各項技術虛實整合智慧城市再升級 - 電子工程專輯

作者 : Anthea Chuang，EE Times Taiwan

智慧城市的發展因物聯網與人工智慧的加入而從1.0進展到2.0，但是智慧城市涵蓋眾多應用領域，包括交通、能源、建築、生活與空氣品質…等，各領域既各自獨立，卻又環環相扣...

「智慧城市」的概念最早源自於IBM提出的「智慧地球」。所謂的「智慧」就是透過如人工智慧(AI)、物聯網(IoT)、邊緣/雲端運算、5G通訊、智慧終端…等新的資通訊技術與實體裝置的結合而產生。曾有市場人士指出，智慧城市的發展因物聯網與人工智慧的加入而從1.0進展到2.0，但是智慧城市涵蓋眾多應用領域，包括交通、能源、建築、生活與空氣品質…等，各領域既各自獨立，卻又環環相扣，因此，現階段智慧城市的發展可以說是各應用領域各自努力中，符合物聯網的市場特性——破碎化。

包含在智慧城市大傘下的各類應用，最終仍是要相互串聯、合作，才能稱之為完整的智慧城市。如何將各領域連成完整的智慧城市的大網，仍有待各家業者及政府公單位攜手努力。但智慧城市在許多人眼中可是一塊香餑餑，根據Frost & Sullivan調查指出，2019年底爆發，至今仍未平息的新冠肺炎疫情，不僅造成全球企業、人們的生活發生重大的變化，更直接成為智慧城市加速發展的推手，該單位也預計2025年全球智慧城市市場產值將達2兆美元。究竟業者該以何種技術或是方式進入智慧城市市場，以順利分得如此龐大的市場大餅？

智慧城市的樣貌？

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根據市場研究機構Frost & Sullivan與Deloitte報告指出，智慧城市可劃分為智慧政府、智慧交通、智慧安防、智慧教育、智慧生活、智慧環境、智慧經濟等七大領域。無疑地，智慧城市的發展與物聯網已密不可分，甚至有業者認為物聯網技術的持續進展，是將城市推向「智慧」的關鍵要素，而人工智慧更是助力城市能加速增添更多智力的「加速器」。

智慧城市的樣貌，從許多電影場景裡，如《關鍵報告》(Minority Report)、《攔截記憶碼》(Total Recall)、《明日世界》(Tomorrow-land)…等，都可以看到充斥著高科技感的立體投影廣告、自動化運作的無人大眾交通工具、先進的醫療設備、可預先預測是否將發生事故或搶案的警報系統，以及遍佈在周遭的監視系統與櫛比鱗次的自動化高樓大廈…等。也許這些超現代化的電影場景還離我們的生活有點距離，但相關業者與各國政府正在一步步努力讓仍有點遙遠的願景成為現實。

從英國智慧城市的發展來看，英國在台辦事處指出，由於英國是物聯網技術開發和商業化快速發展的國家，加上擁有頂尖大學的前瞻研究計劃，以及產官學界間的合作推動，因此英國的智慧城市發展日趨成熟。目前，在英國人口超過10萬的城市中，有近三分之一的城市已經擬定以「智慧」為訴求的方向與永續計畫以開發智慧城市相關建設，英國城市主管機關也積極與全球科技公司、智慧城市專家和創新型新創公司合作，積極發展智慧城市。

舉例來說，與倫敦並列的英國智慧城市指標——布里斯托市(Bristol)已經建立了英國最強大的網路測試平台之一，並成立城市營運中心(City Operations Centre)，統整所有布里斯托的市政管理及市民服務。另外，許多英國智慧城市專案已到驗收成果階段，而更多新的概念正透過實驗計畫執行中，如自駕車/巴士/計程車、低碳街區、雲端能源管理平台(虛擬發電廠)、再生能源使用佔比(降低電網依賴度)、智慧路燈系統、人流移動監控…等。

英國在台辦事處表示，更便民的使用者介面，是英國智慧城市發展主要訴求，因此透過英國的軟實力為出發點，不僅持續發想各種措施與設備如何更加便民，以進一步提供執政者數據為本的決策過程，並透過多方協作減輕政府財政負擔。

台灣也相當注重智慧城市的發展，行政院推動的智慧城市計畫，是因應雲端、大數據、超寬頻、物聯網暨數位網路時代而設計，並進一步加速台灣企業數位轉型。近年來，台灣在智慧城市的發展開始在各方面展現成果，如大眾運輸工具的捷運及輕軌的建設、無人駕駛公車的試營運、公車站牌的公車抵達時間顯示與查詢系統…等；公共區域的智慧互動導覽機、博物館/展覽館的虛擬實境(AR)導覽系統的建置…等。這些智慧城市應用目前仍是少數、零星分佈且集中在人口較多的都會區，要如何更進一步？

大數據運用至關重要

物聯網不可或缺的組成要素中，廣泛佈建在人們生活周遭的感測器，其所產生的大量資訊，已成為人工智慧、機器學習的重要基礎。透過這些龐大的資料，智慧城市運作才有可能導入並受惠於人工智慧、機器學習，而有更智慧、以人為本、便民的應用出現。

英國在台辦事處認為，越來越多的城市數據因為科技的使用而產生，如何利用這些數據是一大課題。物聯網的盛行使數據傳輸更為便利，如何使各種設備與系統IT之間的數據傳輸達到一定安全性則是另一大挑戰。因此台灣在硬實力攻頂的同時，利用科技使民眾對服務有感，完善使用者介面，減輕人力與財政負擔，保障數據安全會是下一步軟實力的展現。

Arm台灣總裁曾志光在TechTaipei「2020嵌入式/物聯網技術研討會」主題演講中提到，物聯網無處不在，但該技術的實際運用不只是連網帶來的潛力，而是協助人們的生活能更具便利性，甚至最終可以拯救人類的性命。而這也恰好是智慧城市發展的宗旨，試想，若是可利用物聯網+人工智慧+感測器打造出一套具備學習能力，且可判斷公共場所煙霧是否過量、溫度是否不正常上升，並在「真的」不對勁，也就是即將發生火災前，先發出預警，相信將可避免前些日子造成6人死亡的錢櫃KTV火災憾事。

圖1：物聯網無處不在。

(來源：Arm)

曾志光並總結，發展物聯網相關應用具備幾個共通點——專門收集資料的感測器/顯示器、人工智慧與其他相關運算需在邊緣端執行、低功耗，以及最重要的、用以讓人工智慧判斷裝置該做出何種行為或回饋的資料。不僅如此，「若是欠缺創新，則稱不上完整的物聯網應用。」曾志光強調。

值得注意的是，雖然智慧城市的發展也可視為物聯網應用的一環，但其涵蓋的場域、技術與發展的挑戰，都較其他物聯網應用來的廣且難度高。

虛實技術相互合作　打造「真」智慧城市

要發展更升級的智慧城市，需要那些技術？可以先從架構物聯網的基礎技術來看。

感測器無疑是建構物聯網技術最基本的硬體元件，若是沒有感測器，後續將無法進到下個階段。在智慧城市應用中，各式各樣的感測器可內建在路燈、公共導覽機、交通基礎建設、建築物出入口、電梯、橋樑…等等，作為將現實物理世界與數位世界的連結。透過各種感測器，如此一來，各個智慧城市的裝置，即可提供城市生活各方面精確的資訊。例如，透過迅速偵測地震，快速發佈給整個城市以提前防備，以及在新冠肺炎疫情尚未完全「解除警報」期間，對於各場所進出人員體溫的有效監控與管理…等。

除此之外，感測器還擔任著收集資料的重任。感測器收集到的資訊是人工智慧/機器學習系統的「養分」，沒有這些龐大的資訊作為基礎，人工智慧將「腦袋空空」，無法發揮它的價值。

通訊技術

感測器收集到的資訊，需要透過各種通訊技術傳送到控制中心或是雲端進行管理、分析。而智慧城市應用涵蓋範圍相當廣，需要傳輸距離更遠且低延遲的通訊技術，此時，近兩年在全球陸續開台的5G行動通訊技術，即成為最佳選擇。

意法半導體(ST)NFC/RFID策略行銷經理黃鐙誼表示，5G傳輸速率理論值最高可達1Gbps、訊號穿透力強，且可以連接眾多裝置，這都是物聯網應用相當需要的技術特性。更重要的是，智慧城市許多應用需要具備即時反應的功能，如交通或是災害防護…等，而5G技術的超低延遲特性，也能滿足所需。因此，5G商用服務陸續啟動，將能帶動智慧城市發展更上一層樓。

圖2：NFC/RFID透過良好的安全性和用戶體驗增強5G應用。

(來源：意法半導體)

NXP資深產品經理張嘉恆表示，5G核心技術在接入網，也就是基地台與使用者終端的接入網。5G接入網技術又可分為四大類，屬於分散式佈署的無線電單元(Radio Unit，RU)和分佈式單元(Distributed Unit，DU)、屬於精簡化部署並結合RU與DU的一體化(All-in-One)小型基地台(Small Cell)，以及固定無線接入(Fixed Wireless Access，FWA)。其中，一體化小型基地台將是智慧城市主要的5G技術應用，可廣佈在公共空間的內部，或是戶外各類園區、廠區，再與Wi-Fi技術互相搭配，將建立起完備的智慧城市通訊網路。

5G技術不僅為智慧城市發展帶來新的希望，也成為帶動其他產業發展的明日之星。但，黃鐙誼提醒，5G技術基本上相當易於使用，也就是在接取網路時，不需要經過複雜的認證動作，然而易於使用的同時，安全性相對會降低的問題也隨之浮上檯面，且容易接取網路與安全性之間要取得平衡著實不易。

有鑑於此，透過NFC或RFID技術可進一步讓5G應用提升安全系與使用者經驗。黃鐙誼說明，雖然NFC或是RFID傳輸距離相當短，但傳輸距離短也意味著夠安全，換句話說，沒有讓駭客有機可乘的「長」傳輸距離。因此利用NFC標籤，即使手機在待機模式，也能開啟應用程式(app)，相較於要掃描QR Code或是以藍牙配對啟動手機，來的容易且安全。

另外，現在有許多所謂的數位鑰匙，利用手機即可開啟車門或是啟動車輛，抑或者作為門禁卡使用，若是手機沒電或是在待機狀態，也僅須透過NFC標籤即可開啟車門或是管制區大門。即使手機不幸遺失，使用者也僅須透過個人電腦連網將與手機綁定的數位鑰匙取消，即可避免被拾獲手機的不肖人士「加以利用」。

當然，整個智慧城市應用是無法單靠5G技術就能建置完備的通訊網路，還需要其他無線技術的協同合作。藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)亞太區資深市場協理李佳蓉表示，隨著藍牙各代技術的發展，該技術已在八大垂直應用市場，包括智慧城市、智慧家庭、智慧工業、智慧建築、裝置連接、車用、影音與娛樂，以及手機、平板等行動裝置和個人電腦，創造出更多嶄新應用。

藍牙在智慧城市的應用，李佳蓉指出，基於低功耗藍牙(BLE)廣播與信標(Beacon)技術，可實現室內定位、資產追蹤…等功能；而透過藍牙網狀網路(mesh)，可連接眾多裝置，打造控制系統、監測系統或是自動化系統，對於公共區域的安控設備配置及管理有相當的助益。

不僅如此，基於藍牙技術的位址服務，也將衍生更多新應用，例如位址音訊分享(Location Audio Sharing)。李佳蓉說明，新的藍牙低功耗音訊(LE Audio)標準不僅可以強化個人音訊分享的使用經驗，還可以藉以開發位址音訊分享功能。

位址音訊分享功能可以讓使用者「聽到」公共區域的電視或顯示器播放的聲音內容，而不再需要擔心因為播放出聲音吵到其他民眾，每每只能見影不聞聲。另外，在公共演講、廣播的場域，或是大眾運輸工具內的宣導廣播，若是要讓來自不同國家、不同語言的每個人，都能聽懂廣播內容，利用位址音訊分享功能，可以在廣播的同時，讓每個人的耳機播放的內容已是經過同步口譯後的結果。如此一來，相同的播放內容，無須再以不同語言重複放，民眾也不需要每種語言的廣播都「不得不」聽上一遍。

另外，一向作為分流4G、5G行動通訊技術數據流量的Wi-Fi技術，也是智慧城市不可或缺的通訊技術。NXP無線網路產品部資深市場行銷經理陳世和表示，新一代的Wi-Fi 6傳輸速率已達9.6Gbps，已相當接近5G的10Gbps，因此兩者相互搭配將可碰撞出新的應用。

在智慧城市中，Wi-Fi 6與5G仍將是互補的關係，亦即「5G主外，Wi-Fi 6主內」。Wi-Fi 6可協助5G技術解決大量裝置連網時，資料傳輸量龐大導致網路壅塞的問題；另外，Wi-Fi 6也可作為智慧城市相關室內應用的主要傳輸技術，補強5G訊號在室內傳輸效能的不足，而戶外應用的通訊技術就由5G專職擔綱。

張嘉恆補充，5G與Wi-Fi 6的分工還可視資料對於延遲的高低程度來分配，若是資料傳輸時，強調超低延遲，就使用5G網路；若是對低延遲的需求度不高，則可透過Wi-Fi 6技術傳輸。

面對智慧城市需要多種通訊技術的支援，相關裝置開發上也將較為複雜。Silicon Labs台灣資深應用工程師黃金評表示，不相容的通訊協定太多，導致市場呈現碎片化發展；也因為裝置支援的通訊協定或是應用系統不同，導致裝置間無法跨系統合作，最終使得應用無法隨需求變化而擴充，這是現階段物聯網發展遭遇到的重要問題。

相同的問題一樣也會延伸到與物聯網相當密切的智慧城市，而支援多通訊協議的晶片產品，將可解決此問題。值得注意的是，為讓各通訊協議能夠進一步互連互通，打破彼此間的藩籬，進一步更加做大市場，Google攜手Zigbee聯盟、亞馬遜(Amazon)和蘋果(Apple)，在去年公佈新的協議規範——Project Connected Home Over IP，簡稱CHIP。這項計畫目標是要打造一套可以整合智慧家庭裝置、行動通訊軟體和雲端服務的智慧家庭技術標準，雖然此標準是鎖定智慧家庭應用為主，但跟其他物聯網應用相同，市場要成長就必須做到簡單、安全，以及兼容和開放。

且不論CHIP計畫推展的成效是否顯著，共通標準的出現對於物聯網應用之一的智慧城市，相信也將有所幫助。這是由於，智慧城市涵蓋的裝置更多也更複雜，若是裝置間彼此無法溝通、協作，智慧城市又將如何達到其「便民」的目標呢？

人工智慧/邊緣運算處理器

人工智慧目前已深入至許多領域，物聯網、智慧城市自然也順應潮流，導入人工智慧技術，以提升其應用的效能。智慧城市中，包括安防系統、門禁…等，已開始逐漸導入人臉、物件或是影像辨識功能；另外，在新冠肺炎疫情尚未趨緩的同時，減少接觸將可降低感染風險，也促使語音辨識控制技術更加受到重視。此時，人工智慧即可在其中大顯身手。

NXP邊緣運算事業部(BL EP)應用解決方案產品經理黃家琪表示，語音控制和臉部辨識將帶來更便利的使用方式。不過，在一些網路訊號較為受限的區域，如電梯，語音控制和臉部辨識最好能夠具備離線控制的能力；再者，語音控制與臉部辨識必須快速反應，不能讓使用者苦苦等待辨識結果，因此語音辨識與臉部辨識最好能結合邊緣運算，並減少雲端運算的負擔。

如此一來，人工智慧即須進駐邊緣裝置中，NXP MPU客戶技術支援部門經理簡志達進一步說明，將人工智慧/機器學習放在邊緣端的好處，包括具備可靠和即時性、可保護資料與隱私，以及減少網際網路架構和雲端建置成本與頻寬佔用。然而，這對邊緣裝置內的處理器運算需求也將水漲船高。

圖3：Wi-Fi 6技術特性。

(來源：NXP)

由於是終端應用所需的處理器，因此不僅運算力得提升，還須兼顧功耗與成本，有些應用裝置甚至是須以電池供電，這對終端裝置開發商來說會是一大難題。所幸相關微處理器或是微控制器業者——無論是基於Arm Cortex或是RISC-V架構——已推出能滿足市場所需的產品，協助裝置製造商解決問題。簡志達說明，端視客戶應用需求，若是需要較高運算力，基於Arm Cortex系列的多核心處理器，可內建Cortex微控制器核心，一來分擔微處理器的工作，二來簡單的功能由微控制器核心處理，可讓微處理器盡量維持在休眠狀態，即可運算力與低功耗兩者兼得。

Andes客製化運算部處長王勝雯表示，透過RISC-V開放式架構，微處理器及微控制器的設計不但可更加精簡、具模組化特性，還能具備擴充性與設計彈性，例如可在微控制器或處理器設計時預留擴充接口，即為RISC-V架構的一大優勢。

值得注意的是，有了高運算力與低功耗兼備的微控制器和處理器，在裝置中導入人工運算就可高枕無憂了嗎？前文也提到，人工運算的基礎來自龐大且精確的資料，透過不斷地「餵食」資料，人工智慧才能持續學習並提升其判定精準度。

但，資料從哪裡來？該從何處取？這些問題就可能「打敗」想運用人工智慧技術的有志之士。台灣大學電信工程研究所副教授周俊廷提醒，根據應用需求，利用攝影機和相應的演算法軟體就能等同須佈建在各處、成千上萬的感測器硬體，而攝影機哪裡有？能否具備即時性？

周俊廷進一步解答，大眾運輸工具中如滿街跑的公車、計程車，甚至私家車、或是未來的自駕車，以及在天上飛的無人機，都配置了不只一顆的攝影鏡頭，若是將這些鏡頭透過通訊技術連接成網，智慧城市應用所需的資料，即可源源不絕。

舉例來說，智慧城市應用中要須辨識招牌、車牌、取得即時路況…等，都不再需要另外開發一套系統去收集，透過路上跑的、天上飛的「行動」攝影機收集到資料，再透過應用所需的演算法，即可打造出所需甚至創新的應用。

圖4：將行動視訊超級化、善用行動視訊，即可收集到源源不絕的資料。

(來源：OMNiEYES)

只要牽涉到連網的應用，就免不了遭遇安全與隱私的問題。智慧城市由於收集、觸及的資料範圍更廣，因此尤其需要注重安全性。Arm物聯網平台事業處商務拓展資深總監姜新雨表示，應用所需的資料都是由感測器收集到的小數據累積而成，安全性將是確保小數據可信度的依據。

2020年開始，各國政府越發重視物聯網相關應用的安全性，因此紛紛制定物聯網安全相關的政策與規範，這對物聯網產品快速問世帶來了新的挑戰——預先考慮產品須符合哪些安全規範、如何將安全功能加到裝置中、產品設計複雜度提高，以及對於不了解安全規範的下游廠商，該怎麼協助其產品能符合安全規範…等。

若要解決上述問題，姜新雨認為，透過認證證明產品符合安全規範將是最好也最安全的方式。有鑑於此，Arm與合作夥伴、各大實驗室攜手發佈平台安全架構(PSA)框架，以便協助製造商的物聯網專案加入令人信任的安全等級，並解決物聯網裝置缺乏安全認證和碎片化問題。

另一方面，從晶片設計的角度來看，如何讓終端產品從主晶片開始就擁有安全性？現階段有兩種做法，一種是在晶片中以軟體的方式加入安全功能，另一種是直接外加一顆安全晶片，而Winbond則提出了外加安全記憶體的做法。該公司安全解決方案行銷處處長陳宏瑋表示，現階段，物聯網裝置中採用NOR Flash儲存韌體及程式碼，但本身NOR Flash並不具備任何安全功能，容易成為駭客攻擊的目標。

然而，要避免NOR Flash成為整個系統的安全漏洞，該怎麼做？

…針對NOR Flash可能成為安全漏洞的問題，華邦電子提出了獨門解決方案…而在技術之外，標準化也是實現智慧城市非常重要的關鍵…完整閱讀精彩報導，請下載《電子工程專輯》雜誌2020年9月號！