第220期 / February 5, 2016

產業觀察

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發展中的物聯網與智慧城市

作者/唐啟祥

[發表日期:2016/2/5]



物聯網的下一頁應用-智慧城市快速發展中

最近有幾則關於「智慧城市」的新聞:首先是白宮宣布斥資50億啟動新「智慧城市」戰略,包括60項城市計畫將於2016年啟動,投入超過1.6億美元(約臺幣50億元)啟動新的「智慧城市」發展計畫,這是美國「智慧城市」整體戰略的一環,透過中央提供的龐大資源,來與全美超過20個城市共同合作。其次,是英國要建造「物聯網」專用網路,2015年打通全英10城市物聯網路,英國計畫將建造高速網路外新的「物聯網專用網路」,以因應未來數百萬臺物聯網公共設備的連網需求。第三則是基隆市、台中市與科技大廠思科簽署了「智慧城市」合作備忘錄,台灣很有機會在「物聯網」及工業4.0 的全球供應鏈中扮演關鍵角色。思科將在基隆成立創新中心,這將是繼西班牙巴塞隆納、韓國松島等思科全球九個創新中心外另一個研發地點。同時台中市「智慧城市論壇」發表致力於「智慧城市」,以「智慧交通」切入參加IBM 2015年「智慧城市大挑戰」,躋身前16個入選城市。

所謂「物聯網」

談「智慧城市」之前就一定會由「物聯網」發展來看。「物聯網」的概念起源於 1995年比爾蓋茨的「未來之路」一書,2005年ITU正式提出「物聯網」這個詞,隨著無線網路、硬體及感測設備的逐漸成熟與小型化,實現的程度愈來愈貼近人們的生活。從推動經濟發展的角度來說,作為電腦、互聯網、移動通訊後又一次的信息化產業浪潮;從長遠來看,「物聯網」有望成為後金融危險時代經濟增長的引擎。台灣的「物聯網」、「車聯網」相關個股近二年來夯到不行,可見一斑。

「物聯網」與我們熟知的「互聯網」之間的區別與連繫可從兩個部份來看:

1.「物聯網」應用系統運行於「互聯網」核心交換結構基礎上,並根據自身需要選擇RFID或無線感測網路的接人方式。

2.「互聯網」系統通過Telnet、FTP、Web、P2P等人工方法獲取數據信息,而「物聯網」則是通過RFID、感測器自動獲取,傳輸內容主要為RFID數據信息,包括物品名、物品編碼、物品製造商、製造時間等。而「智慧城市」則是「物聯網」應用之一,以感測器為基底築起的硬體網路、透過無線網路串連到現有的「互聯網」或另外建構專屬核心網路、資訊處理系統透過分散式霧運算或集中式雲運算中心。的以台灣的實際情況而言城市中的光纖覆蓋率超過95%,而4G接近100%而Wifi則有因城市而有所不同。

智慧城市中的物聯網應用

這是一個正在進行中的現象 –「智慧城市」 的舉措越來越多。在全球中城市紛紛採用了智慧技術,包括高速光纖網路、物聯網、SDN及NFV,以提高他們社區的宜居性、可持續性及效率。公共服務的項目包括推動藝術文化、改善空氣品質、改善交通、犯罪打擊與維安、節約能源、有效使用水資源及健康等等,積極影響人們的生活。

「物聯網」設備對於智慧城市至關重要。例如,安全攝影機、智慧電錶、智慧交通燈號、天氣與二氧化碳傳感器等等,所有數據傳輸到中心處理與分析,用以緩解交通、查明漏水、方便停車、改善空氣品質等等。而所有資料流均需透過光纖網路傳送、SDN靈活調配、通過NFV支持負載平衡之服務鏈。

美國新智慧城市戰略起飛,這些新智慧城市戰略突然出現在美國各地。這些項目背後的一個關鍵球員是US Ignite,這是美國國家科學基金會和白宮辦公室底下科技政策的合資企業,其匯集了產業界,學術界和政府合作夥伴,以幫助創建下一代「互聯網應用程序」,其提供變革性的公益目的。開放網路基金會(ONF) 應用程式開發的重點是被視為國家優先的六個方面:教育和勞動力、能源、健康、公共安全、運輸、和先進製造業。在未來五年內,合作夥伴生態系統預計將在200多個社區試驗床,提供數十個應用。與其他「智慧城市」的努力,開發商正在利用高速,低延遲網絡(關鍵處理未壓縮的視頻多路雙向流),以及SDN和OpenFlow。 SDN將提高在網絡路由和優化控制,以利用匹配整個網絡的應用需求,並支持分佈式可編程資源的虛擬網路。

「智慧城市」顯現各種各樣其中之一的問題就是停車場。以英國米爾頓凱恩斯這個城市而言,英國電信集團(BT)的力量聯合英國開放大學及其他合作夥伴成立了「智慧城市」的合作,以幫助支持城市的擴張,同時滿足消費和碳減排的目標。估計全市將需要一些1.2萬個停車位,到2020年將再增加50%。他們的「智慧城市」項目的目標之一是確定自由空間並將該信息發送到路邊顯示器和智慧手機應用程式,引導司機停車位。最大限度地利用現有的停車設施以減少需要新的基礎設施,以及減少燃料的使用和尋找停車位的車輛所需碳排放,估計105億歐元。最初的試點在城市的火車站推出來管理短期停車位。安裝在每個停車位傳感器檢測到車輛的抵達和離開,並以無線方式發送信息。以燈桿安裝,太陽能為動力的中繼器,從而匯總數據並通過互聯網上發送到BT託管數據中心。一旦處理和分析後,該數據會提供在米爾頓凱恩斯市議會公開信息儀表板,也會透過瀏覽器在谷歌地圖上,顯示停車位的狀態為紅色(佔用)或綠色(空的)。該試點是成功的:在市議會能夠在火車站設置一個合適的停車時間限制,及證明了全市範圍內的停車空間優化的可行性。

物聯網發展的關鍵技術

為了創造人、事、時、地、物都能相互聯繫與溝通的「物聯網」及「智慧城市」環境,當中有幾個關鍵技術的成熟與否扮演著相當重要的角色,包含:

1.低功率奈米微型化嵌入式技術或射頻識別技術(RFID):可將資訊記錄在物體上,提供存取功能,並可長時間運作、接收網路訊息或計算數據能力;

2.無線感知網路與後端資料傳輸的無線技術:讓感測器之間可以傳送資料;

3.智慧型匝道技術:包括網路連結、霧運算、資料安全

4.回程網路與骨幹網路

5.雲端中心、管理與自動化、及應用支援平台。

就節能低功耗而言、「物聯網」的產品比手機產品需要的 IC 要更節能,電源管理以及創新節能技術,會是半導體產業的重點。荷蘭埃因霍芬理工大學研究人員Hao Gao打造了一個只有2mm2、重1.6毫克的溫度感應器,放在手指上的感應器就如同一粒砂大小,該感應器可透過特製的路由器,經由無線電波充電,可望解決物聯網時代下感應器供電的問題。以荷蘭Peter Knorringa的教授團隊研發出一種可以無線充電的溫度感應器。不是讓你不用換電池,而是它小到根本不能換電池─因為它大概就一粒芝麻大。這樣的技術能讓互聯網和智慧建築的合作跨出重要的一步。它不必任何電池或電線,透過無線訊號就能獲得電力。首先感應器有專用的路由器,路由器能將電磁波集中能量傳輸給感應器,藉此充電。當電力足夠時,它就能感測溫度並回傳資料。除此之外,它還可以在油漆、塑料和混凝土下運作,並且除了溫度之外,將來也能開發出感測其他東西的感應器,比如說動作、濕度或者光線。售價還不到一美元。

一、霧計算

「霧計算」在2011年被人提出,是由性能較弱、更為分散的各類功能計算機或內嵌在匝道器的伺服器組合,滲入工廠、汽車、電器、街燈、及人們物質生活中的各類物品。將網路計算中心擴展到網路邊緣,低延時和位置感知、更廣泛的地理分佈、適應移動性的應用、支持更多的邊緣節點。例如「車聯網」,其應用和部署要求有豐富的連接方式和相互作用,車到車、車到接入點 (無線網路、3G、LTE、智能交通燈、導航衛星網路等)、接入點到接入點。試想如果城市中所有交通燈都需要有數據中心雲計算來統一計算而指揮所有交通燈,這樣子不僅不及時也容易出錯。智能交通燈本意是根據車流量來自動指揮車輛通行,避免無車遇紅燈時也要停車等綠燈再行。

二、雲計算

「雲計算」承載著業界的厚望。然而,將資料從雲端導入、匯出實際上比人們想像的要更為複雜和困難。由於接入設備(尤其是移動設備)越來越多,在傳輸資料、獲取資訊時,頻寬就顯得捉襟見肘。因此,搭配分散式的霧計算,通過智慧路由器等設備和技術手段,在不同設備之間組成資料傳輸帶,可以有效減少網路流量,資料中心的計算負荷也相應減輕。霧計算可以作為介於M2M(機器與機器對話)網路與雲計算之間的計算處理,以應對M2M網路產生的大量資料。運用處理常式對這些資料進行預處理,以提升其使用價值。

結語

思科的系統預測,到2022年時,「物聯網」節省的成本和獲得的營收將高達14.4兆美元。奇異公司在2012年11月發表的研究結論也指出,智慧工業網路將促使效率提升,生產力大有斬獲,而到2025年,這些進展將在幾乎每個經濟部門產生迴響,對大約一半的全球經濟體系產生巨大衝擊。此外,逐一觀察每個產業,更能體會建立史上第一個智慧基礎建設,甚至建立一個偉大的智慧城市,能促使生產力產生多大的潛在進展。

參考資料

一、Lightreading 網站/Smart Cities: Power to the People
二、Lightreading 網站/White House Funding Seeds Smart Cities
三、Lightreading 網站/BT & Partners Plan IoT Network in UK City
四、台灣就業通/智慧城市與智慧聯網發展趨勢
五、iThome/荷蘭科學家展示以無線電波為超小溫度感應器充電
六、iThome報導/物聯網防災應用:國研院展示斷橋預警系統,可提前6小時預警
七、iThome報導/ 思科推出IoT System,提供物聯網應用完整軟硬體
八、聯合財經網/蔡英文打造智慧城市(2015/11/20)
九、百度百科: 霧計算
十、中時電子報/物聯網 智慧時代帶來免費的社會(2015/01/04)