永續智慧社區與城市之關鍵應用技術

由前述社區與城市的物聯網概念可知，物聯網的結構本質涵蓋感測 傳輸、通訊與處理三大環節的典型資訊系統結構，其關鍵技術即是各類 應用對象的傳感探測、通訊和智慧處理。本節主要討論針對社區與城市 建設應用領域所涉及 GIS 技術、建築物智慧化控制技術、RFID 技術等。

一、地理資訊系統(GIS)

GIS 是通過電腦和資訊工程技術等，實現對城市空間資訊、屬性資 料採集、儲存、整理、查詢、分析和更新的空間資訊系統。因為人類活 動所接觸和利用的資訊中 80%以上與地理空間位置相關。[7]因此，地理 資訊系統在城市建設與發展中，不僅僅是提供資料採集和展示，提供地 圖可視化和目標對象的查詢和定位，更是實現整個永續智慧社區與城市 價值的關鍵。

透過空間地理資訊系統的不斷擴充和完善，將進一步推動城市規劃 管理、土地管理、建築管理、環境保護、社會治安管理、交通管理、突 發事件處置及旅遊、通信等各項事業的永續與智慧化應用及發展。

1. 地理資訊系統的概念

所謂地理資訊就是與地理位置有關的資訊，如耕地、林地、城市鄉 鎮、建築物等的分佈及道路、河流、海岸、醫院、商店、學校、事業單 位、管線、派出所、井位、電表、水表、開關等能用"位置"去描述的事 物，都屬於"地理資訊"，任何定位系統和物聯網所感知的所有人事物資 訊也全部包含在地理資訊之中。

地理資訊系統就是一個專門管理地理資訊的電腦軟體系統，它不但 能分門別類、分級分層地去管理上述資訊，提供查詢、檢索、修改、輸 出、更新等功能：同時，與資料融合技術結合，提供對各類資訊進行分 析、綜合的深加工功能，將上述資訊及其與物聯網的即時感知的動態資 訊進行各種組合、分析、再組合、再分析等，發現和挖掘事物的更深層

次的規律與內在聯繫；再次，提供一個直觀形象和動態逼真的"可視化"

功能，即通過電腦螢幕把所有的資訊逼真地再現到地圖或遙感像片上，

成為資訊可視化工具，在螢幕上即時監視動態"資訊"的變化，清晰地表 現出資訊的規律和分析結果。

2. GIS 系統的基本組成和原理

從上面的敘述可以看到，整個地理資訊系統是在電腦軟硬體支持 下，由空間資料庫、地理資訊分析應用軟體和圖形使用者界面等組成。

在物聯網資訊系統和應用系統中，可將地理資訊系統視為其中的一 個子系統，為系統提供其空間資料的資料庫及其地理資訊分析應用軟體 程序。一般而言，資料和軟體來源是由測繪部門統一提供或從專業公司 採購，以統一資料格式與應用範圍。

GIS 系統的操作原理：它以地理空間資料庫為基礎，在電腦軟硬體 的支持下，進行其地理資訊分析應用軟體程序，對地理空間資料及其相 關屬性資料進行採集、輸入、儲存、編輯、更新、查詢、分析、顯示輸 出，為使用者提供應用服務。所以，整個地理資訊系統的核心是地理資 訊分析應用軟體，其系統的組成與操作原理簡介如下[7]。

A. 系統的操作環境

a.硬體環境要求：GIS 的硬體配置，根據使用者應用的功能需求和具體 條件不同有多種方案，最簡單的配置可以是一台簡單的 PC 方案，複 雜的配置則可以是區域網路伺服器/使用者終端機方案

b.軟體環境：目前除單一或組織多人授權模式之外，還可在網路環境 下可採用網路應用(雲端)模式，透過網路依需求不同的方式獲得所 需的資源、分散式普及運算能力，因而配置又可簡化，且還能取得 強大的處理功能。

B. 地理資訊分析應用軟體

系統各組成部分即是 GIS 的應用軟體，是指其在作業操作系統環境 下的地理資訊分析應用軟體。從應用角度看，它是由四個程序模組所組 成，即使用者需要的四個主要功能。

a.電子地圖：提供較完備的電子地圖與圖形顯示和地理資訊查詢、運 算及統計的方法。

‧圖形顯示：快速查閱有關區域地圖，顯示所關心的要素(水文、道路、

植被、地貌、交通資訊等)，無段縮放、漫遊等。

‧地物屬性查詢和多媒體查詢：圖片、文本、語音、影像等。

‧地圖運算與統計：坐標顯示、距離/面積/坡度/方位角運算、居民/居 民地統計等。

b.空間資料處理和分析：提供一些基本和常用的處理和分析功能。這 是體現地理資訊系統功能強弱的關鍵部分，其功能強弱直接影響地 理資訊系統應用範圍。

分析的主要功能有兩類：

‧一是基於資料庫空間資料進行的分析，如地形分析，包括坡度、高 度、通視、剖面等分析顯示；網路分析，運用圖論及運籌學方法來 解決與網路有關的各種問題，如最佳路徑選擇、地下管路中流量的 分配及生活服務網點的分佈；緩衝區分析、疊加分析等；

‧二是利用 GIS 提供的對各類資訊進行分析、綜合深入的功能與工具，

為使用者提供二次開發手段，以便使用者開發新的空間分析模組，

即開發各種應用模型，擴充地理資訊系統處理和分析功能，例如，

在社區與城市物聯網系統中，可擴展與多源資訊融合技術結合，將 上述空間資料資訊與物聯網即時感知的動態資訊進行各種組合、分 析、再組合、再分析等，發現和挖掘事物的更深層次的變化情況、

趨勢及其內在關聯等。

c.虛擬實境(Virtual Reality, VR)和城市 3D 模擬：

建立城市 3D 空間模擬，能夠全方位地、直觀地給人們提供有關 社區與城市的各種具有真實感覺的場域資訊，構建出一個真實、直觀 的虛擬城市環境，為城市管理者面對複雜的城市，實施科學的、人文 的、生態的規劃，提供有效的決策工具。城市 3D 空間模擬的建立，

目前根據影像需求，可以數位高程模型(Digital Elevation Model, DEM)和二維地物資料為基礎，模擬從任一方位、任一視角、不同距離 觀察地面的視覺效果，製作和顯示形態逼真的電子沙盤。提供三維交 互顯示、地形地貌的表示與三維顯示等。

d.即時的城市動態態勢圖生成和地圖標註

在城市物聯網系統應用中，以綜合的數字地圖(光柵背景地圖)為 背景，通過上述的多種要素資料的操作和綜合分析，將即時感知的萬 事萬物資訊及其分析處理結果自動圖例化，進行重要目標和地物的文 字標註顯示，形象直覺地把所需要的資訊以圖形、圖像、數字等多種 形式顯示與輸出(城市態勢圖)，以幫助決策者及時、更加全面、系統 地把握資訊，進而實現科學的決策與指揮調度，進行控制管理等，滿 足各應用領域或研究的需要。

二、智慧建築系統

不論從量體上、耗能及使用重要性來看，永續智慧社與城市最重要 的節點就是建築物。因此，建築物是否低碳節能及智慧化，嚴重影響了 社區與城市是否永續智慧與否的關鍵；事實上建築智慧化的關鍵技術，

也正是社區與城市具體而微的智慧化科技的應用展現。

1.智慧建築的模型結構

智慧建築的組成通常包括三大基本組成要素，即 BA、CA 和 OA。但更 重要的是應以資訊整合為核心，能夠連接所有與之相關的對象，並根據 需要綜合地相互作用，以實現整體的目標。最新的技術是將智慧大樓資 訊整合建立在建築物內部網 Intranet 的基礎上，通過 Web 服務器和瀏覽 器技術來實現整個網路上的資訊互動、綜合與共享，實現統一的人機界 面和跨平台的資料庫接取，因此，能夠做到區域和遠端資訊的即時監 控、綜合共享資訊資源、對全域事件作出快速效理和整體的科學管理。

智慧型大樓系統模型結構如圖 4.4 所示。[20]

圖 4.4 智慧建築系統模型結構

資料來源：韓朝等人，《智能建築的物業管理》，2008，北京清華大學出版社 如圖所示智慧建築的各子系統通過通信控制器與同樣連在區域網路 上的各伺服器和路由器等設備連接，從而來完成各子系統的控制。

2.系統構成與原理

大樓自動化控制系統(Building Automation System，BAS)、通訊自 動化系統(Communication Automation System，CAS)和辦公自動化系統 (Office Automation System，OAS) 是智慧建築三大基礎系統之一，透 過建立在自動化控制技術基礎之上的各類感測器和控制器，如感測器、

可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、變送器等，

感知建築物內的機電設備(被測對象)有關物理、化學性質的資訊。通過 佈線系統將資訊傳送至智能設備和控制中心，然後根據這些資訊進行分 析、歸類、處理、判斷，採用最優化的控制手段，對各系統設備進行集 中監控和管理。

建築自動化控制系統包含多個子系統，如空調制冷系統、供熱系 統、給排水系統、變配電系統、照明系統、電梯運行監控系統、安全監 控系統(含門禁)、消防監控系統和結構化綜合佈線系統等，進行整體化 優化的協調控制，從而實現建築物內的設備與建築環境全面監控與管 理，為使用者營造一個節能、安全、健康、便利與舒適的工作和生活環 境，為管理者提供方便的管理手段，為經營者減少能耗並降低管理成 本，為現代化物業管理提供堅實基礎。

三、無線射頻辨識(RFID)技術

RFID—般稱為電子標籤，是一種非接觸式的自動識別技術，是通過 射頻信號的空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸資訊傳遞並通過所 傳遞的資訊達到識別目的的技術。它無須識別系統與特定目標之間建立 機械或光學接觸，可自動識別目標對象並獲取相關資料，識別操作無須 人工介入，可操作於各種惡劣環境，有利於不同狀態下對各類物體進行

RFID—般稱為電子標籤，是一種非接觸式的自動識別技術，是通過 射頻信號的空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸資訊傳遞並通過所 傳遞的資訊達到識別目的的技術。它無須識別系統與特定目標之間建立 機械或光學接觸，可自動識別目標對象並獲取相關資料，識別操作無須 人工介入，可操作於各種惡劣環境，有利於不同狀態下對各類物體進行