「都市危險及老舊建築物加速重建條例」,內政部106.8.1台內營字第1060811278號令訂定發布都市危險及老舊建築物加速重建條例中第八條規定:取得候選等級智慧建築證書之容積獎勵,目的就是能在重建的新建建築能導入智慧系統,其獎勵額度規定如下: 1.鑽石級:基準容積百分之十。 2.黃金級:基準容積百分之八。 3.銀級:基準容積百分之六。 4.銅級:基準容積百分之四。 5.合格級:基準容積百分之二。 目前台灣面臨人口成長趨緩、人口結構呈現高齡、少子化及老舊建物比例逐年增加、房價高漲等課題,依未來發展趨勢,人口將更向大臺北都會區集中,台北市政府可以預見日後大臺北都會區的成員必須共同面對人口分布失衡所帶來的居住問題,因此未來將以多元的方式推動住宅政策來協助市民解決居住問題。 臺北市政府在最新的住宅政策中,因應年輕人、弱勢族群、銀髮、及社會福利等需求,擬定臺北市公共住宅智慧社區實施計畫,計畫4年興建2萬戶公共住宅,並宣示打造一定比例的智慧型公共住宅,透過智慧科技的應用,使居民在安全、健康及舒適便利等方面能接受到更及時與全面性的照護。 這些公營住宅也將導入智慧策略、永續環保等相關產業技術,以因應全球面臨氣候變遷及能源枯竭等環境議題。導入雲端智慧化管理,以提供可靠、及時、穩定之社區物業管理服務。 依照此政策,規定建築物除了應辦理強制取得「智慧建築標章認證」外,也另訂定一份「臺北市公共住宅智慧社區建置規範手冊」,為智慧社區與智慧都市之願景勾勒參考,引領產業共同發展,共創商機。 五、縣市共推住商節電行動(執行期間:自中華民國一百零七年一月一日起至一百零九年十二月三十一日止) 智慧都市重要是提升城市治理能力,能源政策被視為經濟的命脈,經濟部(以下稱本部)為提升地方能源治理能力,促進住宅、服務業、機關及農業部門節電,結合直轄市、縣(市)政府執行「縣市共推住商節電行動」:有關第六、(四)之「設備汰換與智慧用電」補助作業以下列項目為限,並應包括相關之查核機制,規定如下: 1.補助集合式住宅、辦公大樓及服務業之室內停車場換裝智慧照明燈具。 2.補助服務業汰換老舊低效率無風管空氣調節機、老舊辦公室照明燈具,其中,無風管空氣調節機汰換應辦理廢機回收作業。 3.補助服務業導入能源管理系統。 目前智慧建築之規劃設計,若以內政部建築研究所發行之新版智慧建築評估手冊作為依據,則著重於建築物公共區域的自我管理,社區亦同,而家戶內屬私領域則保留最基本的對講、保全、消防、求救等對外連線至建築物之管理中心之能力,家戶內智慧化設施是否導入,仍由消費者自己依照自己的需求與能力來設置。 基於建築物是構成城市的主要元素組成,面對智慧城市多元的應用發展,智慧城市之應用服務勢必會與建築物智慧系統來結合,提供更優質的服務給消費者,因此,未來智慧建築設計勢必要運用創新的資通訊與物聯網技術從目前的建築物內部之訊息做必要性的延伸到戶外,相互運用,提昇智慧城市在都市治理能力,相關智慧建築設計思維更需與智慧城市的發展來改變,並創造更多元的價值服務,更能帶動產業各種經濟活絡,有如共享共創經濟、專業經濟、創新經濟、循環經濟、民生經濟、專利經濟、數據經濟等,每一項都有未來的想像商機,至於智慧建築設計新思維,可做合適的調整來與智慧城市應用統結合,其相關設計思維簡要分析如下: 行動寬頻基礎涵蓋服務設計。 行動管理服務設計(如多元操作模式) 。 友善服務設計(如結合社會福利資源、AI人工智慧) 。 資訊共享服務設計(如含建築資訊、能源資訊、保安資訊、氣候、空氣品質、停車等..) 。 雲端運算服務設計(如預測能力、代理人機能) 。 深化智慧能源服務設計(如再生能源與微電網運用) 。 強化防災、救災設計(如都市災害防護防制信息通報系統) 。 建立多層次資安保護設計(如工業網路與OA網路環境的隱私與資訊安全能力) 。 隨著科技發展不斷創新與推進,各種與「人」有關的生活服務會不斷創新而型塑未來智慧城市的願景,智慧城市是以解決城市治理問題出發,是城市及產業發展的下一個重要領域,應用多元且豐富的智慧城市內容絕對是下一個最能帶動成長的「殺手級應用」,智慧建築主要也是以服務人居的智慧設計,在每人每日的生活中的影響,其智慧化的體驗也最容易讓人感受,因此帶動產業創新應用發展之變化也是最大的。 對政府而言,目前全球各大城市才要開始利用科技來改變城市面貌、建立更好的系統讓居民生活更便利,未來智慧城市之議題將持續發酵與不斷的發展下去,而智慧建築則需廣泛運用科技整合與實踐來營造未來美好的室內與室外之居住生活環境,其應用應跳脫政府所制定的智慧建築認證規範的固化框架,因應智慧城市發展願景,介接整合有價值的服務,將會讓智慧建築更符合居住者的期待且能真正享受智慧生活的感受。 陸、參考文獻 [1].黃國書,「建築物智慧化系統與網路整合時代」 21世紀智慧建築永續發展國際研討會,民國九十一年六月。 [2].黃國書等,「智慧化居住空間應用評估與共通平台規劃計畫_新版智慧建築設計技術手冊內容研訂」,內政部建築研究所研究報告,民國九十七年十二月。 [3].黃國書等,第159期 電機月刊,【智慧化自動讀表系統在建築物能源監測之應用】,2004年3月 [4].黃國書,第六屆杭州電子信息博覽會暨智慧城市論壇,【台灣智慧城市之建設與發展】,2012。 [5].黃國書,「智慧建築節能與系統整合設計」,台灣國際綠色產業展「BEMS最優化解決方案-智慧城市、ZEB、ESCO的應用研討會,2012。 [6].黃國書,內政部建研所 智慧化居住空間推動辦公室暨應用推廣計畫 【系統整合認證及誘因機制研究】,2008。 [7].黃國書,華夏科技大學 電機系 智慧監控實驗室【監控技術與應用】課程講議,2017。 [8].黃國書,華夏科技大學 電機系 智慧監控實驗室【智慧生活科技實務】課程講議,2017。 [9].黃國書,淡江大學 建築系【ICT在智慧建築之應用】課程講議,2016。 [10].黃國書,國立台北科技大學 互動系【互動智慧空間設計】課程講義,2016 [11].黃國書,國立台北科技大學 北科大電資學院【智慧建築系統設計】課程講義,2016 [12].黃國書,國立台北科技大學 北科大電資學院【智慧建築系統整合平台】課程講義,2016 [13].黃國書,105年度產業人才投資方案【 物聯網與智慧生活應用班】課程講義,2016 [14].黃國書,107年度產業人才投資方案【物聯網在智慧生活科技之設計與應用實務人才訓練班】課程講義,2018 [15].黃國書(Home Page),智慧建築(監控)研究室資料【https://sites.google.com/view/banco-huang/】 [16].黃國書,107年度產業人才投資方案【物聯網技術在智慧建築之設計實務應用班】課程講義,2018 [17].黃國書,海基會兩岸經貿講座【以物聯網發展看兩岸智慧生活產業商機】講義,2018 [18].黃國書,台北設計建材中心講座【以物聯網技術及趨勢 剖析智慧人居之住宅規劃】講義,2018
發布日期:2018/09/05
資料來源:國立師大附中
看似新穎的 物聯網 ,英文是Internet of Things 簡稱IoT[1-2],這個名詞是在1999年由凱文阿什頓(Kevin Ashton)提出,當時 Ashton引入 RFID (Radio Frequency Identification system,RFID system)的方法,有感而發於是提出了物聯網的概念,而RFID中文稱為『無線射頻辨識系統』,很早就由英國人1948年發展出來[3],當時適用在戰爭時敵我戰機時使用,後來運用到工業上,然而這個IoT,或許未來就可能再一次引爆工業4.0的革命。 以現在的觀點來看,所謂的物聯網可以看成是一種集合網際網路、電信網路與偵測元件連結,讓實體物件可以實現互聯互通的網路,就像電腦IP標定位址一樣,如果每個實體物件偵測元件都有確定的電子標籤(網路ID),那麼每個人都可以將真實的物體上網連結,於是物聯網上每個物件都可以查出它們的具體位置,分享資訊,通過物聯網,中心電腦便能夠分析大量數據,可以及時對各種裝置、人員進行集中管理、控制。其實遠在物聯網之前,在便利性的考量下,人們處理自動販賣機的遠端操作問題下,便已經將自動將販賣機數量偵測器連接上網路,用以監控販賣機內的飲料數量、溫度、銷售狀況等,這種概念的實現設計,自動販賣機的處理過程,其實就是物聯網的一種雛形。 近年來資訊工業進展突飛猛進,若考慮最近十年來的技術發展,以所謂的IT技術而言,便是將各種的科技發展的心血結晶一一加以整合,像是RFID、Wi-Fi等,這些重大的科技成就不外乎是將網路,計算通訊與制式化的機器融合在一起,用意是用來取代多餘的的人力,以期節省成本,再加上另一項重要的貢獻,就是各種工業上行之有年的專業的測量技術的越發進步,例如現在熱門的PM2.5感測器,溫濕度與UV感測器、CO2與氣壓感測技術等,這些物理化學的量測訊號彼此溝通計算並且及時傳遞,強化了物聯網最基本的探測資訊的概念,透過雲端及網路,將這些所蒐集到精準的量測數據,經過消化分析再一次重畫出虛擬的網路世界,人類開始樂此不疲。 讓我們回到《不可能的任務》電影系列,以法國電影界女神的艾曼紐琵雅出演《不可能的任務1》(1996年)為例,湯姆克魯斯最後利用無線傳輸的眼鏡錄影,辯駁了自己的清白洗刷冤屈,關鍵的動作是眼鏡變成錄影機,同步眼睛所看見的視野,並能夠同時及時無限通訊,而此時美國中情局局長也能利用接收端眼鏡看到一切,並回傳訊息。這些電影的詮釋,紛紛展現出物聯網的夢想,湯姆克魯斯在這些新奇的科幻電影中所表現的行為,經常有一些共通點,(1)主角再踏進目標建築物前,身上配件所有網路已經連線融入主機,經過精密計算,可以測得最好的入侵條件,(2)及時同步所有物件資訊,配戴物件可以無線傳輸並且校正任務所需要參數,(3)配戴物件已經具備計算功能,類似小型微電腦,能夠提供湯姆克魯斯來判斷預設行動方向,這些曾經的《不可能的任務》,曾經的「未來科幻想像」,如今都已經可以由物聯網來精準實現了。 一般而言,物聯網的設計可以分為三層架構,分別是應用層、網路層與感測層,這三層平時獨立運作,需要溝通時卻又環環相扣、缺一不可。例如感測層用來偵測、識別與控制元件所量測到的各種數據資訊,並透過測網路將資訊蒐集並傳遞至網路層,網路層就像是感測層與應用層的聯接橋梁,將感測層獲得的數據傳至應用層,應用層則是分析比對後判斷各種資料、重新整合計算,來滿足各種使用端的任務需求。 關於偵測端的晶片設計,國家晶片系統設計中心(CIC)2013年已經開發出一套MorSensor無線感測積木,如圖1(a-b)所示,是一種可以重組模組化之多層架構整合式感測平台,是應用於各式不同的感測器,配合手機提供的 APPs 軟體,目前已進入量產市售階段,感測器可以測量酒精、色彩、溫溼度、UV、血氧濃度、麥克風、IR距離,IR影像、超音波測距、大氣壓力、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度等12 種晶片,規格如表1所示,利用wifi及藍芽傳輸數據,可以解決實驗室量測等訊號傳輸問題,例如遇到需要水層隔絕密閉系統獲取數值的研究時,都可以傳輸訊號,MorSensor 感測積木非常適合學術界老師用來當作感測器展示系統、嵌入式系統軟硬體及 Android APPs 開發相關課程之教材及教具[4],本文最後會提到我們團隊也利用Android Studio來開發MorSensoExp 手機App的心路歷程。 透過物聯網,使得由中心電腦透過網路對於每個裝置進行管理、讓控制變得可行,除此之外,一些家庭偵測裝置、汽車進行遠端遙控,以及搜尋定位相關位置、防止物品被盜等,類似自動化操控系統,也可以透過及時的資料整合,最後可以匯聚成大數據資料庫,透過大數據函式庫分析,可以進行相關的應對,例如道路重新設計以減少車禍、都市更新、災害預測與犯罪防治、流行病控制等等,所以實現物和物相聯結的Talk,實在是現代社會必要的一環,接下來的「物聯網」實例介紹,將以MorSensor為偵測端來介紹,以交通大學林一平教授團隊,所開發的「物聯網」室內植物生長箱等設計為例,詳細介紹如圖2-3。 圖2-3所呈現的物聯網的工作方式,有點類似人體的神經網路系統,當MorSensor感測到各種訊息後,可以將感測結果傳至手機程式中,再透過網路,傳遞數據至物聯網的大腦,也就是圖3的EC,EC會分析並整理數據、資料及輸入、輸出設備的特色(規格、版本等)並放在數據庫中;EC同時也可將資料透過使用者介面,呈現給我們MorSensor的量測資料。計算晶片(Service Logic Unit)收集從IDF中獲得的資料後,便會在雲端中進行大數據分析,再將結果傳至ODF,目前林一平教授的研究成果已經發表在國際知名期刊[5]。 以MorSensor PM2.5偵測晶片來說明裝置結構(如圖4),可以看到積木設計結構,CIC發展PM2.5已經進入第2代新的連接手機的款式(如圖5),PM2.5偵測,很容易受到溫溼度的影響,所以第2代MorSensor PM2.5偵測晶片已經加入溫濕度的函數校對,可使得精確度更加提升。 空氣的分布狀況跟我們的生活息息相關,隨著氣象和保健科學的日益普及,人們對溫度、濕度等氣象要素與健康的關係都比較關注和熟悉,但對氣壓與二氧化碳人們一般比較忽略,天氣預報中也較少有氣壓,二氧化碳等項目。事實上,當氣壓過低、過高或短時間內氣壓變化過大時,對人體健康的不利影響還是比較明顯的,當自然界氣壓下降時,會導致人體發生一系列生理反應。以從地面登到高山為例,因為氣壓下降,有機體為補償缺氧就加快呼吸及血循環,出現呼吸急促,心率加快的現象。另一項二氧化碳(CO2)的數值對人體影響為,低濃度的二氧化碳可以興奮呼吸中樞,使呼吸加深加快。高濃度二氧化碳可以抑制和麻痹呼吸中樞,足見氣壓與二氧化碳的偵測有其重要性,本實驗目的是藉由MorSensor氣壓與二氧化碳感測積木來量測,可以幫助人們掌握氣壓與二氧化碳分布情形,而在中小學理化課實驗中,關於蠟燭燃燒實驗的氣壓與二氧化碳分析,往往是定性分析,這次利用MorSensor氣壓與二氧化碳感測積木測試,可以幫助中小學教師在實驗上課時定量分析蠟燭燃燒實驗的氣壓、二氧化碳,校定原本的實驗的氣壓變化與二氧化碳數值,並且可以引導學生對此實驗結果做出更為合理的解釋,以提升教師教學實驗品質。 我們主要的實驗為密閉蠟燭燃燒(三根蠟燭),並分為氣壓及二氧化碳和大缸及小缸,每一次實驗皆使用兩顆相同的感測器放置對稱位置,藉以觀察氣壓及二氧化碳變化量。 經過實驗,圖8(a)-(c),我們發現,在相同時間內,所有不同大小的密閉空間,燃燒過後氣壓皆有下降,三根蠟燭燃燒的水位上升程度明顯很多,氣壓下降幅度也大,且在蠟燭熄滅的瞬間,水位上升最多,而在蠟燭熄滅不久後,大氣壓力會達到平衡(平衡到內部水壓+氣壓=外部水壓+氣壓)。 由圖10可知,密閉空間CO2濃度變化量的圖表,整體走向大致相同,蠟燭燃燒CO2濃度濃度上升很快,偵測器均出現CO2濃度飽和現象。 在以前國中小學的課本大多是用「耗氧說」來當作水位上升原因,這便會有幾個矛盾點,例如剛剛罩上玻璃缸時,氧氣應已經開始減少,水卻沒有馬上上升,而且忽略溫度效應,無法解釋為何蠟燭熄滅時,水位上升的情形最為顯著,由以上可知,氧氣的消耗應該不是直接影響水位上升的完整原因,所以利用MorSensor 積木偵測CO2與氣壓,很容易得到數據並用藍芽傳輸,輔助實驗非常方便。 手機App設計已經成為一項熱門的工作,然而連結 MorSensor入門不易,所以我們設計一個簡易的App,對於使用者會更方便操作,CIC自己已經開發MorSensor 3.0 App,然而對於實驗數據的儲存,尚未針對實驗者的角度來設計,於是我們團隊使用Android Studio開發軟體,自行設計一款 MorSensorExp App,此App能夠偵測大氣壓力、二氧化碳濃度、IR距離、色彩等項目,並能及時畫出二維數據對時間圖形,並儲存實驗數據在手機log檔,此項功能可以幫助使用者更容易取得實驗數據電子檔,方便在後端做數據分析處理,這個程式開發的過程中,藍芽的程式傳輸與接收撰寫尤其困難,所以這個code 的開發還要將物件包的更完整一些,才能使程式運作更加順暢。 物聯網發展至今,整體而言已經建立起初步的規模,如果持續發展下去,物聯網的下一步進展有可能引領第四次工業革命,也就是工業4.0的劇烈轉折,試想在未來工業4.0時代來臨,幾乎所有的工廠將可能出現無人化、自動化、資訊化等新奇的特性,這類自動化智慧工廠能將世界和工廠連結在一起,所以未來的工廠必須能快速處理全球各地的訊號,所承擔的計算負擔是級數增大,因此隨著結點偵測器的擴充,物聯網內將會面對龐大的數據,這些都是衍生的問題,如何在網路節點級數成長的之下,維持中心電腦計算的優勢,借助AI(人工智慧)的發展,或者是配合量子電腦的開發便是另一個解決之道。另一個解決的方法是以雲端為基礎的物聯網,則可將現場監測資料及時傳送到伺服器,讓管理人員得以通過遠端的電腦系統,從遠端監控機械運行,大幅提升精確度與效率,減少了維修人員待命的壓力、檢查機器的時間與及修理機器的人力,這種運算模式改變,也可以提升物聯網的核心控制能力。 雖然物聯網的技術已經逐漸到位,但現在各產業間物聯網的應用仍處於啟蒙階段,若能在中心計算部分改成雲端,而且(EC端)加上AI(人工智慧),配合量子電腦的研究,相信有機會應付物聯網的規模與連結節點數目的級數增大,這些相互配合支援也是決定物聯網應用的成敗的關鍵因素,學者與尖端實驗室都不約而同地認為物聯網的規模越大,效益將會越加顯著,除了按部就班繼續研發物聯網技術之外,一些尖端探測感測積木也是同時應該要做不斷更新的準備,此時此刻,人類雲時代的來臨,全新的商業模式正在一步一步醞釀展開。 [2] 物聯網 https://technews.tw/2014/12/17/hot-topic-internet-of-thing/ [3] Jeremy Landt,Shrouds of Time: the history of RFID,the Association of Automatic Identification and Data capture Technologies (AIM),October 1, 2001 [4] 無線感測積木說明文件,http://www.cic.org.tw/pdf/MorSensor_doc.pdfMorSensor [5] Yi-Bing Lin, Yun-Wei Lin, Chun-Ming Huang, Chang-Yen Chih, and Phone Lin, IoTtalk: A Management Platform for Reconfigurable Sensor Devices, IEEE Internet of Things Journal 4, 1552-1562. 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發布日期:2017/10/16
資料來源:中興大學資訊管理系
在數位化時代中,資料或數據以數位化的方式被蒐集、處理、傳輸或儲存,資料被竄改、變造、重演或冒名傳送等不法案件時有所聞,近來資安事件更嚴重危害金融秩序及國家安全。因此各國除了加速資安技術產業的升級外,更積極制定資通安全管理法規,期望能有明確的資通安全管理規範及作業準則。我國在法規制定上,已通過個人資料保護法來加強對個人資料的保護,並要求國內個資保有單位應負起更多個資保護責任。在個資法施行後,大眾對個資保護的概念普遍提升,面對個資外洩可能帶來的高額賠償金額,保有個資的單位也願意投入更多的資源來進行個資管理。除了個資的蒐集、處理、利用、傳輸及刪除等過程需符合個資法的規範外,個資的保護及數位證據的保全也極為重要。 依據個資法精神,各單位在落實個資法時須注意兩項原則: 善盡良善保護責任:意即組織要對合法取得的個人資料採取適當的安全保護措施,以防止資料遭竊受不當使用;法規上在個資法第2章第18條即規定公務機關保有個人資料檔案者,應指定專人辦理安全維護事項,防止個人資料被竊取、竄改、毀損、滅失或洩漏。第3章第27條亦規定:非公務機關保有個人資料檔案者,應採行適當之安全措施,防止個人資料被竊取、竄改、毀損、滅失或洩漏。一旦合法取得的個資洩漏,對組織會造成重大的影響,除了信譽損失外,還面臨個資法第48條規定被處以罰鍰,若洩漏之個資使他人受侵害,更須負民法侵權行為之賠償責任以及可能涉及刑法妨害秘密罪。 無過失免責制度:意即在組織已盡自己最大善意保護責任,並已採取適當的安全保護措施來確保個人資料的安全時,但仍發生資安事故。組織可以提出其已善盡良善保管義務,及有效落實資訊安全管理機制的證據,來證明組織對資料外洩並無過失。在個資法第29條第1項即規定:非公務機關違反本法規定,致個人資料遭不法蒐集、處理、利用或其他侵害當事人權利者,負損害賠償責任。但能證明其無故意或過失者,不在此限。 目前國內對於個資法的遵循多半只停留在善盡良善保護的原則上,許多單位藉由通過一些國際標準如:ISO 27001 資訊安全管理系統、BS10012個人資訊管理系統等,來證明其有善盡良善保護的責任,但確往往忽略了數位證據保全的重要性。 在個資法無過失免責的原則下,訴訟時要如何說服法院採信組織對個資的管理並無過失或故意洩漏,亦成為實務上一大難題。數位證據合法提出於法院,雖具備證據能力,但因數位資料本身得以輕易修改並複製、不易確定資料完整性,且不易確定原始作者等特性,其證明力(能使法官採信此證據能證明到何種程度的能力)往往是訴訟上攻防的重點;若無法確定數位資料是由何人外洩,或無法證明在法院所呈現的證據是未經竄改或刪除(證據同一性),其證明的內容不一定能被法院所接受,也就無法構成個資法第29條第1項因組織管理資料無過失而免除相關責任。 當資安事件發生時,數位證據從保全程序開始到真正提出於法院作為證據要經過三個階段:分別為蒐集階段、分析階段,與鑑定階段。 根據民國104年通過的政府機關(構)資安事件數位證據保全標準作業程序,於刑事上可能有犯罪情形之資安事件發生時,執行蒐證的人員於執行數位證據識別、蒐集、擷取、封緘及運送須遵循此標準作業程序。該標準作業程序是參考ISO27037 數位鑑識國際標準擬定,強調在進行數位證據蒐集時,應注意維護現場完整性、以拍照或攝影的方法記錄現場蒐證現況,判斷與案情相關之數位證物有哪些,並對之進行嚴謹的擷取(尤其在揮發性與邏輯性資料的擷取上)、封緘及運送手段,且各個程序完成後蒐證人員皆須在表單上簽名作為證據在提出於法庭前未經竄改之證明;目的是在確保呈現在法院的數位證據不會在蒐證過程中被破壞(證據同一性之要求),以致失去在法庭上能合法作為證據之能力。 實務上曾經發生檢察官於蒐集及分析數位證據時,未遵守「避免對證據造成不必要變動」之原則,直接開啟被告的電腦以檢視數位證據內容,而非以進行數位鑑識專用的軟硬體先擷取檔案至分析主機後再進行後續作業。此作業瑕疵讓被告有機會質疑檢察官進行勘驗時,其做為起訴基礎的數位證據紀錄檔於蒐集及分析過程有遭修改,造成數位證據無法於法庭上使用的結果。 故利用工具蒐集系統相關資料,要避免更改到原始資料。美國國家科技標準局(National Institute of Standards and Technology, NIST)於蒐集數位證據時,要求數位鑑識工具要能建立字元串流複本或映像檔;不能修改到原始磁碟;應能檢驗資料映像檔的完整性;應能記錄I/O錯誤,即程式對讀取錯誤必須有一套解決方法;工具的紀錄文件應正確。 不同階段會使用不同的數位鑑識工具,例如:在蒐集階段常用的Win32dd/Win64dd是windows系統常用的記憶體、磁碟、隨身碟複製工具。 Chrome Cache View則可找出使用者曾上過哪些網站,快取了哪些紀錄等。 目前亦有整合型的數位鑑識工具,如Encase、FTK Imager或Helix等,多可支援不同類型作業系統的證據擷取,還原系統裡刪除的資料,並可在運行中的系統進行鑑識。在證據證據同一性的要求方面,這些工具也多半提供雜湊值(Hash Value)做為資料完整性的比對。 上述所提及的資安事件數位證據保全標準作業程序是在資安事件發生後所進行數位證據蒐集、分析及鑑定的過程,必須確保蒐證人員取證當下至提出於法庭階段的數位證據是同一證據,並未受到汙染。蒐證階段至訴訟階段的數位證據同一性,因該作業程序施行後證據蒐集程序較為嚴謹,故較少在訴訟上遭被告律師攻擊。然而,在一般訴訟實務上,攻防的重點往往在於數位證據未受擷取、封緘前是否有被竄改之可能;尤以公司欲指控員工洩漏公司機密時擔任自訴人提起刑事訴訟或提起民事損害賠償訴訟時,公司所提出的數位證據是否具備證據同一性而能被法院採信,常為被告所爭執,成為訴訟攻防的重點。 以log數位記錄為例,多半的單位組織或企業其資訊系統會自動記錄系統異常、人員登錄或資料庫存取等資料,但這些紀錄須保存多久、管理的機制及權限卻常被忽略;再者此種數位證據保存方法亦難符合法規上對於數位證據須具備證據同一性的要求,任何公司內部有管理權限的人皆可修改、刪除log資料,若要作為證據提出於法庭上,可能遭受刪除無法提出,或遭對造質疑此數位證據有經竄改可能而降低法院採信的可信度。總結目前企業面臨log紀錄管理問題有下列幾種: log的訊息量太多,必須規劃足夠的儲存設備及時程。 單一主機上查閱log特定類型紀錄困難(如針對日期、IP等等)。 當系統龐大,不同類型log檔案過於分散在各種主機以及檔案位置之中,要查閱某一個主機中特定的記錄十分複雜。 log的電子證據效力是否可以被確立。 為因應日益龐大的log紀錄的管理問題,目前企業多半執行log管理的作法是向資安維運廠商購買保存log資料的專屬伺服器(log server),優點在於存放在專屬伺服器中的資料是獨立於資料庫之外,可避免公司內部有資料庫管理權限的人員擅自修改、刪除。此外,專屬伺服器的資料會以特殊格式加密、壓縮及封裝,只有透過產品專屬的設備與介面才可以解讀資料,並且亦不允許用戶自行加裝記憶體、硬碟及網路埠,或者變更系統環境的設定,以避免外部介入刪改資料的可能,產品的系統管理者更動任何檔案,系統會發布警示,增加數位資料的可信性。在系統的介面上也多半能做到單一資訊整合介面,讓所有系統的log可以集中查閱,且能將日誌正規化(Log Normalization),把log 各項欄位分開,放進對應的欄位,以便快速查找。 然而log server所費不貲,並非一般企業都能負擔。在帳號控管上面雖可以利用權力區分的方式,把可以接觸到log訊息的人和帳號權力分開,但log資料仍有機會被有管理權限的人修改。因此,科技部計畫下的「個人資訊安全技術與服務產學聯盟」目前正積極開發「數位證據保全」的相關技術。其一便是利用區塊鏈(Block Chain)概念與技術,把區塊鏈中分散式帳本的不可竄改性應用在log的保存上面。由於分散式帳本的特性,每一筆紀錄都會同時存在所有節點的帳本之中,加上hash值等方式使得紀錄前後有所關連,很容易可以辨別出是否經過竄改。此外,所設計的log分散式帳本中的共識演算法也會共同維護所有節點的帳本保持唯一性,使得惡意人士不容易對log紀錄進行竄改或刪除,強化log紀錄以利其在電子證據上的效力與保全。此技術也可結合傳統日誌管理(Log Management)和安全資訊及事件管理(Security Information and Event Management, SEIM)概念,與前端的事件收集器結合,以收集系統、資料庫、應用程式或網路設備等的事件資訊,並對log進行正規化(Log Normalization),再利用後端的事件分析演算法來即時監控是否有異常的log紀錄出現,以便在事件發生時可以即時進入應對的流程。 數位證據之所以要保存,並不僅是因應法規稽核的要求,其重要性在於公司能保護自己的機密資料不外流,並在對外求償時能以此做為證據以請求賠償。因此,「個人資訊安全技術與服務產學聯盟」目前正積極推動「數位證據保全」的相關機制,輔導組織就「事前保全數位證據」方面提供相關建議或技術協助,例如Log資料如何管理、存放以及如能證明其內容未經竄改等,讓組織在數位證據保全上有良好的實務遵循,一旦發生個資外洩、營業祕密外洩等資安事件時,讓組織能提出完整的資料進行佐證,亦可藉此追查洩漏資訊的來源,也是組織保護自己的必要措施。
發布日期:2017/08/28
資料來源:國立成功大學
國立成功大學環境工程學系 張祖恩 特聘教授 國立成功大學永續環境實驗所 陳盈良 兼任助理研究員 台灣地狹人稠且缺乏天然資源,而隨著經濟發展所衍生的資源短缺及廢棄物處理等問題皆需積極面對。在近二十餘年的努力下,台灣的廢棄物管理體系已由消極的管制處理進展到積極的源頭管理與永續循環,藉由建立生產者責任制度,全面推動資源回收及零廢棄政策,目前事業廢棄物再利用比率已達到80%以上的成效,而經濟成長與廢棄物處理量亦已呈現逆向脫鈎的趨勢。相關調查顯示,資源物質的使用量隨經濟成長仍持續擴大,然而再生製品與二次原料的市場尚未暢通,亦即就資源生產性而言,其效率及價值仍待提升;就資源循環體系而言,尚未能讓社會大眾覺得安全、放心。為了打造環境永續的綠色台灣,低碳減排及資源循環為當前環保相關政策之重點方向,環保署在廢棄物管理,特別是廢棄物產生後的資源回收與再利用,多年來的推動已獲致相當成效,但仍有努力、進步的空間,現階段資源循環仍面臨下列問題:(1)廢棄物再利用管轄權責規範未盡周全;(2)循環資源/產品之品質及定位待進一步提升;(3)資源回收市場量之管控失序;(4)基礎環境資訊品質須進一步強化;(5)再利用產品去化與管理問題[1]。 由於現階段資源循環在技術面及管理面尚未健全,不當利用案件時有所聞,已導致國內泥渣類等無機循環資材面臨無處可去的急迫危機。原本具有永續利用價值的無機循環資材屢被錯置,不僅對社會、環境影響衝擊大,同時亦大幅降低產業競爭力。其中目前最迫切需要有效解決對策的包括無機污泥、煉鋼爐精煉渣(轉爐渣、脫硫渣、電弧爐渣等)及焚化爐底渣等泥渣類無機循環資材,每年產出將近540 萬噸,產出量大、性質迥異,且常具有膨脹之潛勢而使其再利用之用途受到限制,多使用於低階的管溝回填材料(controlled low-strength materials,CLSM)或填地材料,甚至流入農地及魚塭窪地之中,飽受社會大眾質疑。某些原本公告為副產品的無機循環資源,因不當處置而被要求依一般事業廢棄物管理需求處理,對社會、環境及產業競爭力之衝擊影響甚鉅。因此,開發無機循環資材之可行應用技術及產品驗證制度,實為目前重要的研究方向與課題。 在國際發展趨勢方面,近年來建築材料係以資源循環、輕質多孔、隔熱節能、保水調濕、吸附自淨、耐燃防火等功能特性作為研發方向。許多工業與農業之廢棄材料具有再利用於建材生產之潛力,有效利用此類循環資材不僅可避免可能的環境污染問題,更能節約天然材料的使用並有助於降低建材生產的能源消耗與碳排放[2]。此外,輕質多孔性建材之開發日益受到重視,除了可降低建物自重提高耐震性、易於搬運施工等優點外,輕質多孔性建材更能衍生隔熱節能、保水調濕、吸附自淨、耐燃防火等功能性。Sutcu等人[3]將造紙殘渣再利用於多孔磚的製造,可將磚的密度降低至1.28 g/cm3,其熱傳導係數0.4 W/mK約為普通磚的50%以下。Maeda等人[4]利用水熱反應合成多孔性矽酸鹽複合材料並應用於室內環境之控制,在相對溼度70%以上對人體有害的環境下,其吸濕效率優於其他材料,此外亦兼具吸附氨氣與甲醛等有害氣體的功能,有助於改善室內空氣品質。Chen等人[5]將光觸媒結合於建築材料,可應用於空氣污染物破壞、揮發性有機物去除、消毒滅菌等環境自淨之用途。Garca Arenas[6]等人將燃煤飛灰與底渣應用於水泥磚的製造,可大幅延長製品的耐火時效。總而言之,善用循環資源並開發功能特性為現今國內外無機資源循環與營建材料相關領域之研發重點。 泥渣類無機循環資材通常以鈣、矽、鋁、鐵之化合物為主要組成,適合作為水泥替代原料之來源。近年來由於環保意識抬頭及永續發展理念之影響,傳統上高耗能、高CO2排放及高環境破壞的水泥製造產業面臨嚴厲考驗,尋覓替代原料及建立相關再利用技術成為水泥製造業的重點課題。水泥製造為高度能源與原料需求的產業,由於天然水泥原料之開採日益困難,加以高溫燒製熟料過程得以將有害物質去毒化,因此水泥製造業常成為產業生態化鏈結的重要工業之一,可廣納各種產業之無機循環資材作為替代原料來源,因此已有許多相關研究針對泥渣類無機循環資材再利用於水泥替代原料進行探討[7-8]。無機循環資材應用於水泥燒製不僅可避免可能的環境污染,同時亦可降低水泥生產之能耗、碳排放與成本,實為資源循環利用之優良技術範例。 除此之外,由於水泥製造仍屬高耗能產業,近年來常溫膠結材料產製技術之研發亦逐漸受到重視。蔡志達等人[9]研究利用營建剩餘土石開發冷壓型再生粒料之可行性,根據材料互制性並導入複合材料的觀念,針對性質較差且再利用率低的B3,B4,B6類營建剩餘土石進行研究,採用冷壓技術製造再生粗粒料。此利用營建剩餘土石結合冷壓技術所開發的再生粒料可符合ASTM C33規範之要求,不僅符合再生綠色建材的精神,亦大幅降低生產燒結型再生粒料所消耗之能源與CO2排放。蔡和生[10]應用鹼活化技術將電弧爐煉鋼業所產生的還原渣再利用於產製混凝土砂漿,研究結果顯示鹼活化還原渣砂漿之健性十分穩定,且力學特性、耐熱特性、耐久性及環境相容性皆優於波特蘭I型水泥砂漿,係為深具發展潛力之綠色膠結材料。整體而言,無機循環資材應用於水泥與膠結材料製造為綠色工程材料之研究基礎,可進一步發展為可控密度、輕質多孔或兼具調濕、隔熱、防火、隔音等功能性建材。 一般混凝土依其密度可分成三大類:(1)常重混凝土(normal-weight concrete),由水泥、天然砂、卵石或碎石製成的混凝土,密度約2300~2400 kg/m3,是結構上最常用的混凝土。(2)重質混凝土(heavy-weight concrete),含高密度的骨材(如重晶石、褐鐵礦等的混凝土),單位重在3200 kg/m3以上,可應用於結構物基礎及放射線防護構造體上。(3)輕質混凝土(lightweight concrete),含大量氣泡空隙或由輕質骨材與水泥漿混合而成,密度2000 kg/m3以下,可應用於結構性構造上,如樑、版構件(密度≧1600 kg/m3),或非結構性構件、隔熱磚等(密度≦1000 kg/m3) [11]。 重質混凝土主要是針對核子反應爐或核子輻射遮障之包封結構,主要考慮是阻絕核子輻射中射線和射線,因為具有很大的穿透能力,但亦能被水、巨積混凝土及金屬材料所吸收。若重質混凝土因外力而產生裂縫或破壞,對屏蔽結構物的影響不單是結構物耐久性的考量,也可能有導致輻射外洩的危機,因此,若能利用鋼纖維來加強重質混凝土的強度及韌性,當可使核能安全問題得到更大的保障[12]。 在輕質混凝土的發展上,主要以輕質骨材混凝土及輕質混凝土為主。輕質骨材混凝土是以輕質骨材取代常重骨材所拌製而成的混凝土,歐美及日本等先進國家於二十世紀初即開始生產輕質骨材,並將其應用於非結構性用途與結構混凝土工程上。在非結構性用途方面,輕質骨材混凝土因具備低熱傳導性,常被用來製作輕質磚材、輕質之樓板或屋頂等,藉以改善建築物的隔熱性,具有節約能源的效果。在結構混凝土工程的應用上,輕質骨材混凝土構件的自重較輕,可使結構體因地震所產生的慣性力亦相對較小,故可降低設計載重,節省建造成本,且若構件斷面積一樣,則輕質骨材混凝土結構之柱間跨度可增加,經濟價值相對提升[13]。輕質混凝土則是利用物理性或化學性發泡技術所製造,由於發泡輕質材料內部含有大量細小、均勻、封閉或聯通的氣孔,是一種多孔性材料,由於其特殊的材料結構特性,具有輕質、保溫隔熱、隔音耐火等性能[14]。 多孔輕質材料因為內部含有大量細小、封閉、均勻的氣孔,是一種多孔性材料,由於其特殊的材料結構特性,具有輕質、保溫隔熱、隔音耐火等性能,發展潛力極大,因此受到產業與學界的重視,近幾年針對其材料開發與性質投入大量研究量能。邱軍付等人[15]以化學方法製作高摻量飛灰超輕發泡混凝土,結果顯示當飛灰摻量達45%時,可製得密度低於 200 kg/m3,7 天抗壓強度高於 0.2 MPa 之輕質混凝土。法國 Aamre-Daya等人[16]利用亞麻顆粒取代天然砂石配合蛋白質型的發泡劑,製造的輕質粒料發泡混凝土單位重約 985 kg/m3,抗壓強度達10.5 MPa和抗彎強度2.2 MPa,試驗結果證明,水泥漿中的氣泡有助於降低材料的動彈性模數達到複合材料的隔音效果。Arellano等人[17]使用鋁粉為發泡劑,分別將飛灰、飛灰混合爐石製成兩種發泡輕質無機聚合物,其中飛灰組的密度約 639~1151 kg/m3、抗壓強度達1.4~5.1 MPa,飛灰-爐石組的密度約534~1030 kg/m3、抗壓強度達1.8~5.1 MPa。李祐承[18]將焚化飛灰與脫硫石膏再利用於產製高壓蒸氣養護氣泡混凝土,並探討氯鹽與硫酸鹽對材料特性之影響。研究結果顯示適當調控製程參數可使製品符合ASTM之規範,長期溶出試驗亦顯示其重金屬具有良好的穩定性。多孔輕質材料之研發如圖1所示,藉由控制原料組成與養護條件,可大幅縮短製程時間或降低生產成本,並使其生成特殊水化產物以提高產品抗壓強度等特性。 為了開發無機循環資材產製可控密度工程材料,可針對污泥、爐渣等無機循環資材所篩選出來的材料,根據輕質混凝土、常重混凝土及重質混凝土所需之特性進行分類,嘗試運用泥渣類無機循環資源所篩選出來的材料取代原有材料的功能,利用卜作嵐反應機制,建立可控密度工程材料的基本特性、材料的配比、添加物含量等關係進行最佳化研究,瞭解產品之物理、化學特性,再據此進行不同密度材料的力學特性、耐候性、隔熱性等因子進行評估,最後,進行成品的功能與環境驗證工作,並完成相關法規與產品標準之驗證與經濟效益評估,作為整體技術可行性的評估依據。 台灣為亞熱帶海島型氣候國家,其特徵為夏季經常潮濕、悶熱,根據統計夏季之年平均相對濕度為70~80%,容易造成室內細菌、黴菌等快速繁殖,提高各種生物及化學作用對人體健康的影響。另外,地球氣候暖化造成天氣越來越悶熱,根據研究指出,氣溫每增加攝氏1℃,濕度就會增加6%,相關研究預測至2100年時,全球溼度會增加12%至24%。雖然濕度的增加不會造成人類立即致命的危害,卻會增加不適並引起其他病症。近年來,日本積極發展強調健康與舒適的室內建材(例如石質、陶質、紙質及塗佈材料等),利用材料的多孔特性來製造具有調節環境濕度、消除臭味及防霉等多功能性的綠色建材。對於氣候類似但更為潮濕的台灣,針對多功能的調濕建材的開發具有其重要性與必需性,但目前台灣對調濕建材的研究發展仍屬起步階段。利用除濕機調節室內濕度需要消耗許多能源,因此開發無須借助外部能源與機械設備即可自動調控空氣相對濕度的調濕材料,可為未來台灣發展綠色建築材料提供更廣闊的應用前景。 調濕材料的原理,可用圖2解釋,Pa表示環境中水氣分壓,Ps表示調濕材料的水氣分壓,當環境濕度高於調濕材料濕度PaPs,調濕材料可吸收空氣中的水分;當環境濕度過低(PaPs),調濕材料可以釋放材料中的水分,使相對濕度降低保持在一定的範圍。 資料來源:Rode, C., Peuhkuri, R., Mortensen et al. (2005) [21] 圖3為調濕材料的典型特性,當室內相對溼度呈現高低起伏的變化時,調濕材料可在高濕度時吸收空氣之水分,使得材料之整體重量上升;而在低濕度時重新釋放出水分,藉此避免室內相對濕度之驟變而引起細菌、黴菌等滋生或造成人體不適。 綜觀國內防火建材相關技術,可大致區分為下列三項:(1) 以水泥、岩棉、無機天然材料等為主要原料,作為防火/耐火特性主體之建材;(2) 以前項防火/耐火材料為內層芯板,結合金屬板、木質板或有機聚合材料為外層板,以作為建築用之複合功能性隔間牆;(3) 利用第一項防火材料作為門之芯材達到防火之功能性訴求,並具隔音、隔音、抗震等複合功能防火門。前述防火建材中,以具防火/耐火特性材料作為芯材為其核心,目前市售防火芯材種類繁多,其製備方及特性也各有不同,將其分類如下: (1) 預先鑄造成型,如岩棉板、石膏板及水泥板等,將原料經調配混合後以模具成型,於現場組裝。(2) 灌漿成型,如水泥纖維板、輕質混凝土牆板等,於調配完成漿體後,於施工現場直接澆灌入板模具成型。 (1) 於板材原料中加入玻璃纖維等,降低板材本身自重,同時增強版材韌性,但部分纖維類物質對於板材本身之防火性能並無太大之效益。(2) 原料本身即具有防火性能者,如珍珠岩、蛭石,與無機黏著劑混拌後製成膨脹珍珠岩板、蛭石板等。 目前市面主要防火芯材皆各自存在若干缺點,如岩棉板雖低密度、不燃,防火性極佳,但在煙氣阻隔性不佳以及人體健康易引起疑慮;膨脹珍珠岩板雖各項性能佳,但易碎裂且大部分由國外進口,運費不貲。因此若能以新穎技術製作低密度、可隔熱、隔音、易加工之防火材料做為芯材,將可開發新型複合防火建材,而在市場上成為具有競爭力產品品項。 除了前述水泥系輕質混凝土之外,近年來應用鹼活化技術以飛灰、爐渣等製作鹼活化混凝土[22-23],基本上於1200℃煆燒殘留強度可優於水泥混凝土經煆燒之殘留強度,且試體無變形、表面無裂紋及燒結之現象。據此特性,相關研究人員[24-25]分別利用鋁粉及鋅粉在鹼性條件下反應產氫之特性作為發泡劑,以鹼活化技術進一步將高嶺土、爐渣等製作為鹼活化發泡混凝土,並探討其隔熱、隔音特性,其隔音材吸音係數在40~150 Hz 下可達0.7~1.0、在800~1600Hz 下可達0.1~0.3,熱傳導係數可達0.113 W/mK。在現今資源循環的趨勢下,為求能將廢棄物進行資源化,更進一步有研究者 [26-28]分別以高嶺土、飛灰、爐渣、矽灰、鋁粉、雙氧水等作為膠結材、填充材以及發泡材於鹼活化條件下產製多孔性隔熱材料。其中高嶺土、飛灰、爐渣等材料中矽質在鹼性條件下可溶出,配合矽灰、鋁粉以及雙氧水反應產氣,再進一步控制漿體黏滯度使其固結,使得氣體保留於試體中形成孔隙,因此材料具有隔熱等特性。各研究中雖然隔熱性質隨鹼活化條件而有所不同,但仍具有相當熱穩定性,部分研究中熱傳導係數可達 0.0744 W/mK,較發泡輕質混凝土為佳。惟相關製作過程受限於材料變異,主成分比例、鹼活化條件、發泡/穩泡技術仍無法確實掌握,仍待後續研究進一步釐清。 為避免資源再生產品於後端使用時有污染環境或危害之疑慮,故必須針對再生產品進行環境相容性評估。目前台灣的綠建材標章中,針對資源再生產品仍以「事業廢棄物毒性特性溶出程序」(toxicity characteristic leaching procedure,TCLP)作為試驗方法,然而TCLP 試驗方法係參照美國環保署針對有害廢棄物之鑑定而發展出之試驗方法,目的在於瞭解廢棄物於掩埋場中接觸有機酸時可能的溶出特性,其適用於廢棄物檢測而非產品檢測。目前以TCLP 作為相關產品之溶出試驗方法不僅未盡合理,亦缺乏有害物質長期釋出之評估,無法瞭解資源化產品在環境介質中長期的釋出及累積量,因此也無法釐清可能的風險。另環保署公告「垃圾焚化廠焚化底渣再利用管理方式」,亦同樣以TCLP 試驗結果為基準,實非資源再生產品妥切的驗證方式。 為了協助資源化相關事業,建立以資源循環為主之管理策略,亟需建立再生產品之環境檢測方法與標準,近年來在評估各國相關環境驗證技術與規範後,目前用於檢驗長期環境相容性之驗證方法均已陸續公告,包含 (1) CNS 15223:廢棄物特性-溶出行為試驗-pH對初始酸鹼添加之溶出影響。(2) NIEA R217.10C:廢棄物資源化建材溶出特性試驗-以擴散試驗測定成塊廢棄物材料中無機溶出成分。(3) NIEA R218.10C:廢棄物資源化建材溶出特性試驗-無機成分可溶出量測定。(4) NIEA R219.10C:廢棄物溶出行為檢驗方法-向上流動滲濾試驗法。期能協助建立資源再生產品之環境相容性基線資料。 除此之外,產品發展與設計所需參考重要指標即生命週期評估(life cycle assessment, LCA),可衡量產品生產或人類活動所伴隨之環境負荷。惟評估過程需要了解整個生產過程能量、原料需求量及環保排放量,還要將這些能量、原料及排放量所造成的影響予以評估,並提出改善方法。目前常用的生命週期評估程序為ISO 14040 (1996)系列標準中所提出的四個單元階段,內容包含目的與範疇界定、盤查分析、衝擊評估、闡釋四大項目。另外,將生命週期評估的衝擊予以成本化,即生命週期成本分析(life-cycle costing,LCC),亦是重要研究發展方向,如能以經濟上的數值做考量,更有助於其完成決策[29-30]。 參考文獻 張祖恩(2012)。對環境資源部的期望--第五章資源循環。台北市:財團法人中技社。 Raut, S.P., Ralegaonkar, R.V., and Mandavgane, S.A. 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發布日期:2017/08/28
資料來源:國立成功大學資訊工程系
市場分析公司RnR Market Research的研究報告指出[10],全球物聯網應用的市場在未來20年間將有大幅度的成長,預期在2025年可達到6兆美元的規模,而到了2035年,其規模甚至高達到15兆美元,如此驚人的市場潛力與複合成長率吸引了眾多科技業者競相投入資源進行開發。McKinsey顧問公司則進一步分析物聯網應用的市場組成,如圖1所示,傳統物聯網硬體裝置僅占市場總值約三成,而造成物聯網如此受到矚目的主因在於物聯網相關的軟體應用與整合服務帶來的無限想像和商機。 McKinsey的報告亦呈現了物聯網科技可能的應用領域與預期的市場價值,其中最具價值的市場仍屬工業領域的範疇,包括製程的標準化與設備運作的最佳化,預估在2025年將有近4兆美元的產值。讓工業用物聯網情境受到如此重視的主因在於近年來智慧製造觀念的興起,許多製造業者都希望藉由導入智慧製造的技術來提升稼動率或生產良率,而布建物聯網感測器以取得大量且多樣的感測資訊則是達到智慧製造的首要工作。當然,除了建構所需的物聯網感測環境外,開發適合的軟體與韌體去介接這些感測器,並根據各自的使用情境需求提供各種後端服務則是達到智慧製造的關鍵。德國西門子(SIEMENS)為智慧製造最成功的案例之一,自從導入智慧製造的概念,其在德國巴伐利亞邦東部安貝格(Amberg)工廠的產品不良率由過去的600dpm降到10dpm,而產能也隨之提升了八倍,效果十分顯著。 除了工業領域外,智慧城市與個人穿戴式裝置也屬於物聯網科技的範疇,估計約3兆美元的潛在產值。在智慧城市方面,路上建置的聯網監控系統可以協助警方掃除城市治安的死角,如紐約市警局利用IBM的智慧城市系統[2]進行即時影像比對並分析犯罪模式,成功降低四成的犯罪率;而曼菲斯警局則利用此系統分析犯罪的歷史資料以協助分配警力。此外瑞典斯德哥爾摩利用智慧城市系統整合通往市中心路口的相機,將進城的車輛車牌記錄下來並進行收費,此舉降低了22%的交通流量;而中國鎮江則是利用智慧城市系統取得即時交通路況,預測可能的交通流量,並用來管理80條公車路線。國內多家電信商包含中華電信、亞太電信、遠傳電信等也開始提供智慧城市相關的應用與服務,皆在2017智慧城市展中呈現[11],例如中華電信的智慧商圈計畫已與11縣市政府合作,提供人潮客群分析平台及O2O(Online to Offline)智慧行銷等產品;而亞太電信目前已開始陸續推出空氣、水質、防災等自然環境監測的物聯網應用並整合藍牙、重力感測器(G-Sensor)、長距離低功耗物聯網傳輸技術(LoRa)、 全球定位系統(Global Positioning System, GPS)等技術做到更準確的量化資料以用於大數據分析。在個人使用方面,多間物聯網廠商推出數款穿戴式裝置,除了協助進行個人健康與生活管理之外,也可以用來矯正民眾或運動員的運動姿勢。例如美國穿戴式裝置大廠Fitbit[3]開發了一系列的物聯網穿戴式裝置,包括智慧手環、智慧手錶等,以測量使用者的心跳與行為,再搭配手機行動應用程式 (Application, APP)提供更多服務,如健身、路跑、睡眠管理等。另外,Fitbit公司亦提供了開放式應用程式介面(Application Programming Interface, API)供其他公司開發更多元的服務,以讓使用者得到更豐富的使用體驗。 而近年來最火熱的自駕車技術亦屬於車用物聯網應用之一。根據工研院IEK的預測,到了2020年,全世界的聯網車輛將會成長到將近五千萬輛,而由這些聯網車輛組成的大型車用物聯網系統將可用來傳輸交通相關資訊,再配合車上的各種感測裝置偵測到的車況與路況,甚至加上雲端運算與資料分析的輔助,自駕車系統將可快速的規劃適合的行車路線與車速。此外,維修車廠可以利用感測裝置的數據分析車況並給予維修建議,保險業者也能根據數據決定保險或理賠金額,而交通管理單位亦可以依此判斷肇事責任歸屬。車用物聯網系統的應用情境如此多元也讓其市場被各界看好,如圖2所示,預估2018年全球的物聯網服務市場規模將可達到200億美金[4]。 由前述分析可知,未來物聯網的市場超過七成是來自多元的應用服務,其將以資料為核心,用於改善各領域的工作效率與服務品質。然而,物聯網要真正達到提供智慧化、自動化與人性化的服務,仍有許多面向需要努力。首先,現行物聯網技術大多採用在前端物聯網感測器取得資料後傳送到後端平台或雲端進行運算的架構,這樣的架構在未來物聯網裝置遍布的環境將面臨效率不彰的問題。此外,既然未來的物聯網應用主要屬於以資料為核心的商業模式,建構成熟的資料交易環境便成為最重要的事,一個方便又可靠的物聯網資料交易機制將有助於物聯網服務市場的發展。最後,為了能提供更準確與快速的物聯網服務,人工智慧的技術將被大量應用物聯網系統中,藉由建構智慧機器來拓展人工智慧物聯網的完整生態系。 在現行物聯網系統的發展趨勢中,結合物聯網裝置、智慧分析與雲端運算,提供創新整合性產品或服務已成為發展主軸,藉由雲端運算補足物聯網裝置較受限的運算與儲存能力,物聯網裝置也能將雲端運算服務延伸到生活空間的各個角落。然而,如市場研究公司Gartner所預測[5],2020年時將會有200億台物聯網裝置遍布在我們生活空間,如此大量的物聯網裝置若同時透過網路傳送資料,龐大的流量對網路提供業者或是雲端服務業者都將是一場極大挑戰。此外,若物聯網系統中所有的決策都須透過網路傳輸到雲端主機上進行運算與回應,許多難容忍延遲(Latency-sensitive)的物聯網服務,如工業控制系統、醫療照護系統或即時視訊系統,都將因為龐大的傳輸延遲而造成服務失效。為了改善這即將發生的困境,Cisco提出了邊緣計算(Edge Computing)的概念(如圖3[6]),藉由在雲端伺服器和物聯網裝置間導入霧系統的概念,意即由物聯網裝置與鄰近的閘道器形成區域性非集中式的合作群體,有別於原先物聯網與雲端服務架構中所有感測資訊需上傳由雲端統一處理的模式,霧系統(Fog System)將先在區域端合作進行基本運算提供服務,必要時再傳回雲端處理以提供更進階的服務,此舉不但可以舒緩雲端伺服器的壓力,更能縮短服務延遲時間。然而邊緣計算(Edge Computing)要達到預期的效果仍有許多議題需要釐清,像是霧系統內部的資源管理與分配,如哪些工作要在霧系統端做?哪些工作要送到雲端執行?霧系統的安全性議題,如霧系統裝置之間的可信度如何評估?資料交給其他節點幫忙運算是否安全?霧系統的適應性問題,如物聯網裝置具有異質性,不同的裝置中間如何整合溝通?物聯網裝置通常具有移動性,裝置移動後的服務如何接續而不會造成服務中斷?眾多的議題都亟待進一步討論與解決。 並且,由於物聯網未來主要的獲利模式在以資料為核心的各式應用服務上,這些資料除了提供者自用之外亦能將其賣出換取利潤,然而要如何將物聯網資料安全地傳給需要的人?如何將資料轉換成為對應的金錢?這些過程都需要一可靠的資料交易機制加以運作,而近來很火紅的區塊鏈(Blockchain)技術剛好適合用於建立這樣一個交易機制。首先,區塊鏈是一種不可竄改且可追蹤的資料儲存技術,因此可用來儲存所欲與他人分享的物聯網資料。而現有基於區塊鏈的數位貨幣如Bitcoin與Ethereum等則進一步利用了區塊鏈的可信任(trust)、可追蹤(traceability)與去中介(no intermediate)的特性,讓整個交易的過程可以被使用者驗證又不會被銀行或政府等的第三方控制,再加上智慧合約(smart contract)的機制讓所有的交易都能依據合約訂定的條件被自動觸發,因此物聯網的資料交易便可自動化與智慧化的執行。這樣資料流與金流的整合機制皆可以應用在各個領域。以保險業為例,在不久的將來的車險業者將導入物聯網與區塊鏈的技術,未來的車險保費或車禍理賠金額將利用車上的各個物聯網感測器收取的資料進行判斷,並直接透過區塊鏈的智慧合約機制將理賠轉入帳戶,省去人工判斷與轉帳手續。甚至在資料交易時,區塊鏈上記錄的交易資訊亦能進一步用來評估個人信用狀況,以幫助選擇適合的交易對象,亦或提供物聯網資料的歷史紀錄作為生產履歷,用來協助判斷資料的正確性。 物聯網的另一個重要的發展趨勢是在其服務中導入人工智慧技術來加值服務,如提升資料預測分析的正確性、加快學習推薦與決策的速度、加強聲音/影像辨識的準確率等方面。根據市場分析公司IDC(International Data Corporation)的預估, 2025年,全球人工智慧的軟體應用市場規模將達到368億美金[7],其應用領域非常廣泛,包含自動化控制、機器人與醫療照護等(如圖4)。首先,藉由人工智慧的導入,成千上萬的物聯網裝置得以升級成智慧機器,除了可大幅提升工廠自動控制準確度外,並能降低決策延遲時間。人工智慧亦被應用在自駕車(Autonomous vehicle)的開發上,以Google的無人車為例,為了達到安全的自動駕駛,整體系統反應時間需低於0.1秒,亦即每英里內需能做出約一千次以上的決策,包括減速、加速、變換方向或車道等。但車上的連網裝置眾多,包括64台雷射感應器組成的3D環景雷達,遠程雷達,攝影機等,這些物聯網裝置每秒蒐集高達750Mb的資料量,十分可觀。而為了即時處理這麼大量的資料,Google導入了人工智慧的技術,運用包括知識探索、機器學習與深度學習等演算法提高影像辨識分析的準確性與效率,以做出最佳駕駛決策。智慧機器人也是一個物聯網導入人工智慧的例子,IFR預測2018年全球智慧機器人的年產值將近200億美金,其中最有名的例子是Amazon Echo與鴻海的Pepper,前者被用於居家智慧管家,後者在日本甚至被銀行用於接待客戶。而為了強化使用者體驗,智慧機器人需要做到擬真人類的應對與行為,因此人機介面的研發是個關鍵,其中語音技術占有了相當大的重要性。Amazon Echo內建的Alexa聲控助理系統由於採用人工智慧技術,其語音辨識率大幅上升到可順暢的接受語音指令並準確操控對應裝置,因此Alexa被多個國際大廠導入作為語音控制套件,用以提供更符合人類習慣的操作體驗。除了語音辨識的相關技術外,有些團隊也著重於機器人的視覺辨識進行研究,希望能因此達到機器人與人類之間更深的互動,例如國內工研院在2017美國消費性電子展(Consumer Electronics Show, CES)上展出他們所研發的智慧視覺系統機器人[12],利用智慧視覺技術(Intelligent Vision System, IVS)分辨環境中的不同物體,進而作出相應的即時反應,且能夠依照物體的形狀、軟硬度調整機器手指的彎曲度及力道並穩固的抓取,目前已可以做到下棋、倒咖啡等細膩的動作表現,這樣的技術目前也已經廣泛應用於一些工業領域協助產線運作,未來在老人照護的應用上則有相當大的發展空間,工研院研發團隊也期許未來智慧機器人能夠達到觀察人的情緒表現做到更人性化的互動交流。 除了利用人工智慧技術為物聯網服務加值之外,物聯網裝置也能提升人工智慧系統的效能。過去的人工智慧演算法主要由中央處理器(CPU)進行運算,直到近年圖形處理器(Graphics Processing Unit, GPU)與現場可程式邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)興起,各公司紛紛利用GPU (如NVIDIA的P40 GPU)加快人工智慧演算法的速度,Popular Science雜誌甚至認為GPU將是現代人工智慧的骨幹主力,從此人工智慧進入了一個新的里程碑。根據Tractica公司的估計(如圖5),全世界與人工智慧相關的GPU硬體營收,將由2016年不到10億美金成長到2025年超過1500億美金,年複合成長率高達50%,因此人工智慧用GPU晶片無疑是一個極具潛力的市場。此外人工智慧最新的發展趨勢是針對特定領域開發專用的晶片,如Google公司的TPU (Tensor Processor Unit)便是為了加速深度學習開發的專用晶片,其效能比CPU和GPU快了15~30倍,耗能也更低。當然,除了深度學習之外,人工智慧領域仍有許多演算法亟待改善效能,如卷積神經網路(Convolution Neural Network)、遞迴神經網路(Recursive Neural Network)等。未來希望能藉由設計新的電路架構或研發新的演算法達到降低系統成本與功耗並提升運行效率的目的,以進一步擴展人工智慧技術適用的應用領域。 台灣的製造產業經過長久耕耘已建立起一定的產業規模,人工智慧物聯網技術若能先以台灣製造業為主要應用領域進行研發與推廣,除了其龐大的潛在市場外,對於國內產業升級亦大有助益,並更可進一步推廣到海外,其商機不可限量。另外,台灣的電子產業在世界上占有一席之地,不論在電路設計,硬體生產或代工上都有極豐富的經驗,應好好利用此一優勢進行特定領域專用人工智慧晶片的開發,除了對人工智慧物聯網的推廣大有幫助外,亦能提早建立技術門檻,搶占人工智慧物聯網帶來的龐大商機。在人工智慧技術方面,台灣目前雖然稍居落後,但陸續有許多新創公司、研發團隊開始往人工智慧進行研發,如杜奕瑾創辦的台灣人工智慧實驗室正積極朝向基因定序人工智慧應用發展。預期在政府與各團隊的投入之下,能培養更多人才投入人工智慧領域,讓台灣在人工智慧領域上能在國際間站穩腳步。最後,由於物聯網服務在未來十年將具有極大的商機,而人工智慧物聯網更是發展的趨勢,而台灣除了在硬體設計與開發上在世界佔有領先地位,在軟硬整合上、在軟體服務開發上亦有一定實力。因此,未來台灣應該植基物聯網硬體開發之優勢,協同發展物聯網相關軟體與服務,並加強整合人工智慧技術,提供更多元與妥善的人工智慧物聯網服務。再藉由組成 人工智慧物聯網國家隊,以結合國內眾企業的研發能量,如此才能在未來眾多競爭者中脫穎而出。 參考文獻: Unlocking the potential of the Internet of Things, http://www.mckinsey.com/business-functions/digital-mckinsey/our-insights/the-internet-of-things-the-value-of-digitizing-the-physical-world IBM智慧城市成功案例, http://www-07.ibm.com/tw/dp-cs/smartercity/success.html Fitbit, https://www.fitbit.com/tw/home Visteon infotainment  connectivity forecast, http://www.getfilings.com/sec-filings/140225/VISTEON-CORP_8-K_FORM2/d681270dex991.htm 物聯網裝置數預測, http://www.gartner.com/newsroom/id/3165317 Edge Computing, https://developer.cisco.com/media/iox-dev-guide-3-10-16/intro/introduction/ AI市場規模預測(IDC), https://www.techemergence.com/valuing-the-artificial-intelligence-market-graphs-and-predictions/ Tractica, https://www.tractica.com/research/artificial-intelligence-market-forecasts/ Tractica, https://www.tractica.com/artificial-intelligence/nvidias-latest-offerings-bolster-its-position-in-deep-learning-inference/ Global IoT and M2M Market to Hit $450+ Billion by 2019, http://www.sensorsmag.com/components/global-iot-and-m2m-market-to-hit-450-billion-by-2019 CENWS-智慧城市展今開張五大電信競豔, https://cnews.com.tw/2017智慧城市展-電信業者聚焦物聯網 迎向AI+IoT智慧新時代, https://www.itri.org.tw/chi/Content/Publications/contents.aspx?SiteID=1MmmID=2000MSid=744026727677221366PageID=1
發布日期:2017/08/07
資料來源:清華大學
雖然目前各國致力於發展再生能源以取代傳統火力電廠,但因化石燃料,包括煤、油、天然氣與頁岩氣等,具高蘊藏量且產生電力成本相對再生能源低,因此國際能源署(International Energy Agency, IEA)分析未來三十年全球仍需相當數量的火力發電廠。若要達到《巴黎協定》(Paris Agreement)中溫度上升不超過2 C,到2050年時全球每年要減少超過400億公噸CO2的排放,其中CO2捕獲、封存與再利用(CO2 Capture, Storage and Utilization, CCSU)貢獻度約佔13%,對97.8%的能源仰賴進口的我國,更需重視CCSU,以達到自主減碳承諾(INDC)與溫室氣體減量及管理法中CO2排放量於2030年及2050年分別較2005年減少20%及50%的承諾。 當然若能由燃煤改成燃氣發電,CO2排放量即可減少40%以上,另也可藉由增進燃煤發電效率降低CO2排放量。目前國際間所開發之高效率先進發電技術(或新燃燒系統)包括:超超臨界流體燃燒(Ultra-Supercritical Combustion, USC)、先進USC、煤炭氣化複循環(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)、化學迴路程序(Chemical Looping Process, CLP)、富氧燃燒(Oxy-fuel Combustion)及燃料電池三複循環(Integrated Gasification Fuel Cell, IGFC)等。這些新燃燒系統各具特點及潛力,然而除USC外,其他技術尚處於試驗階段,還未應用於大型發電廠中。至於USC,其是將蒸汽溫度及壓力遠超過水的臨界溫度374 C及臨界壓力22.1MPa,發電效率可較亞臨界狀態提昇至少8%,煤用量與CO2排放量也至少可降低10%。除上述技術外,現也正開發超臨界CO2 Brayton Cycle 發電技術,其是使用超臨界CO2取代水蒸汽做為工作流體,所需之發電機體積僅為使用蒸汽鍋爐的30分之一即可產生相同電力,因此也被視為可取代ORC (Organic Rankine Cycle)的熱電技術。 不論使用多有效率的燃燒或氧化技術,由於使用化石燃料,都會排放出CO2,因此必須加以捕獲以降低大氣中CO2的濃度。目前最具潛力應用於火力發電廠的捕獲CO2技術包括化學吸收、吸附與薄膜,惟根據Global CCS Institute的調查,目前全球已有的六座大規模CO2捕獲實場,其中五座採用化學吸收法,另一座採用薄膜法。此處需強調的是這些CO2捕獲實場,都是具有特定背景情形下進行的,例如每年捕獲一百萬公噸CO2的挪威Sleipner場域是面臨政府要抽碳稅,加拿大Boundary Dam場域則是要將捕獲的CO2進行趨油(Enhanced Oil recovery, EOR),因之才進行大量的CO2捕獲。當然目前全球也有利用捕獲的CO2生產尿素與水楊酸,每年可使用約1.2億公噸的CO2,其大多自天然氣中捕獲而得到的,只是這些捕獲分離的成本都可以轉嫁於後續的產品之中。因此若無環保或法規的要求以及沒有後續可應用的情事,只要求捕獲化石燃料發電廠排放的CO2,再將其注儲於地層,其成本是相當的高,每度電約要增加台幣約1.2元,因而發電廠不易進行大規模CO2的捕獲,也因此方要建立一高捕獲效率、低能耗、低成本的捕獲CO2製程。依據美國DOE的要求,是希望CO2的捕獲製程能在增加電力的成本低於35%下,以及自排放氣中捕獲CO2的效率高於90%,惟現另一看法是不強調捕獲CO2的效率而注重總捕獲量;至於歐盟,亦強調捕獲一噸CO2的所需能源能降低到2.0 GJ,這是因為以化學吸收法用在製程中,所需的能源12%用在吸收,70%用在再生吸收劑,18%用在壓縮與輸送所捕獲的CO2。至於使用薄膜製程,目前的要求是希望GPU (Gas Permeance Units)能大於700,在55 C時,CO2對於N2的選擇率能高於140,捕獲每噸CO2的成本能低於美金40元。 至於捕獲後的CO2,可加以封存將其與大氣隔離,封存可區分成地質封存、海洋封存、礦化封存及生物封存。海洋封存因生態的考量而難以被國際公約接受,礦化及生物封存方式則因反應速率緩慢致使封存的效益難以彰顯,地質封存則為目前國際間公認目前最具發展潛力的CO2減量機制。地質封存主要利用深地層環境儲存CO2,使CO2安定封存在深層地下鹽水層、枯竭油氣田、已開採煤層及富鎂鈣岩層等特定場址。鹽水層封存潛力大且適合做為商轉場址,但其地質的不確定性高,需要進行完善的場址評估及風險評估;枯竭油氣田構造雖然總封存量不如鹽水層大,但因其地質構造在油氣開採時已有完善的評估及規劃,要轉為CO2封存,相對快速且安全。目前全球至2014年底共有55個已啟動或正在規劃中的CCS大規模綜合示範項目,若依區域而言,北美、中國、歐洲與是目前較積極投入大型CCS計畫的國家。在這些示範封存場域中,大部份是將CO2打入地下的枯竭油氣田進行封存或增進採油,而挪威的Sleipner則是將CO2打入深部鹽水層中加以封存,此也是目前最為知名的商業化的封存計畫,自1996年起每年封存近百萬噸的CO2。國際上地質封存的注儲技術已趨成熟,最主要是自1950年起,已有許多石油業者注入CO2至地下提升石油或天然氣產量(Enhance OilRecovery, EOR/ Enhanced Gas Recovery, EGR),或是提高煤層採氣(ECBM),因而已累積許多CO2注入經驗。然地質封存,特別是鹽水層封存,這與區域的環境特性及地質條件息息相關,因此封存場址及封存量皆需進行事前的審慎評估,此外現階段研發也著重於風險評估,包括輸送管線安全評估、CO2注儲的量測監測與驗證、場址功能安全評估技術等,以降低民眾對CO2封存之疑慮,並確保安全及封存之永續性。 除封存捕獲的CO2外,國際現在的發展趨勢是將捕獲的CO2直接利用或將其轉換成化學/能源產品,也因此現將CCS改為CCUS (CO2 Capture, Utilization and Storage)或CCSU。CO2直接利用方面發展重點為開發以超臨界CO2為綠色溶劑製程、溫室栽培及培育微藻等;在微藻培育的部份,其過程除了可以直接固碳外,也可淨化水質,所得到的微藻經由破壁及萃取獲得做為生質能源如生質柴油之前趨物。至於轉化利用方面,是將CO2與氫或帶有氫之物質反應轉化成化學品,如尿素、(聚)碳酸酯、水楊酸及CO等或能源產品,如甲醇、二甲醚、碳酸二甲酯等。由於CO2只是一碳源,若要生產能源產品還需要氫源的提供,因此如何有效降低氫源成本並減少對石化燃料的依賴和降低對環境的衝擊,即相當重要。目前國際間著重利用再生能源電解水產生氫氣,再將之與CO2反應合成相關能源或儲能產品,例如甲醇,只是近年來甲醇價格一直往下降,以致所謂的甲醇經濟的重視度也相對的降低,惟永續性運輸用有機燃料(Sustainable Organic Fuel for Transport, SOFT)的概念,對未來CO2的減量是值得關注的。 國內從事減碳研究學者相當多,但本文僅就在國家型能源計畫(NEP-II)中之研究項目做一說明。在NEP-II中,上述的先進燃燒氧化系統、CO2捕獲、封存與再利用,都有進行研究,因此國內研究是與國際同步;另所有計畫均依要求與業界有所合作,因此所建立的技術及示範工廠是有機會未來實際應用於產業中,也有機會於國內建立新興產業,希望日後能就現有研發成果再加以精進,使之更具國際競爭力。 (一) 新燃燒系統 台電已/正將5部燃煤老舊機組汰換成800 MW超超臨界粉煤發電機組。 成功大學已建立2座不同進料之100 kW及280 kW富氧燃燒爐,並測試多元燃料之富氧燃燒特性。 虎尾科大已建立100 kW氣化爐,核研所則正建立100 kW氣化爐,另中央大學與工研院合作運轉450 kW氣化爐,此外中央大學也正協助中華紙業公司建立一19 MW級之氣化爐。 工研院、台灣科大分別建立30 kW與1 kW移動床化學迴路反應器,核研所則建立1 kW流體化床化學迴路反應器,另台灣科大已完成載氧體量產技術並授權工研院,可供應實際模廠應用。 中鋼公司、金工中心、清華大學、中央大學及輔英科大共同投入超臨界CO2 Brayton Cycle系統之研發。 已建立下列之多座捕獲CO2示範平台。 清華大學於台塑麥寮、長春石化高雄大發及中鋼分局建立每日捕獲1噸、0.1噸及0.1噸CO2之化學吸收法示範工廠,使用清華大學技轉的吸收劑配方與超重力旋轉床,無論在吸收劑劣化、吸收劑揮發以及吸收劑再生能耗等上,均與國際上每日捕獲超過2,500噸之工廠相當,因此放大之後應更具能耗與成本優勢。 台灣大學於中鋼建立一使用鹼性廢液為吸收劑與使用爐渣(內含自由之氧化鈣與氧化鎂)為吸附劑每日捕獲0.27噸CO2之示範工廠,此製程除可降低CO2之排放,亦可處理工廠廢液以及爐渣,一舉數得。 工研院於台泥建立一每日捕獲24噸CO2之1.9 MW鈣迴路法示範工廠,現正朝放大至30 MW鈣迴路捕獲工廠進行系統的建置,該捕獲CO2製程於600~700C的溫度下以CaO吸附CO2 生成CaCO3,於850~950C的溫度下脫附所吸附之CO2,使CaO反覆使用,此捕獲CO2製程特別適用於處理水泥產業之排放氣,因即使CaO捕獲效率下降,所生成的CaCO3可為水泥之進料,此製程所有的技術均出自工研院。 核研所建立含kW級以固體吸附劑及分離薄膜管之捕獲CO2設備,成功大學也建立於流體化床中以脫硫渣每日捕獲0.12噸CO2之裝置。 已有多家產業參與再利用技術之研發。 成功大學團隊已促成綠茵生技於成大建立一300噸之微藻培育示範工廠及20噸戶外廢水固碳再利用平台之基礎設施,此外成功大學、金工中心與清華大學也建立微藻培育、破壁、萃取、純化及生質柴油製程等技術。 中鋼、海洋生物博物館、成功大學及中山大學共同投入海洋牧場系統之研發,其是將含有藻類生長所需礦物質之煉鋼產生之轉爐石做為人工魚礁進行周邊海域之生態復育,並於其上培育巨藻以吸引海洋生物之棲息,此外亦可培育微藻增加經濟效益。 清華大學與與長春集團共同投入超臨界CO2綠色溶劑製程之開發以及進行CO2轉化生產甲醇與碳酸二甲酯之研發;成功大學與台塑及台化則進行將CO2轉化生產甲烷、乙烷及丙烷等氣體,關鍵技術包括觸媒與製程。 已整合產學研7個單位建立一團隊執行CO2封存研究。 台電公司已同意提供彰濱3,000公尺深之觀測井做為示範場址,由中央大學、成功大學、工研院、中興工程顧問社、台灣碳捕存再利用協會、中油及台電等單位整合成一團隊並提出計畫,以配合台電所規劃之2020年時每年注儲10,000噸CO2為目標,建立注儲之技術與SOP。 已確認永和山及觀音工業區具封存潛力,另持續進行其他可能封存場址之調查與潛能之評估、CO2安全監測及注儲封存長期風險評估等,並與地方政府及居民進行溝通。 依照政府的規劃,在2025年時綠能發電佔20%,但燃煤發電仍佔30%,燃氣發電佔50%,在這種情形之下,台灣因發電每年能減少的CO2排放也只能約1,500萬公噸,要達到INDC減碳的目標,仍有至少3,000萬公噸的缺口,如果不能夠藉由提升燃燒氧化發電技術以及CO2捕獲、封存及再利用,很難達到減碳的目標,因此建議如下的國內未來減碳技術研發的策略。 目前僅超超臨界流體發電技術可直接應用於國內電廠中,未來可就正開發之氣化技術、富氧燃燒、化學迴路與SC CO2 Brayton Cycle等燃燒氧化技術,應用於工業區與產業中,也因此以200 MW為目標,為建立放大技術,可先將30-280 kW級示範廠放大至1-5 級MW示範廠。 (二) 研發具經濟性之CO2捕獲再利用及封存技術 有關CO2捕獲技術,雖已有因特殊原因與背景之商業化應用於天然氣純化與火力發電廠之捕獲CO2工廠,惟仍十分需求開發具經濟性之CO2捕獲製程以大幅降低捕獲成本,這也是為什麼需要開發再利用技術,藉由再利用技術產生之經濟效益可降低捕獲成本。 CO2捕獲之對象以燃燒後捕獲為主,重點開發之技術包括化學吸收、吸附、薄膜及鈣迴路等。在開發CO2捕獲技術時應朝下述現較為困難達到的目標努力未來方更具國際競爭:發電量不要因捕獲而減少35%、能耗必須要低,以化學吸收法為例,最好為捕獲一噸CO2能耗為2.0 GJ、捕獲一噸CO2成本最好能降到至18美元。 以CO2為碳源再利用生產碳氫化合物時,尚需成本低之氫氣,因之急需開發低成本產氫之技術,其中包括電解水、光觸媒、乾/濕式重組等。 配合台電在2020年注儲1萬噸CO2的目標,建立地質分析、運送、注儲與監測等技術與經驗。基於全球對CCSU技術仍在開發階段,若能及早切入,可掌握先機及商機。此外從國際及國內發展現況可知,CCSU需政策支持並一以貫之的推動,才有機會發展成功並產業化,故國內若能以政策鼓勵CCSU技術開發,同時訂定完善的法規及環評作業,應能促使國內更多廠商投入,加速CCSU之產業化。 應用CO2捕獲及再利用技術,儲存電能於易於輸送的甲醇化學能中,提供再生能源的輸電替代技術。雖然甲醇輸電的經濟效益與傳統的升壓站/饋線/變電所相差不大,但在土地及民意問題上,其具優勢,此外可有效利用CO2。 可使用煉鋼轉爐石或發電廠飛灰經捕獲CO2後所形成的碳酸化轉爐石/飛灰做為藻礁基材構建立海洋牧場,一方面因藻場/魚場之形成與珊瑚之復育而有利於海洋生態,另可處理固體廢棄物。此外也可結合再生能源如離岸風電或太陽光電,將未能進入饋線之電力電解水產氫,進而與捕獲之CO2反應製得化學及能源產品以及化學儲能產品。
發布日期:2017/08/07
資料來源:國立交通大學 & 台灣雲端安全聯盟
第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)是成立於1998年的標準制定機構,目標是在國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)的國際行動電信(International Mobile Telecommunications, IMT)計畫範圍內制訂和實現全球性的行動通訊系統規範。目前其成員包括歐洲的ETSI (European Telecommunications Standards Institute)、日本的ARIB (Association of Radio Industries and Businesses)和TTC (Telecommunication Technology Committee)、中國的CCSA (China Communications Standards Association)、韓國的TTA (Telecommunications Technology Association)、美國的ATIS (Alliance for Telecommunications Industry Solutions)和印度的TSDSI (Telecommunications Standards Development Society India)等。 回首行動通訊市場的發展,當行動寬頻技術引領市場進入行動網際網路的同時,全球行動電信業者一直苦尋不得所謂的殺手級應用服務。以史鑑今,3GPP組織成員為了讓標準能更貼進市場,反應市場的需求,完善行動寬頻產業的生態體系(Eco System),邀請市場上具指標意義的組織共同參與3GPP技術標準的制定,例如GSMA (GSM Association)、UMTS Forum、4G Americas、NGMN (Next Generation Mobile Networks)等,期能讓行動寬頻的技術標準與市場需求有更深層的互動。此一模式延續至今,在第五代行動通訊系統(5th Generation Mobile Networks, 5G)標準制定的過程中,發揮了關鍵性作用。圖一為5G行動寬頻主要技術標準組織組成示意。 全球行動通訊業界所提出的許多潛在的5G行動寬頻殺手級應用服務,以現有的行動通訊系統多足以支援,毋須在技術與設備面升級到5G,只有針對於「端到端往復遲延應低於1毫秒」以及「無線接取網路下行速率應高於1 Gbps」其中任一項有需求的應用,才是5G真正可發揮的場景。然而,即便潛在的應用場景與服務不嚴格要求5G的規格,但5G 網路的引入可以大幅提升這些應用服務的用戶使用體驗。ITU-R所定義5G主要使用情境有三,如圖二所示: 增強版行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband) 未來的行動寬頻服務逐漸強調接取多媒體內容、服務與數據等以人為中心的使用案例,這使得行動寬頻除了需要提昇效能外,也要能夠強化用戶體驗的順暢與無縫接軌,例如大面積的涵蓋範圍、高使用連線密度、無縫交遞、高使用流量、高速移動等。 高可靠度且低遲延通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications) 此類使用情境對於可靠度與時間遲延有較高的規格需求。舉例來說,工業製造的無線控制、產品製程、遠程醫療手術、智慧電網的輸配電自動化與運輸交通控管等。 大量機器型式通訊(Massive Machine Type Communications) 大量的連結裝置、低傳輸量、感測數據傳輸等為此使用情境的特性。此外,感測裝置須具低成本且超長電池壽命的特點。 為了因應不同性質的應用服務需求,5G技術需能運用感知無線電技術、動態頻譜共享技術、毫米波技術等,靈活使用頻譜資源;5G標準積極研發新型多重接取(Multiple Access)技術、全雙工(Full Duplex)技術、低遲延且高可靠度的無線接取技術、大量裝置連結技術;5G網路也採用新型態架構,如分散式無線技術與集中式計算、以服務為中心的智慧網路切片技術(Network Slicing)、軟體無線電(Software Defined Radio, SDR)、軟體定義網路(Software Defined Network, SDN)、內容配送網路(Content Delivery Network, CDN)等。整體而言,5G行動寬頻網路有別於上世代的行動寬頻思維,不僅改善空中介面帶來無線傳輸速率的大幅提昇,也將核心網路新技術架構納入整體規劃中,以提供更強大的用戶體驗。圖三所示為5G技術組合。除上述技術面突破外,5G網路有三項主要特色為上世代網路所不具備者: 網路資源虛擬化:依據應用服務特性配適合宜的資源 網路管理雲端化:因應應用服務多樣化與豐富化需求,利用雲端系統管理網路,使之更有彈性與可靠性。 網路接取霧化:讓接取端能即時反應服務之需求,提高網路速率。 近日Qualcomm與Apple為了專利權費用大興官司訴訟,更揚言控告Apple供應商侵權,使得專利權議題再度躍上國際版面焦點。專利權(Intelligent Property Right, IPR)常被視為研發能力表現的重要指標之一,許多通訊廠商除藉由專利權來保障自己研發的成果外,更可以提高與合作夥伴的談判籌碼,例如在設計製造的過程中,如有使用其他公司的專利權時,可以經由交互授權的方式,減少產品開發的成本負擔。 在第二代行動通訊技術(Second Generation Mobile Networks, 2G)時代,全球行動通訊系統(Global System for Mobile Communications, GSM)系統獲得歐洲電信標準協會(the European Telecommunications Standards Institute, ETSI)的認同,成為泛歐行動通訊的技術標準主流。如圖四所示,Nokia、Ericsson、Motorola與InterDigital其專利權所占比率分別為35%、22%、10%、10%;Qualcomm在GSM的專利權只占5%左右,在GSM的市場中影響力相當有限。 3G行動通訊系統有WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)、cdma2000及TD-SCDMA (Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access)三大標準,都是以CDMA技術為基礎,這也是Qualcomm深耕已久的技術。因此,3G主流標準WCDMA的專利權,Qualcomm約有26%的占比,位居首位;Nokia則以23%的專利占比居次;InterDigital與Motorola則分別以19%與7%緊追其後。 隨著行動寬頻技術的演進,在以OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)為基礎的4G LTE (Long Term Evolution)系統中,Qualcomm擁有最多專利權,其所占的比率為11.1%左右,如圖五所示;韓國Samsung則以11%居次;中國大陸的華為則擁有10.2%的關鍵專利權;Nokia、InterDigital、Ericsson、中興、LG與Motorola則分別以8.5%、7.1%、6.7%、6.2%、5.4%與5.2%緊追在後。值得注意的是日本電信業者NTT DoCoMo的關鍵專利權占比亦達4.5%。 專利權的分佈情形會影響到廠商的經營,廠商因應專利權占比的變化所採取的策略與作為,最後會決定廠商的績效表現。倘若專利權過於集中,廠商為了維持技術的優勢使其利潤最大化,常訂定出高額的專利授權費用,或與自己公司的產品互相綁定提高訂價。因此,在2G與3G時代,許多手機廠商必須要支付擁有關鍵專利的公司不少專利授權費用。 當專利權分佈逐漸分散,甚至進入充分競爭市場時,專利權擁有廠商對其專利授權費用將漸失去定價權,而僅能是市場價格的接受者。主要原因是使用專利的廠商可以採用的策略與可授權廠商增多了,相對也提升其專利費用的議價能力。因此,隨著4G專利權集中度的降低,可預見的是5G時代專利權經營模式將面臨不小的挑戰。 行動寬頻技術智財權分佈由集中走向分散,行動寬頻標準制定納入應用服務業者觀點,行動寬頻市場的規管由垂直化轉變成水平化,且規管方式必須符合公平、合理與無差別待遇,這些趨勢促使行動寬頻市場將由設施型(Facility-based)競爭轉變成服務型(Service-based)競爭。這些轉變值得我們重新思考,是否應投入更多資源在應用服務與軟體的價值創造,而非標準化的設備與硬體?援引GSMA有關5G應用服務的商機,主要分成三大區塊,如圖六所示: 核心商業服務商機(Core Business) 此商機屬大眾化市場,為原4G服務的核心服務。例如提供行動上網熱點、低成本的行動寬頻、高速網際網路服務、雲端服務等。 延伸性商機(Extended Opportunities) 此商機為原4G核心服務,因5G技術與網路的佈建而能有更好的用戶體驗而衍生的延伸性商機。例如高畫質的影音服務內容、私人網路、穿戴式裝置的應用、身歷其境的影音通訊、虛擬會議、擴增實境等。 新興應用服務商機(New Horizons) 此商機為垂直整合後所產生的商機。例如工業4.0的自動控制、遠端控制、即時性的通訊服務、即時性的上傳服務、智慧電表、感知網路等。 目前國內行動寬頻服務相關的研發已從核心商業服務逐漸往延伸性商機發展,例如穿戴式裝置的應用、虛擬實境與擴增實境等。面對未來的新興應用服務商機,國內業者應掌握機先,提早佈局,建立完備的產業價值鏈與健全的生態體系,尤宜善用既有的硬體優勢,強化軟體佈局,以發揮軟硬體整合與智能化的綜效。
發布日期:2017/07/04
資料來源:元智大學資訊傳播學系
擴增實境(Augmented Reality, AR)是一種透過眼鏡或攝影機將虛擬物件或資訊疊加於真實環境中的技術,讓觀者產生一種錯覺,以為虛擬物件是真實環境的一部份。擴增實境技術的發展可回溯至1950年代,當時電影攝影技師Morton Heilig提出了電影應是一種能夠整合各種感官進而將觀賞者融入電影中的一種活動[1]。而自從學者Sutherland發展了第一個頭戴式顯示器後[2],人們開始探討各種結合虛擬與現實的可能應用。為了讓使用者感受到虛擬物件是真實疊加於現實物體上,我們必須準確估算使用者的眼境或是攝影機在三度空間中的位置以便計算虛擬物件在影像中的位置及方向,因此攝影機的追蹤及定位(camera tracking)是擴增實境技術中不可或缺的一環。 早期由於電腦運算效能的限制以及影像追蹤技術的欠缺,擴增實境技術大都須仰賴一些特殊的儀器如電磁感應器、慣性定位器、聲波定位器等進行追蹤,由於這些儀器設備通常價格不斐,因此早期的擴增實境應用大都只停留在實驗室的階段,或者是大型公司以及軍事單位等才能負擔得起昂貴的建置成本。 近幾年來,由於取像設備價格的低廉以及電腦運算速度的快速發展,再加上電腦視覺追蹤技術的進步,擴增實境的應用已開始走入一般的商業應用,尤其最近Pokemon Go這款手機遊戲的流行,使得擴增實境技術廣為人們所熟知,各種擴增實境的應用更是如雨後春筍般蓬勃發展。 擴增實境所使用的追蹤技術一般可分為標記式(marker-based)及無標記式(markerless)兩大類。標記式追蹤技術意指我們需要在場景中放置一特殊製作的圖卡,藉由圖卡的幾何圖案進行攝影機方位的估算,之後即可將虛擬物件放置於圖卡之上,讓觀者以為虛擬物件是附著於圖卡上(如圖1所示),ARToolKit是這類型技術的典型代表。 ARToolKit最早是由日本學者Hirokazu Kato於1993年所發展,之後由華盛頓大學HIT Lab釋出成為一個開源程式碼,是早期幾乎所有想要嘗試開發擴增實境應用的研究人員所採用的一個函式庫。ARToolKit的原理主要是利用正方形標記四個邊的平行關係進行攝影機方位的初步估算,之後再用標記四個頂點的位置優化攝影機方位的計算。 隨著電腦視覺技術的進步,目前像標記這種平面的圖案可以用另外一種稱為homography的技術[3]進行攝影機方位的估算。由於homography可以藉由攝影機所拍攝的畫面與圖案中的特徵點進行匹配後而取得,因此任何的平面圖案只要其上有足夠多的特徵點即可用它來取代傳統擴增實境的標記,進行更多樣化的擴增實境應用,而這也將擴增實境技術帶入另一個全新的應用領域。 鑒於擴增實境未來在智慧型手機上的應用潛力,手機晶片大廠Qualcomm率先開發了一個名為Vuforia的擴增實境軟體開發套件,此套件可讓使用者以任意圖案做為相機追蹤的標記(如圖2所示)並以此開發擴增實境相關應用。個人認為Vuforia不僅只是一個擴增實境的軟體開發套件,它也開創了一個商業的營運模式,一般使用者可以免費使用Vuforia,只有使用量大於一個數量級以上時(即商業應用時)才需要進行付費的動作。 Vuforia可與目前主流的手機作業系統iOS及Android開發環境相整合,同時也可以跟目前知名的遊戲製作軟體unity結合,而由於unity可以輕易的將製作的系統轉換成iOS及Android平台下的app,加上Vuforia在unity平台上使用的便利性,使得一般使用者即使不諳程式設計,也可以依照Vuforia官方網站所提供的教學案例一步步製作出屬於自己的擴增實境app,這使得擴增實境相關應用的開發難度大幅降低,為擴增實境技術的推廣施了很大的一把助力。 目前Vuforia除了可用平面影像作為相機追蹤的物件之外,它也支援立方體及圓柱體追蹤物件,其雲端辨識能力可支援非常大量的影像匹配,同時Vuforia的功能也持續地在進步,它支援所謂的延伸追蹤(extended tracking),當追蹤標的不在攝影機視野內時,系統也可以利用周圍環境的自然特徵進行攝影機的定位。另外,Vuforia的智慧地形(smart terrain)可以讓使用者掃描整個舞台場景,藉此建立舞台上真實物體之間的相對位置關係,讓虛擬物件可以根據真實舞台與使用者進行互動。此外,Vuforia也支援將真實三維物件做為追蹤標的的功能,顯示Vuforia的應用場域已逐步跨出標記圖案的範疇,朝更自然且直接的無標記式擴增實境應用邁進。 Vuforia雖然已經建立了一個擴增實境技術的商業應用模式,不過Vuforia尚無法完整體現擴增實境技術的精神及概念,人們更希望看到的可能是如電影鋼鐵人中東尼史塔克(Tony Stark)可以直接用肉眼看到虛擬物件並且用手勢跟虛擬物件進行互動。微軟公司所開發的HoloLens基本上就是希望能夠體現這個概念,使用者戴上特製的眼鏡後即可看到環境中任何添加的虛擬資訊(如圖3所示)。這種技術有賴於更高階的以環境自然特徵為標的之相機追蹤技術,例如在機器人領域中使用的同步定位與地圖構建(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)。除微軟之外,Google也在其Tango計畫中開發了一套攝影機結合慣性設備儀器(Inertial Measurement Unit, IMU)的 SLAM定位技術,雖然Tango主要是運用在平板電腦平台上,但只要攝影機方位能夠準確估算,此技術可輕易轉換至任何需要虛擬與現實相結合的擴增實境場域。 https://www.youtube.com/watch?v=qym11JnFQBM(2017/06/06) 雖然目前已有不需標記圖案輔助相機追蹤的擴增實境技術,但在市面上可見的擴增實境商品及案例中,仍然是以標記圖案式的擴增實境為主流,其中Vuforia SDK是目前各家擴增實境應用開發商所採用的主要技術。然而在商業用途中,開發商必須付費給PTC[1]才能使用Vuforia SDK,因此國內廠商若想讓自家的產品更具競爭力,開發自有技術是必然的路,此不但可降低成本,也能讓自家的產品在使用上更有彈性而不需受限於Vuforia所規範的應用架構。原則上,以homography為基礎的相機追蹤技術並不困難,但如何快速的在影像中找出穩定的特徵點並以此進行大量影像的匹配則是一個相當具挑戰性的研究課題。 目前影像特徵點偵測及比對技術可謂百家爭鳴,從早期的FAST(Features from Accelerated Segment Test)[4]、SIFT (Scale-Invariant Feature Transform)[5]、SURF(Speeded Up Robust Features)[6]到後來的ORB(ORiented Brief)[7],每一個技術各有其準確度或計算效率上的不同優勢,目前已有一些研究論文[8]對各種不同的影像特徵點偵測及比對技術進行評比,廠商可參考這些研究論文並根據不同的應用場合選定適當的特徵點偵測及比對技術。其次,當需進行大量的影像特徵點匹配時,如何選定一個有效的匹配策略如是否要對特徵點做分群或indexing是另一個值得探討及測試的研究課題。 以場景的自然特徵進行相機定位是另一項更吸引人的技術,它可以達致更進階的擴增實境應用,SLAM是這一方面的關鍵技術。SLAM可根據搭配的感測器而有不同的技術,這些感測器可以是單一攝影機、攝影機結合慣性量測儀器、立體攝影機(stereo camera)以及搭配深度感測的RGB-D攝影機,不同的SLAM技術各有不同的優缺點以及實現困難度,開發商必須根據不同的應用找出適合自己的核心應用技術。 除了上述的研發重點方向之外,個人覺得在擴增實境領域還有以下幾點值得深入探討及研究: 與虛擬物件之間的互動:虛擬物件並非真實存在的物件,因此如何碰觸虛擬物件並與之互動是一項值得研究的課題。這方面技術包含可觸式介面(tangible interface)、特製可定位的手套或把手以及手勢辨識等。目前已經有一些可供使用的產品如Leap Motion等,但不同的產品各有其不同的應用場域及優缺點,當然手勢辨識是最直覺的方式,但相對而言其技術難度也更高。 虛擬物件與真實物件的遮蔽問題:目前大部份的擴增實境技術都是將虛擬物件直接疊加於背景影像上,因此無法有效呈現虛擬物件與真實物件之間因深度不同所造成的遮蔽效果。想要正確呈現虛擬物件與真實物件的前後關係,必須要取得整個場景約略的三度空間結構資訊,而這有賴於更進階的3D電腦視覺技術如structure from motion或是利用SLAM技術所伴隨產生的地圖資訊。Vuforia的smart terrain就某種程度而言即是用來解決此問題。 更真實的虛擬物件呈現:目前的擴增實境技術中所疊加的虛擬物件,人們幾乎可以立即的區分出那是一個虛擬物件,其主要的原因在於其光影效果與真實環境並不相符,因此如果要讓人們無法區分出真實與虛擬物件,我們需要明確的估算當下場景中光源的位置及其顏色。此外,由於光會在物件之間互相反射,因此為了展現逼真的虛擬物件呈現效果,場景的三度空間資訊也必須取得,同時即時的算圖 (real-time rendering)技術也不可或缺,這些都是相當具挑戰性的研究課題。 智慧型穿戴裝置的人性接受度議題:目前的擴增實境技術大都須透過一個載體來呈現,這個載體可以是平板電腦、智慧型手機或是頭戴式顯示器。如果是頭戴式顯示器等智慧型穿戴裝置,則在設計時必須考慮人性接受度的議題。一般的頭戴式顯示器可區分為video see through及optical see through兩大類。Video see through是讓使用者透過攝影機看到真實世界,它在虛擬與真實結合方面較容易實現,但相對而言人的雙眼必須包覆在整個顯示器中,因此如果系統有較大的延遲時容易造成暈眩的問題,同時攝影機的位置與眼睛的位置也有一些差異,這都會造成接受度上的問題,尤其是長期配戴時可能對人體造成更大的影響。Optical see through則是讓使用者透過鏡片直接看到真實世界,因此比較容易被人們所接受,但相對而言其技術難度更高,其定位準確度及系統延遲都必須達到更高的水準才能有無縫的擴增實境呈現。 參考文獻: J. Carmigniani and B. Furht, Augmented reality: an overview, Handbook of Augmented Reality, Chapter 1, pp. 3-46, 2011. I. Sutherland, A head-mounted three-dimensional display, AFIPS Fall Joint Computer Conference, pp. 757-764, Washington, DC, 1968. R. I. Hartley, A. Zisserman, Multiple View Geometry in Computer Vision, Cambridge University Press, 2nd edition, ISBN: 0521540518, 2003. E. Rosten and T. Drummond, Machine learning for high-speed corner detection, In Proceedings of European Conference on Computer Vision, pp. 430-443, 2006. D. G. Lowe, Distinctive image features from scale-invariant keypoints, International Journal of Computer Vision, Vol. 60, No. 2, pp. 91110, 2004. H. Bay, A. Ess, T. Tuytelaars, and L. van Gool, Speeded-up robust features (SURF), Computer Vision and Image Understanding, Vol. 110, No. 3, pp. 346359, 2008. E. Rublee, V. Rabaud, K. Konolige, and G. 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發布日期:2017/07/04
資料來源:台灣科技大學化學工程系
人為溫室氣體排放引發的全球氣候變化,已被認定為目前全球所面臨的最大環保挑戰。而人為溫室氣體排放主要是來至使用化石能源所產生的二氧化碳,根據國際能源總署(International Energy Agency, IEA)於2016年公佈的「世界主要能源統計」(Key World Energy Statistics)資料顯示,我國2014年因能源使用產生之二氧化碳排放總量約為250百萬公噸,約佔全球排放總量的0.9%,我國每人平均排放量為10.68公噸 (IEA, 2016),雖然我國並未被列入氣候公約的規範,但在全球人為溫室氣體排放的地位相當受注視,基於國際趨勢與減量責任,近年來我國亦積極推動節能減碳,期能降低化石能源使用所排放的二氧化碳。具體的減量規劃,除了積極推動能源節約、發展低碳能源、調整產業結構等措施之外,還需考量對於化石能源使用後所產生的二氧化碳直接進行捕獲、處理與封存。為了維持產業之競爭力,同時兼顧二氧化碳減量,我國應積極推動二氧化碳捕獲技術之研發,以減少對經濟及產業發展所產生的衝擊。近年來全球積極研發化石能源使用後所產生二氧化碳的處理減量相關技術,包括:二氧化碳之捕獲濃縮技術、轉化及再利用技術、與儲存及固定技術等。二氧化碳捕獲與封存已認為是未來推動減碳的主要方式之一,然而各項二氧化碳捕獲與封存技術的開發、設置及操作應用,仍有許多障礙待克服。化學迴路程序(Chemical Looping Process)為新近發展的能源技術,除可產出熱能使用,且不需氣體分離濃縮即排出高純度之二氧化碳氣體。化學迴路程序係透過載氧體(常為金屬氧化物)與燃料進行燃燒反應,燃燒後之還原態載氧體藉由空氣氧化為氧化態,同時產生熱能。化學迴路程序常用載氧體有鐵、銅、鎳、錳等金屬氧化物,而使用之反應器則以流體化床及移動床兩種型式為主。近年來化學迴路程序除在大型燃燒系統進行捕碳應用的研究外,對於中小型規模系統的應用也漸受重視。 化學迴路程序(Chemical Looping Process)是一項結合二氧化碳捕獲與濃縮的能源燃燒技術,將燃料燃燒所需的氧來源,由空氣中的氧氣改為載氧體(Oxygen Carriers)中的氧原子提供,載氧體在燃料反應器(Fuel Reactor)及空氣反應器(Air Reactor)間循環使用,化學迴路程序可由圖1所示。 在燃料反應器進行燃燒反應時,燃料與載氧體進行反應,產生為二氧化碳與水蒸氣,將水蒸氣冷凝後即可獲得高濃度之二氧化碳。被還原後的載氧體輸送至空氣反應器,與空氣進行氧化反應以便循環使用(Chiu and Ku, 2012)。載氧體自空氣反應器攜帶熱能輸送至燃料反應器,維持800-1000C的反應溫度,燃料與氧化再生之載氧體進行反應。載氧體在兩反應器間反覆還原與氧化,在燃料反應器可產生高純度二氧化碳,而在空氣反應器可獲得熱能。因此化學迴路程序所產生之二氧化碳具有無須分離單元即可直接封存之優勢,具有低成本、高能源效率之優點。 化學迴路程序初期應用研究多是以氣體燃料之燃燒為主,燃燒排放氣中二氧化碳濃度可達到95至99%以上(Kolbitsch et al., 2009; Sridhar et al., 2012);目前則相當重視化學迴路程序對於固體燃料(如煤炭、石油焦、生物質等)燃燒的應用。運用化學迴路程序進行固體燃料燃燒時,通常須先以氣化劑(水蒸氣及二氧化碳等)將固體燃料氣化為CO及H2,載氧體再將CO及H2燃燒為H2O及CO2。一般認為固體燃料化學迴路燃燒之反應速率決定步驟是固體燃料氣化(Leion et al., 2007; Mattisson et al., 2009; Wu and Ku, 2016),因此必須改善固體燃料氣化效率或是改變氣化機制,以提升其化學迴路燃燒效率。 化學迴路程序使用之載氧體需具備攜氧量高、反應性佳、機械強度高、抗燒結及抗積碳能力佳、價格低廉,及環境毒性低等條件,目前最常用的載氧體為鐵、銅、鎳、錳等金屬氧化物,其比較如表1所示(Fan, 2010; Johansson et al., 2004)。鎳系載氧體因氧化還原反應速率高、轉化率高、迴路性能佳等因素而備受矚目,但價格高;銅系載氧體價格較為便宜,且攜氧量高、環境污染較低、反應性佳,但易發生高溫燒結的現象;錳系載氧體之反應活性、抗燒結和抗燒結能力佳,但機械強度差,在長時間操作易碎裂;鐵系載氧體之反應速率低於其他金屬系載氧體,但較不具環境影響、價格低廉,且具備特有的產氫能力等優點,所以成為近年來化學迴路程序相關探討所使用之主要載氧體。 由於化學迴路程序操作過程,載氧體在燃料反應器及空氣反應器間循環高溫流動,容易因燒結或是碰撞耗損導致載氧體反應效率下降,因此複合載氧體之開發成為改善載氧體機械性質的主要方式之一,複合載氧體常用的支撐物(support)包括Al2O3、TiO2、ZrO2、NiAl2O4、MgO、SiO2與MgAl2O4等,目前已證實可長時間操作之複合載氧體包括NiO/NiAl2O4、Fe2O3/Al2O3、Fe2O3/TiO2、CuO/Al2O3等,其具有反應活性高及磨損率低等優點(Mattisson and Lyngfelt, 2001; Adnez et al., 2004; Hossain and Lasa, 2008; Huang, et al., 2017)。 化學迴路系統之反應器設計需要考量燃料與載氧體接觸良好、載氧體在燃料反應器與空氣反應器間輸送順利、且應具有良好氣密性。目前國際間有關化學迴路反應器的形式,主要分為流體化床反應器及移動床反應器兩種。 使用流體化床反應器(Fluidized Bed Reactor)之化學迴路反應系統,是將空氣反應器及燃料反應器,分別採取高速上升流體化床及低速氣泡流體化床設計。反應器操作通常在常壓進行,在燃料反應器中,載氧體與燃料反應後經溢流裝置進入空氣反應器,而載氧體在空氣反應器氧化後,被高速氣流帶入旋風分離器進行氣固分離,分離出的載氧體再進入燃料反應器重新反應。流體化床反應器的優點是能夠使氣體和固體在高速提升流體化床中強烈的混合接觸,高速上升的氣流亦能夠提供足夠的驅動力,使載氧體在兩個流體化床中可持續進行迴路,但載氧體損耗量亦隨之增加(Lyngfelt, 2011; Xiao, 2014)。 美國俄亥俄州立大學所開發之移動床反應器(Moving Bed Reactor),載氧體與燃料在反應器內是以逆流方式流動,轉化效率高,因此可減少反應器體積,降低反應器建造成本與載氧體使用量,可避免載氧體因流體化所產生的碰撞耗損;以使用Fe2O3載氧體而言,流體化床使用量約為移動床使用量的3倍,主要在於流體化床操作時因進行較激烈的混合攪拌,需有較大量之載氧體進行反應 (Fan, 2010)。 二氧化碳捕獲技術在國際上都已有多項實廠操作案例,包括燃燒後捕獲、燃燒前捕獲及富氧燃燒等,不過仍有能耗高、補捉成本不符合經濟效益等困難。以燃煤電廠為例,若結合二氧化碳捕獲技術估算,評估各項二氧化碳補獲程序之發展潛力,結果如表2所示,使用不同二氧化碳補獲技術將可能減少約6至14%的發電效率(Figueroa et al., 2008),經換算後每噸二氧化碳捕獲成本約介於25至60美元,由於化學迴路程序所產生之二氧化碳濃度可達95%以上,因此不需額外捕獲程序即可壓縮、封存。未來化學迴路燃燒商業化之後,其捕獲成本約為15至30美元,較其他二氧化碳補獲程序在成本方面有明顯競爭力(Figueroa et al., 2008)。當二氧化碳捕獲效率達90%以上時,不同煤炭轉化程序結合二氧化碳捕獲技術的能源轉換效率估算結果如圖2(Li and Fan, 2008),合成氣化學迴路程序(Syngas Chemical Looping,SCL)與煤炭氣化結合選擇性氫氣薄膜分離程序(Coal Gasification with H2 Selective Membrane Process)應用於電能或氫能生產的能源轉換效率分別可達約40%與約65%,可視為煤炭氣化程序的改善技術之一。而化學迴路程序應用於煤炭燃燒(Coal Direct Chemical Looping Process,CDCL),其電能或氫能生產的能源轉換效率分別為50%與80%,明顯高於其他煤炭轉化程序。以傳統粉煤燃燒程序為例,若結合乙醇胺(Monoethanolamine,MEA)化學吸收技術捕集二氧化碳效率達到90%時,發電效率將降低約30%,並增加約80%的發電成本;而若應用化學迴路程序,燃煤發電效率可能僅減少約6%,發電成本增加約30%(NETL, 2010; Fan et al., 2012),因此化學迴路程序應用於煤炭燃燒是相當具有發展潛力的淨煤技術。 傳統焚化程序燃燒廢棄物時,焚化爐的操作溫度須保持在850 C以上,以確保廢棄物完全燃燒,因此經常需添加輔助燃料是保持焚化爐燃燒溫度。化學迴路程序可應用於中小型規模的廢棄物燃燒處理,減少或不需要添加輔助燃料,同時亦可提供熱能利用,使廢棄物處理成本可有效降低。 國內曾以移動床反應器對電子業常見廢溶劑異丙醇溶液進行化學迴路燃燒實驗,並在入口及出口端分別各加裝螺旋輸送器,藉由上段螺旋輸送器將載氧體從載氧體儲槽中輸入至燃料反應器內,而下段螺旋輸送器則是將反應後的載氧體排出燃料反應器外。異丙醇水溶液通入氣化器氣化後,送入燃料反應器與載氧體進行還原反應。實驗結果顯示,於24小時連續操作下,燃料轉化率及二氧化碳產率可接近100%,因此以移動床反應器處理有機液體廢棄物,初步評估具有發展潛力(顧洋等,2011;顧洋等,2012a)。 國內並曾選擇熱固型塑膠聚氨酯(PU)及熱塑型塑膠聚丙烯(PP)進行化學迴路燃燒實驗,為提高氣化反應器滯留時間,使用雙套管式移動床反應器,外管作為輸送載氧體使用,內管則是作為固體燃料之氣化槽。實驗結果顯示,固體燃料可在移動床反應器降解,燃料轉化率及二氧化碳產率可接近100%。由於PU及PP可分別提供28及46 MJ/kg的熱能,與煤炭所含熱量相近,因此以化學迴路程序處理廢塑膠,不僅不需要添加輔助燃料即可達到完全轉化之溫度,亦具有產生熱能之附加價值(顧洋等,2012b)。 化學迴路程序亦可應用於氫氣製備,依據不同之氫氣生成反應,化學迴路產氫技術主要可區分為化學迴路重組程序(Chemical Looping Reforming,簡稱CLR)及化學迴路產氫程序(Chemical Looping Hydrogen Generation,簡稱CLHG)兩類。 化學迴路重組程序(CLR)是將燃料與微量的水氣,在燃料反應器進行部分氧化反應(Partial Oxidization Reaction),生成一氧化碳及氫氣。再以水煤氣轉換反應器(Water Gas Shift Reaction,簡稱WGS),使一氧化碳與水氣進行水煤氣反應生成氫氣及二氧化碳,化學迴路重組程序可使用流體化床或移動床反應器進行 (Moldenhauer et al., 2012)。 化學迴路產氫程序(CLHG)則使用移動床反應器,將載氧體於燃料反應器與燃料反應,還原態載氧體再進入氫氣反應器與水蒸氣反應,水蒸氣被還原成氫氣,而載氧體則恢復為氧化態,並回到燃料反應器內持續迴路操作,目前已規劃放大規模至1-10MW化學迴路產氫系統(Zeng et al.,;2012 Cho et al., 2014;Kim et al., 2013; Liu, et al., 2016)。 化學迴路程序可應用於化學品製造,化學迴路氣化程序(Chemical Looping Gasification,簡稱CLG)是將燃料於燃料反應器中以低於燃料理論需氧量之條件下進行部分氧化反應生成一氧化碳及氫氣,並可透過費雪-托普許製程(Fischer-Tropsh,簡稱F-T)將一氧化碳及氫氣合成化學品,目前生產合成氣之化學迴路氣化系統規模約0.3-140kW(Rydn et al., 2006; de Diego et al., 2009; Prll et al., 2010; Luo et al., 2014; Wu and Ku, 2016);或透過化學迴路氣化程序所產出之氣體產物包括CO、H2及CO2,可利用觸媒反應轉化為低碳化學品如甲醇、二甲醚等(Zeng et al., 2012; Bayham et al., 2016)。 化學迴路程序近年來在國際間迅速發展,已被認為是未來深具節能減碳應用潛力的關鍵技術之一,無論在系統、材料及應用方面都有長足發展,但大概仍需經過5至10年的研發來突破各項技術瓶頸。化學迴路程序商業化的關鍵之一,取決於製備載氧體的成本競爭力,因此目前關於載氧體的研究,著重於將低成本的天然礦石或廢棄物等材料,透過改質(如如添加鹼金屬、鹼土金屬與部分過渡金屬氧化物等)製備成具有低成本、良好反應活性及使用壽命長等特性的載氧體,促進燃料轉化率與二氧化碳產率。至於固體燃料的化學迴路燃燒,未來則期望透過氣化技術發展及程序模擬,優化固體燃料燃燒之操作條件,來改善固體燃料轉化效率。有關於化學迴路程序應用方面,除在大型燃燒系統持續進行捕碳應用的研究外,對於中小型化學迴路程序的應用已漸漸受到重視,包括廢棄物燃燒處理、產氫及化學品製造。期望化學迴路程序的持續研發,將更開拓其在減碳、節能、環保等工程領域方面的應用。 顧洋,郭俞麟,曾堯宣,林怡均,2011。「節能性化學迴路反應程序處理電子業廢溶劑之技術開發」,行政院環境保護署創新育成計畫。 顧洋,郭俞麟,曾堯宣,王文,邱炳嶔,吳鉉智,2012a。「逆流式移動床反應器之廢溶劑處理系統」,中華民國新型專利,證書號:M439514。 顧洋,郭俞麟,曾堯宣,林怡均,2012b。「化學迴路程序處理廢塑膠之技術開發」,行政院環保署創新育成計畫。 Adanze, J., de Diego, L. 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發布日期:2017/07/04
資料來源:台北科技大學自動化科技研究所
人工智慧最近在這一波的浪潮下,顯得格外引人注目,舉凡電商、醫療、金融、汽車、機器人等都牽扯到人工智慧,因為在後PC時代,電腦硬體毛利愈來愈低,再加上網路資訊的發達與社交軟體的盛行而產生許多大數據,也因此全世界目前許多商機皆往大數據的應用進行。但有一點必須提醒,唯有大數據並不能直接對商業產生任何效益,而是大數據背後所代表的大知識才是有價值的,所以人工智慧與機器學習扮演了如何擷取大知識的關鍵工具。 在這樣的氛圍下,人工智慧如何應用到機器人將是智慧機器人產業主要關鍵因素。雖然目前機器人的硬體設計不至於達到完美,但設計上都已經成型,例如移動式、雙足機器人、無人飛機。不過目前市場上機器人的應用,還不能見到許多智慧機器人的殺手級產品(Killer applications),主要的原因還是在於人工智慧在機器人上還沒有做到能應付環境多變化性的目標,例如學習如何與人類互動式的談話、動作技能的學習、環境影像識別等。從另一方面來看,人工智慧中深度學習的興起,加速了智慧機器人導入市場的決心,尤其是Google AlphaGo例子告訴大家,電腦是可以戰勝人類。也因此,全世界從事機器人的相關單位開始將深度學習中的多層次神經網路架構配合大數據來解決人工智慧的問題。以下就人工智慧在服務機器人與工業機器人之發展來說明國際上智慧機器人應用的趨勢。 服務機器人顧名思義就是協助人類於食衣住行育樂,目前大部分應用還是以育樂為主,主要應用為與人類進行社交活動的機器人。首先提到的是日本軟體銀行Pepper機器人,它具有影像鏡頭與麥克風,可分別偵測使用者的臉部表情與聲音,進行對話或是簡單接待服務。在今年初舉辦的全球最大消費性電子展(CES 2017)可看到許多公司開始推出自家的社交機器人,包括由麻省理工學院Breazeal教授募資所開發的Jibo、Mayfield Robotics的Kuri、Bosch的Mykie、LG的Hub,此外台灣華碩也有自己的機器人Zenbo(上述機器人圖片詳見圖一)。社交機器人之決勝的關鍵在於人工智慧所提供的影像與語音可否讓機器人在情感上與人類有所共鳴,且機器人如何整合深度學習達到具有線上學習的能力,這些問題都將是研發社交機器人所必須思考的技術方向。 Photos from: http://goo.gl/ijCSxf (Pepper), http://goo.gl/L9VPWf (Jibo), http://goo.gl/TcOMhc (Kuri), http://goo.gl/BwA9Ui (Mykie), http://goo.gl/16WGYG (Hub), and http://goo.gl/VbDxMq (Zenbo). 服務機器人在行的應用包括無人車於清潔與導覽方面的服務,在清潔應用中最著名的就是iRobot掃地機器人,不過目前國內外已相繼有許多掃地機器人的產品推出,可看出掃地機器人的市場已經飽和。至於機器人於導覽方面的應用,比較適用於有大型的場域,例如機場與賣場。韓國在導覽機器人也已投入許多研發資源,例如LG開發Airport Guide Robot(見圖二)可在機場為旅客服務;日本為迎接2020年東京奧運,羽田機場導入17家相關機器人廠商進行打掃清潔、移動支援、諮詢引導三方面服務,例如日本ALSOK的Reborg-X(見圖二);台灣則有金寶集團旗下三緯公司開發的XYZrobot整合型服務機器人,目前已應用在特力屋,此外還有許多學研單位皆有導覽機器人成果。人工智慧於機器人的應用主要技術困難點在於如何使機器人自我建構環境地圖、自我導航、閃避障礙物,不過這些技術在無人自駕車市場發展下也同時一併獲得解決。 圖二、商用導覽機器人(左起Airport Guide Robot、Reborg-X、XYZrobot) Photos from: http:// goo.gl/Tl2MKm (Airport Guide Robot), http:// goo.gl/MHmhSp (Reborg-X), and http:// goo.gl/4yLGS6 (XYZrobot) 不過近年來漸漸有許多國外公司開始開發機器人於廚房或餐廳的應用。Moley Robotics預計開發能做2,000道菜的雙臂機器人(見圖三),此款機器人著重於如何模仿人類手臂動作來煮菜。Moley主要使用Shadow Robot company提供的24關節機器手爪達到動作靈活性,不過它視覺系統尚未成熟,所以食材都必須擺設在預設的位置。機器人於食的應用上,中國是目前提出較多成果的國家,例如山東大陸科技有限公司建立全球第一家以「機器人服務與娛樂」為主題的科技概念體驗餐廳,蘇州崑山也有一家以機器人為主題的餐廳,機器人可以為顧客點菜、做菜、上菜和表演節目。就目前全世界的趨勢來說,服務機器人於食的應用多為展示性質,尚談不上商機,主要的技術門檻在於煮飯工作對機器人來說是一件困難的工作任務,需要控制多關節的手臂與手爪,做出自然靈巧煮菜動作;另一方面,煮菜也需要更高影像辨識技術來辨識食材,導致智慧機器人於食的應用相較於其它應用來的不易。 在工業4.0得推波助瀾下,機器人的角色已不再只能重覆教導軌跡而已,而是具有認知能力的工業機器人。簡單來說,機器人利用搭載的影像與力量感測器解讀環境的變化,再透過人工智慧決策技術規劃機器人的動作,如此才有辦法解決目前製造工廠中產品少量多樣的問題。而目前工業機器人所面臨的應用在電子業包括零件分撿、取放零件、插件、組裝;金屬業所需研磨、拋光;汽車業中噴漆、塗佈、拋光;食品產業所需包裝等。這些應用對工業機器人來說都是挑戰,絕對不是單靠工業手臂動作功能就可完成工作任務,皆需搭配影像與力覺感測,再使用智慧控制才能解決。目前工業機器手臂的使用上,人機協同機器人近年來逐漸嶄露頭角,包括Kuka iiwa與 Universal Robotics機器人,這些協同式的機器人透過關節馬達模組加上力量感測器,可達到直覺式的教導。雖然協同式機器人有簡單的使用方式,但是在機器手臂的重現精度遠不及現有多軸關節式工業手臂,此外手臂末端的力量感測靈敏度尚未有具體數據資料,因此應用上必需謹慎選取,以免無法滿足工作精度要求。除了協同式教導以外,在工業手臂加上Eye-on-hand影像模組也是目前最新的趨勢,Rethink Robotics(見圖四)透過機器手臂上內建Cognex攝像機,同時頂部有另一個像機擷取較廣闊視野,ABB YuMi雙臂機器人與國內達明TM Robot(見圖四)則只有在手臂上內建相機,不過這些手臂皆有協同式教導與攝像機的功能。 圖四、具影像模組之協同式機器人(左起Rethink Robotics Sawyer、ABB YuMi、TM Robot) Photos from: htttp://goo.gl/IkDdH0 (Sawyer), http://goo.gl/CmQ23G (YuMi), and http:// goo.gl/Mk3CEt (TM robot) 目前部分國外機器人廠牌有提供應用端的軟體解決方案,反觀國內從事機器人相關零組件研發的公司大多著重於硬體的開發,對產業的應用軟體解決方案並無明確的規劃藍圖,這樣很容易造成終端產品無法落實到使用者。這邊所提到軟體解決方案,目前較大的機會還是要利用人工智慧技術補足與國外競爭對手的差異,而政府已經意識到此問題,所以陸續投資許多資源補助產學研提升國內在機器人發展的軟實力,並藉由人工智慧相關技術幫助機器人產業的發展。人工智慧於機器人的研發目前主要還是以國內大學院校與法人為主,重點方向為如下。 人工智慧學習的過程中,機器人為了達到像人類一樣靈活的動作,具有冗餘自由度的機器手臂是必需的,好處是可做出避免干涉且靈活度高的動作規劃。此智慧型手臂可透過人工智慧學習高速運動控制用以達成高速運動與減低手臂震盪的雙重目標;智慧型軌跡追蹤與力量控制方面,配合智慧型控制方法可降低機器手臂末端點的移動誤差,可在不確定的條件下達成智慧強健軌跡追蹤控制;最後機器人在動作控制上常常需要搭配力量限制條件,因此同時考慮軌跡追蹤與力量控制的問題亦是智慧機器人需要解決的問題。 智慧機器人可分擔部份人力,解決了製造與服務業勞動力不足的問題。目前工廠使用機器人的工作環境完全與人類操作員隔離開來,以致許多複雜與需要人機分工的工作無法藉由機器人完成;同樣的,服務機器人必須時時刻刻面對人類使用者,並與他們一起合作完成日常工作任務。因此,無論是工業或是服務機器人,都需要與人類協同分工來完成較複雜的任務。人工智慧將用以解決如何機器人與人協同作業,換句話說當機器人與人類在同一個環境下一起工作時智慧演算法需處理如何保持人類安全且達到最大工作效能。此外人工智慧也需解決機器人如何透過示範學習增進自身動作,以Life-long方式循序的學習改進行為技巧能力。 自動搬運車(AGV)於倉儲物流應用日趨重要,機器人於環境地圖建構,以及導航避障的技術皆需要人工智慧的方法來改進,甚至大規模的AGV系統中路徑規劃與任務分派也同樣需使用人工智慧技術解決。目前因為無人自駕車快速發展,相關的軟硬體技術皆可運用在自動搬運車上,例如設計適合人工智慧演算法的電腦與晶片,還有道路辨識與行人偵測等軟體技術。 智慧機器人需要認知了解自己在環境中狀態,包括自身位置與環境周遭事物。認知能力的取得主要透過影像處理技術,其中影像辨識扮演重要角色。人工智慧的機器學習一直以來都在解決分類辨識問題,近年來因深度學習的突破與電腦硬體計算速度加快,幫助了機器學習中模式分類效能。目前智慧機器人研究正在開發透過大量資料收集與深度學習技術辨識人臉與物件,以滿足使用者對服務機器人的期待。 Chatbot機器人的發展也影響了智慧機器人,透過聊天資訊的介面可讓使用者與電腦溝通,其中Chatbot需處理自然語言的問題,而深度學習在這方面的研究也成為近年來最熱門的研究之一。回顧Turing對人工智慧的所下的操作定義,當機器人可以不被人類發現是它與人類對話時,人工智慧就進步了一大步。有了聊天機器人,再搭配語音辨識與合成技術,服務機器人應用將會更多,因此目前國內亦有許多產學研單位在中文語音與自然語言處理有所投入。 目前人工智慧與智慧機器人皆是國際上最熱門的議題,2016年市場上機器人相關公司的收購金額高達160億美元以上,且人工智慧也是後PC時代全球產業所冀望的一個技術出口,因此如何緊密地結合這兩個技術,將會影響未來世界科技發展與改變生活型態。以服務機器人來說,所有產業都想辦法將人工智慧導入機器人中,不過當軟體與硬體平台尚未整合周全導致人工智慧的服務還不到位時,業者就急於推銷機器人,不免有雷聲大雨點小之疑慮。另一方面,目前人工智慧在工業機器人的應用甚少,主要原因來自於製造業者還脫離不了傳統大量製造的思維與智慧機器人於工業上應用可行性的疑慮,所以機器人還是被要求執行固定的動作工序,停留在工業3.0階段。不過在這關鍵階段,是否能提出有效明確的技術說服製造業者導入智慧機器人,將未來研發布局策略。以下針對人工智慧於下階段的研發布局策略說明。 機器人與物聯網的結合下,智慧機器人的控制將不再只是一對一的進行控制,還可執行一對多、多對一,或是多對多的控制,這將提升整體的執行效率;且在與物聯網的結合下,智慧機器人將不再是單獨的個體,除了機器人與機器人之間可以進行溝通外,機器人還可透過網路與人進行交流與溝通,解決穩定性、任務完成性與學習能力的問題。此外物聯網機器人利用雲端將數據儲存,透過雲端計算可以進行於感測數據、學習、運動規劃的平行網格計算統計分析,甚至做到集體學習,並提供最佳的配置與發佈。 機器人就是一個高度整合的系統,其中包含感知、決策、控制等許多技術,每項技術都足以成立一家公司;但反過來說,任何單獨一項技術也不足以完成整體智慧機器人應用。智慧機器人系統複雜度仿如無人自駕車系統需整合許多相關技術服務,機器人牽涉到IT技術、電子感測組件、晶片與嵌入式系統、網際網路服務、系統整合商等,因此如何從系統的角度切入設計機器人並整合技術供應鏈,完成從感知訊號搭配人工智慧決策系統以致產生靈活動作,才能開發出較佳的智慧機器人。 對第一線的製造工廠而言,是否願意建置智慧機器人產線,投資報酬率是其中主要關鍵考慮因素。正因如此,當導入智慧機器人的同時,若無法以很短時間把產線調整好,很有可能將會失去原本的產能並造成極大損失。為了避免讓業主有這樣的疑慮,下階段智慧機器人必需很明確提出實用且已經在某些示範工廠驗證過的模組,至於哪些模組是製造業廠商所需要的,必需對各產業的製造工藝有所了解才能定義與開發實用的功能模組。 深度學習在這波人工智慧浪潮佔有舉足輕重的角色,深度學習是否能夠落實到機器人,仰賴機器人是否有足夠的計算能力。當我們發現Google AlphaGo使用1,202個CPU及176個GPU並產生上萬瓦的功率,我們就知道人工智慧目前還不足以戰勝人類。未來人工智慧能實際地應用到機器人上,機器人需搭載著高計算密度與低能耗的硬體,否則機器人可能使用不到幾分鐘就必需充電。
發布日期:2017/06/06
資料來源:中央大學資訊工程系
身處在資訊快速傳播時代中的我們,對於資料的保密逐漸重視,進而提升對身分認證系統的需求,該類型系統應用範圍極廣,從政府機關管制區出入到日常生活中的網路消費行為,可說是隨處可見。而傳統的身分認證方式如證件出示、帳號與密碼的輸入、機器讀取晶片卡等,它們多半是基於「我知道什麼」或「我有什麼」的原則下來設置,容易發生被自己遺忘,或是被有心人士盜用的情況。有鑑於此,近年來愈來愈多身分認證系統利用生物特徵 (Biological Feature)作辨識,此種方式是基於「我是誰」的認知,較常見的生物特徵包括虹膜、面貌、指紋等生理結構,或是簽名、姿態、走路步伐等動態行為。它們具有極難被猜出、分享、偽造的特性存在,也幾乎不會隨著時間而改變,是相當穩定的因子。 以手寫簽名(Handwritten Signature)作為一種生物特徵應用在身分認證上,具有很多優勢,除了被應用在需要提供權限的場合中,例如:使用信用卡消費的賬單簽收,相較於其他生物特徵在辨識時,使用昂貴的硬體設備來擷取資料,簽名認證只需透過簡單的手機或平板電腦,透過離線(Off-line)或是線上(On-line)的方式,取得使用者的手寫資料即可。 簽名認證的研究已經發展多年,擁有相當豐富的研究成果。然而,其資料來源絕大多數是透過掃描機得到的二維影像;或是從觸控螢幕上取得的二維簽名軌跡(如圖1)。由於二維的簽名軌跡僅帶有外觀資訊,如尺寸大小或筆劃方向等,因此容易遭人模仿,產生難以分辨的仿造簽名,導致系統保護機制遭到破解。有鑑於此,空中的手寫簽名便成了值得探討的研究議題,比起傳統的手寫簽名影像,空中手寫簽名(如圖2)多了「深度(Depth)」資訊,並且將手寫範圍從二維平面提升至三維空間,能參考到的資訊量相較於二維影像會更多,很難被其它人臨摹,再者增加以何種簽名樣式,更能有效地提升仿簽的困難度。 傳統上,基於影像的手寫簽名認證,已經有許多學者投入研究多年,不論是線上或離線的處理模式,相較於空中的手寫簽名來說,成果相當豐碩。但可惜的是,許多能對二維手寫簽名提取出來的特徵,並不適用於空中手寫的情境上,因為使用者在空中進行手寫時,不像接觸平板那樣,可以藉由提筆與收筆的時機點來決定系統何時該記錄軌跡與輸出結果,而且不同使用者的簽名而言,在風格上會存在著差異性。舉例來說,中文簽名通常由兩到三個字所組成,使用者在看得到的書寫區域上簽名,字與字之間通常會有相當大小的空白區域(如圖3)產生,這種在影像上所擁有的空白區域,可當作是一種個人的簽名習慣。但在空中手寫簽名中,因為不存在實際的書寫區域,手寫時無法推斷字與字之間是否重疊,容易造成所有的筆劃都擠在一起,無法找出字與字之間存在的間隔(如圖4)。但某些手寫特徵,例如:手在移動時產生的加速度,卻十分適合在三維空間中手寫的情境,可惜運算複雜,背後會牽扯到許多的數學理論,必須在軟體實作上花費些心力,可謂事倍功半。 拜科技進步之賜,空中手寫的研究在近年來已有所突破,從早些年前使用攝影機追蹤手部移動軌跡,到今日各式各樣的體感設備或電子儀器。例如:Kinect(如圖5)、Myo手環(如圖6)、陀螺儀與加速規等,這些裝置的出現,大大地降低開發空中手寫應用時的困難度,導致各項學術研究與商業服務傾巢而出,擁有相當豐碩的成果(如圖7)。觀察目前國際間研發潮流乃是著重於如何穩定地以一般CCD攝影機追蹤使用者手寫時的指尖並無須配戴任何其它裝置即可完成凌空手寫字。 考量到何種簽名樣式能有效地提升仿簽的困難度,以及適合國內學者著手研究的特性,那麼規定為中文字進行空中手寫簽名認證再適合不過,中文除了是我們平常所熟悉作為溝通的媒介外,較注目的地方在於中文的書寫規則比起其它語言更加複雜,以ㄧ個中文字來說,就可能同時存在好幾組不同的筆劃結構;況且也不是每個人書寫習慣都能一致,就算針對同一結構的筆劃,不同的筆順也會影響其間手指的起落跟運轉,如此一來,特徵的變化程度將會更加豐富,有效阻絕系統資料遭到竊取。以圖8為例,使用者凌空手寫中文字時會產生實筆(藍色)與虛筆(紅色)兩種筆順,由於虛筆筆順亦包含了使用者的書寫習慣,因此可以作為簽名認證的特徵。由於我國是少數使用繁體中文字的國家,因此國內學者對於擷取使用者於中文字簽名認證時的生物特徵具有相當的優勢與經驗,而目前中文簽名認證系統中,以鴻海所投資的AirSig最為著名,其使用者可將手機當作筆並凌空進行中文簽名認證,未來若能讓使用者直接凌空寫字簽名而無須配戴或手持任何裝置將是研發趨勢。 由於簽名認證系統刻意可以讓使用者不必在規定的筆順下來進行簽名以提升生物辨識的鑑別力,每位使用者就能創造專屬於自己的簽名模式,把在此手寫筆順下所產生的簽名軌跡當作密碼,設定於系統來保護重要資訊。此外,在相關的應用上,凌空手寫的人機互動模式,將可以用於智慧電視的遙控、智慧家電的操作、汽車導航系統的文字輸入與認證等等,又例如近來受到重視的FinTech亦需要個人身份認證系統,未來則可以讓使用者直接裝設在認證平台CCD攝影機(如智慧型手機的自拍相機)前進行凌空簽名認證,相信會是在人機介面應用中的重大突破。 [1] 連俊宇,基於Leap Motion 之三維手寫中文文字特徵擷取.國立中央大學 資訊工程所碩士論文(2014) [2] 朱啟文,基於Leap Motion之三維手寫中文簽名確認國立中央大學 資訊工程所碩士論文(2015) [3] 蔡宗憲,基於Kinect之線上手寫文字辨識系統國立台灣海洋大學 資訊工程所碩士論文(2014) [4] 凌于翔,基於生物特徵之空中手寫中文簽名身份認證國立中央大學 資訊工程所碩士論文(2016)
發布日期:2017/06/06
資料來源:交通大學/義守大學/遠東科技大學
依據聯合國資料顯示,全球老年人口(60歲以上年齡層)預計在2050年達到200億,銀髮族的健康照護及社交關懷成為全世界最重要的議題之一。其中,銀髮族常由於身體機能及肌肉力量下降,容易出現行走不便的情形,往往需要龐大的人力照護。另一方面,隨著機器人在智慧、機構、與動力上的進步,機器人在居家生活服務的應用上,在國際間已受到廣泛的注意,當今除了美國、歐洲、日本等機器人先進國家外,韓國與中國在近年也投入許多資金與人力;目前此類型機器人可應用於行動輔助、購物載送,與健康管理等,能有效提升生活品質,降低社會人力成本支出,具有很高的實用性。 行動輔助器的產品種類繁多,根據其功能用途及使用者身體狀況,大致可分成手杖、助行器、電動車及輪椅等四大次領域產品。以銀髮族最常使用的助行器與電動車來看,到2020年,兩者市場規模合計將高達26億美元,具有龐大的商機。如表1所示,目前市面上已有許多助行器提供行動不便者行走輔助,包括無動力與電動助行器。無動力助行器常裝置有雙前導向輪與雙後向輪,可藉由手動剎車增加穩定性,但對握力不佳者較不方便;為了更有效率地輔助行走,日本RT.2電動助行器雙後輪裝置有獨立驅動馬達,提供行走、置物、與上坡等之動力輔助,並具阻尼減速功能,最大置物重量5kg,可上爬之最大坡度為7度,最高時速為6km/h,同時提供座椅讓使用者坐下休息,座椅最大承受重量達100kg;日本幸和製作所也發展類似之動力助行器WAW10,電池續航時間4小時;日本Nabtesco CONPAL發展雙阻尼減速後輪,不提供動力,但可增加助行器穩定性,相較於馬達動力助行器,安全性較高;歐洲也有LEA、beactive+ E、ello等電動助行器商品,功能接近上述商品。 以表1所示的行動輔助器來看,非動力助行器以其輕便與低價位因素仍為主流,而電動助行器因其具備驅動或減速機電與感測等零組件,價格明顯較高。但若以未來老人生活型態及高齡化社會考量,電動助行器的需求正逐漸增加中,它們不僅提供協助銀髮族行動上的輔助,未來更有機會因應他們在健康照護以及社交參與上的需求,提供更全面、便利及安全的輔助。因此,行動輔助機器人的開發方向開始由完全被動、由銀髮族操控,轉化成賦予其智慧能力,使其擁有感測、判斷能力,同時也能夠偵測使用者的意圖,完成自主動作,並善用協同控制機制,強化使用者與機器人之間的互動,極具機會成為銀髮族生活上的好夥伴。 由此可見,具動力與智慧的行動輔助器確實深具潛力,但現有產品功能仍然有限,價格也偏高,市場的接受度、系統的友善度、技術的成熟度,以及產品的價位將是挑戰。尤其,主流的產品大多止於提供動力輔助使用者行走,尚無意圖操控、避障導引,與智慧化輔助等功能,也因此,在行動輔助機器人系統上發展相關感測、操控與智慧模組,成為國際研發新趨勢。 目前國內學界已有相當多的機器人研究團隊,包括台大、輔大、交大、中興、中正、成大、中山等,在行動輔助機器人感測、操控、與智慧之研究上均獲得不錯的成果,涵蓋影像步態分析[1]、順應性控制[2]、定位與智慧型操作[3]、語音辨識[4]、模糊速度調適與坐走兩用[5]、使用者行為模式學習[6]、監控及呼叫服務[7]等功能。我們團隊長期致力於研發智慧型行動輔助機器人(圖1),發展出被動導引控制方法[8],以使用者推力為動力來源,機器人則隨著環境狀況和使用者推力適時提供煞車力矩,達到移動與轉向導引的功能,由於使用者可自主掌控機器人前進,具一定之安全性。同時為協助使用者在斜坡上行走,也發展主被動控制方法[9],以主動控制方式進行斜坡重力補償,協助使用者輕鬆上下坡,結合被動控制的方式讓使用者得以掌控機器人,並可導引使用者準確到達目的地,高度提昇行動輔助機器人在戶外使用的實用性。 由於行動輔助機器人應該以使用者為依歸,必須隨時了解他們的操作意圖與身體狀態,為了讓行動輔助機器人可用來幫助行動不便的銀髮族,使他們可以行走得更穩,我們團隊設計出握力感測手把[10],讓機器人即時得到使用者的操作意圖。此握力感測手把低成本,具高可靠度,對銀髮族來說也不需要學習複雜的設定方式,操作相當順手。在此被動式行動輔助機器人的操控中,系統根據使用者握力意圖進行行動輔助,將使用者意圖分為前進與轉彎二個選擇,並提供路徑規劃功能,可自行導引使用者行走。 另外,基於我們對人體行走、轉向運動的觀察,髖部轉動與身體轉向具一致性,因此設計出非接觸式髖部角度量測裝置[11],以提升機器人操控性。此裝置可即時偵測使用者轉向與身體位置,由於手的施力直接關連到使用者意圖,我們結合使用者施力與髖部角度之量測資訊,準確進行意圖識別,並發展因應之操控方法。在此操控系統下,機器人不需事先規劃路徑,並允許使用者完全掌控行動輔助器之移動。我們也邀請長輩於真實環境進行測試,使用者皆感受到操控系統確實能在轉彎過程中提供適當協助,而在前進移動時,也能配合使用者推力施加適當煞車力,達到穩定行走的效果,測試結果驗證所提出的系統確實具可行性與成效,可望在居家生活環境中成為銀髮族的好幫手。 檢視助行器的發展過程,大部分技術開發集中於硬體系統架構以及各元件之間的關係,多採簡單的控制架構,以滿足銀髮族基本行走的需求。但對於多數國家邁向高齡化、少子化的社會,銀髮族除了行走外,對於居家照護及社交參與的需求日益殷切,因此,未來行動輔助機器人的研發布局策略應以多元應用為基礎,除深化整體控制架構與方法,並納入使用者操作分析模型作為研發方向外,同時應積極建立行動輔助機器人的價值鏈系統。 也因此,未來智慧型行動輔助機器人,除了作為助行器之外,也應從提供銀髮族行動輔助開始,陸續加入其他的功能,進一步成為使用者生活中不可或缺的好夥伴。在技術進展與市場需求的雙重推動下,建議優先涵蓋電動車與服務型機器人兩個範疇(圖2),並且深入探討相關重要議題,例如全球及台灣行動輔助機器人發展現況及趨勢、智慧行動機器人之市場區隔因子、以及創新的商業模式等,以期有效協助廠商降低產品開發風險,加速行動輔助機器人商品化。在此同時,台灣應善用現有之硬體及元件開發技術,加強系統整合能力,期能透過掌握行動輔助機器人商品化關鍵,成功開發出具高附加價值之產品,有效促進廠商建立價值鏈系統,以提升產品國際競爭力。 圖2 智慧型行動輔助機器人未來發展市場範疇 參考文獻 C. D. Lim, C. M. Wang, C. Y. Cheng, Y. C., S. H. Tseng, and L. C. Fu (2016)。Sensory cues guided rehabilitation robotic walker realized by depth image-based gait analysis。IEEE Transactions on Automation Science and Engineering。13(1), 171-180。 林振暘(2008)。基於馬達電流量測之行動輔助機器人順應性控制。國立交通大學電機與控制工程研究所碩士論文。 王郁昇(2007)。主動式老年人行動輔助器之定位與智慧型系統操作。國立中興大學電機工程研究所碩士論文。 C. Y. Liu, T. H. Hung, K. C. Cheng, and T. H. S. Li (2013)。HMM and BPNN based speech recognition system for home service robot。International Conference on Advanced Robotics and Intelligent Systems。 施冠廷(2007)。具模糊速度調適之全方位坐走兩用行動輔具。國立中正大學光機電整合工程所碩士論文。 黃培倫(2012)。智慧型行動輔助機器人之設計與實現。國立中山大學機械與機電工程研究所碩士論文。 駱奎延(2010)。具有監控功能及呼叫服務之移動式老年人行動輔具機器人。輔仁大學電機工程研究所碩士論文。 C. H. Ko, K. Y. Young, Y. C. Huang, and S. K. Agrawal (2013)。Walk-assist robot a novel approach to gain selection of a braking controller using differential flatness。IEEE Transactions on Control Systems Technology。21(6), 2299-2305。 C. H. Ko, K. Y. Young, Y. C. Huang, and S. K. Agrawal (2013)。Active and passive control of walk-assist robot for outdoor guidance。IEEE/ASME Transactions on Mechatronics。18(3), 1211-1220。 Y. H. Hsieh, Y. C. Huang, K. Y. Young, C. H. Ko, and S. K. Agrawal (2016)。Motion guidance for a passive robot walking helper via users applied hand forces。IEEE Transactions on Human-Machine Systems。46(6), 869-881。 Y. H. Hsieh, K. Y. Young, and C. H. Ko (2015)。Effective maneuver for passive robot walking helper based on user intention。IEEE Transactions on Industrial Electronics。62(10), 6404-6416。
發布日期:2017/06/06
資料來源:國立台灣科技大學機械系
工業機器手臂已經在世界上很多工廠內使用了幾十年,截至2016年止,全球銷售的多軸工業機器手臂中的70%,僅被使用在汽車產業、半導體產業和面板產業等少許產業內。為何機器手臂無法全面地被使用在各種產業的產房內取代人力?主要原因有三:(1)定義讓機器手臂執行每件工作內容的難度高,開發時間長、(2)建構有效配合機器手臂執行工作的環境和設施所需的昂貴成本,和(3)機器手臂的建置成本。隨著人力成本逐年增加和人力資源掌握度逐年惡化,上述三個原因中的第二和第三項有關成本因素的關鍵度也逐年消失中。有遠見的製造業管理菁英很容易可以看出使用機器手臂來提升生產自動化程度的必要性日益增加,投資成本建構使用各式機器手臂系統的智慧自動化生產線應是不二選擇。剩下的關卡就是如何排除上述第一項「定義讓工業機器人成功執行每件工作內容的難度高,開發時間長」。 多軸機器手臂執行組裝工作難度高的原因有很多,其中以下三種為關鍵挑戰: 高可靠度機器夾爪設計不易 人類可以靠靈活的一隻手來抓取不同形狀和尺寸的物件,但是機器手臂需要靠裝置在手臂末端的終端效果器來抓取物件。目前工業界最常使用來夾持物件的終端效果器是具備一對可平行移動的單一自由度的兩爪夾持器(gripper),和三爪同步向內收縮的三爪夾持器。使用這種夾爪時,需要根據物件待抓取部位的幾何外形特徵設計出對應較可靠夾持的特定外形爪片。對單一物件設計專用夾爪需要注意很多細節,對具有較複雜外觀形狀的物件設計出可穩固抓取的夾爪有更高的難度。可對多種不同形狀物件穩健抓取的泛用型夾爪為多手指夾爪,英國Shadow和德國Schunk公司生產的精品五指機器手(20 dof)售價都超過300萬元(台幣,以下皆同),不符合大眾生產線需要。Robotiq公司生產的雙指機器手掌和三指機器手掌(售價分別為約15萬元和50萬元),可掌握抓取許多任意形狀的物件,但是抓取後物件在手中的位置往往無法精確判斷。 組裝裕度小,且存在多種類別誤差 產業上對許多不同物件的不同操作的加工精度要求不同,絕大多數的物件組裝的插入件(零件)和待插入零件的組合件間容許的對準位置誤差通常都在0.20-0.50mm之間。工業手臂的重複精度約在0.02mm~0.05mm之間,對組裝而言算是精準。但是三種可累積的組裝誤差,包含定位誤差、外形誤差和抓取誤差等,有可能讓機器手臂無法正確對準,順利完成組裝。首先是定位誤差,組合件較容易定位,但是放在塑膠萃盤內供料的零件的定位誤差範圍在0.20mm~1.5mm間。組合型零件,例如風扇,本身的製造誤差和外形變化也會造成0.05mm~1mm間的誤差。機器手臂抓取物件時有時候會產生滑動,也會產生0.1mm~1mm間的誤差。這些誤差累積如果大過於組裝的容許對準誤差,機器手臂就無法順利完成插件。 機器手臂缺乏足夠知覺和應變能力,組裝可靠度不易提高 對很多組裝裕度(allowance)很小的組裝項目,人類往往先使用視覺引導抓取零件接近和甚至插進組合件開口部,再接收零件接觸組合件的接觸力執行順應性姿態調整,讓零件以最小阻力方向插進組合件。缺乏這些感知和控制功能的機器手臂執行組裝時,如遇累進誤差較組裝裕度大時,組裝會經常失敗。然而具備讓機器手臂系統具備充分的力回饋控制能力和建立高效率的視覺對準技術是相當困難的挑戰。 從以上分析看出,使用機器手臂執行高可靠度的物件自動組裝需要一些技術水平很高的智慧自動化關鍵技術。這也說明全球成千上萬的工廠內,眾多的組裝生產線工人為何還繼續存在這已經到處高度生產自動化的產房內。 在一條3C和類似產品組裝線上執行智慧自動化工作的流程和所需關鍵技術如圖1所示。機器手臂首先必須以手掌(夾爪)將物件精確地抓取。假設機器手臂抓取的物件都放置在被精確定位(定位誤差d 0.5mm)的固定位置,則機器手臂可沿預先以軌跡規劃(A)技術產生的移動路徑到預設位置抓取該物件。如物件因軟性、製造變異性、材料變形等因素而無法被精確定位(定位誤差0.5mm d 10 mm)時,將必須使用視覺伺服技術(B)協助執行自動精準抓持物件。無論是到固定位置抓取或使用視覺伺服技術導引機器手臂抓取物件,皆無法保證夾爪跟抓取後物件間的相對位置是精準的(位置誤差d 0.5mm),原因包含物件的幾何形狀變異性大、未設置專供機器手臂夾爪夾持的精準夾持面、和很難在物件上找到合適的夾持部位,這些現象都讓機器手臂抓取物件後產生位置誤差,因此良好的夾爪設計(F)技術可協助設計出可較可靠和精準抓持的夾爪。當夾持在機器手臂夾爪內的零件的位置不能確認其精準度時,可使用外部相機擷取夾爪夾持零件的影像,並使用影像定位技術(C-1)進行該零件在夾爪內實際位置的計算,得到該位置資訊後可以用來自動調整可精準將該零件插進組合件的手臂末端姿態。為更精確地讓不同單位的技術人員解讀容差,本計畫書內所有的定位誤差d 0.5mm就是指物件的實際組裝對準位置跟標準(設計)對準位置的誤差d,需在相關標準(設計)值0.25mm內。 當零件組裝容差(指零件插入另一組合件時可允許的對準位置誤差)大於 1mm時,即可將夾持在夾爪內的零件依據預設的軌跡或根據影像定位後調整的姿態沿組裝線插入組合件,但是如果該組裝的容差小於 1mm時,還是有機會無法直接將零件插入組合件內,而是將零件的插入端撞上組合件插入口兩側牆壁上。如果預測這種現象容易發生,就需要使用另一種影像定位技術(C-2)-也算是一種影像為基的視覺伺服技術,利用夾爪旁裝設的相機對被插入物件擷取的影像來微調組裝時手臂末端角度和位置。這可提高組裝容差值偏低情況的組裝成功率。 結合上述技術使用機器手臂的夾爪將零件開始以某一方向插入組合件時,可有兩種選擇。第一種就是不參考任何組裝過程中機器手臂夾爪感受到的反作用力,全程使用預設軌跡進行組裝。第二種就是裝置六軸力感應器在手臂末端,收集夾爪夾持零件進行組裝過程中跟組合件接觸所產生的反作用力(三軸力和三軸力矩),再作後續判斷和反應。這種力回饋控制(E)系統可在執行各種組裝動作時,使用力回饋資訊來偵測組裝方向錯誤、調整組裝方向,適時停止組裝動作,和引導繼續完成組裝行動。 機器手臂執行完預設的組裝動作後,可使用影像檢測(D)來協助判斷該組裝動作是否完成。影像檢測(D)除了可檢查該項組裝是否完整和正確外,也可以同時用來進行產品的外觀瑕疵檢測和零件是否缺漏? 這種影像檢測(D)工作屬於AOI(automatic optical inspection)技術範疇,只是這裡不做小區域平面檢測,而是延伸到大範圍的組裝3D現場。 基於影像的視覺伺服(Image-based Visual Servoing - IBVS)為組裝工程中核心關鍵技術之一,任務是全自主控制裝設相機機器手臂的運動,讓被定義在影像空間預設位置的控制點可在其他任意初始位置狀態下全自動移動回預設位置。換句話說,終端效應器的運動軌跡控制,是以滿足影像空間的條件,而不是工作空間的定義與約束條件。控制點的設定可採用四點人工路標(artificial landmark),如圖2中的四個綠點被用於人工路標,定義在影像中的預設位置。也可使用幾種自動特徵擷取法,例如SIFT和SURF等,來定義影像內預設特徵位置。圖3顯示PCBA上待組裝零件位置的背影影像上自動擷取出的特徵點(當成路標),和不同位置取像後特徵匹配的結果。如何在複雜背景下,自動選取和定義出強健的特徵路標,並在執行影像伺服過程中也能持續有效篩選出固定組合路標,是技術發展重點。 使用機械手臂在執行組裝任務時,需要與環境互動,因此手臂執行運動並掌握準確度上,使用力量資訊來進行運動控制極為重要。以圖4列舉幾種相對契合物件的位置關係,用來說明幾種組裝的挑戰,並說明力回饋控制技術的應用時機和價值。最左圖表示契(插)入銷(直徑D)正確地被移動到被契入孔(直徑W)正上方,因W稍大於D,如契入方向與該兩物件的長軸方向一致,則可順利完成契入動作。左二圖代表因為契入銷放置位置不正確或夾爪抓取後位置不正確,造成契入時有平行位置誤差,契入銷的下緣將無法進入下方孔的孔口內,如能獲得力回饋資訊顯示將產生失敗的組裝時,系統將自動停止組裝。中央圖表示,既使能夠將上方銷插入下方孔的孔口內,如果契入方向跟孔的長軸方向不同,如無力回饋控制來即時調整契入方向,該契入也將失敗。工業設計實作上可將孔口製作導角(右三圖),甚至也在銷上製作導角(右二圖),以增加銷進入孔的孔口的機會。但既使銷的下端已進入孔口內(右一圖),如果契入方向跟孔的長軸方向不同,如無力回饋控制,即時調整契入方向,該契入也會失敗。既使如最左圖所示的機器手臂將物件移動到預設正常對準位置,但如果底下物件的軸向位置發生誤差(位置誤差、製造誤差、或抓取誤差),則可能發生未完全契入情況,或過度契入(會產生撞擊並可能產生銷或孔材料或結構的破壞)。這時使用力回饋資訊,可以偵測契入過程是否正常,和是否已完成完全契合,以便主動停止銷的前進運動。 視覺技術可以彌補零組件定位不足的缺點,目前較普遍使用的技術是以影像為基的視覺伺服技術(IBVS)。這套技術的效率化執行目前是個瓶頸,一次執行IBVS,視初始誤差程度,平均需要6秒-15秒的時間,這對需要快速生產的3C產品生產線而言太慢了。這時間慢的缺點來源包含控制迴路難以快速收斂、背景穩健的路標產生不易、和跟機器手臂控制器快速溝通管道有限。如果使用的工業手臂控制器內沒有內建的影像伺服模組,那將無法直接指揮軸角的轉速,取代地以位置命令執行視覺伺服,效率無法完全發揮。控制技術的提升和背景路標的快速計算和產生具有大量進步的空間。目前大量物件生產線上很少使用3D視覺技術協助定位,隨者3D視覺技術的精進,如何應用3D視覺技術來提升物件定位的時間和精度,也有很大的發展空間。 零件萃盤的全自動運補和管理 人力生產線最常看到產線旁堆放不同零組件萃盤的台車,當需要補充某些零件時,由工人自行拿取萃盤後放在零件供料區。當引進機器手臂組裝系統後,最大的衝擊是許多的零組件供應必須持續自動補充,組裝的半成品也必須持續地放置回萃盤,再轉移到萃盤車上。考慮開發機器手臂自動組裝系統時,必須同時設計零組件全自動供應和卸貨系統,否則後者的延後開發和設置,將拖延整條產線可以正式生產的時程。 為方便機器手臂操作改變設計(Design for Robot Operation) 在機器手臂進入生產線替代人力進行自動化工作前,絕大多數產品的設計都沒考慮到機器手臂因素。一件產品由許多零組件依序組裝完成,過程中不同外形和尺寸的零組件都藉由工人靈活的雙手抓取和操作,有時再併輔以手持工具完成。由機器手臂系統取代人力進行組裝時,常發現物件外形的設計缺乏可靠的夾持點,當機器手臂上的夾爪進行抓取時很可能產生抓取誤置偏差,影響組裝可靠度,許多組裝位置和動作需要人工使用靈活的手指進行複雜操作才能完成,這種情況很難製作一套機器手臂和夾爪組合來取代。因此,為考慮機器手臂方便操作而設計(Design for Robot Operation)值得重視,在設計時盡一分心,實際由機器手臂系統執行組裝時可以省五分力,增加十分的可靠度。部分的考慮重點如下: 由機器手臂抓持的零組件需要設置精度足夠的抓取區域。 由於機器手臂夾爪本身佔據不少空間,移動時也需要一些額外空間,因此組裝操作位置不宜安排在狹小角落位置。 各種零件萃盤的設計需要考慮更多的零件抓取空間和位置。 需要精密組裝零件區域的背景可設置供視覺伺服定位的人工路標,以方便執行並提高效率。