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虚实技术整合 打造“真”智慧城市

来源:智博会   作者:   更新时间:2020-09-16   浏览次数:54 次

物联网不可或缺的组成要素中,广泛布建在人们生活周围的传感器,其所产生的大量信息,已成为人工智能、机器学习的重要基础。通过这些庞大的数据,智慧城市运作才有可能导入并受惠于人工智能、机器学习,进而才会有更智能、以人为本、便民的应用出现。


“智慧城市”的概念最早源自于IBM提出的“智慧地球”。所谓的“智能”就是通过如人工智能(AI)、物联网(IoT)、边缘/云端运算、5G通讯、智能终端等新的资通讯技术与实体装置的结合而产生。曾有市场人士指出,智慧城市的发展因物联网与人工智能的加入,从1.0进展到2.0,但是智慧城市涵盖众多应用领域,包括交通、能源、建筑、生活与空气质量等,各领域既各自独立,却又环环相扣,因此,现阶段智慧城市的发展可以说是各应用领域在各自努力中,符合物联网的市场特性——破碎化。

涵盖在智慧城市大伞下的各类应用,最终仍是要相互串联、合作,才能称之为完整的智慧城市。如何将各领域连成完整的智慧城市的大网,仍有待各企业及政府机构携手努力。但智慧城市在许多人眼中可是一块香饽饽,根据Frost & Sullivan调查指出,2019年底爆发,至今仍未平息的新冠肺炎疫情,不仅造成全球企业、人们的生活发生重大的变化,更直接成为智慧城市加速发展的推手,该机构也预计2025年全球智慧城市市场产值将达2兆美元。究竟企业该以何种技术或方式进入智慧城市市场,以顺利分得如此庞大的市场的一杯美羹?

智慧城市的样貌?

根据市场研究机构Frost & Sullivan与Deloitte报告指出,智慧城市可划分为智慧政府、智能交通、智能安防、智慧教育、智慧生活、智慧环境、智能经济等七大领域。无疑地,智慧城市的发展与物联网已密不可分,甚至有企业认为物联网技术的持续进展,是将城市推向“智慧”的关键要素,而人工智能更是助力城市能加速增添更多智力的“加速器”。

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智能城市的样貌,从许多电影场景里,如《关键报告(Minority Report)》、《拦截记忆码(Total Recall)》、《明日世界(Tomorrowland)》……,都可以看到充斥着高科技感的立体投影广告、自动化运作的无人大众交通工具、先进的医疗设备、可预测是否将发生事故或劫案的警报系统,以及遍布在周遭的监视系统和栉比鳞次的自动化高楼大厦等等,也许这些超现代化的电影场景还离我们的生活有点距离,但相关企业与各国政府正在一步步努力让仍有点遥远的愿景成为现实。

从英国智慧城市的发展来看,英国在中国台湾办事处指出,由于英国是物联网技术开发和商业化快速发展的国家,加上拥有顶尖大学的前瞻研究计划,以及企业、政府及学术界之间的合作推动,因此英国的智慧城市发展日趋成熟。目前,在英国人口超过10万的城市中,有近三分之一的城市已经拟定以“智慧”为要求的方向与永续计划以开发智慧城市相关建设,英国城市主管机构也积极与全球科技公司、智慧城市专家和创新型初创公司合作,积极发展智慧城市。

举例来说,与伦敦并列的英国智慧城市指标——布里斯托市(Bristol)已经建立了英国最强大的网络测试平台之一,并成立城市运营中心(City Operations Centre),统整所有布里斯托的市政管理及市民服务。另外,许多英国智慧城市项目已到验收成果阶段,而更多新的概念正通过实验计划执行中,如自驾车/巴士/出租车、低碳街区、云端能源管理平台(虚拟发电厂)、再生能源使用占比系统 (降低电网依赖度)、智能路灯系统、人流移动监控等等。

英国还表示,更便民的用户接口,是英国智慧城市发展主要要求,因此以英国的软实力为出发点,不仅持续发想各种措施与设备如何更加便民,以进一步向执政者提供数据为本的决策过程,并通过多方协作减轻政府财政负担。

中国也相当注重智慧城市的发展,政府推动的智慧城市计划,是因应云端、大数据、超宽带、物联网暨数字网络时代而设计,并进一步加速本地企业数字转型。近年来,中国在智慧城市的发展开始在各方面展现成果,如大众运输工具的捷运及轻轨的建设、无人驾驶公交车的试营运、公车站牌的公交车抵达时间显示与查询系统等等;公共区域的智能互动导览界面、博物馆/展览馆的虚拟现实(AR)导览系统的建置……这些智慧城市应用目前仍是少数、零星分布且集中在人口较多的都市区,要如何更进一步?

大数据运用至关重要

物联网不可或缺的组成要素中,广泛布建在人们生活周围的传感器,其所产生的大量信息,已成为人工智能、机器学习的重要基础。通过这些庞大的数据,智慧城市运作才有可能导入并受惠于人工智能、机器学习,进而才会有更智能、以人为本、便民的应用出现。

越来越多的城市数据因为科技的使用而产生,如何利用这些数据是一大课题。物联网的盛行使数据传输更为便利,如何使各种设备与系统IT之间的数据传输达到一定安全性则是另一大挑战。因此中国台湾在硬实力攻顶的同时,利用科技使民众对服务有感,完善用户接口,减轻人力与财政负担,保障数据安全会是下一步软实力的展现。

Arm台湾总裁曾志光在TechTaipei《2020嵌入式/物联网技术研讨会》主题演讲中提到,物联网无处不在,但该技术的实际运用不只是连网带来的潜力,而是协助人们的生活能更具便利性,甚至最终可以拯救人类的性命。而这也恰好是智慧城市发展的宗旨,试想,若是可利用物联网+人工智能+传感器打造出一套具备学习能力的设备,且该设备可判断公共场所烟雾是否过量、温度是否异常上升,并在“真的”不对劲,也就是即将发生火灾前,先发出预警,相信将可避免前些日子造成6人死亡的钱柜KTV火灾事故。


曾志光还总结,发展物联网相关应用具备几个要点——专门收集数据的传感器/显示器、人工智能与其它相关运算需在边缘端执行、低功耗,以及最重要的、用以让人工智能判断设备该做出何种反应或回馈的数据。不仅如此,“若是欠缺创新,则称不上完整的物联网应用。”曾志光强调。

值得注意的是,虽然智慧城市的发展也可视为物联网应用的一环,但其涵盖的领域、技术与发展的挑战,都较其它物联网应用来的广且难度高。

虚实技术相互合作 打造“真”智慧城市

要发展更升级的智慧城市,需要那些技术?可以先从架构物联网的基础技术来看。

·传感器

传感器无疑是建构物联网技术最基本的硬件组件,若是没有传感器,后续将无法进到下个阶段。在智慧城市应中,各式各样的传感器可内建在路灯、公共导览机、交通基础建设、建筑物出入口、电梯、桥梁等等,作为将现实物理世界与数字元世界的连接。通过各种传感器,如此一来,各个智能城市的设备,即可提供城市生活各方面精确的信息。例如,通过迅速侦测地震,快速发布给整个城市以提前防备,以及在新冠肺炎疫情尚未完全“解除警报”期间,对于各场所进出人员体温的有效监控与管理……

除此之外,传感器还担负着收集资料的重任。传感器收集到的信息是人工智能/机器学习系统的“养分”,没有这些庞大的信息作为基础,人工智能将“脑袋空空”,无法发挥它的价值。

·通信技术

传感器收集到的信息,需要通过各种通信技术传送到控制中心或是云端进行管理、分析。而智慧城市应用涵盖范围相当广泛,需要能传输更远距离且低延迟的通讯技术,此时,近两年在全球陆续开台的5G移动通讯技术,即成为最佳选择。

意法半导体(STMicroelectronics)NFC/RFID策略营销经理黄镫谊表示,5G传输速率理论值最高可达1Gbps、信号穿透力强,且可以连接众多设备,这都是物联网应用相当需要的技术特性。更重要的是,智慧城市许多应用需要具备实时反应的功能,如交通或是灾害防护等,而5G技术的超低延迟特性,也能满足所需。因此,5G商用服务陆续启动,将能带动智慧城市发展更上一层楼。

NXP资深产品经理张嘉恒表示,5G核心技术在接入网,也就是基站与用户终端的接入网。5G接入网技术又可分为四大类,属于分布式布署的无线电单元(Radio Unit,RU)、分布式单元(Distributed Unit,DU)、属于精简化部署并结合RU与DU的一体化(All-in-One)小型基站(Small Cell),以及固定无线接入(Fixed Wireless Access,FWA)。其中,一体化小型基站将是智慧城市主要的5G技术应用,可广布在公共空间的内部,或是户外各类园区、厂区,再与Wi-Fi技术互相搭配,将建立起完备的智慧城市通信网络。

5G技术不仅为智慧城市发展带来新的希望,也成为带动qita 产业发展的明日之星。但黄镫谊提醒,5G技术基本上相当易于使用,也就是在接入网络时,不需要经过复杂的认证动作,然而易于使用的同时,安全性相对会降低的问题也随之浮上台面,且容易接入网络与安全性之间要取得平衡着实不易。

有鉴于此,通过NFC或RFID技术可进一步让5G应用提升安全性与使用者经验。黄镫谊说明,虽然NFC或是RFID传输距离相当短,但传输距离短也意味着够安全,换句话说,没有让黑客有机可乘的“长”传输距离。因此利用NFC标签,即使手机在待机模式,也能开启应用程序(app),相较于要扫描QR Code或是以蓝牙配对启动手机,来的容易且安全。另外,现在有许多所谓的数字钥匙,利用手机即可开启车门或是启动车辆,亦或作为门禁卡使用,若是手机没电或是在待机状态,也仅须通过NFC标签即可开启车门或是管制区大门。即使手机不幸遗失,使用者也仅须通过个人计算机连网将与手机绑定的数字钥匙取消,即可避免被拾获手机的不肖人士“加以利用”。


当然,整个智慧城市应用是无法单靠5G技术就能设置完备的通信网络,还需要其它无线技术的协同合作。蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)亚太区资深市场协理李佳蓉表示,随着蓝牙各代技术的发展,该技术已在八大垂直应用市场,包括智慧城市、智慧家庭、智慧工业、智能建筑、设备连接、车用、影音与娱乐,以及手机、平板等移动设备和个人计算机,创造出更多崭新应用。

蓝牙在智慧城市的应用,李佳蓉指出,基于低功耗蓝牙(BLE)广播与信标(Beacon)技术,可实现室内定位、资产追踪等功能;而通过蓝牙网状网络(mesh),可连接众多装置,打造控制系统、监测系统或是自动化系统,对于公共区域的安控设备配置及管理有相当的帮助。

不仅如此,基于蓝牙技术的地址服务,也将衍生更多新应用,例如地址音频分享(Location Audio Sharing)。李佳蓉说明,新的蓝牙低功耗音频(LE Audio)标准不仅可以强化个人音频分享的使用经验,还可以藉以开发地址音频分享功能。地址音频分享功能可以让用户可以“听到”公共区域的电视或显示器播放的声音内容,而不再需要担心因为播放出声音吵到其他民众,每每只能见影不闻声。另外,在公共演讲、广播的区域,或是大众运输工具内的倡导广播,若是要让来自不同国家、不同语言的每个人,都能听懂广播内容,利用地址音频分享功能,可以在广播的同时,让每个人的耳机播放的内容已是经过同步口译后的结果。如此一来,相同的播放内容,无须再以不同语言重复放,民众也不需要每种语言的广播都“不得不”听上一遍。

另外,一向作为分流4G、5G移动通信技术数据流量的Wi-Fi技术,也是智慧城市不可或缺的通信技术。NXP无线网络产品部资深市场营销经理陈世和表示,新一代的Wi-Fi 6传输速率已达9.6Gbps,已相当接近5G的10Gbps,因此两者相互搭配将可碰撞出新的应用。在智慧城市中,Wi-Fi 6与5G仍将是互补的关系,亦即“5G主外,Wi-Fi 6主内 ”。Wi-Fi 6可协助5G技术解决大量设备连网时,数据传输庞大导致网络壅塞的问题;另外,Wi-Fi 6也可作为智慧城市相关室内应用的主要传输技术,弥补5G信号在室内传输能效的不足,而户外应用的通信技术就由5G专职担当。


张嘉恒补充,5G与Wi-Fi 6的分工还可视数据对于延迟的高低程度来分配,若是数据传输时,强调超低延迟,就使用5G网络;若是对低延迟的需求度不高,则可通过Wi-Fi 6技术传输。

面对智慧城市需要多种通信技术的支持,相关设备开发上也将较为复杂。Silicon Labs台湾资深应用工程师黄金评表示,不兼容的通信协议太多,导致市场呈现碎片化发展;也因为设备支持的通信协议或是应用系统不同,导致设备间无法跨系统合作,最终使得应用无法随需求变化而扩充,这是现阶段物联网发展遭遇到的重要问题。

相同的问题一样也会延伸到与物联网相当密切的智慧城市,可支持多通信协议的芯片产品,将可解决此问题。值得注意的是,为让各通信协议能够进一步互连互通,打破彼此间的藩篱,进一步做大市场,Google携手Zigbee联盟、亚马逊(Amazon)和苹果(Apple),在去年公布了新的协议规范——Project Connected Home Over IP,简称CHIP。这项计划目标是要打造一套可以整合智慧家庭设备、移动通信软件和云端服务的智慧家庭技术标准,虽然此标准是锁定智慧家庭应用为主,但跟其它物联网应用相同,市场要成长就必须做到简单、安全,以及兼容和开放。

且不论CHIP计划开展的成效是否显著,通用标准的出现对于物联网应用之一的智慧城市,相信也将有所帮助。这是由于智慧城市涵盖的设备更多也更复杂,若是设备间彼此无法沟通、协作,智慧城市又将如何达到其“便民”的目标呢?

·人工智能/边缘计算处理器

人工智能目前已深入至许多领域,物联网、智慧城市自然也顺应潮流,导入人工智能技术,以提升其应用的能效。智能城市中,包括安防系统、门禁等,已开始逐渐导入人脸、对象或是影像辨识功能;另外,在新冠肺炎疫情尚未趋缓的同时,减少接触将可降低感染风险,也促使语音识别控制技术更加受到重视。此时,人工智能即可在其中大显身手。

NXP边缘运算事业部(BL EP)应用解决方案产品经理黄家琪表示,语音控制和人脸识别将带来更便利的使用方式。不过,在一些网络信号较为受限的区域,如电梯,语音控制和人脸识别最好能够具备脱机控制的能力;再者,语音控制与人脸识别必须快速反应,不能让使用者苦苦等待识别结果,因此语音识别与人脸识别最好能结合边缘计算,并减少云端运算的负担。

如此一来,人工智能即须进驻边缘设备中,NXP MPU客户技术支持部门经理简志达进一步说明,将人工智能/机器学习放在边缘端的好处,包括具备可靠和实时性、可保护数据与隐私,以及减少因特网架构和云端布局成本与带宽占用。然而,这对边缘设备内的处理器运算需求也将水涨船高。

由于是终端应用所需的处理器,因此不仅运算力得提升,还须兼顾功耗与成本,有些应用装置甚至是须以电池供电,这对终端设备开发商来说会是一大难题。所幸相关微处理器或是微控制器供应商——无论是基于Arm Cortex或是RISC-V架构——已推出能满足市场所需的产品,协助设备制造商解决问题。简志达说明,根据客户应用需求来决定,若是需要较高运算力,基于Arm Cortex系列的多核心处理器,可集成Cortex微控制器内核,一来分担微处理器的工作,二来简单的功能由微控制器内核处理,可让微处理器尽量维持在休眠状态,即可运算力与低功耗两者兼得。Andes客制化运算部处长王胜雯表示,通过RISC-V开放式架构,微处理器及微控制器的设计不但可更加精简、具模块化特性,还能具备扩展性与设计弹性,例如可在微控制器或处理器设计时预留扩充接口,即为RISC-V架构的一大优势。

值得注意的是,有了高运算力与低功耗兼备的微控制器和处理器,在设备中导入人工运算就可高枕无忧了吗?前文也提到,人工运算的基础来自庞大且精确的数据,通过不断地「喂食」数据,人工智能才能持续学习并提升其判定精准度。但,数据从哪里来?该从何处取?这些问题就可能「打败」想运用人工智能技术的有志之士。台湾大学电信工程研究所副教授周俊庭提醒,根据应用需求,利用摄影头和相应的算法软件就能等同需布建在各处、成千上万的传感器硬件,而摄影头哪里有?能否具备实时性?

图4:将移动通信超级化、善用移动通信,即可收集到源源不断的数据。(图片来源:OMNiEYES)

周俊庭进一步解答,大众运输工具中如满街跑的公交车、出租车,甚至私家车、或是未来的自动驾驶车,以及在天上飞的无人机,都配置了不止一颗的摄影镜头,若是将这些镜头通过无线技术连接成网,智慧城市应用所需的数据,即可源源不断。举例来说,智慧城市应用中需要辨识招牌、车牌、取得实时路况等,都不再需要另外开发一套系统去收集,通过路上跑的、天上飞的“移动”摄像头收集到数据,再通过应用所需的算法,即可打造出所需甚至创新的应用。

·安全性

只要牵涉到连网的应用,就免不了遭遇安全与隐私的问题。智慧城市由于收集、触及的数据范围更广,因此尤其需要注重安全性。Arm物联网平台事业处商务拓展资深总监姜新雨表示,应用所需的资料都是由传感器收集到的小数据累积而成,安全性将是确保小数据可信度的依据。2020年开始,各国政府越发重视物联网相关应用的安全性,因此纷纷制定物联网安全相关的政策与规范,这对物联网产品快速问世带来了新的挑战——预先考虑产品需符合哪些安全规范、如何将安全功能加到设备中、产品设计复杂度提高,以及对于不了解安全规范的下游厂商,该怎么协助其产品能符合安全规范等。

若要解决上述问题,姜新雨认为,通过认证证明产品符合安全规范将是最好也最安全的方式。有鉴于此,Arm与合作伙伴、各大实验室携手发布平台安全架构(PSA)框架,以便协助制造商的物联网项目加入令人信任的安全等级,并解决物联网设备缺乏安全认证和碎片化问题。

另一方面,从芯片设计的角度来看,如何让终端产品从主芯片开始就拥有安全性?现阶段有两种做法,一种是在芯片中以软件的方式加入安全功能,另一种是直接外加一颗安全芯片,而Winbond则提出了外加安全内存的做法。该公司安全解决方案营销处处长陈宏玮表示,现阶段,物联网设备中采用Nor Flash存储固件及程序代码,但本身Nor Flash并不具备任何安全功能,容易成为黑客攻击的目标。

然而,要避免Nor Flash成为整个系统的安全漏洞,该怎么做?陈宏玮指出,在Nor Flash内部添加安全功能有其限制,因此有些微控制器厂商采用嵌入式内存eNVM解决问题,但eNVM制程已出现瓶颈,也无法追上最先进的处理器SoC 制程;再加上物联网设备趋势是采用无内存微控制器及SoC,因此外挂一颗已通过安全认证的安全内存将是较好的作法。

陈宏玮并强调,外加安全内存的优点包括降低设备认证费用与时间、简化SoC对安全功能的负担、满足不同应用对安全性要求不同的通用性,以及适用于现有和新设计,并具有成本效益且易于实施的扩展性。

技术之外 统一标准亦为关键

有了良好的硬件与软件技术,智慧城市还缺少什么?英国在台办事处认为是标准与政府的推动。的确,有了明确的标准,厂商们在开发产品或是智慧城市相关系统时,不仅有标准可循,更能无须担心装置或系统间不兼容的问题。目前,英国标准协会(British Standards Institute,BSI)已针对智慧城市发展和技术制定了一套标准,为开放式创新提供适当条件,并减少系统整合障碍。

图5:智慧城市目标是创造更便民的用户接口与服务。(图片来源:英国在台办事处)

而台湾智慧城市产业联盟辖下的“智慧城市2018工作小组”有鉴于英国标准协会发布的PAS 181:2014 (Smart City Framework)是相对缜密、中立,且从城市管理者角色出发的方法论,降低沟通成本,进而提升落实智慧城市计划的整体效率,因此决议推荐此框架作为各界推动智慧城市依循的方法论。

另外,中国各个城市也已根据自身城市特色,提出智慧城市发展相关纲要和计划,以期加速各类智能应用可渗透到城市生活的每个角落,为市民提供更好的生活质量。


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